[发明专利]一种变螺旋形状记忆合金旋转电机

说明书

技术领域

本发明涉及形状记忆合金电机的技术领域，特别涉及一种形状记忆合金螺旋驱动的旋转电机。

背景技术

很多机构或系统需要非连续旋转、输出转角一定的扭矩动力输出装置，如航天器中太阳能电池板的展开（转角一般在180°以内）、自适应机翼的翼型和攻角控制、旋翼机中桨叶的扭转控制等等。目前这种扭矩动力输出装置多采用涡卷弹簧或传统电机，涡卷弹簧展开过程中存在冲击、不易控制，而传统电机由于需要减速装置、电控等多种因素，导致结构复杂。

形状记忆合金（shape memory alloys，简称SMA）是一种新型智能材料，这种材料具有形状记忆效应和较高的功重比，并且驱动简单、控制方便，已经作为驱动元件得到了广泛的应用。

发明内容

本发明针对非连续旋转、输出一定扭矩和转角等应用条件，提供了一种由形状记忆合金螺旋驱动的旋转电机。

本发明采用的技术方案为：一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，该旋转电机包括：电机基座、电机外罩、轴承、输出轴、形状记忆合金螺旋、螺旋固定夹具、紧定螺钉、连接螺栓、电源等；其中，形状记忆合金螺旋一端通过紧定螺钉与输出轴连接，另一端通过固定夹具与电机基座连接，输出轴通过轴承安装在电机基座上，电机基座与电机外罩组成整个电机的支架和外壳。

其中，所述的形状记忆合金螺旋高温下通过热处理手段定形为中径尺寸为D的螺旋，低温下被加工为中径尺寸为d的螺旋，高温下螺旋与低温下螺旋的中径尺寸满足D＞d，且高温下的螺旋与低温下的螺旋具有相同的高度，螺旋两端分别通过输出轴上的紧定螺钉和螺旋固定夹具固定。

其中，所述的输出轴一侧加工凸台，凸台上加工螺纹，供安装紧定螺钉使用，凸台开有微小细缝，供形状记忆合金螺旋穿过；通过紧定螺钉挤压穿过细缝的形状记忆合金螺旋实现固定；输出轴一端开有键槽，用于扭矩输出。

其中，所述的螺旋固定夹具通过螺钉固定在基座上，固定夹具包括两个L型板，一个作为承力挡板，另一个板上加工螺纹并且安装紧定螺钉，通过紧定螺钉挤压形状记忆合金螺旋实现固定。

其中，所述的电机基座与电机外罩通过螺栓连接，两者之间形成轴承座用于安装轴承，并且在一侧开有导线引出孔；电机基座上加工机械接口，用于电机的安装固定。

其中，所述的形状记忆合金螺旋采用电流分段加热，在形状记忆合金螺旋中平均设置多个加热段，每一段螺旋都布置加热导线和控制开关，电机工作时，通过电路控制单元依次接通每一段螺旋的控制开关，每两段螺旋的控制开关接通的时间间隔为每一段螺旋的作动时间，据此实现顺次加热、顺次作动；此外，也可通过在形状记忆合金螺旋外侧缠绕加热带实现加热。

其中，所述的形状记忆合金与输出轴和固定夹具连接处，均通过粘贴聚酰亚胺胶带实现绝缘隔离。

其中，所述的形状记忆合金螺旋，其输出转角可精确计算，高温下中径尺寸为D、圈数为N、高度为H、低温下中径尺寸为d、形状记忆合金丝直径为r的形状记忆合金螺旋在从低温加热到高温的过程中，输出的转角α为：

本发明的原理在于

本发明采用形状记忆合金螺旋作为驱动机构，该形状记忆合金螺旋高温下定形为中径尺寸较大的螺旋，安装在电机中时被加工为中径尺寸较小的螺旋；形状记忆合金螺旋的一端通过夹具固定在电机基座上，另一端通过紧定螺钉与输出轴连接，输出轴通过轴承固定在电机基座上；电机工作时，对形状记忆合金螺旋通电加热，由于形状记忆效应，螺旋回复到高温下中径较大的尺寸，在此过程中，形状记忆合金螺旋的运动端作旋转运动，带动输出轴转动，同时输出转角和扭矩。

对本发明的应用而言，形状记忆材料的“形状记忆效应”是指：材料在高温下定形为某一形状后，在某一低温下被施加应力变形，卸载后其变形不能完全回复留有残余变形。但是只要对其加热到某个较高温度之上，则残余变形消失，回复到原来高温下的形状，表现为“记忆较高温度下的形状”，且回复过程中产生一定回复应力和位移。

针对非连续旋转、输出一定转角和扭矩等应用条件，本发明与现有的技术相比，具有结构简单、控制方便、作动过程无冲击、输出转角和扭矩数值精确、能量利用效率高、功率密度大等特点，具体表现在以下几个方面：

（1）、本机构采用形状记忆合金螺旋作为驱动元件，且形状记忆合金螺旋运动端直接与输出轴连接，无需传统电机中的减速机构、传动机构等装置，结构更加简单，且避免了传动过程中的能量损耗，极大地提高了能量利用效率。