一种机电转换装置转让专利
申请号 : CN200810152917.8
文献号 : CN101404465B
文献日 : 2010-10-20
发明人 : 张炜 , 李香龙 , 王海云 , 马原辉
申请人 : 河北工业大学
摘要 :
本发明公开了一种机电转换装置，包括壳体、电容动作机构、弹性复位机构和控制电路；壳体由装载壳体和底盖构成，在装载壳体中充有电介质溶液；电容动作机构包括定极板、动极板、输出轴；弹性复位机构为在壳体外输出轴上设置的复位弹簧；该装置可节约电能、经久耐用、制作简单、输出动力可调，是可反复使用的半永久性元件；定极板和动极板表面经冲压成散热片式条状电极，增大表面积达数十至上百倍；电极采用锥形四方棱角条形结构，提高了工作行程，极大地提高了单位体积的输出功率。采用高介电常数电介质液体，增大了电容器的电容值，该机构可部分替代现有的电磁继电器、接触器和电磁控制执行器等器件的电磁控制部分。
权利要求 :
1.一种机电转换装置，其特征是该装置包括壳体、电容动作机构、弹性复位机构和控制电路；
所述的壳体由装载壳体(2)和底盖(1)构成，装载壳体(2)与底盖(1)之间设有密封垫(23)由四个安装螺钉(19)固定；装载壳体(2)中充有电介质溶液(4)，在装载壳体(2)上设有两个引线孔(11)；
所述的电容动作机构包括定极板(3)、动极板(5)、输出轴(8)；输出轴(8)装接有定位键(27)，导向套(9)上的定位键槽(25)与输出轴(8)上的定位键(27)动配合连接，在输出轴(8)的底端装有用于动极板(5)的安装螺钉(29)；
所述的弹性复位机构为在壳体外段的输出轴(8)上设有的复位弹簧(6)，复位弹簧(6)的一端顶在壳体上，另一端由弹簧定位压盖(7)定位。
2.根据权利要求1所述的机电转换装置，其特征是：在所述的装载壳体(2)上部中心处下方设有导向套(9)，在该导向套内设有密封槽(26)，密封槽(26)内设有“O”型密封圈，在导向套(9)的下端部镶嵌有减振垫(24)，导向套(9)的上方壳体中心孔内侧设有一个壳体定位键槽(25)。
3.根据权利要求1所述的机电转换装置，其特征是：所述的定极板(3)和动极板(5)的表面上具有散热片式结构的四方棱角条状电极(31)。
4.根据权利要求1所述的机电转换装置，其特征是：所述的定极板(3)和动极板(5)上设有流液孔(34)，定极板(3)下部设有垫块(20)由螺钉(30)连接固定，底盖(1)和定极板(3)之间设有流液空间(21)。
5.根据权利要求1所述的机电转换装置，其特征是：所述的控制电路为装载壳体(2)的外部设有的直流电源(16)、转换装置的控制开关(13)、控制开关(13)上设有的接通触点(15)和断开触点(14)、断开触点(14)接有的电阻(17)、动极板引线(12)和定极板引线(18)；动极板引线(12)焊接在动极板(5)上；定级板引线(18)焊接在定极板(3)上，穿过装载壳体(2)上的引线孔(11)密封后与直流电源(16)相连接。
说明书 :
技术领域
本发明属于机电器件，具体为一种将电容器的静电能转换为机械能的机电转换装置。
背景技术
现有电气系统中的机电转换大都采用电磁转换方式，即完全是依靠电磁线圈产生的电磁能来实现的，如现有的继电器、交流接触器、电磁开关等电磁控制器和电磁执行器等。在长期的使用中人们发现这类电磁机电转换装置确确实实地存在着许多难以克服的弱点。首先，这种机电转换器电磁线圈的加工过程本身就存在着难度大、成本高的缺点，而且这种电磁线圈在使用过程中也暴露出了诸多的不足，如耗电多、不易修复、易烧毁、不能反复使用等等。这些缺点和不足，不仅大大地增加了生产成本和维护费用，也严重地影响了相关机电系统的正常运行。由于在现有的工业系统中，这类机电转换装置的应用领域和用量都特别大，因此所造成的损失和影响也是相当惊人的。而且更为令人遗憾的是有关这一难题的有效解决办法至今尚未有人提出。
发明内容
为了克服现有电磁机电转换方式存在着的加工难度大、成本高以及电磁线圈普遍存在着易烧毁、修复困难、不能反复使用等缺憾，本发明提供一种能够将电场能转换成机械能的机电转换装置。
经过长期和大量的科学推论和研究试验，本发明提出了一种全新的机电转换装置设计思维，就是力求采用电场能来替代现有机电转换装置中的电磁能，换句话说，就是用一种动态的电容器来取代现有的电磁转换机构。
本发明的总体技术方案是：该机电转换装置的核心部件包括一套电容动作机构和一套弹性复位机构，当然也需要包括壳体和相应的辅助机构。
本发明的具体设计方案是：该装置的壳体是由绝缘材料制成的装载壳体和底盖构成，装载壳体与底盖之间由四个螺钉固定，在装载壳体中充有电介质溶液；在装载壳体外部连接有直流电源和控制开关。
在所述的装载壳体圆心处下方设有导向套，在该导向套内的导向孔中的密封槽内设有“O”型密封圈，在导向套的下端部镶嵌有减振垫。
所述的电容动作机构包括有金属材料制成的定极板和动极板、绝缘材料制成的输出轴；输出轴与动极板由螺钉连接，在装载壳体的外壁上设有穿线孔，动极板与定极板的引线焊接后穿过穿线孔与开关相连。
所述的弹性复位机构为在壳体外段的输出轴上设有的复位弹簧(压簧)，复位弹簧的一端顶在壳体上，另一端由弹簧定位压盖固定。
上述技术方案虽然是一种全新的设计，但是，其基点是能够找到一种单位体积输出功率大的高介电常数材料，但是在现有技术中要想寻求到单独依靠理想材料几乎是不可能的，以下是相关的理论分析。
众所周知，电容器的电容计算公式为式中ε为介质的介电常数，S为极板的有效面积，d为两极板间的距离。大家知道当给定极板和动极板加以直流电压时，动极板在电场力F的作用下将向定极板移动，此时电场能E的变化为：
从上式中可知要想增大做功能力：其一是提高工作电压，电压提高不利于产品的普及和推广；其二是增大电容器的电容值，也就是增大电极板有效界面面积S和减小两极板间距d的值。就是说电容式机电转换装置要想做到实用化，就得在有效面积S和两极板间距d上进行研究。
即便是利用现有材料制备电容器并产生静电场，再将其电场能转换为机械能，这些方法充其量也顶多只能是作为试验时的一种演示，是根本无法制造出具有应用意义的工业产品的。而且在这个环节中，即便是采用了静电电动机其设计也只能在高电压、微型功率的特殊场所中应用。虽然随着科学技术的发展，新的高介电常数材料的出现，使这种电容式机电转换装置可以实现产品化，但是，单独依靠目前已有高介电常数材料研究开发还远远不能满足这一需要。
在此，本发明采用的是另外一种方式，就是利用新的高介电常数材料和特殊的几何形状设计两者结合予以实现的。为了实现本发明的实用性，本发明的立足点就在于千方百计地加大定极板和动极板的三维有效界面面积。最简单和有效的方案是采用冲压或压铸成型的工艺将定极板和动极板加工成散热片式结构，电极加工成锥形四方棱角条状结构，这样可大大地提高极板的界面间表面积和工作行程。
本发明的优点是在一定范围内完成已有电磁式机电转换的功能。该转换装置可节约电能、功率因数高、经久耐用、制作简单、输出动力可调，是可反复修使用的半永久性元件。由于采用高介电常数的电介质液体和特殊的三维几何形状，极大地提高了单位体积的输出功率，缩小了装置的体积，实现了装置的实用化。此外，在动极板和定极板上设有流液孔，减小了动极板运动时电介质液体对其产生的阻力；还设有流液空间以减小液体流动阻力和减少气泡产生，并且提高了动极板的运动速度；开、断型开关的设置解决了电容器放电问题，同时也加速了输出轴的复位速度；由于设置了减震垫，可以防止碰击损害电极板，提高了元件的使用寿命；壳体和底盖处采用螺钉安装，可进行拆装、维修、补充电介质液体，为装配和维修带来方便；所采用的电容器原理，只有在接通电源瞬间用电，并且介质损耗极小，工作时几乎不耗电，可以节约电能。定极板和动极板采用散热片式结构，电极采用锥形四方棱角条状结构是为了增大有效界面表面积，增大界面表面积达原有面积的数十倍至上百倍，进而增大了电容器的电容值，提高了装置的输出功率。定极板和动极板非工作面涂有绝缘层，以减少电介质损耗。
附图说明：
图1机电转换装置原理图
图2壳体部分结构图
图3动极板与连杆结构图
图4底盖部分结构图
图5动极板和定极板主视图
图6极板上导电电极三视图
图7动极板和定极板俯视图
图中标号：
1、底盖 2、壳体 3、定极板 4、介质液体 5、动极板 6、复位弹簧
7、压盖 8、输出轴 9、导向套 10、焊点 11、引线孔 12、动极板引线
13、开关 14、断开触点 15接通触点 16、直流电源17、电阻18、定极板引线
19、固定螺钉 20、垫块 21、流液空间 22、接口 23、密封垫 24、减振垫
25、定位键槽 26、密封槽 27、定位键 28、焊口 29、安装螺钉 30、螺钉
31、条状电极 32、电极端部 33、棱角 34、流液孔
经过长期和大量的科学推论和研究试验，本发明提出了一种全新的机电转换装置设计思维，就是力求采用电场能来替代现有机电转换装置中的电磁能，换句话说，就是用一种动态的电容器来取代现有的电磁转换机构。
本发明的总体技术方案是：该机电转换装置的核心部件包括一套电容动作机构和一套弹性复位机构，当然也需要包括壳体和相应的辅助机构。
本发明的具体设计方案是：该装置的壳体是由绝缘材料制成的装载壳体和底盖构成，装载壳体与底盖之间由四个螺钉固定，在装载壳体中充有电介质溶液；在装载壳体外部连接有直流电源和控制开关。
在所述的装载壳体圆心处下方设有导向套，在该导向套内的导向孔中的密封槽内设有“O”型密封圈，在导向套的下端部镶嵌有减振垫。
所述的电容动作机构包括有金属材料制成的定极板和动极板、绝缘材料制成的输出轴；输出轴与动极板由螺钉连接，在装载壳体的外壁上设有穿线孔，动极板与定极板的引线焊接后穿过穿线孔与开关相连。
所述的弹性复位机构为在壳体外段的输出轴上设有的复位弹簧(压簧)，复位弹簧的一端顶在壳体上，另一端由弹簧定位压盖固定。
上述技术方案虽然是一种全新的设计，但是，其基点是能够找到一种单位体积输出功率大的高介电常数材料，但是在现有技术中要想寻求到单独依靠理想材料几乎是不可能的，以下是相关的理论分析。
众所周知，电容器的电容计算公式为式中ε为介质的介电常数，S为极板的有效面积，d为两极板间的距离。大家知道当给定极板和动极板加以直流电压时，动极板在电场力F的作用下将向定极板移动，此时电场能E的变化为：
从上式中可知要想增大做功能力：其一是提高工作电压，电压提高不利于产品的普及和推广；其二是增大电容器的电容值，也就是增大电极板有效界面面积S和减小两极板间距d的值。就是说电容式机电转换装置要想做到实用化，就得在有效面积S和两极板间距d上进行研究。
即便是利用现有材料制备电容器并产生静电场，再将其电场能转换为机械能，这些方法充其量也顶多只能是作为试验时的一种演示，是根本无法制造出具有应用意义的工业产品的。而且在这个环节中，即便是采用了静电电动机其设计也只能在高电压、微型功率的特殊场所中应用。虽然随着科学技术的发展，新的高介电常数材料的出现，使这种电容式机电转换装置可以实现产品化，但是，单独依靠目前已有高介电常数材料研究开发还远远不能满足这一需要。
在此，本发明采用的是另外一种方式，就是利用新的高介电常数材料和特殊的几何形状设计两者结合予以实现的。为了实现本发明的实用性，本发明的立足点就在于千方百计地加大定极板和动极板的三维有效界面面积。最简单和有效的方案是采用冲压或压铸成型的工艺将定极板和动极板加工成散热片式结构，电极加工成锥形四方棱角条状结构，这样可大大地提高极板的界面间表面积和工作行程。
本发明的优点是在一定范围内完成已有电磁式机电转换的功能。该转换装置可节约电能、功率因数高、经久耐用、制作简单、输出动力可调，是可反复修使用的半永久性元件。由于采用高介电常数的电介质液体和特殊的三维几何形状，极大地提高了单位体积的输出功率，缩小了装置的体积，实现了装置的实用化。此外，在动极板和定极板上设有流液孔，减小了动极板运动时电介质液体对其产生的阻力；还设有流液空间以减小液体流动阻力和减少气泡产生，并且提高了动极板的运动速度；开、断型开关的设置解决了电容器放电问题，同时也加速了输出轴的复位速度；由于设置了减震垫，可以防止碰击损害电极板，提高了元件的使用寿命；壳体和底盖处采用螺钉安装，可进行拆装、维修、补充电介质液体，为装配和维修带来方便；所采用的电容器原理，只有在接通电源瞬间用电，并且介质损耗极小，工作时几乎不耗电，可以节约电能。定极板和动极板采用散热片式结构，电极采用锥形四方棱角条状结构是为了增大有效界面表面积，增大界面表面积达原有面积的数十倍至上百倍，进而增大了电容器的电容值，提高了装置的输出功率。定极板和动极板非工作面涂有绝缘层，以减少电介质损耗。
附图说明：
图1机电转换装置原理图
图2壳体部分结构图
图3动极板与连杆结构图
图4底盖部分结构图
图5动极板和定极板主视图
图6极板上导电电极三视图
图7动极板和定极板俯视图
图中标号：
1、底盖 2、壳体 3、定极板 4、介质液体 5、动极板 6、复位弹簧
7、压盖 8、输出轴 9、导向套 10、焊点 11、引线孔 12、动极板引线
13、开关 14、断开触点 15接通触点 16、直流电源17、电阻18、定极板引线
19、固定螺钉 20、垫块 21、流液空间 22、接口 23、密封垫 24、减振垫
25、定位键槽 26、密封槽 27、定位键 28、焊口 29、安装螺钉 30、螺钉
31、条状电极 32、电极端部 33、棱角 34、流液孔
具体实施方式
本发明的具体实施结构设计如图1、2、3和4所示：该机电转换装置包括壳体、电容动作机构、弹性复位机构和控制电路。所述的壳体由绝缘材料制成的装载壳体2和底盖1构成，装载壳体2与底盖1之间有密封垫23由四个螺钉19固定；在装载壳体2中充有电介质液体4，在装载壳体2外部连接有直流电源16和电容器控制开关13和释放电荷的电阻17；该电容器控制开关13控制转换装置工作以及关断时释放电容器存储的电荷，在控制开关13上还设有接通触点15和断开触点14。在所述的装载壳体2圆心处下方设有导向套9，在该导向套9内的导向孔中的密封槽26内设有“O”型密封圈，在导向套9的下端部镶嵌有减振垫24；导向套9上方设有壳体定位键槽25。所述的电容动作机构包括定极板3、动极板5、输出轴8；输出轴8装接有定位键27，定位键27与导向套9上的定位键槽25动配合连接，动极板5和输出轴8用安装螺钉29固定，动极板5焊接有引线12，10为焊点，引线12穿过引线孔11与开关13连接；定极板3与底盖1间设有流液空间21，定极板3下部设有四个垫块20由螺钉30固定在定极板上，引线18焊接在定极板3上，经壳体上的引线孔11引出，进行密封处理后连接到直流电源16的一端；输出轴8与弹簧定位环压盖7采用特殊焊接方式连接，28为焊口；所述的弹性复位机构为在壳体外段的输出轴8上设有的复位弹簧6，复位弹簧6的一端顶在壳体上，另一端由弹簧定位压盖7定位。
所述的定极板3和动极板5采用四方锥体条状电极31，尖部是球面形电极端部32，并设有棱角33，如图5和6所示。
所述的定极板3和动极板5上设有流液孔34；图7是本发明的定极板和动极板的俯视图：图中示意在条状电极31的交线处设有圆形通孔为流液孔34，设置流液孔34和流液空间21是为了减小动极板运动时电介质液体对其产生的阻力，进而加快动极板5的往复运动速度，并减少气泡的产生，提高装置的使用寿命和质量。
有效面积是按如下方法增大的：采用冲压方法将金属制成的定极板3和动极板5冲压成锥形四方棱角条状电极31，进一步增大了极板与电介质液体的界面接触的有效使用面积，增加长度方向的工作行程。定极板和动极板的非工作面的涂有绝缘层，以减小极板对之间的介电损耗。
本发明的工作原理：图2、3、4按次序组装后，壳体倒置，注入电介质溶液4至壳体内边缘处。在底盖1和装载壳体2间设有接口22涂以密封胶使之密封好，再加装密封垫23后由安装螺钉19与壳体连接。在弹簧的弹力作用下，动极板5与减振垫24紧密接触。工作时控制开关13与接通触点15接通，给定极板3和动极板5充电，在电场力的作用下，由于定极板3固定，动极板5克服弹簧弹力被吸向定极板3方向，动极板5移动至弹簧压紧定位压盖7限位位置；当开关关断时，控制开关13与断开触点14接通，将存储在转换装置电容器内的电荷经由电阻17释放掉，由于两极板间的电压为零，进而电场力为零，输出轴8和动极板5在复位弹簧6的弹力作用下复位，完成一个工作周期。动极板是依靠壳体上的定位键槽25与输出轴8上的定位键27动配合连接的，输出轴8的往复工作可对外部输出机械能，进而实现了电能至机械能的转换。
本发明的技术原理可制成继电器，在接通瞬间，消耗极少的电能。断开开关与电源的同时，将储存在装置内的电荷由电阻释放掉。由于断点的触点接触电阻与释放电阻之和远小于几千欧姆，而时间常数τ＝RC，电容器C值只有1×10-6法拉数量级，因此放电过程非常短，在瞬间即可完成。释放电阻可以限制释放电流过大，以减小电流对电极板的损害。由于开通瞬间电容器充电功率损耗极小，完全可以忽略不计，因此可以节约电能百分之九十五以上。由于继电器是长时间使用的用电器件，节电效果显著，无烧毁现象发生。制成的电控执行器通过调节直流电源电压的高低，进而实现控制力和位移的大小，尤其适合自动控制系统中的电气自动控制执行器。制成的电容弹簧可调节弹力和位移的大小，克服了现有螺旋弹簧的弹力大小不可调节等缺点。由于采用可拆装的螺纹安装结构，可反复拆装使用，属于半永久性器件。该设计的推广和应用，将会取得重大的经济和社会效益。
所述的定极板3和动极板5采用四方锥体条状电极31，尖部是球面形电极端部32，并设有棱角33，如图5和6所示。
所述的定极板3和动极板5上设有流液孔34；图7是本发明的定极板和动极板的俯视图：图中示意在条状电极31的交线处设有圆形通孔为流液孔34，设置流液孔34和流液空间21是为了减小动极板运动时电介质液体对其产生的阻力，进而加快动极板5的往复运动速度，并减少气泡的产生，提高装置的使用寿命和质量。
有效面积是按如下方法增大的：采用冲压方法将金属制成的定极板3和动极板5冲压成锥形四方棱角条状电极31，进一步增大了极板与电介质液体的界面接触的有效使用面积，增加长度方向的工作行程。定极板和动极板的非工作面的涂有绝缘层，以减小极板对之间的介电损耗。
本发明的工作原理：图2、3、4按次序组装后，壳体倒置，注入电介质溶液4至壳体内边缘处。在底盖1和装载壳体2间设有接口22涂以密封胶使之密封好，再加装密封垫23后由安装螺钉19与壳体连接。在弹簧的弹力作用下，动极板5与减振垫24紧密接触。工作时控制开关13与接通触点15接通，给定极板3和动极板5充电，在电场力的作用下，由于定极板3固定，动极板5克服弹簧弹力被吸向定极板3方向，动极板5移动至弹簧压紧定位压盖7限位位置；当开关关断时，控制开关13与断开触点14接通，将存储在转换装置电容器内的电荷经由电阻17释放掉，由于两极板间的电压为零，进而电场力为零，输出轴8和动极板5在复位弹簧6的弹力作用下复位，完成一个工作周期。动极板是依靠壳体上的定位键槽25与输出轴8上的定位键27动配合连接的，输出轴8的往复工作可对外部输出机械能，进而实现了电能至机械能的转换。
本发明的技术原理可制成继电器，在接通瞬间，消耗极少的电能。断开开关与电源的同时，将储存在装置内的电荷由电阻释放掉。由于断点的触点接触电阻与释放电阻之和远小于几千欧姆，而时间常数τ＝RC，电容器C值只有1×10-6法拉数量级，因此放电过程非常短，在瞬间即可完成。释放电阻可以限制释放电流过大，以减小电流对电极板的损害。由于开通瞬间电容器充电功率损耗极小，完全可以忽略不计，因此可以节约电能百分之九十五以上。由于继电器是长时间使用的用电器件，节电效果显著，无烧毁现象发生。制成的电控执行器通过调节直流电源电压的高低，进而实现控制力和位移的大小，尤其适合自动控制系统中的电气自动控制执行器。制成的电容弹簧可调节弹力和位移的大小，克服了现有螺旋弹簧的弹力大小不可调节等缺点。由于采用可拆装的螺纹安装结构，可反复拆装使用，属于半永久性器件。该设计的推广和应用，将会取得重大的经济和社会效益。