專利名稱：一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)電器件，具體為一種將電容器的靜電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。
技術(shù)背景現(xiàn)有電氣系統(tǒng)中的機(jī)電轉(zhuǎn)換大都采用電磁轉(zhuǎn)換方式，即完全是依靠電磁線圈產(chǎn)生的電磁 能來實(shí)現(xiàn)的，如現(xiàn)有的繼電器、交流接觸器、電磁開關(guān)等電磁控制器和電磁執(zhí)行器等。在長(zhǎng) 期的使用中人們發(fā)現(xiàn)這類電磁機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置確確實(shí)實(shí)地存在著許多難以克服的弱點(diǎn)。首先， 這種機(jī)電轉(zhuǎn)換器電磁線圈的加工過程本身就存在著難度大、成本高的缺點(diǎn)，而且這種電磁線 圈在使用過程中也暴露出了諸多的不足，如耗電多、不易修復(fù)、易燒毀、不能反復(fù)使用等等。 這些缺點(diǎn)和不足，不僅大大地增加了生產(chǎn)成本和維護(hù)費(fèi)用，也嚴(yán)重地影響了相關(guān)機(jī)電系統(tǒng)的 正常運(yùn)行。由于在現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)中，這類機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置的應(yīng)用領(lǐng)域和用量都特別大，因此 所造成的損失和影響也是相當(dāng)驚人的。而且更為令人遺憾的是有關(guān)這一難題的有效解決辦法 至今尚未有人提出。發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有電磁機(jī)電轉(zhuǎn)換方式存在著的加工難度大、成本高以及電磁線圈普遍存在著 易燒毀、修復(fù)困難、不能反復(fù)使用等缺憾，本發(fā)明提供一種能夠?qū)㈦妶?chǎng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī) 電轉(zhuǎn)換裝置。經(jīng)過長(zhǎng)期和大量的科學(xué)推論和研究試驗(yàn)，本發(fā)明提出了一種全新的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)思 維，就是力求采用電場(chǎng)能來替代現(xiàn)有機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置中的電磁能，換句話說，就是用一種動(dòng)態(tài) 的電容器來取代現(xiàn)有的電磁轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的總體技術(shù)方案是該機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置的核心部件包括一套電容動(dòng)作機(jī)構(gòu)和一套彈 性復(fù)位機(jī)構(gòu)，當(dāng)然也需要包括殼體和相應(yīng)的輔助機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的具體設(shè)計(jì)方案是該裝置的殼體是由絕緣材料制成的裝載殼體和底蓋構(gòu)成，裝 載殼體與底蓋之間由四個(gè)螺釘固定，在裝載殼體中充有電介質(zhì)溶液；在裝載殼體外部連接有 直流電源和控制開關(guān)。在所述的裝載殼體圓心處下方設(shè)有導(dǎo)向套，在該導(dǎo)向套內(nèi)的導(dǎo)向孔中的密封槽內(nèi)設(shè)有 "o"型密封圈，在導(dǎo)向套的下端部鑲嵌有減振墊。所述的電容動(dòng)作機(jī)構(gòu)包括有金屬材料制成的定極板和動(dòng)極板、絕緣材料制成的輸出軸； 輸出軸與動(dòng)極板由螺釘連接，在裝載殼體的外壁上設(shè)有穿線孔，動(dòng)極板與定極板的引線焊接 后穿過穿線孔與開關(guān)相連。所述的彈性復(fù)位機(jī)構(gòu)為在殼體外段的輸出軸上設(shè)有的復(fù)位彈簧(壓簧)，復(fù)位彈簧的一端 頂在殼體上，另一端由彈簧定位壓蓋固定。上述技術(shù)方案雖然是一種全新的設(shè)計(jì)，但是，其基點(diǎn)是能夠找到一種單位體積輸出功率 大的高介電常數(shù)材料，但是在現(xiàn)有技術(shù)中要想尋求到單獨(dú)依靠理想材料幾乎是不可能的，以 下是相關(guān)的理論分析。眾所周知，電容器的電容計(jì)算公式為C-^，式中C為介質(zhì)的介電常數(shù)，S為極板的有效面積，d為兩極板間的距離。大家知道當(dāng)給定極板和動(dòng)極板加以直流電壓時(shí)，動(dòng)極板在電 場(chǎng)力F的作用下將向定極板移動(dòng)，此時(shí)電場(chǎng)能E的變化為<formula>formula see original document page 4</formula>從上式中可知要想增大做功能力其一是提高工作電壓，電壓提高不利于產(chǎn)品的普及和 推廣；其二是增大電容器的電容值，也就是增大電極板有效界面面積S和減小兩極板間距d 的值。就是說電容式機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置要想做到實(shí)用化，就得在有效面積S和兩極板間距d上進(jìn) 行研究。即便是利用現(xiàn)有材料制備電容器并產(chǎn)生靜電場(chǎng)，再將其電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，這些方法 充其量也頂多只能是作為試驗(yàn)時(shí)的一種演示，是根本無法制造出具有應(yīng)用意義的工業(yè)產(chǎn)品 的。而且在這個(gè)環(huán)節(jié)中，即便是采用了靜電電動(dòng)機(jī)其設(shè)計(jì)也只能在高電壓、微型功率的特殊 場(chǎng)所中應(yīng)用。雖然隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的高介電常數(shù)材料的出現(xiàn)，使這種電容式機(jī)電轉(zhuǎn) 換裝置可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，但是，單獨(dú)依靠目前已有高介電常數(shù)材料研究開發(fā)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足 這一需要。在此，本發(fā)明采用的是另外一種方式，就是利用新的高介電常數(shù)材料和特殊的幾何形狀 設(shè)計(jì)兩者結(jié)合予以實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)用性，本發(fā)明的立足點(diǎn)就在于千方百計(jì)地加 大定極板和動(dòng)極板的三維有效界面面積。最簡(jiǎn)單和有效的方案是采用沖壓或壓鑄成型的工藝 將定極板和動(dòng)極板加工成散熱片式結(jié)構(gòu)，電極加工成錐形四方棱角條狀結(jié)構(gòu)，這樣可大大地 提高極板的界面間表面積和工作行程。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在一定范圍內(nèi)完成已有電磁式機(jī)電轉(zhuǎn)換的功能。該轉(zhuǎn)換裝置可節(jié)約電 能、功率因數(shù)高、經(jīng)久耐用、制作簡(jiǎn)單、輸出動(dòng)力可調(diào)，是可反復(fù)修使用的半永久性元件。 由于采用高介電常數(shù)的電介質(zhì)液體和特殊的三維幾何形狀，極大地提高了單位體積的輸出功 率，縮小了裝置的體積，實(shí)現(xiàn)了裝置的實(shí)用化。此外，在動(dòng)極板和定極板上設(shè)有流液孔，減 小了動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)時(shí)電介質(zhì)液體對(duì)其產(chǎn)生的阻力；還設(shè)有流液空間以減小液體流動(dòng)阻力和減少 氣泡產(chǎn)生，并且提高了動(dòng)極板的運(yùn)動(dòng)速度；開、斷型開關(guān)的設(shè)置解決了電容器放電問題，同 時(shí)也加速了輸出軸的復(fù)位速度；由于設(shè)置了減震墊，可以防止碰擊損害電極板，提高了元件 的使用壽命；殼體和底蓋處釆用螺釘安裝，可進(jìn)行拆裝、維修、補(bǔ)充電介質(zhì)液體，為裝配和 維修帶來方便；所采用的電容器原理，只有在接通電源瞬間用電，并且介質(zhì)損耗極小，工作 時(shí)幾乎不耗電，可以節(jié)約電能。定極板和動(dòng)極板采用散熱片式結(jié)構(gòu)，電極采用錐形四方棱角 條狀結(jié)構(gòu)是為了增大有效界面表面積，增大界面表面積達(dá)原有面積的數(shù)十倍至上百倍，進(jìn)而 增大了電容器的電容值，提高了裝置的輸出功率。定極板和動(dòng)極板非工作面涂有絕緣層，以 減少電介質(zhì)損耗。


圖l機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置原理2殼體部分結(jié)構(gòu)3動(dòng)極板與連桿結(jié)構(gòu)4底蓋部分結(jié)構(gòu)5動(dòng)極板和定極板主視6極板上導(dǎo)電電極三視7動(dòng)極板和定極板俯視圖 圖中標(biāo)號(hào)1、底蓋2、殼體3、定極板4、介質(zhì)液體5、動(dòng)極板6、復(fù)位彈簧7、壓蓋8、輸出軸9、導(dǎo)向套10、焊點(diǎn)11、引線孔12、動(dòng)極板引線13、開關(guān)14、斷開觸點(diǎn)15接通觸點(diǎn)16、直流電源17、電阻18、定極板引線19、固定螺釘20、墊塊21、流液空間22、接口 23、密封墊24、減振墊25、定位鍵槽26、密封槽27、定位鍵28、焊口 29、安裝螺釘30、螺釘31、條狀電極32、電極端部33、棱角34、流液孔具體實(shí)施方式
本發(fā)明的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1、 2、 3和4所示該機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置包括殼體、電容動(dòng) 作機(jī)構(gòu)、彈性復(fù)位機(jī)構(gòu)和控制電路。所述的殼體由絕緣材料制成的裝載殼體2和底蓋1構(gòu)成， 裝載殼體2與底蓋1之間有密封墊23由四個(gè)螺釘19固定；在裝載殼體2中充有電介質(zhì)液體 4，在裝載殼體2外部連接有直流電源16和電容器控制開關(guān)13和釋放電荷的電阻17;該電 容器控制開關(guān)13控制轉(zhuǎn)換裝置工作以及關(guān)斷時(shí)釋放電容器存儲(chǔ)的電荷，在控制開關(guān)13上還 設(shè)有接通觸點(diǎn)15和斷開觸點(diǎn)14。在所述的裝載殼體2圓心處下方設(shè)有導(dǎo)向套9,在該導(dǎo)向 套9內(nèi)的導(dǎo)向孔中的密封槽26內(nèi)設(shè)有"O"型密封圈，在導(dǎo)向套9的下端部鑲嵌有減振墊 24;導(dǎo)向套9上方設(shè)有殼體定位鍵槽25。所述的電容動(dòng)作機(jī)構(gòu)包括定極板3、動(dòng)極板5、輸 出軸8;輸出軸8裝接有定位鍵27，定位鍵27與導(dǎo)向套9上的定位鍵槽25動(dòng)配合連接，動(dòng) 極板5和輸出軸8用安裝螺釘29固定，動(dòng)極板5焊接有引線12， IO為焊點(diǎn)，引線12穿過 引線孔11與開關(guān)13連接；定極板3與底蓋1間設(shè)有流液空間21，定極板3下部設(shè)有四個(gè)墊 塊20由螺釘30固定在定極板上，引線18焊接在定極板3上，經(jīng)殼體上的引線孔ll引出， 進(jìn)行密封處理后連接到直流電源16的一端；輸出軸8與彈簧定位環(huán)壓蓋7采用特殊焊接方 式連接，28為焊口；所述的彈性復(fù)位機(jī)構(gòu)為在殼體外段的輸出軸8上設(shè)有的復(fù)位彈簧6，復(fù) 位彈簧6的一端頂在殼體上，另一端由彈簧定位壓蓋7定位。所述的定極板3和動(dòng)極板5采用四方錐體條狀電極31，尖部是球面形電極端部32，并 設(shè)有棱角33，如圖5和6所示。所述的定極板3和動(dòng)極板5上設(shè)有流液孔34;圖7是本發(fā)明的定極板和動(dòng)極板的俯視圖 圖中示意在條狀電極31的交線處設(shè)有圓形通孔為流液孔34，設(shè)置流液孔34和流液空間21 是為了減小動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)時(shí)電介質(zhì)液體對(duì)其產(chǎn)生的阻力，進(jìn)而加快動(dòng)極板5的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度， 并減少氣泡的產(chǎn)生，提高裝置的使用壽命和質(zhì)量。有效面積是按如下方法增大的采用沖壓方法將金屬制成的定極板3和動(dòng)極板5沖壓成 錐形四方棱角條狀電極31，進(jìn)一步增大了極板與電介質(zhì)液體的界面接觸的有效使用面積，增 加長(zhǎng)度方向的工作行程。定極板和動(dòng)極板的非工作面的涂有絕緣層，以減小極板對(duì)之間的介 電損耗。本發(fā)明的工作原理圖2、 3、 4按次序組裝后，殼體倒置，注入電介質(zhì)溶液4至殼體內(nèi) 邊緣處。在底蓋1和裝載殼體2間設(shè)有接口22涂以密封膠使之密封好，再加裝密封墊23后 由安裝螺釘19與殼體連接。在彈簧的彈力作用下，動(dòng)極板5與減振墊24緊密接觸。工作時(shí) 控制開關(guān)13與接通觸點(diǎn)15接通，給定極板3和動(dòng)極板5充電，在電場(chǎng)力的作用下，由于定 極板3固定，動(dòng)極板5克服彈簧彈力被吸向定極板3方向，動(dòng)極板5移動(dòng)至彈簧壓緊定位壓 蓋7限位位置；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，控制開關(guān)13與斷開觸點(diǎn)14接通，將存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)換裝置電容器內(nèi)的電荷經(jīng)由電阻17釋放掉，由于兩極板間的電壓為零，進(jìn)而電場(chǎng)力為零，輸出軸8和動(dòng) 極板5在復(fù)位彈簧6的彈力作用下復(fù)位，完成一個(gè)工作周期。動(dòng)極板是依靠殼體上的定位鍵 槽25與輸出軸8上的定位鍵27動(dòng)配合連接的，輸出軸8的往復(fù)工作可對(duì)外部輸出機(jī)械能， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電能至機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的技術(shù)原理可制成繼電器，在接通瞬間，消耗極少的電能。斷開開關(guān)與電源的同 時(shí)，將儲(chǔ)存在裝置內(nèi)的電荷由電阻釋放掉。由于斷點(diǎn)的觸點(diǎn)接觸電阻與釋放電阻之和遠(yuǎn)小于幾千歐姆，而時(shí)間常數(shù)r-i C，電容器C值只有l(wèi)xlO"法拉數(shù)量級(jí)，因此放電過程非常短，在瞬間即可完成。釋放電阻可以限制釋放電流過大，以減小電流對(duì)電極板的損害。由于開通 瞬間電容器充電功率損耗極小，完全可以忽略不計(jì)，因此可以節(jié)約電能百分之九十五以上。 由于繼電器是長(zhǎng)時(shí)間使用的用電器件，節(jié)電效果顯著，無燒毀現(xiàn)象發(fā)生。制成的電控執(zhí)行器 通過調(diào)節(jié)直流電源電壓的高低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制力和位移的大小，尤其適合自動(dòng)控制系統(tǒng)中的 電氣自動(dòng)控制執(zhí)行器。制成的電容彈簧可調(diào)節(jié)彈力和位移的大小，克服了現(xiàn)有螺旋彈簧的彈 力大小不可調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)。由于采用可拆裝的螺紋安裝結(jié)構(gòu)，可反復(fù)拆裝使用，屬于半永久性 器件。該設(shè)計(jì)的推廣和應(yīng)用，將會(huì)取得重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
權(quán)利要求
1、一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，其特征是該裝置包括殼體、電容動(dòng)作機(jī)構(gòu)、彈性復(fù)位機(jī)構(gòu)和控制電路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，其特征是所述的殼體由裝載殼體(2)和底蓋(1)構(gòu)成，裝載殼體(2)與底蓋(1)之間設(shè)有密封墊(23)由四個(gè)安裝螺釘(19)固定； 裝載殼體(2)中充有電介質(zhì)溶液(4)，在裝載殼體(2)上設(shè)有兩個(gè)引線孔(11)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，其特征是在所述的裝載殼體(2)圓心處下 方設(shè)有導(dǎo)向套(9)，在該導(dǎo)向套內(nèi)設(shè)有密封槽(26)，密封槽(26)內(nèi)設(shè)有"0"型密封圈， 在導(dǎo)向套(9)的下端部鑲嵌有減振墊(24)，導(dǎo)向套(9)的上方設(shè)有殼體定位鍵槽(25)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，其特征是所述的電容動(dòng)作機(jī)構(gòu)包括定極板(3)、 動(dòng)極板(5)、輸出軸(8);輸出軸(8)裝接有定位鍵(27)，導(dǎo)向套(9)上的定位鍵槽(25) 與輸出軸(8)上的定位鍵(27)動(dòng)配合連接，在輸出軸(8)的底端裝有用于動(dòng)極板(5)的安 裝螺釘(29)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，其特征是所述的定極板(3)和動(dòng)極板(5) 的表面上具有散熱片式結(jié)構(gòu)的四方棱角條狀電極(31)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2和4所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，其特征是所述的定極板(3)和動(dòng)極板 (5)上設(shè)有流液孔(34)，定極板(3)下部設(shè)有墊塊(20)由螺釘(30)連接固定，底蓋(1 )和定極板(3)之間設(shè)有流液空間(21)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，其特征是所述的彈性復(fù)位機(jī)構(gòu)為在殼體外段 的輸出軸(8)上設(shè)有的復(fù)位彈簧(6)，復(fù)位彈簧(6)的一端頂在殼體上，另一端由彈簧定 位壓蓋(7)定位。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，其特征是所述的控制電路為裝載殼體(2) 的外部設(shè)有的直流電源(16)、轉(zhuǎn)換裝置的控制開關(guān)(13)、控制開關(guān)(13)上設(shè)有的接通觸 點(diǎn)(15)和斷開觸點(diǎn)(14)、斷開觸點(diǎn)(14)接有的電阻(17)、動(dòng)極板引線(12)和定極板 引線(18);引線(12)焊接在動(dòng)極板(5)上；引線(18)焊接在定極板(3)上，穿過裝載 殼體(2)上的引線孔(11)密封后與直流電源(16)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，包括殼體、電容動(dòng)作機(jī)構(gòu)、彈性復(fù)位機(jī)構(gòu)和控制電路；殼體由裝載殼體和底蓋構(gòu)成，在裝載殼體中充有電介質(zhì)溶液；電容動(dòng)作機(jī)構(gòu)包括定極板、動(dòng)極板、輸出軸；彈性復(fù)位機(jī)構(gòu)為在殼體外輸出軸上設(shè)置的復(fù)位彈簧；該裝置可節(jié)約電能、經(jīng)久耐用、制作簡(jiǎn)單、輸出動(dòng)力可調(diào)，是可反復(fù)使用的半永久性元件；定極板和動(dòng)極板表面經(jīng)沖壓成散熱片式條狀電極，增大表面積達(dá)數(shù)十至上百倍；電極采用錐形四方棱角條形結(jié)構(gòu)，提高了工作行程，極大地提高了單位體積的輸出功率。采用高介電常數(shù)電介質(zhì)液體，增大了電容器的電容值，該機(jī)構(gòu)可部分替代現(xiàn)有的電磁繼電器、接觸器和電磁控制執(zhí)行器等器件的電磁控制部分。
文檔編號(hào)H02N1/00GK101404465SQ20081015291
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月11日
發(fā)明者煒 張, 李香龍, 王海云, 馬原輝 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)