內(nèi)嵌式sma電機的設計與建模
楊 凱，辜承林
（華中理工大學，湖北 武漢 430074）
摘 要：分析了傳統(tǒng)sma電機的不足，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的內(nèi)嵌式電機結(jié)構(gòu)。研制的樣機具有重鞋輕、輸出位移大、結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單等諸多優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：形狀記憶合金；形狀記憶效應；內(nèi)嵌式；電機
中圖分類號：tm301 文獻標識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)05-0007-03
1 引 言
隨著現(xiàn)代化工業(yè)特別是微型機器人和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，對體積小、重量輕、大功率密度電機的需求與日劇增。然而傳統(tǒng)的伺服電機功率一重量比低，必須安裝在遠離驅(qū)動點的地方，而且電機高速運行后需有減速齒輪降低速度，致使傳動系統(tǒng)復雜，結(jié)構(gòu)累贅。顯然，它不能滿足這一要求，人們研制出利用功能材料構(gòu)成的新型電機，如記憶合金電機、壓電效應電機、電致伸縮電機和磁致伸縮電機等。其中，壓電、電致伸縮和磁致伸縮電機反應速度較快，但輸出位移小，使用受到了一些限制。比較而言，形狀記憶合金（簡稱sma）電機輸出位移大，同時有較高的功率一重量比，具有廣闊的應用前景[1]。
sma電機的結(jié)構(gòu)、原理及運行控制方式均與傳統(tǒng)電機不同。它是利用sma材料獨特的形狀記憶效應(簡稱為sme)，輔以一定的偏動裝置（彈簧或彈性體），通過特定的控制手段，構(gòu)成雙程可逆致動元件，實現(xiàn)杌電能量的轉(zhuǎn)換，在這種意義上，仍稱其為電機。
2 工作原理
sma是一種特殊的功能材料，顧名思義，它具基金項目：國家自然科學基金資助項目(59877004)有記憶形狀的能力。其物理本質(zhì)是合金內(nèi)部的相變結(jié)果。材料制作過程中，通過特定的冷熱處理，記憶一定的形狀。低溫時，材料的屈服強度較底，施加外加應力，產(chǎn)生塑性形變，去除應力，變形亦保留。升高溫度，合金發(fā)生相變，塑性形變消失，恢復到它記憶的形狀。圖1是sma試樣長度及馬氏體所占百分比與溫度的關(guān)系曲線2。其中m、mf為馬氏體相變的開始和結(jié)束時的溫度，a。、af為逆相變的起始和結(jié)束溫度，人們通常用相變溫度af表征合金的特性。
因為合金是阻性元件，所以可以利用直接加熱的方法使其升溫。一般，合金有單程和雙程之分。只在加熱時產(chǎn)生形狀恢復的為單程，加熱和冷卻均可產(chǎn)生形狀恢復的為雙程。單程sma的****可恢復形變和****形變恢復力都比雙程的要大，加之單程合金有較高的循環(huán)使用壽命，所以實際應用中sma一般是單程的。無約束時，單程合金只能產(chǎn)生1次形狀恢復，冷卻無明顯變化，若要它循環(huán)動作，必須加上偏動裝置，使之產(chǎn)生預變形。侍統(tǒng)的sma電機，偏動裝置為偏置彈簧或sma絲，前者為偏動式，后者為差動式。圖2是偏動和差動旋轉(zhuǎn)式sma電機式示意圖[3]。
可以看到，傳統(tǒng)的sma電機因為致動和偏動單元分離，結(jié)構(gòu)仍然不夠緊湊。這一不足形成了sma電機在微型化系統(tǒng)中進～步應用的瓶頸。基于這一點i在國外有關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的結(jié)構(gòu)：內(nèi)嵌式。內(nèi)嵌式sma電機的主要思路是，用硅橡膠取代偏置彈簧，在硅橡膠制成的彈性棒內(nèi)嵌入ni- tisma線材，使棒體在通電時產(chǎn)生的彈性變形在斷電后自行恢復。內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)緊湊，而且橡膠高分子材料能加快sma絲的冷卻，提高反應速度。
3 彈性棒模型
主動棒的行為是sma加熱冷卻循環(huán)時應力平衡的結(jié)果，平衡方程可產(chǎn)生撓度函數(shù)，它是位置及sma轉(zhuǎn)變應變的函數(shù)[4]。為簡化分析，考慮如圖3的彈性棒尺寸。sma平行于棒體軸線x3嵌入，距離該軸線d。sma加熱收縮，因為合金與棒中心軸不重合，所以由兩者表面剪力產(chǎn)生的彎矩可使棒體彎曲。第一次加熱冷卻循環(huán)的動作順序是：
a．柔性棒從無外加應力時開始。
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