內(nèi)嵌式sma電機(jī)的設(shè)計(jì)與建模
楊 凱，辜承林
（華中理工大學(xué)，湖北 武漢 430074）
摘 要：分析了傳統(tǒng)sma電機(jī)的不足，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的內(nèi)嵌式電機(jī)結(jié)構(gòu)。研制的樣機(jī)具有重鞋輕、輸出位移大、結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：形狀記憶合金；形狀記憶效應(yīng)；內(nèi)嵌式；電機(jī)
中圖分類號(hào)：tm301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2000)05-0007-03
1 引 言
隨著現(xiàn)代化工業(yè)特別是微型機(jī)器人和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)體積小、重量輕、大功率密度電機(jī)的需求與日劇增。然而傳統(tǒng)的伺服電機(jī)功率一重量比低，必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的地方，而且電機(jī)高速運(yùn)行后需有減速齒輪降低速度，致使傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)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(jī)，如記憶合金電機(jī)、壓電效應(yīng)電機(jī)、電致伸縮電機(jī)和磁致伸縮電機(jī)等。其中，壓電、電致伸縮和磁致伸縮電機(jī)反應(yīng)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(jiǎn)稱sma）電機(jī)輸出位移大，同時(shí)有較高的功率一重量比，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。
sma電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理及運(yùn)行控制方式均與傳統(tǒng)電機(jī)不同。它是利用sma材料獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)(簡(jiǎn)稱為sme)，輔以一定的偏動(dòng)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(dòng)元件，實(shí)現(xiàn)杌電能量的轉(zhuǎn)換，在這種意義上，仍稱其為電機(jī)。
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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(shí)，材料的屈服強(qiáng)度較底，施加外加應(yīng)力，產(chǎn)生塑性形變，去除應(yīng)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(fù)到它記憶的形狀。圖1是sma試樣長(zhǎng)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(shí)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?yàn)楹辖鹗亲栊栽钥梢岳弥苯蛹訜岬姆椒ㄊ蛊渖郎亍Ｒ话悖辖鹩袉纬毯碗p程之分。只在加熱時(shí)產(chǎn)生形狀恢復(fù)的為單程，加熱和冷卻均可產(chǎn)生形狀恢復(fù)的為雙程。單程sma的****可恢復(fù)形變和****形變恢復(fù)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(shí)際應(yīng)用中sma一般是單程的。無約束時(shí)，單程合金只能產(chǎn)生1次形狀恢復(fù)，冷卻無明顯變化，若要它循環(huán)動(dòng)作，必須加上偏動(dòng)裝置，使之產(chǎn)生預(yù)變形。侍統(tǒng)的sma電機(jī)，偏動(dòng)裝置為偏置彈簧或sma絲，前者為偏動(dòng)式，后者為差動(dòng)式。圖2是偏動(dòng)和差動(dòng)旋轉(zhuǎn)式sma電機(jī)式示意圖[3]。
可以看到，傳統(tǒng)的sma電機(jī)因?yàn)橹聞?dòng)和偏動(dòng)單元分離，結(jié)構(gòu)仍然不夠緊湊。這一不足形成了sma電機(jī)在微型化系統(tǒng)中進(jìn)～步應(yīng)用的瓶頸。基于這一點(diǎn)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(jī)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(shí)產(chǎn)生的彈性變形在斷電后自行恢復(fù)。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(yīng)速度。
3 彈性棒模型
主動(dòng)棒的行為是sma加熱冷卻循環(huán)時(shí)應(yīng)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(yīng)變的函數(shù)[4]。為簡(jiǎn)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?yàn)楹辖鹋c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(dòng)作順序是：
a．柔性棒從無外加應(yīng)力時(shí)開始。
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