形状记忆合金电机研究与应用中的若干新发展

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1、形狀記憶合金電機研究與應用中的若干新發展杨 凯，辜承林(华中理工大学，湖北武汉430074)    摘要：概括了形状记忆合金的相变晶体学和热力学特性，并在此基础上介绍了形状记忆合金电机的结构、原理、驱动、控制和应用．综述了当前形状记忆合金电机的应用与研究中的若干热点，   关键词：形状记忆合金(SMA)，形状记忆效应(SME)，SMA电机   中图分类号：TM301   文献标识码：A   文章编号：1001-6848(2000)02-0032-04观代化工业，特别是微型机器人和计算机技术的飞速发展，对体积小、重量轻、高功率密度电机的需求与日剧增。传统伺服电机因为功率一重量比低，必须

2、安装在远离驱动点的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用要求。为此，人们研制了利用功能材料构成的各类新型电机，如记忆合金电机、压电效应电机、电致伸缩电机和磁致伸缩电机等。其中，压电、电致伸缩和磁致伸缩电机反应速度较快，但输出位移小，使用受到了一些限制。比较而言，形状记忆合金(简称SMA)电机输出位移大，同时有较高的功率一重量比，具有广阔的应用前景。     SMA电机的结构、原理及运行控制方式均与传统电机不同。它是利用SMA材料的独特的形状记忆效应(简称为SME)，辅以一定的偏动装置（弹簧或弹性体），通过特定的控制手段，构成双程可逆致动

3、元件，实现机电能量的转换。 1 SMA与SME   有一种特殊的金属材料，经适当的热处理后即具有回复形状的能力，这种材料被称为形状记忆合金，这种能力亦称为形状记忆效应。通常，SMA枉低温时产生塑性变形，温度升高后，克服塑性变形回复到所记忆的形状。研究表明，很多合金材料都具SME，但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的，才有利用价值。到目前为止，应用最多的是Ni-Ti合金和铜基合金(CuZnAI和CuAINi)。从合金相变的角度来看，SME的实质是SMA内部的热弹性马氏体相变，当母相过冷到马氏体相与母相化学自由能平衡温度丁。以下适当温度M.时，马氏体将长大，直到热化学

4、自由能和弹性非化学自由能两者之差最小时，马氏体的生长过程才告结束。同样，只有当马氏体过热到To以上温度A。时，在相变驱动力作用下，马氏体缩小的逆转变过程才能开始。       图1现实了相变特性及相变循环中的关关键点，其中M、Mr为马氏体相变的开始和结束时的温度，A。、Af为逆相变的起始和结束温度，人们通常用相变温度Af表征合金的特性。通常，SMA能够完全恢复的形变量可达百分之6～8（远非一般材料所能比拟），形变温度范围一般在-100～200℃之间，主要受合金成分及热处理制度等因素的影响。形状恢形状记忆合金电机研究与应用中的若干新发展杨凯辜承林复时会产生很大的回复力(有的高达200M

5、Pa)且机械特性有较大的变化。       图2给出了Ni-Ti合金在拉力作用下的应力一应变曲线。马氏体在较低的应力下就能产生塑性变形，而高温奥氏体具有很高的屈服应力。虚线表明，去除应力的马氏体经加热后转化为奥氏体，回复到它所记忆的形状，而奥氏体经形变后加热却没有类似的现象。大多数情况下SME是单程的，如果要得到往返运动，必须人为地使SMA在低温时产生塑性形变，所以实际应用中多用偏置弹簧与SMA配合使用。一些合金经过特殊的热处理和机械训练，也能具有双程的SME，即加热和冷却时都产生形状的变化。但与单程的SME相比，双程SME所产生的回复应变和形状回复力都要小一些。2基本结构和工作原理

6、   SMA电机由驱动元件和执行机构两部分组成。驱动元件即SMA材料，多为丝材、片材和管材，可根据需要做成不同形状、规格的驱动元件，常使用的有直线张力金属丝型、螺旋压缩弹簧型、螺旋拉伸弹簧型、悬臂弹簧型、盘状弹簧型、螺旋扭转弹簧型、扭转金属丝型和扭转金属管型等。传统的SMA电机，执行机构比较简单，有偏置式和推挽式两神。偏置式系统由SMA弹簧和偏动的普通拉伸弹簧组成，推挽式系统只是将偏置系统中的普通拉伸弹簧换成SMA弹簧。按电机的运动形式，其基本结构可分为直线位移型和旋转位移型。直线位移型的基本结构如图3所示，其中图3a为偏置式，   转动关节型电机的基本结构如图4所示，其中图4a为偏

7、置式，图4b为推挽式。    电机的运行原理是，对偏置式而言，加热SMA弹簧，相变发生，形状回复力克服弹簧拉力，产生动作。冷却时，SMA发生逆相变，此时，SMA弹簧很软，在拉伸弹簧的作用下，驱动器恢复到原来的位置。如此反复，可使电机输出位移。对推挽式而言，加热一侧SMA的同时，冷却另一侧的SMA，电机具有双向做功的能力。一般，推挽式比偏置式的输出功率大，能量转换效率高。   实际应用中的SMA电机，根据需要，其结构可以多种多样，但运行原理与以上介绍的两种单