内嵌式sma电机的设计与建模
杨 凯，辜承林
（华中理工大学，湖北 武汉 430074）
摘 要：分析了传统sma电机的不足，并在此基础上提出了一种新型的内嵌式电机结构。研制的样机具有重鞋轻、输出位移大、结构紧凑、控制简单等诸多优点。
关键词：形状记忆合金；形状记忆效应；内嵌式；电机
中图分类号：tm301 文献标识码：a 文章编号：1001-6848(2000)05-0007-03
1 引 言
随着现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、大功率密度电机的需求与日剧增。然而传统的伺服电机功率一重量比低，必须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。显然，它不能满足这一要求，人们研制出利用功能材料构成的新型电机，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[1]。
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，构成双程可逆致动元件，实现杌电能量的转换，在这种意义上，仍称其为电机。
2 工作原理
sma是一种特殊的功能材料，顾名思义，它具基金项目：国家自然科学基金资助项目(59877004)有记忆形状的能力。其物理本质是合金内部的相变结果。材料制作过程中，通过特定的冷热处理，记忆一定的形状。低温时，材料的屈服强度较底，施加外加应力，产生塑性形变，去除应力，变形亦保留。升高温度，合金发生相变，塑性形变消失，恢复到它记忆的形状。图1是sma试样长度及马氏体所占百分比与温度的关系曲线2。其中m、mf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。
因为合金是阻性元件，所以可以利用直接加热的方法使其升温。一般，合金有单程和双程之分。只在加热时产生形状恢复的为单程，加热和冷却均可产生形状恢复的为双程。单程sma的****可恢复形变和****形变恢复力都比双程的要大，加之单程合金有较高的循环使用寿命，所以实际应用中sma一般是单程的。无约束时，单程合金只能产生1次形状恢复，冷却无明显变化，若要它循环动作，必须加上偏动装置，使之产生预变形。侍统的sma电机，偏动装置为偏置弹簧或sma丝，前者为偏动式，后者为差动式。图2是偏动和差动旋转式sma电机式示意图[3]。
可以看到，传统的sma电机因为致动和偏动单元分离，结构仍然不够紧凑。这一不足形成了sma电机在微型化系统中进～步应用的瓶颈。基于这一点i在国外有关研究的基础上，提出了一种新型的结构：内嵌式。内嵌式sma电机的主要思路是，用硅橡胶取代偏置弹簧，在硅橡胶制成的弹性棒内嵌入ni- tisma线材，使棒体在通电时产生的弹性变形在断电后自行恢复。内嵌式结构紧凑，而且橡胶高分子材料能加快sma丝的冷却，提高反应速度。
3 弹性棒模型
主动棒的行为是sma加热冷却循环时应力平衡的结果，平衡方程可产生挠度函数，它是位置及sma转变应变的函数[4]。为简化分析，考虑如图3的弹性棒尺寸。sma平行于棒体轴线x3嵌入，距离该轴线d。sma加热收缩，因为合金与棒中心轴不重合，所以由两者表面剪力产生的弯矩可使棒体弯曲。第一次加热冷却循环的动作顺序是：
a．柔性棒从无外加应力时开始。
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