收稿日期:20011020

基金项目:国家自然科学基金资助项目(59877004)

综 述

形状记忆合金电机的研究与应用

杨 凯,辜承林

(华中科技大学,武汉430074)

Some New Progress on the Research and Application of the Shape Memory Alloy Actuator

Y ANG Kai,GU Cheng -lin

(Huazhong University of Science,Wuhan 430074,China)

摘 要:概括了形状记忆合金的相变晶体学和热力学特性,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;形状记忆效应;形状记忆合金电机中图分类号:TM 304 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2001)06-0016-04

Abstract:In this paper,the general characteristics and thermo -mechanical behavior of shape memory alloy are described.At the same ti me,the configuration,operation principle and application of shape memory alloy actuator are explained.At the end of this article,some latest progress on the research of the actuator is also presented.

Keywords:shape memory alloy;shape memory effect;SMA ac -tuator

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、高功率密度电机的需求与日剧增。传统伺服电机因为功率-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来降低速度,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。形状记忆合金(Shape Memory Alloy 简称为SMA)电机输出位移较大,同时有较高的功率-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(shape memory effect 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,实现机电能量的转换。

1SMA 与SME

有一类特殊的金属材料,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 在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,很多合金材料都具有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,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni-Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。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T 0以下适当温度M s 时,马氏体将长大,直到热化学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T 0以上温度A s 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显示了相变特性及相变循环中的关键点,其中:M s ,M f 为马氏体相变的开始和结束时的温度,A s ,A f 为逆相变的起始和结束温度。人们通常用相变温度A f 表征合金的特性。通常,SMA 能够完全恢复的形变量可达6%-8%(远非一般材料所能比拟),它的形变温度范围一般在-100e ~200e 之间,主要受合金成份及热处理制度等因素影响。形状恢复时会产生很大的回复力(有的高达200MPa)

且机械图1 相变温度曲线

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-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,

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微特电机 2001年第6期