形状记忆合金丝致动器新型电热方法及其建模与实验研究

　　0　引言

　　形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)因其独特的形状记忆效应和超弹性特性,被广泛应用于航空航天、医疗、自动化与土木工程等领域[1-3]。利用其形状记忆效应而设计的SMA致动器因功率质量比大、结构简单、无需传动装置、无噪声等优点,近年来在机器人和智能变形飞行器等研究领域倍受青睐[4-6]。在SMA板、丝、簧、管等致动元件中,以SMA丝的输出力最大(正应力高达500MPa),且其输出变形量也比较可观(轴向可回复应变高达6%以上),因而SMA丝成为高性能SMA致动器的首选元件。

　　SMA丝致动器的热驱动方式主要有外部热流驱动方式和内部电热驱动方式两种[7]。通常,当SMA丝丝径较小时,采用直接对SMA丝通电加热的方法比较现实可行,但当SMA丝丝径较大时,由于电阻很小,难以通过直接对SMA丝通电的方式实现快速加热,因此,常采用外部热流驱动方式进行加热,但这种方式严重依赖于对流传热(如采用气体加热,传热速率较低;而采用液体加热,附加结构复杂且能量利用率又太低),而且由于丝径较大,沿径向的温度梯度也会比较大。

　　为解决较粗SMA丝致动器热驱动难的问题,本文提出一种新型复合电热驱动技术,即将漆包线密集缠绕在SMA丝外,给漆包线和SMA丝同时通电加热,利用漆包线与SMA丝之间的热传导和局部小孔隙中的热对流以及SMA丝自身电加热来共同实现对SMA丝致动器的快速高效电热驱动。

　　1　新型电热方法及其热力学模型

　　1.1　新型电热方法

　　如图1所示,较细的铜芯漆包线密集缠绕在较粗的SMA丝外,漆包线和SMA丝同时通电加热,“内外夹击”,实现较粗SMA丝的快速加热升温。如在漆包线与SMA丝相接触的孔隙内填充导热硅脂等介质,还可加强二者的热交换能力,更利于提高SMA丝的加热升温速率。

　　1.2　热平衡方程

　　SMA丝与漆包线都具有内热源,二者之间既有热传导,也有对流传热,还有辐射传热,且漆包线外层还与周围环境空气发生对流传热。这是一个结构特殊且影响因素较多的复杂热力学过程,要建立十分精确的热力学模型比较困难。一种解决思路是通过有限元等方法进行近似数值计算;还有一种方法是通过适当假设,推导其简化理论模型。简化理论模型更有助于深刻理解和把握各参数对系统热驱动特性的影响规律,利于进行相关参数的优化设计,并且可作为驱动器系统动力学和温度控制的理论推导依据。因此,本文将通过适当地假设简化来推导驱动器热力学理论模型,并与实验进行对比验证。

　　漆包线与SMA丝之间的热交换情况尽管比较复杂,但漆包线与SMA丝的温度均大约在100℃以内,热辐射的作用比较小,因此,占主导作用的是二者之间接触面上的热传导和通过孔隙间介质进行的对流传热,如图2所示。