第４６卷 第６期 ２０１３正 ６月 藏ｔ和 ＭＩＣＲ０ＭＯＴ０ＲＳ Ｖｏ１．４６．Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２０１３ 形状记忆合金电机发展现状及应用 周钦沅 （工业和信息化部电子第四研究院，北京１００００７） 摘要：形状记忆合金电机具有机械性能高、体积小、重量轻等特点，可作为驱动元件应用在小尺寸的机械装置 中。本文介绍了形状记忆合金电机的基本原理及结构，对其优缺点和研制现状进行了详细分析，并给出了形状记忆 合金电机的应用领域与未来发展方向。 关键词：形状记忆合金（ＳＭＡ）；形状记忆合金电机 中图分类号：ＴＭ３５９．９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—６８４８（２０１３）０６—００８３—０４ Ｔｈｅ Ｒｅｃｅｎｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ Ａｃｔｕａｔｏｒ ＺＨＯＵ Ｑｉｎｙｕａｎ （Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅ￣ｉｉｎｇ １００００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ ａｃｔｕａｔｏｒ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ，ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇｈｔ，ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ ａｓ ａ ｄｒｉｖｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ ｐａ・ ｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ ａｃｔｕａｔｏｒ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ ａｃｔｕａｔｏｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ａ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ ａｃｔｕａｔｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ（ＳＭＡ）；ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ ａｃｔｕａｔｏｒ ０ 引 言 随着现代工业，特别是微型机器人和计算机技 变形，达到屈服极限，材料发生塑性变形，应力消 除后会留下永久形变。而形状记忆合金在发生塑性 变形后，加热到某个温度之上时能够恢复到变形之 前的形状，这种现象称为形状记忆效应。形状记忆 合金的金相结构在常温下为马氏体状态，当加热到 相变温度之后成为奥氏体状态（如图１），当温度下 术的飞速发展，人们对微观领域的探索不断加深， 研究发展适于微型区域的驱动元件日渐重要，对体 积小、重量轻、高功率密度电机的需求与日剧增。 传统电磁式电机由于存在电磁干扰以及重量、体积 等方面的局限性，很难满足这些特殊的需要。为此， 人们研制了利用功能材料构成的各类新型电机，如 形状记忆合金电机、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。比较而言，形状记忆合金（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ 温度 ——Ａｌｌｏｙ，ＳＭＡ）电机输出时，在相变驱动力作用下，马 氏体缩小的逆转变过程位移大 ｊ，同时有较高的功 率一重量比，具有广阔的应用前景。 图１形状记忆合金效应 ％马氏体…．％形变 １形状记忆合金电机的基本原理及基 本结构 一降到相变温度以下时又回到马氏体状态。如果在马 氏体状态下将形状记忆合金加工成一定的形状，然 后将其加热到相变温度以上，将使形状记忆合金记 住该形状。形状记忆合金在低于金属相转变温度时， 般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性 收稿日期：２０１３—０２—２３ 作者简介：周钦沅（１９８１），男，硕士，工程师，主要从事微特电机标准化方面工作。ｚｈｏｕｑｙ＠ｃｅｓｉ．ａｃ．ｃａ ・８ ・ 徽＇Ｉ｝机 ４６卷 呈原有形状，当温度达到或超过转变温度时，形状 记忆合金自动变化成记忆形状，同时产生较大的回 复力，这样可输出一定的驱动力或位移，这就是利 ２ 形状记忆合金电机的优点 与传统基于电磁原理的电机相比，形状记忆合 金电机具有以下优点： （１）输出功率／重量比大，质量越小，优势越明 显，适宜制造微型机械。 用形状记忆效应的驱动机理 Ｊ。简而言之，形状记 忆合金电机就是利用了热弹性马氏体相变的一种低 温变形，高温回复的特性。 形状记忆合金电机通常由驱动元件和执行机构 两部分组成。驱动元件即形状记忆合金材料，多为 丝材、片材和管材，可根据需要做成不同形状、规 （２）机构简单，形状记忆合金电机可以通过合 金的热弹性马氏体相变直接输出力和位移，不需要 任何减速机构。 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。 传统的形状记忆合金电机结构比较简单，有单 向型和双向型两种。多数形状记忆合金电机利用了 形状记忆合金的单程形状记忆效应，即温度升高时 产生形状回复，温度降低时无形状变化。若要电机 产生双程往复运动，需要借助偏动或差动装置重新 进行预变形。 单向型形状记忆合金电机只能完成单方向运 动，多为一次性动作。它直接利用形状记忆合金 的单程形状记忆效应，由形状记忆合金和简单辅 助元件构成。按照合金相变理论，用马氏体相变 开始温度 、马氏体相变结束温度 、马氏体 逆相变开始温度Ａ ，马氏体逆相变结束温度Ａ 描 述形状记忆合金的相变行为。经过处理，形状记 忆合金记忆了一定形状，温度升高到Ａ 后，形状 记忆合金电机回复到记忆位形，温度保持在‘４ 上，电机不再发生变化。回复过程中，若受到外 界约束，则电机输出回复力。 双向型形状记忆合金电机如图２所示。由安装 在同一支架上的形状记忆合金弹簧和不锈钢弹簧组 成。在加热过程中形状记忆合金弹簧推动不锈钢弹 簧，在冷却过程中的形状记忆合金弹簧回缩，而不 锈钢弹簧输出回复力，同时带动机构，如此反复便 可向实现电机双轴向运动 。 图２双向型形状记忆合金电机 （３）无污染和噪音，由于采用形状记忆合金驱 动不需要减速齿轮这样的摩擦机械，使电机可以在 不产生磨屑和噪音的状态下工作。 （４）传感功能，利用形状记忆合金自身物理参 数的变化，可以监测到温度的变化和相变的发展过 程，并可以进一步获悉输出力的大小，由于将驱动 与传感功能集于一身，形状记忆合金不需要附加力 和温度传感器就可实现反馈控制。 （５）低压驱动，可采用５ Ｖ以下电源加热驱动 形状记忆合金，这比压电和静电电机的电源电压要 低得多，这样控制与驱动电路可以采用同一个低压 电源 。 形状记忆合金电机具有独特的优点及良好的性 能，随着对其设计理论及控制的研究不断的深入， 形状记忆合金电机得到了快速的发展，应用领域日 益广阔。 ３形状记忆合金电机的应用 ３．１在医学领域的应用 形状记忆合金电机在医学领域的应用极为广泛。 外科医生对病人手术前要探测人体内的情况，如内 窥镜检查。常规的内窥镜需要施加外力进入人体， 病人很痛苦，操作技术要求高。而使用形状记忆合 金电机制作的微型内窥镜可以很方便地进入体内进 行诊断，甚至可以对体内的病变进行微创外科手术， 病人痛苦小。 目前，科学家们已研制成功一种采用形状记忆 合金电机制作的主动式内窥镜，该内窥镜长２１５ ｍｍ，外径为１３ １１１１３＂１，形状记忆合金电机直径为１ ｍｍ。内窥镜主动部分由５个主动弯曲关节组成，每 个关节中在不同方向安装了形状记忆合金电机，关 节的弯曲形状确定弯曲方向，这样就可以实现无损 伤、无疼痛的内窥镜检查。采用形状记忆合金电机 制作的主动式导尿管，有３根直径为１５０１．ｚｍ的形状 记忆合金电机，这些电机在通电加热时收缩，冷却 ６期 周钦沅：形状记忆合金电机发展现状及应用 ・８５・ 后恢复原来的长度，通过对形状记忆合金电机施加 不同的电压，可以控制导尿管向各个方向拐弯 Ｊ。 ３．２在海床检测和军事上的应用 日本研制开发的用于海床检测并能行走的 形状记忆合金电机机器人。它有６条腿，是模仿螃 蟹设计的。机器人的“肌肉”由形状记忆合金元件构 成。借助电流来加热，依靠周围海水来冷却，控制 脉冲电流就能使机器人在海底平滑移动。该机器人 能以２５０ ｍｍ／ｓ速度移动。美国海军与美国马萨公司 等合作也研制成功了类似的这种机器人。机器人８ 条腿和它的形状记忆合金“肌肉”能够产生像真的螃 蟹腿一样的动作。该机器人总长６１ ｃｍ，高４６ ｃｍ， 有８条腿和２个钳子。其对称的夹钳能起到液动控 制舵的作用，也能承载用于水雷销毁的传感器和少 量炸药。 ４ 形状记忆合金电机设计研究发展 现状 形状记忆合金电机的性能与形状记忆合金材料 的性能直接相关，早在１９８６年，日本早稻田大学对 Ｎｉ—ｒｒｉ形状记忆合金电机进行了研究，但由于当时形 状记忆合金材料本身的性能水平所限，他们没有建 立起一套完整的形状记忆合金电机设计理论。在随 后的２０多年里，对形状记忆合金材料的改进和探索 一直是国内外热点之一，随着研究的不断深入，材 料性能逐渐提升，形状记忆合金电机的研究和应用 也在稳步发展，现已成功在医疗、过热保护、管接 头、航空航天、机器人、家用电器和汽车等领域中 得到了实用 。 目前，世界上许多工业发达国家如美、日、加 等都在加大形状记忆合金电机研究方面的投入力度。 主要着眼于从机械手、机器人关节、手爪的驱动以 及人体内疏浚、起搏器的致动等传统电磁式电机不 能很好胜任或者根本无力涉及的应用领域。研究成 果以美国居多，其中美国航空航天局（ＮＡＳＡ）、得克 萨斯Ａ＆Ｍ大学、加利福尼亚大学伯克利分校、斯坦 福大学等居领先位置。国内的大连理工大学、华南 理工大学、沈阳自动化研究所、四川联合大学、哈 尔滨工业大学、上海交通大学和华中科技大学等一 些高校和科研机构也做了一些应用研究工作。 因形状记忆合金材料的回复力受控于电流大小， 动作连续柔和，形状记忆合金电机非常适宜用于模 拟生物体的肌肉动作，因此在目前的研究重点在相 关仿生机器的制造上。美国东北大学的仿生七腮鳗 和仿生龙虾、美国佛罗里达工业大学的仿生机械蝙 蝠（如图３所示）、美国新泽西大学的拟人单指和意 大利微型工程研究中心的仿生蚯蚓，中国科学技术 大学的仿生鱼、浙江大学的仿生蚯蚓和清华大学的 四足步行机器人等都是利用形状记忆合金电机驱动 的仿生机器。 图３ 美国研制的机械蝙蝠采用 形状记忆合金电机驱动四肢关节 美国新泽西州立大学研制了模拟人类手指的单 指样机。机器由铝制成，指长约９ｃｍ，直径约 １．６ｃｍ，采用直径为２５０ｔｘｍ的形状记忆合金丝驱动， 能够提供５３．４Ｎ的驱动力，指尖输出力为６．６７Ｎ， 消耗功率１４．５Ｗ。 浙江大学研制的仿生蚯蚓采用形状记忆合金电 机驱动，形状记忆合金弹簧丝的直径为７５ Ｉｘｍ，固 定于单元的两端，由形状记忆合金电机的伸缩模拟 蚯蚓爬行时单元的动作过程，从而实现仿生蚯蚓的 爬行运动。仿生蚯蚓的每一个单元均由形状记忆合 金弹簧、连接件和弹性硅橡胶外壳组成。当形状记 忆合金弹簧通人电流时，弹簧收缩，压缩硅橡胶外 壳，仿生蚯蚓身体的一部分收缩；当收缩达到最大 时，断开电流，弹性硅橡胶外壳与形状记忆合金弹 簧恢复到初始状态。仿生蚯蚓质量为１．２ ｇ，能够爬 上４５。的斜坡，所获得的最大静推动力约为８．３ ｍＮ， 在平面上的最高爬行速度可达２．５ ｍｍ／ｓ，在４５。的 斜坡上最大爬行速度可达１．４３ ｍｍ／ｓ。 ５形状记忆合金电机发展展望 ５．１形状记忆合金电机目前主要存在的问题 （１）运行效率低 根据卡诺热效率公式，形状记忆合金电机的理 论能量效率仅能达到１０％，由于形状记忆合金电机 的驱动原理，可以等同为一个热的发动机工作在低 温环境下，能量耗散时刻在发生。目前的形状记忆 合金电机的效率通常在１％以下。因此，形状记忆 合金不能应用于强调能源效率的场合 Ｊ。 （２）使用寿命受形变范围制约 形状记忆合金电机的寿命在很大程度上取决于 形状记忆合金材料的特性和形变幅度，幅度越大寿 ・８６・ 截＇ｌ｝机 ４６卷 命越短。如果电机的设计寿命超过１０ 次重复周期， 则形状记忆合金材料的形变幅度要小于２％。如果 寿命需要达到１０ 次，则形变幅度应小于１％。 （３）响应速度慢 以揭示形状记忆合金相变一温度一应力一应变的内 在联系，为驱动和传感元件的设计提供依据，实现 多向量最优控制，是形状记忆合金电机研究方向和 发展的重要内容。 由于电加热可以使温度迅速上升，但是冷却过 程却难以控制，使形状记忆合金的相应速度较慢， ６ 结语 形状记忆合金电机具有许多传统电磁原理电机 难以企及的优点，是新型电机发展的一个方向，随 了形状记忆合金电机在高频场合中的应用。形 状记忆合金的另一个缺点是迟滞现象，这给形状记 忆合金电机的连续控制带来了一定的难度。 ５．２ 形状记忆合金电机需要进一步研究的课题 着综合学科的不断进步，特别是热力学、材料、机 械加工等学科的迅速发展，形状记忆合金将具有更 加广泛的应用空间和发展前景，其市场价值也将得 到极大提升。 形状记忆合金电机的出现为电机的多样性提供 了一条新的的思路，但从理论、设计、控制技术还 有许多的工作需要进一步研究。 （１）新型材料的研究。目前形状记忆合金电机 大多以Ｎｉ—Ｔｉ合金制成，这种材料具有稳定性高、 参考文献 ［１］杨凯，辜承林．形状记忆合金电机的研究与应用［Ｊ］．微特电 机，２００１，３３（２）：１６—１９． 耐蚀性强、抗疲劳性及记忆性能好等特点，但成本 较高，不利于批量生产，大大了形状记忆合金 电机的普及。因此，尽快寻找替代材料是决定形状 记忆合金电机能否商业化的重要因素，如果可以通 ［２］ Ａｄｅｌａｉｄｅ Ｎｅｓｐｏｌｉ，Ｓｔｅｆａｎｏ Ｂｅｓｓｅｇｈｉｎｉ，Ｓｉｍｏｎｅ Ｐｉｔｔａｃｃｉｏ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙｓ ｉｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｍｅ— ｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ：Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ Ｍｉｎｉ－ａｃｔｕａｔｏｒｓ ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｍ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，２０１０，１５８：１４９－１６０． ［３］Ｄｕｔｔａ ＳＭ，Ｇｈｏｒｂｅｌ Ｆ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｈｙｓｔｅｒｉｃｓ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａ Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ Ｗｉｒｅ Ａｃｔｕａｔｏｒ［ｃ］．ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ Ｔｒａｎｓ．ＭＥＣＨ， ２００５：１８９－１９７． 过材料学和晶体学的角度解决上述问题，对降低形 状记忆合金电机成本，拓宽形状记忆合金电机的应 用范围将产生深远影响。 （２）电机的建模和精确控制研究。形状记忆合 金电机动态参数受到其结构设计、材料特性、工作 温度的影响而表现出很强的非线性，这些非线性特 ［４］ 唐苏亚．非电磁原理微电机的应用前景展望［Ｊ］．微电机， ２００７，４０（２）：７０—７４． ［５］杨杰，吴月华．形状记忆合金及其应用［Ｍ］．北京：中国科学 技术大学出版社，１９９３：３－９． 征的存在使得研究者很难建立一个准确的数学模型 来精确描述电机的动、静态特性，当前，国内外的 学者们正积极发展新的测试技术和热力学分析方法， ［６］ （日）舟久保，熙康．形状记忆合金［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９９２：１４３．１４＿４． （上接第５６页） 研制，模型仿真与实物设计能够相互配合，加快研 制进度，提高产品性能。经试验检验，该实时仿真 平台运行稳定可靠，实时陛强，具有工程应用价值。 电光与控制，２０１１，１８（６）：７５—７８． ［３］ 苗立东．ｘＰＣ目标驱动程序开发中的关键问题研究［Ｊ］．计算机 工程，２００９，３５（１９）：２３９—２４１． ［４］ 吴小役，王斌翊，李长红，等．基于ｘＰＣ的ＰＭＳＭ控制系统虚 拟测试技术研究［Ｊ］．系统仿真学报，２００７，１９（７）： １５５１．１５５３． 参考文献 ［１］刘兴中，唐德宇，郑自伟，等．一种舵机控制系统设计［Ｊ］．微 电机，２０１１，４４（５）：５７—６０． ［５］李钟明，刘卫国．稀土永磁电机［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９９９． ［２］侯虹，郭栋，李建军．一种数字无刷电动舵机的原理建模ｆＪ］． ［６］ 李中键，杜娟．ｘＰＣ驱动程序开发及在无人机仿真中的应用 ［Ｊ］．计算机测量与控制，２００９，１７（３）：５９０—５９２．
