电驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（6）温度控制

272151979 发表于 2024-11-20 18:05

<div class='showpostmsg'>【前言】

形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、钛镍记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，经过多道工序制成的丝，我们简称钛丝，可以通过电路驱动钛丝发生运动。

相比于传统的电机、电磁铁动力，钛丝是一种新型的动力元件。

钛丝驱动技术目前已经在航空航天、洲际导弹、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。

本文通过分享、普及钛丝驱动技术的可靠性设计，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效的转化为科技成果。

第6节 【温度控制】

我们们回顾《财哥说钛丝》的视频和本文第2节中提到的，钛丝通过通电加热，当温度达到某个值时，发生明显的收缩和位移，对应的温度即为钛丝的相变温度。

钛丝的相变温度是个范围值，且存在逆向滞后的现象。

例如相变温度是100°的钛丝，他的实际驱动过程是：

从95°上升到115°完成完整的位移驱动（大约20°的温度区间）

从105°下降到85°完成完整的位移恢复（大约20°的温度区间）

这里钛丝的加热驱动和冷却恢复的过程，均是在严格的温度区间触发的，这个温度区间，有时候会被附近的结构、元件及电流大小等因素干扰，导致出现受热不均、温度不够或温度超标等现象。

为了避免上述现象，保障钛丝驱动的稳定运行，钛丝的温度控制也是相当重要的一环，我们结合实际应用过程中出现的一些问题，给出以下几种情况和建议：

<ol>
<li align="left" >【安全间隙】</li>
</ol>

我们产品的驱动机构结构设计过程中，一定要考虑到钛丝的发热和散热的情况。

我们建议除了钛丝两端的金属片和执行机构接触，其他区域尽量悬空，悬空距离在0.3-1.0mm。

<ol start="2">
<li align="left" >【转轴损失】</li>
</ol>

采用带转轴的驱动机构，需要考虑转轴给钛丝带来的驱动位移和温度损失。

因在结构设计过程中，驱动机构采用了金属转轴和钛丝中间接触，在我们给钛丝加热的过程中就可能会出现钛丝两端温度达到了100°的驱动温度，而中间只有70°，导致钛丝没有收缩驱动，造成了驱动位移量不足的现象。

例如规格：∅0.15mm，长度100mm，绕过∅5mm的轴，损失了约4mm的有效驱动长度，这根钛丝长度100mm，实际发生有效驱动的长度是96mm。

  

在未能找到这个问题的真实原因时，有的工程师可能会加大控制的电流或加热的时间，用来增加这个驱动位移。随着温度的上升，当钛丝的低温区域达到了驱动的温度，而两端的温度可能就超过了钛丝的驱动上限，从而导致其局部过烧损坏。

  

当转轴采用塑料或者陶瓷时，转轴处也会产生不同程度的驱动位移量的损失，只是相对比较少一点。

所以，驱动钛丝经过的转轴或支点结构时，需要考虑这个驱动位移量（以及力量）的损失，当采用金属转轴或支点时，还需要考虑温度损失。

<ol start="3">
<li align="left" >【钛丝过烧】</li>
</ol>

当钛丝局部或整体温度超过约125度以上时，存在钛丝过烧情况，包括轻度、中度、重度过烧三种情况。

<ol>
<li align="left" >轻度过烧：钛丝整体长度比初始长度偏短约0.5-1mm，导致冷却恢复不到位，钛丝轻度受损。</li>
<li align="left" >中度过烧：钛丝驱动无响应、钛丝整体长度偏长、松软，钛丝损坏。</li>
<li align="left" >重度过烧：钛丝烧红、烧断，钛丝损坏。</li>
</ol>

导致过烧的原因有电流过大、通电时间偏长、或者转轴和接触材质导致的受热不均等。我们需要结合实际情况调整结构设计，结合热工方程重新调整电流和通电时间。

<ol start="4">
<li align="left" >【结构接触】</li>
</ol>

驱动机构的塑胶结构部件应避免和钛丝接触。

我们在做驱动机构的结构设计过程中，有时存在加强筋或隔离墙的设计，这样的设计可能让结构部件和钛丝有局部接触，因长期或偶尔的接触，导致结构件出现了高温粘连、烧焦的问题。

  

其中，结构件和钛丝发生粘连，会造成钛丝驱动的时候直接拉长或拉断。

结构件烧焦会造成驱动机构本身局部损坏或带来燃烧的风险。

因此驱动结构材料尽量采用耐高温材料，或尽量避免和驱动钛丝的接触。

<ol start="5">
<li align="left" >【均热隔离】</li>
</ol>

有时候驱动机构无法避免和钛丝局部接触的情况下，需要做均匀的隔热处理。

例如采用高温胶布，高温胶纸，耐高温塑胶件，让其均匀和钛丝做全面接触，或和钛丝的隔离距离保持均匀一致。

  

然后，我们可以根据隔热材质的特征，适当加大驱动控制的电流或加热的时间。

<ol start="6">
<li align="left" >【材质一致】</li>
</ol>

驱动机构部件选择同一材质，避免不同材质给钛丝带来不同的发热和冷却时间。

驱动机构和钛丝存在较大面积接触或距离较近的情况下，我们采用均匀的隔热处理可能会失效，这个时候我们一定要注意接触部分的材质。

例如：驱动机构的钛丝，一部分和塑胶件接触，一部分和金属件接触，我们即使采用了隔热处理，但是金属件的导热系数比较高，导致整体温度难以达到驱动的问题，非常容易造成驱动机构执行不到位或烧坏的情况。

  

<ol start="7">
<li align="left" >【环境温度的影响】</li>
</ol>

当我们完成驱动执行机构的设计，还需要考虑环境温度的影响。

当环境温度偏差大于20°的区间，或超过了相变温度范围，往往会出现驱动温度偏低或驱动温度偏高的现象。

这时候，我们需要介入电路设计和软件控制，对环境温度施加闭环控制来消除环境温度的偏差带来的驱动温度的影响。（这个问题我们后面会在电路设计和软件控制中讲解）

 

为了让驱动钛丝在工业应用中切实落地，财哥制作整理了包括

《财哥说钛丝视频》

《SMA常见电路控制方案》

《电驱动钛丝（SMA）计算模型》

《驱动钛丝（SMA）的可靠性设计》

《电驱动钛丝（SMA）常见十大结构模型》

等系列资源供大家参考，欢迎大家的关注和交流，请点赞收藏转发！

 

钛丝科技   出品

作者财哥说钛丝
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Jacktang 发表于 2024-11-24 09:25

当环境温度偏差大于20°的区间，或超过了相变温度范围，往往会出现驱动温度偏低或驱动温度偏高的现象。

难道是往往会出现？

272151979 发表于 2024-11-25 10:16

Jacktang 发表于 2024-11-24 09:25
当环境温度偏差大于20°的区间，或超过了相变温度范围，往往会出现驱动温度偏低或驱动温度偏高的现象。
...

我们只要做一个简单的电路设计和软件控制，就能处理好这个问题

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电驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（6） 温度控制

电驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（6）温度控制