CN105518296B - 用于形状记忆合金(sma)致动器感应加热系统的智能基座 - Google Patents
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Abstract
用于加热形状记忆合金(SMA)致动器的系统可包括SMA致动器、智能基座、多个感应线圈和控制模块。SMA致动器可具有至少一个敷层。SMA致动器可被选择性地加热至转变温度。智能基座可与SMA致动器的至少一个敷层热接触。感应加热线圈可配置为接收交流电并基于交流电生成磁场。磁场可在SMA致动器和智能基座的至少一个中产生涡流以将SMA致动器加热至转变温度。控制模块可配置为驱动交流电供应至感应加热线圈。
Description
技术领域
本公开的系统和方法涉及加热形状记忆合金(SMA)致动器，并且更具体地涉及使用智能基座(susceptor)加热SMA致动器的系统和方法。
背景技术
形状记忆合金可用于形成具有独特的热学和力学性质的致动器。这些类型的致动器可被称为形状记忆合金(SMA)致动器。例如，如果形状记忆合金塑性地变形同时处于马氏体状态，并且然后被加热至相变温度以达到奥氏体状态，则形状记忆合金形变回其原始的非变形形状。恢复至原始的非变形形状的速率取决于施加至形状记忆合金的热能的量和速率。
通过加热形状记忆合金至其相变温度可激活SMA致动器，所述相变温度引起形状记忆合金经历从马氏体状态至奥氏体状态的相变，并且形变回其原始的非变形形状。SMA致动器可用于多种应用，比如，例如，航空器的翼面系统。然而，在至少一些实例中，SMA致动器已经证明对于控制是具有挑战性的。例如，可以通过电阻加热元件激活SMA致动器。此方法的一个缺点是电阻加热元件可能不足够快速地将SMA致动器的形状记忆合金加热至其相变温度。因此，在本领域中存在用于控制SMA致动器的改进技术的需要。
发明内容
在一个实施方式中，用于加热形状记忆合金(SMA)致动器的系统可包括SMA致动器、智能基座、多个感应线圈和控制模块。SMA致动器可具有至少一个敷层(layup)。SMA致动器可选择性地加热至转变温度。智能基座可与SMA致动器的至少一个敷层热接触。感应加热线圈可配置为接收交流电并基于交流电生成磁场。磁场可在SMA致动器和智能基座中的至少一个中感应涡流以将SMA致动器加热至转变温度。控制模块可配置为驱动交流电供应至感应加热线圈。
在另一个实施方式中，用于加热SMA致动器的系统可包括SMA致动器、智能基座、多个感应线圈和控制模块。SMA致动器可选择性地加热至转变温度。感应加热线圈可配置为接收交流电并基于交流电生成磁场。磁场可在至少SMA致动器中感应涡流和在智能基座中感应二级磁场。智能基座可相对于SMA致动器定位以使二级磁场在SMA致动器内感应额外涡流。控制模块可配置为驱动交流电供应至感应加热线圈。
在还另一个实施方式中，制造形状记忆合金感应加热系统的方法可包括提供形状记忆合金(SMA)致动器。SMA致动器可具有至少一个敷层。该方法可包括放置智能基座与SMA致动器的至少一个敷层热接触。方法还可包括提供多个感应加热线圈，其配置为接收交流电并基于交流电生成磁场。磁场可在SMA致动器和智能基座中的至少一个中产生涡流以将SMA致动器加热至转变温度。方法可包括提供控制模块，其配置为驱动交流电供应至感应加热线圈。
根据以下描述、附图和所附的权利要求书，公开的方法和系统的其它目的和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是公开的形状记忆合金感应加热系统的示意图；
图2是沿着图1中的线2-2截取的形状记忆合金(SMA)致动器的横截面视图；
图3是图1中显示的SMA致动器和感应线圈的示意图，其图解了磁场和涡流；
图4A是图1中显示的SMA致动器的可选实施方式的横截面视图；
图4B是图1中显示的SMA致动器的另一个实施方式的透视图；
图4C是图1中显示的SMA致动器的还另一个实施方式的横截面视图；和
图5是图解制造形状记忆合金感应加热系统的示例性方法的工艺流程图。
发明具体实施方式
如图1中所示，形状记忆合金感应加热系统——通常指定为10——可包括形状记忆合金(SMA)致动器20、感应加热线圈22、电源24和控制模块26。交流电流可通过电源24供应至线圈22以感应地加热SMA致动器20。形状记忆合金感应加热系统10可用于多个应用比如，例如，航空器、电力系统、石油钻井设备(oil drills equipment)、旋翼飞行器和汽车零部件。具体地，形状记忆合金感应加热系统10可用于致动航空器的翼或门、风轮机的叶片、或位于车辆的行李箱中的气压锁。应当理解这些仅仅是说明性实例，并且形状记忆合金感应加热系统10也还可以用于其它应用。
SMA致动器20可由形状记忆合金(也称为智能金属、记忆金属、记忆合金和智能合金)构成。例如，在一个实施方式中，形状记忆合金可以是镍-钛合金或铜-铝-镍合金。额外地，形状记忆合金可以通过使锌、铜、金和铁合金化产生。可通过加热形状记忆合金至转变温度激活SMA致动器20，所述转变温度可引起形状记忆合金经历从马氏体状态至奥氏体状态的相变，其可诱导SMA致动器20的形状变化。具体地，例如，当形状记忆合金被加热至其转变温度时，SMA致动器20的第一端28可保持静止，并且SMA致动器20的第二端29可扭曲或变形并形变至SMA致动器20’的轮廓。类似地，一旦冷却形状记忆合金低于其转变温度，SMA致动器20的第二端29可恢复其非形变状态。
在如图1中所示的示例性实施方式中，SMA致动器20可包括沿着轴A-A延伸的细长的大体上管状的主体30。虽然图1图解了具有大体上管状的主体的SMA致动器20，但是应当理解SMA致动器20可以成形为各种不同的构造。例如，图4A-4C图解了SMA致动器20的多种可选的实施方式，其在下面更加详细地讨论。SMA致动器20的主体30可包括外敷层32和内敷层34。敷层可限定为SMA致动器20的主体30的一层或一片。智能基座40可沿着SMA致动器20的内敷层34定位。在图解的实施方式中，智能基座40可以呈薄片形，其中由智能基座材料构成的一系列相对薄的线嵌入薄片内(该线在图1中不可见)。智能基座40的外敷层52可热接触SMA致动器20的内敷层34。虽然图1图解了呈薄片形的智能基座40，但是应当理解能基座40可包括各种不同的构造。例如，在可选的实施方式中，智能基座40可以是在沿着SMA致动器20的内敷层34定位的凹槽(未图解)中接收的一系列的线。
可感应地加热智能基座40直到达到其居里点或居里温度。居里温度取决于智能基座40的具体材料。例如，在一个非限制性实施方式中，智能基座40可由具有大约34％的镍含量、大约66％的铁含量和大约138℃(280°F)的居里温度的镍-铁合金构成，然而，应当理解智能基座40也可以是其它类型的合金。智能基座40可仅被感应地加热上至但不超过其居里温度。一旦智能基座40达到居里温度，则智能基座40的导磁率陡然下降，并且智能基座40可变得基本上非磁性的。
可以在距SMA致动器20的外敷层32有效距离D(图2中所示)处布置线圈22。交流电流可由电源24供应至线圈22。控制模块26可与电源24信号通讯以控制或驱动交流电至线圈22的供应。交流电的频率可以是从大约10kHz至大约500kHz的任何值。在如图1中所示的实施方式中，线圈22可以是包括细长的大体上圆柱形的主体的螺线管型感应加热线圈，所述主体具有多个单独的匝(turn)54，其产生隧道或通道56用于接收SMA致动器20。SMA致动器20可定位在线圈22的通道56内。虽然图1将线圈22图解为螺线管型感应加热线圈，但是应当理解也可使用其它类型的感应加热线圈。例如，在一个实施方式中，SMA致动器20可以是板型致动器(图4B中所示)，其中可以使用饼型(pancake-type)感应加热线圈。
参照图3，线圈22可基于交流电生成磁场B，其中磁场B可以相对于SMA致动器20的轴A-A大体上平行。磁场B在SMA致动器20内感应涡流E。涡流E在SMA致动器20内生成热。参照图2-3二者，磁场B也同样可在智能基座40内感应涡流E，只要智能基座40还没有达到其居里温度。涡流E在智能基座40内生成热。
SMA致动器20和智能基座40之间的热接触可加快SMA致动器20感应地加热至转变温度的速率。具体地，基于智能基座40的外敷层52和SMA致动器20的内敷层34之间的热接触，智能基座40可加快SMA致动器20的加热。当交流电流由电源24供应至线圈22时，可在智能基座40内感应涡流E。涡流E在智能基座40内生成热。在智能基座40内由涡流E生成的热可通过智能基座40的外敷层52和SMA致动器20的内敷层34之间的热接触被传导地转移至SMA致动器20。在其中SMA致动器20由非传导性材料构成的实施方式中，SMA致动器20和智能基座40之间的热接触可具有增加的重要性。在此实施方式中，可以不通过磁场B在SMA致动器20内感应涡流，因而可以不在SMA致动器20内生成热。因而，至SMA致动器20的唯一热来源是SMA致动器20和智能基座40之间的热接触。
智能基座40可增加在SMA致动器20内感应的涡流E的量，其还可加快SMA致动器20感应地加热至转变温度的速率。具体地，当交流电流供应至线圈22时，磁场B在智能基座40内感应二级磁场(未显示)，只要智能基座40保持低于居里温度。参照图2，智能基座40可相对于SMA致动器20定位以使在智能基座40中感应的二级磁场在SMA致动器20内感应额外涡流E1。额外涡流E1在SMA致动器20内生成额外热，因而增加SMA致动器20感应地加热至转变温度的速率。
在一个实施方式中，为了最大化在SMA致动器20内感应的涡流的量，智能基座40可相对于SMA致动器20定位。例如，如果SMA致动器20包括如图1-3中所示的大体上管状的主体30，则为了在智能基座40内感应最大量的涡流E，智能基座40可围绕主体30的内敷层34定位。
参照图1，控制模块26驱动电源24以使交流电流供应至线圈22持续预定时间间隔。预定时间间隔可代表将SMA致动器20加热至至少转变温度所必需的时间量。预定时间间隔可取决于变量比如，但不限于SMA致动器20的使用要求、构成智能基座40的合金的类型、供应至线圈22的电流的量、供应至线圈22的电流的频率、SMA致动器20的几何结构或形状、能够变形(deflect)前SMA致动器20必须克服的任何力、和SMA致动器20经历的变形的量。控制模块26可使用前馈控制驱动电源24，其中控制模块26可以不监测SMA致动器20或智能基座40的温度。
一旦电流已经供应至线圈22持续预定时间间隔，则控制模块26可然后发送控制信号以停用电源24。一旦电流停止供应至线圈22，对SMA致动器20的感应加热可停止。因而，通常在形状记忆合金感应加热系统10中不存在热滞后，并且SMA致动器20可以不被过度加热。
在一个实施方式中，SMA致动器20和智能基座40可以彼此热关联(tie)，其中智能基座40的居里温度可以大约等于SMA致动器20的转变温度。因而，如果SMA致动器20达到转变温度，智能基座40也已经达到其居里温度，并且智能基座40停止加热。因此，智能基座40可以不过度加热SMA致动器20。
控制模块26也可调节电源24供应至线圈22的电流的量。改变至线圈22的电流的量也可改变将SMA致动器20加热至转变温度所必需的时间量(即，预定时间间隔)。例如，在一个实施方式中，基于大约18安培的电流被供应至线圈22，可能花费大约六十秒以将SMA致动器20从大约32℃(90°F)加热至大约99℃(210°F)。在此实施方式中，线圈22具有大约10厘米(4英寸)的线圈长度。相比之下，基于大约25安培的电流被供应至线圈22，可能花费相同的线圈22大约三十秒以加热；基于大约39安培的电流被供应至线圈22，可能花费相同的线圈22大约十五秒以加热；和基于大约50安培的电流被供应至线圈22，可能花费相同的线圈22大约十秒以加热。
图4A-4C图解了SMA致动器20的可选的实施方式。图4A是具有大体上正方形或矩形横截面的SMA致动器120的图解。SMA致动器120包括外敷层132和内敷层134，其中智能基座140可热接触SMA致动器120的内敷层134。图4B图解了SMA致动器220的另一个实施方式。SMA致动器220可以是具有上壁242、下壁244和两个侧壁246的板型致动器。智能基座240可以热接触SMA致动器220的内敷层234。饼型感应线圈(未图解)可定位在上壁242上方，并且另一个饼型感应线圈(未图解)可定位在下壁244下方以感应地加热SMA致动器220。在如图4C中所示的还另一个实施方式中，SMA致动器320可具有大体上正弦曲线的构造。智能基座340可沿着SMA致动器320的上敷层342定位。饼型感应线圈(未图解)可定位在SMA致动器320的下敷层344下方以感应地加热SMA致动器320。
现在将讨论制造形状记忆合金感应加热系统10的方法。图5是图解制造形状记忆合金感应加热系统10的方法400的示例性工艺流程图。通常参照图1-3和5，方法400可开始于框402，其中可提供SMA致动器20。然后，方法400可行进至框404。在框404中，可以沿着SMA致动器20的敷层放置智能基座40。具体参照图1，在一个实施方式中，SMA致动器20的内敷层34可与智能基座40的外敷层52热接触。然后，方法400可行进至框406。在框406中，可提供线圈22、电源24和控制模块26，其中交流电流可由电源24供应至线圈22以感应地加热SMA致动器20。控制模块26可以与电源24信号通讯以驱动交流电至线圈22的供应。可以在距SMA致动器20的外敷层32有效距离D(图2中所示)处布置线圈22。然后，方法400可以结束。
通常参照图1-4C，如上面描述的公开的形状记忆合金感应加热系统提供相对简单的方法以相对快速地感应地加热SMA致动器。智能基座可以以大体上均匀的方式加热SMA致动器，而不管SMA致动器的形状记忆合金的非均匀性和SMA致动器的尺寸。智能基座加快SMA致动器可被加热的速率，因而可以使用具有至少大约0.81立方厘米(0.05立方英寸)体积的相对大的SMA致动器。而且，因为智能基座可仅加热上至其居里温度，这通常防止SMA致动器20的过度加热。当前可获得的一些类型的加热系统利用电阻加热元件将SMA致动器加热至转变温度。然而，电阻加热元件可能不足够快速地加热SMA致动器的形状记忆合金。相比之下，当与使用常规电阻加热元件加热SMA致动器相比时，本公开的智能基座可增加SMA致动器可被感应地加热至转变温度的速率。
进一步，公开内容包括根据以下条款的实施方式：
1.用于加热形状记忆合金(SMA)致动器的系统，该系统包括：
SMA致动器，其具有至少一个敷层，SMA致动器选择性地加热至转变温度；
智能基座，其与SMA致动器的至少一个敷层热接触；
多个感应加热线圈，其配置为接收交流电并基于交流电生成磁场，磁场在SMA致动器和智能基座中的至少一个中产生涡流以将SMA致动器加热至转变温度；和
控制模块，其配置为驱动交流电供应至感应加热线圈。
2.条款1的系统，其中智能基座选择性地加热至居里温度，并且其中居里温度大约等于转变温度。
3.条款1的系统，其中SMA致动器包括具有内敷层和外敷层的大体上管状的主体。
4.条款3的系统，其中智能基座与SMA致动器的内敷层热接触。
5.条款1的系统，其中磁场在智能基座中感应二级磁场，并且其中智能基座相对于SMA致动器定位以使二级磁场在SMA致动器内感应额外涡流。
6.条款1的系统，其中感应加热线圈包括具有多个单独的匝的大体上圆柱形的主体，所述匝产生通道，并且其中SMA致动器定位在感应加热线圈的通道内。
7.条款1的系统，进一步包括用于将交流电供应至感应加热线圈的电流源，其中控制模块与电流源信号通讯。
8.条款1的系统，其中交流电被供应至感应加热线圈持续预定时间间隔以将SMA致动器加热至转变温度。
9.条款8的系统，其中预定时间间隔取决于以下至少一个：SMA致动器的使用要求、构成智能基座的合金的类型、供应至感应加热线圈的电流的量、交流电的频率、SMA致动器的几何结构、变形前SMA致动器克服的力、和SMA致动器的变形的量。
10.用于加热形状记忆合金(SMA)致动器的系统，该系统包括：
SMA致动器，其选择性地加热至转变温度；
智能基座；
多个感应加热线圈，其配置为接收交流电并基于交流电生成磁场，磁场在至少SMA致动器中感应涡流和在智能基座中感应二级磁场，并且其中智能基座可相对于SMA致动器定位以使二级磁场在SMA致动器内感应额外涡流；和
控制模块，其配置为驱动交流电供应至感应加热线圈。
11.条款10的系统，其中智能基座与SMA致动器的至少一个敷层热接触。
12.条款10的系统，其中智能基座选择性地加热至居里温度，并且其中居里温度大约等于转变温度。
13.条款10的系统，其中SMA致动器包括具有内敷层和外敷层的大体上管状的主体。
14.条款13的系统，其中智能基座与SMA致动器的内敷层热接触。
15.条款10的系统，进一步包括用于将交流电供应至感应加热线圈的电流源，其中控制模块与电流源信号通讯。
16.条款10的系统，其中交流电被供应至感应加热线圈持续预定时间间隔以将SMA致动器加热至转变温度。
17.条款16的系统，其中预定时间间隔取决于以下至少一个：SMA致动器的使用要求、构成智能基座的合金的类型、供应至感应加热线圈的电流的量、交流电的频率、SMA致动器的几何结构、变形前SMA致动器克服的力、和SMA致动器的变形的量。
18.制造形状记忆合金感应加热系统的方法，该方法包括：
提供形状记忆合金(SMA)致动器，SMA致动器具有至少一个敷层；
放置智能基座与SMA致动器的至少一个敷层热接触；
提供多个感应加热线圈，其配置为接收交流电并基于交流电生成磁场，磁场在SMA致动器和智能基座中的至少一个中产生涡流以将SMA致动器加热至转变温度；和
提供控制模块，其配置为驱动交流电供应至感应加热线圈。
19.条款18的方法，进一步包括提供用于将交流电供应至感应加热线圈的电流源，其中控制模块与电流源信号通讯。
20.条款18的方法，其中SMA致动器包括具有内敷层和外敷层的大体上管状的主体，并且其中智能基座与SMA致动器的内敷层热接触。
虽然本文描述的装置和方法的形式构成本发明的优选实施方式，但是应当理解本发明不限于这些精确形式的装置和方法，并且可在其中做出改变，而不背离本发明的范围。
Claims (12)
1.用于加热形状记忆合金致动器(20)的系统，所述形状记忆合金致动器即SMA致动器，所述系统包括：
SMA致动器，其具有至少一个敷层(32、34)，所述SMA致动器选择性地加热至转变温度；
智能基座(40)，其与所述SMA致动器的所述至少一个敷层热接触；
多个感应加热线圈(22)，其被配置为接收交流电并基于所述交流电生成磁场(B)，所述磁场在所述SMA致动器和所述智能基座中的至少一个中产生涡流(E)以将所述SMA致动器加热至所述转变温度；和
控制模块(26)，其被配置为驱动所述交流电被供应至所述感应加热线圈。
2.权利要求1所述的系统，其中所述智能基座(40)被选择性地加热至居里温度，并且其中所述居里温度大约等于所述转变温度。
3.前述权利要求任一项所述的系统，其中所述SMA致动器(20)包括具有内敷层(34)和外敷层(32)的大体上管状的主体。
4.权利要求3所述的系统，其中所述智能基座(40)与所述SMA致动器(20)的所述内敷层(34)热接触。
5.权利要求1或2所述的系统，其中所述磁场(B)在所述智能基座(40)中感应二级磁场，并且其中所述智能基座相对于所述SMA致动器(20)定位以使所述二级磁场在所述SMA致动器内感应额外涡流。
6.权利要求1或2所述的系统，其中所述感应加热线圈(22)包括具有多个单独的匝的大体上圆柱形的主体，所述匝产生通道，并且其中所述SMA致动器(20)被定位在所述感应加热线圈的所述通道内。
7.权利要求1或2所述的系统，进一步包括用于将所述交流电供应至所述感应加热线圈(22)的电流源，其中所述控制模块(26)与所述电流源信号通讯。
8.权利要求1或2所述的系统，其中所述交流电被供应至所述感应加热线圈(22)持续预定时间间隔以将所述SMA致动器(20)加热至所述转变温度。
9.权利要求8所述的系统，其中所述预定时间间隔取决于由以下项组成的组中的至少一个：所述SMA致动器(20)的使用要求、构成所述智能基座(40)的合金的类型、供应至所述感应加热线圈(22)的电流的量、所述交流电的频率、所述SMA致动器的几何结构、变形前所述SMA致动器克服的力和所述SMA致动器的变形的量。
10.制造形状记忆合金感应加热系统的方法，所述方法包括：
提供形状记忆合金致动器(20)，所述形状记忆合金致动器即SMA致动器，所述SMA致动器具有至少一个敷层(32、34)；
放置智能基座(40)与所述SMA致动器的所述至少一个敷层热接触；
提供多个感应加热线圈(22)，所述多个感应加热线圈被配置为接收交流电并基于所述交流电生成磁场(B)，所述磁场在所述SMA致动器和所述智能基座中的至少一个中产生涡流(E)以将所述SMA致动器加热至转变温度；和
提供控制模块(26)，所述控制模块被配置为驱动所述交流电被供应至所述感应加热线圈。
11.权利要求10所述的方法，进一步包括提供用于将所述交流电供应至所述感应加热线圈(22)的电流源，其中所述控制模块(26)与所述电流源信号通讯。
12.权利要求10至11中任一项所述的方法，其中所述SMA致动器(20)包括具有内敷层(34)和外敷层(32)的大体上管状的主体，并且其中所述智能基座(40)与所述SMA致动器的所述内敷层热接触。
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