تحليل تئوري،عددي و تجربي عملكرد يك موتور لنگ صفحه اي با نيروي محركۀ سيم هاي آلياژ حافظه دار

Theoretical, Numerical and Experimental Analysis of a Planar Wobble Motor Driven by Shape Memory Alloy (SMA) Wires

امروزه موتورهاي لنگ به عنوان محركه‌هايي با قابليت توليد حركت دوراني با گشتاور بالا بدون نياز به گيربكس خارجي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اين پژوهش شامل بررسي تئوري، عددي و تجربي عملكرد يك موتور لنگ صفحه‌اي با مكانيزم انعطاف‌پذير است كه توسط سيم‌هاي آلياژ حافظه‌دار راه‌اندازي مي‌شود. انبساط و انقباض ترتيبي سيم‌هاي آلياژ حافظه‌دار توسط مكانيزم انعطاف‌پذير و سيستم چرخ‌دنده‌اي موتور شامل يك چرخ‌دندۀ داخلي و يك چرخ‌دندۀ خارجي، به يك حركت منحني‌الخط صفحه‌اي با مسير دايره‌اي و سپس به حركت دوراني پيوسته و نامحدود تبديل مي‌شود. پس از طراحي سيستم چرخ‌دنده‌اي برمبناي محدودۀ حركت قابل دستيابي ناشي از تغيير طول سيم‌هاي آلياژ حافظه‌دار، رابطۀ بين گشتاور خروجي، پارامترهاي هندسي موتور و تنش در سيم آلياژ حافظه‌دار استخراج شده است. همچنين پارامترهاي مكانيزم انعطاف‌پذير، شامل طول، ارتفاع، ضخامت و تعداد تيغه‌هاي انعطاف‌پذير به منظور تعيين سختي مكانيزم مورد تحليل قرار گرفته‌اند. سپس تحليل فركانسي با روش اجزاي محدود انجام شده است تا ميزان استحكام ساختاري و پايداري عملكردي مكانيزم طراحي شده، بررسي گردد. براي بررسي قابليت اجرايي شدن و كارايي موتور طراحي شده، يك نمونۀ آزمايشي ساخته شده است. نتايج تجربي نشان از توانايي موتور در توليد حركت دوراني پيوسته و نامحدود و تكرارپذيري در ماكزيمم گشتاور خروجي موتور دارد. ميانگين گشتاور خروجي موتور در ولتاژهاي 1.6، 1.8 و 2 ولت به ترتيب برابر با 29.9 ، 32.7 و 34.3 نيوتن-ميليمتر، اندازه‌گيري شده است. با توجه به ويژگي‌هاي موتور، استفاده از آن در كاربري‌هايي كه فضاي محدودي داشته و نياز به گشتاور بالا و سرعت پايين دارند، مناسب مي‌باشد.

Nowadays, wobble motors are widely used as actuators with high torque, generating rotary motion without the need for external gearbox. This study contains theoretical, numerical and experimental analysis of a planar wobble motor with compliant mechanism driven by shape memory alloy (SMA) wires. The cyclic expansion and contraction of SMA wires were converted to the plane curvilinear motion with circular path and then to the continuous unlimited rotary motion by means of a compliant mechanism and a gear system consisting an internal and an external gear. After gear system designing, based on achievable motion range by SMA wires length changes, the relation between output torque, geometrical properties of motor and stress in SMA wire were derived. Also, compliant mechanism parameters consisting of length, height, thickness and number of flexures were analyzed in order to mechanism stiffness calculating. Then the frequency analysis using finite element method was performed to investigate structural robustness and operational stability of designed mechanism. The designed motor was fabricated and its performance was evaluated. The experimental results demonstrate motor capability in generating unlimited continuous rotary motion and repeatable output torque. The Maximum output torque was measured as 29.9, 32.7 and 34. 3N.mm for 1.6, 1.8 and 2V applied voltages respectively. This motor is appropriate for high torque and low speed applications with limited workspace.