Обгрунтовано застосування ємнісних плівкових двигунів малої потужності в пристроях мікропереміщень. Розглянуто принцип дії, конструкція і основні закономірності роботи плівкових ємнісних мікродвигунів. Отримано динамічні характеристики системи, на підставі яких встановлені основні вимоги до системи живлення і управління.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Бекішев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю.


Mathematical modeling of capacitive film micro engine

Application of low power capacitive film engines within devices of micro motion was explained. Mechanism, design, and basic operating laws of capacitive film micro engines were considered. System dynamic characteristics were obtained. On the basis of these characteristics the main requirements to the feed and control systems were determined.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2006


    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ


    Наукова стаття на тему 'Математичне моделювання ємнісного плівкового мікродвигуна'

    Текст наукової роботи на тему «Математичне моделювання ємнісного плівкового мікродвигуна»

    ?УДК 621.313

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ємнісного плівкових мікродвигуна

    Р.Ф. Бекішев, Д.Ю. Ляпунов

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Обгрунтовано застосування ємнісних плівкових двигунів малої потужності в пристроях мікропереміщень. Розглянуто принцип дії, конструкція і основні закономірності роботи плівкових ємнісних мікродвигунів. Отримано динамічні характеристики системи, на підставі яких встановлені основні вимоги до системи живлення і управління.

    Останнім часом завдяки бурхливому розвитку технологій мікроелектроніки і нових енергоємних матеріалів з'явилася можливість створення принципово нових електромеханічних структур - плівкових ємнісних мікродвигунів, які використовуються для контролю і виміру параметрів тонкоплівкових виробів.

    Розробка технології нанесення тонких сегнетоелектричних плівок [1, 2], що володіють високим значенням відносної діелектричної проникності (до 104 ... 105 і вище) дозволила створити новий тип ємнісних пристроїв - плівкових мікродвигунів, робота яких заснована на явищі електростатичного накату тонких сегнетоелектричних плівок на поверхню металу або навпаки [3].

    На рис. 1 показана конструктивна схема плівкового сегнетоелектричного мікродвигуна [4].

    Мал. 1. Конструктивна схема плівкового сегнетоелектричного мікродвигуна

    Статор мікродвигуна представляє кремнієву підкладку - 1, на поверхню якої нанесений шар металу - 2 і сегнетоелектрична плівка (ВаТЮ3) - 3. Ротор - 4 у вигляді металевої гнучкої пластини переміщується щодо статора. Двигун працює в повітряному середовищі при нормальному атмосферному тиску. Механічний контакт здійснюється по напрямних - 5. При подачі імпульсу напруги між статором і ротором відбувається електростатичний накат пластини ротора на поверхню сегнетоелектрі-ка, в результаті чого пластина ротора згинається і передає імпульс руху скляній платформі - 6, здійснюючи електромеханічне перетворення енергії.

    Планарні ємнісні мікродвигуни даного типу можуть забезпечити шлях переміщення 10.40 мм, крок переміщення ротора 0,01.10 мкм при частоті тактів імпульсів прямокутної форми 100.10000 Гц, напрузі до 100 В. Питома енергоємність планарних мікродвигунів досягнень-

    Гаета 1 Дж / м3, що значно вище енергоємності індуктивних і п'єзоелектричних аналогів [5].

    Для дослідження основних показників роботи плівкового мікродвигуна проведено математичне моделювання процесу мікропереміщення платформи - 6 в режимі відпрацювання одиничного кроку при наступних припущеннях:

    1. Не враховується дискретний розподіл електричних зарядів в речовині, отже, середовище, в якому розглядається електричне поле, є суцільною.

    2. Відсутні поля розсіювання.

    3. Не береться до уваги крайової ефект, тобто явище накопичення заряду на межі поділу - газ - твердий діелектрик. Фізично виключити розглянутий ефект можна, застосувавши різнополярних напруга живлення.

    4. сегнетоелектриків володіє високим питомим опором, малим тангенсом кута діелектричних втрат, втрати в ньому нехтує малі в порівнянні з втратами на тертя і переміщення платформи.

    5. Не взято до уваги сила інерції, яка мала в порівнянні з силою, що приводить платформу в рух.

    Фізична модель мікродвигуна є конденсатором з рухомою металевою обкладкою, рис. 2.

    Мал. 2. Модель плівкового ємнісного мікродвигуна

    Известия Томського політехнічного університету. 2006. Т. 309. № 1

    На рис. 2 прийняті наступні позначення: 1 - шар металу, 2 - тонка сегнетоелектрична плівка титаната барію товщиною ^ = 1 мкм, 3 - металева плівка з берилієвої бронзи, 4 -платформи (напрямні не показані), анач, АМАКС - початковий і максимальний кути накату, які визначаються параметрами плівки і прикладеним напругою живлення, Ах = Н (1) 1 = Ті - крок двигуна, Ти - час імпульсу прикладеного напруги, / 0 - довжина початкової накату при t = 0,! ш =! (Г) | / = о, 1ш = Щ [= Ті, ​​де Щ) - функція, що описує проекцію на вісь х довжини плівки, яка не бере участі в накаті, й = 3 мм - відстань від поверхні статора до платформи.

    Напрямок осі х вказує напрямок руху. У першому наближенні вигин плівки буде описуватися рівнянням кубічної параболи

    у (х) = -2 {Нх / Ь) + 2 (И3 / ь3).

    Робота електростатичного накату визначається сумою трьох складових - кінетичної енергії системи, роботою сил тертя напрямних про платформу і енергією деформації металевої плівки Аё [6]:

    ..= Т г § 12 (х з + л,

    (1)

    де т - маса платформи, Щ (х) - сила навантаження.

    Сила навантаження визначається дією сили тяжіння і нормальної складової сили натягу плівки Щ

    ^ (Х) = до № + ^ (х)), ^ (х) = ^ (х ^ а (г),

    де? = 0,2 - коефіцієнт тертя напрямних об поверхню сегнетоелектріка [6], g - прискорення

    вільного падіння, tg а (г) = .

    Функція, що описує становище платформи при накаті

    Ах + Ь (г) /

    = 2I [*

    Ах V

    _1 ^ 12 Сх = 3С2 Г Ь...

    '2/2

    dx -

    dx2

    5Ьнач [Ь ()

    -1

    Енергія деформації металевої плівки визначається з наступного виразу

    Ах + Ь (г)

    л.

    = I ЕГ

    сСх2

    Сх = 6 С2 ЕГ

    1 + 1

    10 у

    де Е - модуль Юнга плівки, 1 = Ьк', де Ь - ширина плівки.

    Питома робота накату

    = до

    сі 2

    де С0 - питома взаімоемкость, 6 = 100 В - прикладена напруга, до0 - коефіцієнт, який враховує втрату контакту між плівкою і сег-нетоелектріческой поверхнею. Згідно з рекомендаціями [7], до0 прийнятий рівним 0,8.

    Робота накату визначається як

    Л = «А,

    де 5н = ЬЩ) - площа контакту.

    Підставивши виведені вирази в рівняння енергетичного рівноваги системи (1), і вирішуючи його чисельними методами, отримуємо такі динамічні характеристики мікродвигуна.

    Мал. 3. Залежність кроку переміщення від часу

    Мал. 4. Зусилля, прикладене до платформи мікродвигуна в функції часу

    Аналіз рис. 3 показує, що при зміні тривалості імпульсу прикладеного напруги буде отримано різний крок переміщення виконавчого органу мікропривід. Шлях переміщення платформи залежить від кількості імпульсів і обмежується геометричними розмірами статора мікродвигуна. Лінійна швидкість переміщення платформи змінюється і залежить від частоти подачі імпульсів.

    Зусилля, що розвивається мікродвигуном, максимально при подачі імпульсу напруги і зменшується з часом за нелінійному закону (рис. 4).

    В результаті проведеного математичного моделювання виявлено закономірності роботи ємнісного плівкового мікродвигуна в області

    малих переміщень. Амплітуда імпульсу прикладеного напруги, поданого від системи харчування, визначиться електричними параметрами тонкопленочного діелектрика (напругою пробою) на поверхні статора, час імпульсу без урахування сил інерції - необхідною точністю переміщення. Таким чином, за допомогою отриманих характеристик встановлені основні особливості системи живлення розглянутого двигуна.

    Розроблена математична модель дозволяє отримати динамічні характеристики системи з урахуванням всіх геометричних параметрів двигуна і властивостей матеріалів, що застосовуються при виготовленні. Це дає можливість використовувати дану модель при проектуванні як силової частини системи, так і системи управління, оптимізувати геометричні параметри двигуна за критерієм максимуму рушійної сили.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Li C.L., Chen Z.H., Zhou Y.L., Cui D.F. Effect of oxygen content on the dielectric and ferroelectric properties of laser-deposited Ba-TiO3 thin films // J. Phys. Condens. Matter. - 2001. - № 13. -P. 5261-5268.

    2. Prakash D., Sharma B.P., Rama Mohan T.R., Gopalan P. Flux addition in Barium Titanate: overview and prospects // J. Solid State Chemistry. - 2000. - № 155. - P. 86-95.

    3. Дятлов В.Л., Коняшкіна В.В., Потапов Б.С., Фадєєв С.І. Плівкова електромеханіка. - Новосибірськ: Наука, 1991. - 247 с.

    4. Бекішев Р.Ф., Ляпунов Д.Ю., Семенова Л.М. Застосування ємнісних пристроїв для контролю і виміру параметрів тон-

    копленочних структур в мікроелектроніці і медицині // Вимірювання, контроль, інформатизація: Матер. VI Міжнар. науково-техн. конф. - Барнаул, 2005. - С. 69-74.

    5. Бекішев Р.Ф., Ляпунов Д.Ю. Перспективи і проблеми створення ємнісних пристроїв // Обладнання. Регіон. - 2005. -№ 2 (10). - С. 12-14.

    6. Baginsky I.L., Kostsov E.G. High-energy capacitance electrostatic micromotors // J. of Micromechanics and Microengineering. -2003. - № 13. - P. 190-200.

    7. Коняшкіна В.В. Релаксація сил в плівкових ємнісних структурах // Обчислювальні системи. Моделювання в плівковій електромеханіки. - 1982. - № 95. - С. 54-61.

    УДК 621.313.333: 62-83: 519.87

    МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ з вбудованим електромагнітним приводом ГАЛЬМІВНОГО ПРИСТРОЇ

    П.Р. Баранов, Ю.Н. Дементьєв, І.Г. Однокопилов

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Представлено математичну модель асинхронного двигуна з електромагнітним гальмівним пристроєм, включеним у розтин фази статора. Модель двигуна описана рівняннями в трифазній загальмованою системі координат, що дозволяє врахувати вплив електромагніту, вбудованого в одну з фаз статора. Математична модель, реалізована на мові програмування Delphi у вигляді програми, дозволяє провести розрахунок основних динамічних режимів асинхронного двигуна з електромагнітним гальмівним пристроєм, а також розрахунок аварійних режимів роботи.

    Все серійно випускаються асинхронні двигуни з електромагнітними гальмівними пристроями (АД з ЕМТУ) оснащені нормально замкнутим дисковим механічним гальмом [1]. При пуску, під дією електромагнітного приводу, фрикційні поверхні гальма розмикаються, двигун працює в звичайному робочому режимі. При відключенні фрикційні поверхні гальма під дією пружин замикаються, здійснюючи гальмування і фіксацію вала АД. Ефективне механічне гальмування і подальше надійне утримання валу приводу забезпечує безпечну експлуатацію підйомно-транспортних машин і механізмів. Така нормально закрита конструкція гальма відповідає вимогам Держгіртехнагляду.

    В даний час серійно випускаються дві модифікації АТ з ЕМТУ [1], які розрізняються способом гальмування електромагнітного при-

    вода гальмівного пристрою. До першої модифікації відносяться двигуни з незалежним живленням растормаживающего електромагніту від мережі через випрямляч. Перевагою даної модифікації є можливість управління гальмівним пристроєм незалежно від режиму роботи АД. Тому основна область застосування таких АТ з ЕМТУ - частотно-регульований електропривод. Але гальмівні пристрої даної модифікації мають відносно великі габарити і масу, а також без додаткових схем форсування такі АТ з ЕМТУ матимуть невисоку швидкодію при пусках і гальмуваннях.

    До другої модифікації відносяться асинхронні двигуни і електромагнітні приводи гальм, які мають загальне харчування: випрямляч з електромагнітом включаються у розтин однієї з фаз двигуна (рис. 1, 2). Перевагою таких АТ з


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити