ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №8

УДК: 53.083.2; 53.082.73

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИСКОВЫЙ АКТЮАТОР КРУЧЕНИЯ

С ДИСКРЕТНО-СПИРАЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

А. А. Паньков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

614990, Пермь, Комсомольский пр-кт, д. 29

Статья поступила в редакцию 12 мая 2024 г.

Аннотация. Разработана математическая модель дискового (кольцевого) актюатора кручения с криволинейными встречно-гребенчатыми электродами – «ворсинками» спирального вида, которые характеризуются постоянным значением ориентационного угла произвольного участка ворсинки к окружному направлению диска. Основания электрод-ворсинок, взаимодействующих между собой через локальные области пьезоэлектрического слоя, присоединены с периодическим чередованием к центральному или периферийному концентрическим окружным базовым электродам, к выходам которых подключается управляющее электрические напряжения. В результате численного моделирования «биморфа кручения» построены графики зависимости угла закручивания и блокирующего крутящего момента от отношения внутреннего и внешнего радиусов и значений управляющего электрического напряжения на выходах базовых электродов кольцевого двухслойного актюатора с симметричными (относительно радиальной линии) направлениями спиральных ориентаций электрод-ворсинок и, как следствие, спиральных линий поляризаций пьезоэлектрических слоев, работающих на растяжение/сжатие.

Ключевые слова: пьезоэлектрический актюатор, встречно-гребенчатые электроды, электроупругость, кручение, численное моделирование.

Финансирование: Результаты получены при выполнении государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение фундаментальных научных исследований (проект № FSNM-2023-0006).

Автор для переписки: Паньков Андрей Анатольевич, a_a_pankov@mail.ru

Литература

1. Zhu D., Almusallam A., Beeby S.P., Tudor J., Harris N.R. A bimorph multi-layer piezoelectric vibration energy harvester // PowerMEMS 2010 Proceedings. Belgium, Leuven. 2010. P. 1–4.

2. Williams C.B., Yates R.B. Analysis of a microelectric generator for Microsystems // Sensors and Actuators A: Physical. 1996. V. 52. No. 1-3. P. 8–11.

3. Liu H., Zhong J., Lee C., Lee S.-W., Lin L. A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications // Applied Physics Reviews. 2018. V. 5. No. 4. P. 041306. https://doi.org/10.1063/1.5074184

4. Ivan I.A., Rakotondrabe M., Lutz P., Chaillet N. Quasistatic displacement self-sensing method for cantilevered piezoelectric actuators // Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics. 2009. V. 80. No. 6. P. 065102-1/065102-8. https://doi.org/10.1063/1.3142486

5. Bansevičius R., Navickaitė S., Jūrėnas V., Mažeika D., Lučinskis R., Navickas J. Investigation of novel design piezoelectric bending actuators // Journal of Vibroengineering. 2013. V. 15. No. 2. P. 1064–1068.

6. Патент РФ № 2099754. Йелстаун Корпорейшн Н.В. Деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры. Дата заявки: 17.10.1996. Дата публикации: 20.12.1997. 7 c. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

7. Mouhli M. Analysis and shape modeling of thin piezoelectric actuators. Virginia Commonwealth University Publ., 2005. 100 p. https://scholarscompass.vcu.edu/etd/1552

8. Yamada H., Sasaki M., Nam Y. Active vibration control of a micro-actuator for hard disk drives using self-sensing actuator // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2008. V. 19. No. 1. P. 113–123. https://doi.org/10.1177/1045389X07083693

9. El-Sayed A.M., Abo-Ismail A., El-Melegy M.T., Hamzaid N.A., Osman N.A.A. Development of a micro-gripper using piezoelectric bimorphs // Sensors. 2013. V. 13. P. 5826–5840. https://doi.org/10.3390/s130505826

10. Zhou J., Dong L., Yang W. A Double-Acting Piezoelectric actuator for helicopter active rotor // Actuators. 2021. No. 10(247). P. 1–15. https:// doi.org/10.3390/act10100247

11. Abedian B., Cundari M. Resonant frequency of a polyvinylidene flouride piezoelectric bimorph: the effect of surrounding fluid // Proceedings Smart Structures and Materials. 1993. V. 1916: Smart Materials. 23 July 1993. https://doi.org/10.1117/12.148486

12. Патент РФ № 2723567. Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля / Паньков А.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В. Дата заявки: 18.11.2019. Дата публикации: 16.06.2020. 5 c. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

13. Patent US 2003/0056351 A1. Piezoelectric Macro-Fiber Composite Actuator and Method for Making Same / Wilkie W.K., et al. Application Publ. March 27, 2003.

14. Emad D, Fanni MA, Mohamed AM, Yoshida S. Low-Computational-Cost Technique for Modeling Macro Fiber Composite Piezoelectric Actuators Using Finite Element Method // Materials (Basel). 2021. No. 14(15). P. 4316.

15. Park J.-S., Kim J.-H. Analytical development of single crystal Macro Fiber Composite actuators for active twist rotor blades // Smart Mater. Struct. 2005. No. 14. P. 745–753. doi:10.1088/0964-1726/14/4/033

16. Патент RU № 2803015. Пьезоэлектрический MDS-актюатор / Паньков А.А., опубл.: 05.09.2023 Бюл. № 25, заявка № 2023109123 от 11.04.2023 г.

17. Патент RU № 2801619. Пьезоэлектрический CDS-актюатор / Паньков А.А., опубл.: 11.08.2023 Бюл. № 23, заявка № 2023111440 от 03.05.2023 г.

18. Патент RU № 2818079. Пьезоэлектрический актюатор / Паньков А.А., опубл.: 24.04.2024 Бюл. № 12, заявка № 2023124482 от 22.09.2023 г.

19. Победря Б.Е., Горбачев В.И. О статических задачах упругих композитов // Вестник МГУ. Сер. 1. «Матем. и механ.». 1977. № 5. С. 101–110.

20. Dong X.-J., Meng G. Dynamic analysis of structures with piezoelectric actuators based on thermal analogy method // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2006. V. 27. P. 841–844. doi:10.1007/s00170-004-2290-5

Для цитирования:

Паньков А.А. Пьезоэлектрический дисковый актюатор кручения с дискретно-спиральными электродами. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.8.4