ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2024, № 8 · МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЗАДАЧАХ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Пьезоэлектрический дисковый актюатор кручения с дискретно-спиральными электродами

А.А. Паньков1

1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2024.8.4 УДК 53.083.2 EDN JPPKWV

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.

  • пьезоэлектрический актюатор
  • встречно-гребенчатые электроды
  • электроупругость
  • кручение
  • численное моделирование
Abstract (in English)

Piezoelectric disk torsion actuator with discrete-spiral electrodes

A mathematical model of a disk (ring) torsion actuator with curvilinear interdigital electrodes - «villi» of a spiral form, which are characterized by a constant value of the orientation angle of an arbitrary section of the villus to the circumferential direction of the disk, has been developed. Bases of electrode-villi interacting with each other through local areas of piezoelectric layer are connected with periodic alternation to central or peripheral concentric circular base electrodes, to outputs of which control voltages are connected. As a result of numerical modeling of the «twisting bimorph» graphs of the dependence of the twist angle and the blocking torque on the ratio of the inner and outer radii and the values of the control voltage at the outputs of the base electrodes of the annular two-layer actuator with symmetrical (relative to the radial line) directions of the spiral orientations of the electrode-villi and, as a result, the spiral polarization lines of the piezoelectric layers working for tension/compression.

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

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