Актюаторы с сердечником из проводника

Емкость равна:

Сила равна:

Следует отметить, что в случае применения плоскопараллельных актюаторов можно сгенерировать только силы взаимодействия. Для генерации больших сил, которые будут совершать полезную работу такого устройства, необходимо, чтобы при изменении расстояния сильно изменялись ёмкости. Это и есть руководство к действию для получения электростатических гребневых микродвигателей (рис 2.35 a, б).

.

а) б)

Рис. 2.35. Схема устройства а) и вариант исполнения б)

микродвигателя на основе плоскопараллельного актюатора

Гребневые микродвигатели – вариант применения электростатических актюаторов. Они особенно распространены среди устройств, полученных поверхностной микрообработкой. Они состоят из большого количества встречностержневых штырей (рис 2.35). Прилагая напряжение, у нас появляется сила взаимодействия между штырями, и они начинают двигаться. Увеличение ёмкости пропорционально количеству штырей, таким образом, для генерации больших сил, требуется большое количество штырей. Для примера можно привести расчёт параметров гребневого микродвигателя, представленного на рис 2.35. и изготовленного по технологии MUMPs (многопользовательская МЭМС технология).

Рис. 2.36.Схема устройства Рис. 2.37. Схема действия сил

К известным параметрам конструкции микродвигателя относят:

Модуль Юнга E_poly=140 ГПА, плотность ρ_poly=2.3 г/см³ , число штырей микродвигателя N_z=20.

Расчёт параметров электростатического актюатора включает этапы:

1)Расчет массы образца (2.36):

= 48,49 нг
2) Расчет жёсткости пружины (2.33):

= 4,56 Н/м

3) Расчет частотной характеристики (2.34):

= 306498 рад/с, f_n = 48,78 кГц
4) Расчет затухания (2.35):

=1.486e^-7Нс/м,
5) Расчет максимального усилия (2.36):

= 1,55 μН, принимаем V=100В
6) Расчет максимального смещения (2.37):

=0.34μм
7) Расчет прочности нагруженной балки на продольный изгиб (2.38):

=1,79мН
8) Расчет мощности входа (2.39): =1.05×10^-12Дж/такт
9) Расчет мощности выхода (2.40):

= 0,53×10^-12Н·м/такт
10) Расчет коэффициент полезного действия (2.41):

= 50,47%

Одной из проблем применения данного типа устройств является случай, когда поперечное расстояние между штырями не одинаково с обеих сторон, (например, если устройство поломано). Возможно движение штырей под прямым углом к правильному направлению и соединение их друг с другом до выключения напряжения т.к. при этом они остаются соединенными, и после снятия напряжения.

Еще один вид устройств разработанных на основе электростатических актюаторов -двигатели качения,названые так по действию раскачивания,

Рис. 2.38. Устройство плоского двигателя качения

положенному в основу их принципа работы. На рис 2.38. показана конструкция двигателя качения, полученного при помощи технологии поверхностной микро-обработки. Ротор - это круглый диск. Во время работы снизу расположенные электроды последовательно, друг за другом, включают и выключают. Диск последовательно притягивается к каждому электроду; край диска контактирует с диэлектриком, расположенным над электродами. В такой манере он медленно вращается по кругу; делая один оборот вокруг своей оси совокупностью нескольких изменений напряжения на статоре.

В конструкции двигателя качения показанного на рис 2.38 ротор, находящийся внутри статора, формирует ось двигателя. Электрическое поле раскачивает ротор внутри статора, и трение вращает ротор.

Недостатком данной конструкции является вероятность износа изоляции на электродах статора. Происходит сцепление (или слипание) с ротором; если ротор и подшипник не круглые, что обычно бывает из-за того, что большинство пакетов автоматизированного проектирования рисуют не круг, а многоугольник с большим количеством сторон, то в этом случае ротор может застопориться даже во время своего первого оборота.

Также к проблемам моторов полученных поверхностной микрообработкой относят их очень маленькие вертикальные размеры, поэтому так трудно достичь большого изменения ёмкости при движении ротора.

Для преодоления этих проблем можно использовать LIGA технологию.

Мотор, изготовленный по этой технологии, показан на рисунке 2.39.

Рис. 2.39. Конструкция цилиндрического двигателя качения

Здесь цилиндрический ротор вращается вокруг статора. Данное устройство можно охарактеризовать следующим образом: Преимущества - приоритетность пропорционального уменьшения размеров - лёгкость миниатюризации.

Недостатки - для большинства электростатических актюаторов частицы пыли и поверхностные дефекты могут быть причиной поломки вследствие малых воздушных зазоров - высокое напряжение - для двигателей вращения малый вращающий момент и короткий срок жизнедеятельности из-за трения.