Trong thiết kế cải tiến CT02 có bốn bộ kích hoạt răng lược. Thông qua nguyên lý hoạt động nhưđã trình bầy ở phần trên, trong công thức (2.22) ta có độ
dịch chuyển cân bằng của bản tụ di động (các răng lược di động) là:
< = F. ℎ. . . .
Như vậy, nếu muốn thay đổi độ chuyển vị ta có thể thực hiện theo hai cách:
• Thay đổi điện áp - Vđặt vào • Thay đổi số răng lược - n
Chuyển vị của cổ dầm (O) trong bộ kích hoạt răng lược là yếu tố quan trọng quyết định chuyển động quay của vành răng cóc. Chuyển vị lớn thì cơ cấu truyền
động thanh răng cóc mới có đủ lực đểđẩy vành răng cóc quay.
Sự đàn hội tại cổ thanh răng dẫn (O1) ảnh hưởng tới khả năng chống trượt giữa răng cóc dẫn với vành răng cóc. Vì nó giúp thanh răng bật lên kịp thời để đẩy vành răng cóc trong chu kì cấp điện lên các bộ kích hoạt răng lược.
3.5.2.1 Mô hình bài toán
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 46
Mô hình bài toán tính chuyển vị cổ dầm của bộ kích hoạt răng lược được thể
hiện trong hình 3.23. Trong đó, các kích thước chính của dầm như sau:
Bước răng: b = 10µm Chiều rộng actuator: b2 = 30µm Chiều rộng răng: w = 3µm Khe hở giữa hai răng: g = 2µm Chiều dài: l = 1000µm Chiều dầy: h = 30µm
Kích thước cổ dầm:
(Chiều dài cổ: lco = 12µm; Chiều rộng cổ: b1 = 9µm; Độ hẹp cổ: c0 = 4µm) - Các thông số vật liệu:
Môđun đàn hồi: E = 170.103 MPA; Hệ số Poisson: v = 0,28
Khối lượng riêng: 2330.10-18 kg/µ3; Gia tốc trọng trường: 9,81.106 µ/s2
3.5.2.2 Mô phỏng bài toán cấu trúc trong Ansys Multiphysics
- Xây dựng mô hình trong Ansys:
Trước tiên, ta tạo các điểm khóa (keypoints) cho mô hình. Sau đó ta tiến hành nối các điểm tạo thành các đường, rồi tạo các mặt và cuối cùng là kéo khối. Tiếp tục, ta chia lưới cho khối vừa được tạo và thu được kết quả như hình trên.
- Đặt lực tĩnh điện: Lực đặt ởđây là lực phân bốđều hay tải trọng tương đương tác dụng lên bề mặt răng lược (phần được tích điện).
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 47
= =F. ℎ. .
. = 8030. 10RS2. 10. 1.8,854. 10RS RS. 100 = 106,248UV
(Điện áp đặt V = 100V; chiều dầy răng lược h = 30µm; khe hở giữa các răng lược g0 = 2µm; hằng sốđiện môi không khí và chân không: ε = 1, ε0 = 8,854.10-12F/m).
Ta thu được kết quả chuyển vị cổ dầm:
Như vậy, chuyển vị lớn nhất của dầm là Umax = 38,826µm.
Từ bài toán cấu trúc, ta xác định được giá trị điện áp đặt để có chuyển vị (y) mong muốn như sau: y = i.t + 3 (µm); Bước răng t = 7µm; Bước nhẩy (i):
Điện áp đặt (V) Bước nhẩy (i) Chuyển vị yêu cầu (y = i.t+3) Ứng suất (Mpa)
80 3 24 537
65 2 17 366
50 1 13 210
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 48
-Ứng suất thu được:
Ứng suất lớn nhất của dầm σmax = 840,093 Mpa.
3.5.2.3 Mô phỏng bài toán tĩnh điện trong Ansys Multiphysics
-Xây dựng mô hình trong bài toán mô phỏng tĩnh điện:
Cũng như bài toán mô phỏng cấu trúc, trong bài toán mô phỏng tĩnh điện, việc đầu tiên ta phải xây dựng được mô hình. Mô hình trong bài toán tĩnh điện gồm có dầm và khối tĩnh điện (không khí giữa hai bản cực)- Hình 3.27.
-Nguyên lý giải bài toán tĩnh điện:
Tạo khối tĩnh điện có hằng sốđiện môi ε = 1 (môi trường không khí). Đặt điện áp (V ≠ 0) lên điện cực mang răng lược di động và điện áp (V = 0) lên các điện cực mang răng lược cốđịnh.
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 49
Vòng lặp đầu tiên: giải bài toán điện sinh ra lực tĩnh điện. Lực tĩnh điện này tiếp tục đặt lên cấu trúc dầm, tạo ra chuyển vị. Chuyển vị được tạo ra làm thay đổi phần tĩnh điện (phần trùng khít giữa các cặp răng lược). Tiếp đó, phần tĩnh điện bị
biến dạng lại được dùng để tính ngược lại để tìm ra điện áp trên khối cấu trúc.
Vòng lặp thứ hai: tiếp tục thực hiện vòng lặp đầu tiên cho đến khi sai số bằng sai số cho phép. Sai số cho phép (∆∆∆) chính là chuy∆ ển vị (hay điện áp) ở vòng lặp thứ
n trừđi chuyển vị (hay điện áp) ở vòng lặp thứ n-1 không lớn hơn 10-3 µm (nếu là chuyển vị) và 10-3 V (nếu là điện áp) thì kết thúc vòng lặp (∆∆∆∆ là sai số nhập vào chương trình).
-Giải bài toán tĩnh điện:
Trong thiết kế với số lượng răng lược lớn, việc tính toán mô phỏng sẽ gặp nhiều khó khăn nếu điều kiện máy tính không đủ mạnh. Để khắc phục vấn đề này ta dùng phương pháp nội suy và giải bài toán với điện áp đặt vào là 10V, rồi từđo suy ra các điện áp khác theo yêu cầu tính toán. Kết quả thu được trong hình 3.27 và 3.28
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 50
Hình 3.29 Ứng suất cổ dầm trong bài toán tĩnh điện Hình 3.28 Chuyển vị cổ dầm trong bài toán tĩnh điện
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 51 -Tổng hợp kết quả: Trường mô phỏng Kích thước cổ dầm b1.b2.h.l Chuyển vị lớn nhất (µm) Ứng suất lớn nhất (MPa) Ứng suất phá hủy (Mpa) Bài toán cấu trúc 9x30x30x1000 38,826 840,093 3000 Bài toán tĩnh điện 9x30x30x1000 42,899 916 3000
-Nhận xét: Giá trị chuyển vị và ứng suất trong bài toán mô phỏng tĩnh điện lớn hơn trong bài toán cấu trúc. Độ sai lệch này vào khoảng 9,4 0/0 .