- Chỉ số chi phí tổng thể (OC I OCIOverall Cost Index) [3].
4. MÔ HÌNH HÓA BỘ KÍCH HOẠT ĐIỆN NHIỆT DẠNG CHỮ V 1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Bộ kích hoạt dầm chữ V cấu tạo gồm n dầm đơn song song, được đặt nghiêng 1 góc ( − α) so với phương chuyển vị của hệ dầm hình 1. Nguồn điện cấp cho hệ dầm có dạng xung vuông hoặc nửa chu kỳ sin. Ở kỳ dẫn động (nửa chu kỳ đầu) điện áp được đặt vào các điện cực cố định (1), dòng điện chạy qua hệ dầm (2) sinh ra nhiệt làm cho hệ dầm nóng lên, giãn nở tạo chuyển vị theo phương thẳng đứng. Ở kỳ hồi vị (nửa chu kỳ tiếp theo), điện áp dẫn về 0, nhiệt được thoát ra đế và không khí, hệ dầm được làm nguội, đỉnh dầm B được hồi về và chuẩn bị chu kỳ làm việc tiếp theo.
Hình 11. Cấu tạo và nguyên lý cấp nguồn của hệ dầm chữ V Hình 12. Chuyển vị của đỉnh hệ dầm
Với kết cấu này cần tính toán khảo sát giá trị điện áp tối thiểu để lực nhiệt thắng được lực đàn hồi của hệ dầm mới có thể tạo chuyển vị, khảo sát tần số lớn nhất mà hệ dầm có thể đáp ứng được do quán tính nhiệt [3,4].
Từ hình vẽ 2, có thể xác định được chuyển vị theo phương thẳng đứng của mỗi dầm đơn:
∆ = ( + ∆ ) − ( ) − (1)
Do hệ n dầm song song, nên chuyển vị của hệ dầm chính là chuyển vị của 1 dầm đơn cộng với độ giãn nở của dầm xương cá (dầm xương cá được giả thiết là giãn nở đều về 2 phía).
∆ = ( + ∆ ) − ( ) − + ∆ (2)
4.2. Mô hình hóa bộ kích hoạt chữ V bằng Simscape
Từ nguyên lý làm việc ta nhận thấy quá trình chuyển đổi năng lượng trong bộ kích hoạt từ điện – nhiệt – cơ, do đó để mô tả quá trình chuyển đổi điện – nhiệt ta sử dụng phần tử nhiệt điện trở (Thermal Resistor), để mô tả quá trình truyền nhiệt trong thanh dẫn và quá trình đối lưu nhiệt ra không khí ta sử dụng các phần tử truyền nhiệt (Conductive Heat Transfer) và đối lưu (Convective Heat Transfer). Dầm chữ V được phân tách thành các phần tử ∆x dọc theo phương vuông góc với phương chuyển vị của đỉnh dầm, với giả thiết mỗi vi phân ∆x là đồng nhất và nhiệt độ phân bố là giống nhau.
Như vậy ta có thể mô hình hóa mỗi vi phân ∆x của dầm chữ V như hình 13.
Việc phân tách chiều dài dầm thành các vi phân ∆x, về mặt lý thuyết các ∆x càng nhỏ thì mô hình càng chính xác, tuy nhiên số lượng các phần tử lớn khó khăn cho việc xây dựng mô hình tổng thể và thời gian chạy mô phỏng sẽ lớn hơn. Trong bài toán này chiều dài mỗi dầm đơn là L=320 µm, nên tác giả tách mỗi dầm đơn thành 15 phần tử (∆x=21,3 µm), hình 5. A H B B’ ∆di α L L+l/2
8
Hình 13. Mô hình hóa phân đoạn ∆x trong Simsicape
Hình 14.Mô hình simscape của hệ dầm chữ V
Với mô hình đối tượng được mô tả như hình 5, bộ kích hoạt được chế tạo từ phiến silic kép (Silicon On Insulator–SOI wafer) sử dụng 1 mặt nạ (single mask) dựa trên công nghệ MEMS tiêu chuẩn. Các thông số cơ bản của đối tượng được cho trong bảng 1.
Bảng 1. Các thông số hình học và tính chất vật liệu cơ bản của bộ kích hoạt Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Tham số Ký
hiệu
Giá trị Đơn vị
Chiều dài dầm đơn L 320 m Khe hở không khí ga 4 m
9
Chiều dày của mỗi dầm tb 30 m Nhiệt dung riêng cp 0,71 J/g.0C
Chiều dài dầm xương cá ls 125 m Điện trở suất tại 20 0C 1200 Ωmm
Chiều rộng dầm xương cá ws 40 m Hệ số dẫn nhiệt của silic ks 146 W/m. 0C
Chiều dày dầm xương cá ts 30 m Hệ số dẫn nhiệt của không khí
ka 0,026 W/m. 0C
Với mô hình bộ kích hoạt như hình 5, ta tiến hành mô phỏng với điện áp 1 chiều, U0=20V ta được đáp ứng như hình 16.
Kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng đầu ra phản ánh đúng bản chất vật lý của hệ dầm. Nhiệt độ lớn nhất tập trung ở dầm xương cá (khoảng 4200C), nhiệt độ trung bình trên các dầm đơn là 256 0C, điều này phù hợp với các kết quả mô phỏng hệ dầm trên phần mềm Ansys và tính toán giải tích [3,4]. Nhóm tác giả cũng đã thực hiện mô phỏng với các tín hiệu vào khác nhau như xung vuông, điện áp nửa hình sin… các kết quả đều phù hợp với tính toán giải tích và mô phỏng trên Ansys, điều đó có thể nhận định mô hình simscape mô tả bản chất vật lý tương đối sát với đối tượng thực.
Hình 16.Đáp ứng nhiệt độ lớn nhất và nhiệt độ trung bình của hệ dầm
5. KẾT LUẬN
Bài báo đã nghiên cứu và sử dụng công cụ Simsicape để mô hình hóa một vài đối tượng cơ bản trong mạch điện trên cơ sở kết nối từ các phần tử được tích hợp sẵn và thực hiện mô hình hóa hệ dầm chữ V trên cơ sở phân tách các dầm đơn thành các phần tử dọc theo chiều dài dầm. Mỗi phần tử được coi là đồng nhất và các thông số về điện, nhiệt là như nhau. Với mô hình này cho phép ta khảo sát các tính hiệu vào ra tương tự như khảo sát trên các thiết bị thực tế. Kết quả khảo sát các tín hiệu tương tự như kết quả tính toán giải tích và mô phỏng trên Ansys, điều đó cho thấy mô hình xây dựng từ Simscape phản ánh đúng bản chất vật lý của đối tượng thực.
Các mô hình này là ứng dụng hữu ích trong giảng dạy ( mô phỏng các thí nghiệm, kiểm nghiệm đối chiếu kết quả với các phương pháp giải tích, xây dựng các đặc tính, phân tích kết quả...); trong nghiên cứu thiết kế các hệ thống mới, kiểm nghiệm tối ưu hóa các phần tử, phân tích hệ thống và thiết kế các bộ điều khiển... Các kết quả nghiên cứu là cơ sở để phát triển áp dụng cho các ứng dụng cụ thể hơn trong thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Phạm Thục Anh; Mô hình hóa hệ thống và mô phỏng ; Sách chuyên khảo, NXB Khoa học Kỹ thuật.
[2]. https://ch.mathworks.com/help/physmod/simscape/
[3]. Nguyễn Tiến Dũng, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch; Thiết kế, chế tạo thử vi động cơ đường kính 2,5mm dựa trên công nghệ MEMS; Tạp chí khoa học và công nghệ các trường ĐH Kỹ thuật; tập 108-2015,trang 26-32. [4]. Nguyễn Tiến Dũng, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch; Cải tiến và mô phỏng vi động cơ quay kiểu điện
nhiệt; Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa lần thứ 3 (VCCA 2015), 28-29/11/2015, ĐH Thái Nguyên.