CC BY
36Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 629.76
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОЛИНЕЙНЫХ ПЬЕЗОПРИВОДОВ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ*
А. В. Азин1, С. В. Пономарев1, С. В. Рикконен1, А. М. Храмцов2
Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36 2ОАО «НИИ «Элпа»
Российская Федерация, 124260, г. Москва, г. Зеленоград, Панфиловский просп., 10
E-mail: antonazin@niipmm.tsu.ru
Микроэлектромеханические системы в настоящее время находят все более широкое применение в технике. Приборостроение и космическая отрасль нуждаются в линейных пьезоприводах, применение которых существенно снижает массогабаритные показатели электромеханических приводов.
Ключевые слова: микролинейный пьезопривод, космический аппарат, колебательная система.
RESEARCHING MICRO LINEAR PIEZODRIVE FOR SPACECRAFT
A. V. Azin1, S. V. Ponomarev1, S. V. Rikkonen1, A. M. Hramcov2
1Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics Tomsk State University 36, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 2ELPA Company
10, Panfilovsky Av., Zelenograd, 124460, Moscow, Russian Federation E-mail: antonazin@niipmm.tsu.ru
Microelectromechanical systems are currently becoming more and more widely used in the technology. Instrumentation and space industry increasingly require linear drives, the use of which significantly reduces the weight and size parameters of the electromechanical actuators.
Keywords: microlinear piezodrive, spacecraft, vibrating system.
В космических аппаратах зарубежного и отечественного производства задачи изменения формы и взаимного расположения элементов конструкции космического аппарата (КА) в процессе их функционирования решаются, как правило, с использованием электромеханических устройств (ЭМУ). В настоящее время становится актуальной задача минимизации массо-габаритных показателей всех элементов космической техники, это относится ко всем электроприводам функционирования оборудования КА. Существенной альтернативой ЭМУ являются микролинейные пьезо-приводы (МЛП). Замена всех приводов в КА на МЛП является не только технической задачей, но и существенным импортозамещением в очень важной отрасли страны. Требованиям для устройств, работающих в условиях космоса, наиболее полно удовлетворяют пакетные многослойные пьезоактуаторы отечественного производителя ОАО «Научно-исследовательский институт «Элпа» с опытным производством», Зеленоград, Москва [1]. Характеристики пакетных многослойных пьезоактуаторов, подходящих для изготовления микролинейного пьезопривода натяжения вант рефлектора, представлены ниже (см. таблицу).
Микролинейный пьезопривод необходимо рассматривать как колебательную систему, объединённую единым режимом генерации и передачи механической энергии в нагрузку и состоящую из ряда колебательных подсистем:
- электрической колебательной подсистемы источника переменного тока;
- механической колебательной подсистемы многослойного пакетного пьезоактуатора;
- механической колебательной подсистемы согласующей арматуры (пьезоактуатора);
- механической колебательной подсистемы нагрузки.
Изменение параметров (конструкции или материалов) любой из подсистем ведет к изменению режима работы системы в целом. В этом случае особую ценность имеют адекватные математические модели, позволяющие конструктору быстро и дешево получить информацию о режиме работы колебательной системы, коэффициенте преобразования электрической энергии в механическую энергию, устойчивости режима преобразования.
*Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, уникальный идентификатор RFMEFI57814X0060.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
Характеристики пакетных многослойных пьезоактуаторов ОАО «НИИ «Элпа»
Тип
Параметр АПМ-2-7, АПМ-2-11, АПМ-2-15, АПМ-2-22,
АПМ-2-7М АПМ-2-11М АПМ-2-15М АПМ-2-22М
Масса, г 6,5 9,6 12,7 18,8
Кол-во элементов 7 11 15 22
Длина, мм 20 31 41 61
Перемещение при напряжении 100 В, мкм 14±15% 22±15% 30±15% 44±15%
Статическая емкость, мкФ 3,0±20 % 6,0±20 % 7,0±20 % 10,0±20 %
Сопротивление изоляции, МОм 5,0 2,0 1,5 1,0
Тангенс угла диэлектрических потерь 0,04 0,04 0,04 0,04
Давление, Па 5106 5106 5 106 5106
Частота колебаний, Гц 1000 1000 1000 1000
Удельная энергия, *103 Дж/м3 3,5 3,55 3,65 3,6
Авторами создана линейная одномерная модель МЛП, основанная на предположении дуальности (двойственности) передачи энергии механическим и акустическим способом, представленная в виде аналоговой электрической схемы замещения, позволяющая быстро рассчитать режимы работы МЛП (резонансные частоты, вибросмещения, усилия на нагрузке) разных конструкций [2; 3].
Расчет производится символическим методом по формулам Киргофа. Для проверки адекватности линейной одномерной модели создана трехмерная модель колебательной подсистемы пьезоактуатора, решение осуществляется методом конечных элементов.
Самой простой и надежной конструкцией преобразователя линейного перемещения во вращательное является двигатель Барта [4; 5], момент вращения которого образуется за счет трения между пьезоактуа-тором и ротором двигателя.
Для увеличения удельной мощности МЛП необходимо группировать пьезоактуаторы вокруг ротора двигателя. В этом случае необходимо осуществить синхронный и синфазный режим работы пьезоак-туаторов. Это достигается многоканальным источником питания с взаимным регулированием фаз напряжений.
Расчеты показывают, что в таких конструкциях МЛП можно получить общий коэффициент преобразования более 55-60 %, силу на нагрузке до 2 000 Н, вибросмещения 14 мкм при весе от 30 до 100 г.
Библиографические ссылки
1. Пьезоэлектрические устройства [Электронный ресурс]. URL: http://www.elpapiezo.ru/Catalogs/ Catalog_of_piezoelectric_devices.pdf (дата обращения: 24.08.2015).
2. Пономарев С. В., Рикконен С. В., Азин А. В. Анализ работы пьезопривода по частотным характеристикам механоакустической колебательной системы // Изв. вузов. Физика. 2014. № 8/2, Т. 57. С. 196-202.
3. Пономарев С. В., Рикконен С. В, Азин А. В. Моделирование колебательных процессов пьезоэлектрического преобразователя // Вестник Томского государственного университета. Сер. Математика и механика. 2015. № 2(34). С. 86-95.
4. Kenji Uchino. Piezoelectric ultrasonic motors: overview // Smart Mater. Struct. 1998. P. 273-285.
5. Soonho Park. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations. Toronto, 2011. 136 р.
References
1. P'ezoelektricheskie ustroystva [Piezoelectric devices] (In Russ.) Available at: http://www.elpapiezo.ru/Catalogs/Catalog_of_piezoelectri c_devices.pdf (accessed: 24.08.2015).
2. Ponomarev S. V., Rikkonen S. V., Azin A. V. [Study of electromechanical processes in a piezoelectric system] Izv. vuzov. Fizika. 2014, vol. 57, no. 8/2, p. 196202. (In Russ.)
3. Ponomarev S. V., Rikkonen S. V., Azin A. V. [Simulation of oscillatory processes piezoelectric transducer] Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya matematika i mekhanika. 2015, vol. 34, no. 2, p. 86-95. (In Russ.)
4. Kenji Uchino [Piezoelectric ultrasonic motors: overview] Smart Mater. Struct. 1998, p. 273-285.
5. Soonho Park [Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor] Theses and dissertations. 2011, 136 р.
© Азин А. В., Пономарев С. В., Рикконен С. В., Храмцов А. М., 2015
