Энергия мен қозғалысты генерациялауға және түрлендіруге арналған микрос жүйелер

9 дәріс. Энергия мен қозғалысты генерациялауға және түрлендіруге арналған микрос жүйелер

Дәріс жоспары

1.Электростатикалық, электржылулық және электромагниттік микроқозғалтқыштар

2. Пьезо қозғалтқыштар

3. Микроэлектрогенераторлар, микротурбиналар

Электростатикалық диэлектрлік планарлы қозғалтқыштар. Бұл құрылғыларда қозғалыс металдың немесе диэлектриктің (SiO2, Al2O3 қабаттары) бетіне металданған органикалық пленканың электростатикалық қаптамасы кезінде металдандыру қабатының қайда орналасқанына байланысты жасалады. ЭДПД-ның негізгі элементі полиэтилен-терефталаттың металдандырылған пленкасынан жасалған пленкалы ілмек (диаметрі – бірнеше миллиметр) болып табылады. Электростатикалық накаттың әрбір актісі кезінде диэлектрикте көлемді зарядтың жиналуы. Бұл заряд кең көлемді кристалды емес диэлектриктерге тән терең энергетикалық орталықтарда (қақпандарда) қалыптасады және металл үлдірдің қайта жапсырылуына кедергі жасайды. Көлемді зарядтың әсерін азайту, яғни оларды әртүрлі полярлы қысқа импульстермен толтыру күрделі формадағы кернеу импульстерін қолдану арқылы мүмкін болады. Бірақ бұл жағдайда микроқозғалтқыштың энергетикалық тиімділігі айтарлықтай төмендейді.

Энергияны электромеханикалық түрлендірудің басқа принципі жұқа металл пленкаларды (металл жапырақшаларды) сегнетоэлектрлік пленкалардың бетіне электростатикалық орау әсеріне негізделген. Мұндай микроқозғалтқыштардың (ЭСПД электростатикалық сегнетоэлектрлік планарлы қозғалтқыштар – ЭСПД) ротор мен статор (ол мынаған тең: 1-3 мкм) арасындағы ауа саңылауы бар электростатикалық микроқозғалтқыштардан айырмашылығы үлкен мәнді диэлектрикалық тұрақты ε сегнетоэлектрлік пленкалармен байланысты, ол «айдау» мүмкіндігін анықтайтын үлкен энергияның (0,3-3 Дж/м2 және одан көп) төмен жұмыс кернеуін пайдалану кезіндегі үлгісі ғана болып табылады.

ЭСПД-ның ЭДПД-дан принципті айырмашылығы (мұндай микроаспаптардың екі түрін де диэлектрлік микроқозғалтқыш деп атауға болады) сегнетоэлектриктердің бірегей қасиеттерімен байланысты:

- сызықтық диэлектриктер мәнін 2-3 рет асып түсетін, ε диэлектрлік тұрақты үлкен мәнмен, бұл үлкен энергия үлгісінде «айдау» мүмкіндігін және төмен жұмыс кернеулерін пайдалануды анықтайды;

- қанығу учаскесіне шығумен байланысты поляризация электр өрісінің кернеулігіне тәуелді емес, бұл ретте коэрцитивті өрістер өте төмен – (1-3) 104 В/см дейін;

- заряд тасығыштарды басып алу орталықтарының едәуір аз шоғырлануымен және олардың аз энергетикалық тереңдігі (сегнетоэлектриктің жетілдірілген кристалдық құрылымының нәтижесі).

ЭСПД-мен салыстырғанда ЭСПД микроқозғалтқыштары басқа да ерекшеліктерге ие: аз жұмыс кернеулерімен, анағұрлым жоғары механикалық және электрлік сенімділігімен, қарапайым басқару жүйесімен, сондай-ақ үлкен технологиялығымен.

Жоғарыда аталған сегнетоэлектриктердің қасиеттері кері пьезоэлектрлік әсерді пайдалану кезінде ПЭПД-ға қарағанда электростатикалық қисаю кезінде энергияны электромеханикалық түрлендірудің жоғары тиімділігін анықтайды. Металл пленкалардың (жапырақшалардың) электростатикалық қаптамасы электрод арасындағы саңылауды металл пленка мен сегнетоэлектрик беттерінің кедір-бұдырлығымен анықталатын 30-100 А деңгейінде ең төменгі мәндерге дейін төмендетуге мүмкіндік береді. Беттік бойынша қозғалатын сегнетоэлектриктің жапырақтары иілу кезінде қозғалмалы сыртқы объектіге (пластина-роторға) және осылайша энергияның электромеханикалық өзгеруін жүзеге асыруға қабілетті. Сегнетоэлектрикке домалайтын жапырақшаның орнын ауыстыру жылдамдығы кернеу амплитудасымен анықталады, ал жинақталатын энергия (механикалық энергияға түрлендірілетін) – сегнетоэлектрлік пленканың қалыңдығы және s мәнімен анықталады. Бағалау екі беттердің жанасу сәтіндегі электрод аралық кеңістіктегі қысым (олардың арасындағы қашықтықтан бастап 100 а° және одан аз) 10-15 МПа мәндерге жететінін және сәйкесінше металл пленканың керілу күші 300-500 Н/мм2 мәндеріне жететінін көрсетеді.