单液滴支承磁驱动微旋转平台仿真与实验研究

发布时间：2019-11-17 20:22

【摘要】：随着微机电技术的进步,微旋转平台技术得到了快速发展。采用固体轴承结构的微旋转平台难以避免固体摩擦对运动性能的影响,而气体轴承和非接触式轴承对制造精度要求高,且控制方式复杂。采用液体支承结构的微旋转平台能克服固体摩擦的限制,具有很好的柔顺性,并且结构比气体轴承和非接触式轴承简单,具有重要的研究意义。本文以单液滴支承的磁驱动微旋转平台为研究对象,基于毛细液桥结构以及磁驱动方式,建立理论和仿真模型,分析了不同参数对其承载性能、运动性能和抗干扰性能的影响。建立单液滴支承磁驱动微旋转平台的实验系统,在不同参数下进行实验分析和验证。首先,针对单液滴支承微旋转平台的液桥结构,提出自由型和限制型两种基底配置。基于Young-Laplace方程,利用二分法通过数值迭代求解液桥轮廓,进而计算作用于微旋转平台的毛细力。基于Surface Evolver,建立毛细液桥的有限元仿真模型,对液桥毛细力进行计算,并与微分方程方法进行对比。根据微旋转平台的结构,提出单液滴支承微旋转平台承载能力的评价指标。分析接触角和基底尺寸等参数对两种基底配置下微旋转平台承载能力的影响,并对两种基底配置进行了对比。其次,基于亥姆霍茨线圈原理,推导产生绕任意轴的旋转磁场的控制算法。基于COMSOL Multiphysics,建立旋转磁场的仿真模型,并分析了磁场作用于微旋转平台的磁驱动力矩。建立流体摩擦阻力模型,分析粘度和旋转频率对阻力矩的影响。结合微旋转平台受到的磁力矩以及流体摩擦力矩,对微旋转平台能达到的最大旋转频率进行分析,研究不同参数对其最大旋转频率的影响。基于液桥理论模型,在抗拉伸、抗剪切、抗侧倾三个方面分析微旋转平台的抗干扰特性,研究了液桥不同参数对抗干扰特性的影响。最后,进行单液滴支承的磁驱动微旋转平台的毛细力学实验研究和旋转特性实验研究。建立了液桥毛细力测试系统,在两种基底配置下测量了液桥毛细作用力,并与仿真得到的毛细力结果进行对比,验证了液桥毛细力学仿真模型的正确性。建立了单液滴支承磁驱动微旋转平台的旋转驱动与测试系统,在绕竖直轴连续旋转、绕倾斜轴连续旋转以及步进旋转三个方面对微旋转平台的运动性能进行了实验研究,获得了不同接触角、液桥体积、液体粘度以及磁场强度等条件对其各种运动形式下运动性能的影响规律。
【图文】：

图 1-1 IC 工艺制作的静电驱动电机 等人[14 16]研制了一种可变电容谐波侧向驱动微型承和静电驱动方式，利用沉积和表面微加工技术在低温氧化的掺杂多晶硅层。对该微型电机进行摩擦μN。但是当微型电机长时间转动时，转子和中心销

- 2 -图 1-2 可变电容谐波侧向驱动微型电机滑动轴承会存在滑动摩擦，从而会引起严重的摩擦和磨损，降低，，并使轴承转速受到限制。滚动轴承的转子和定子之间采用微
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH-39

【参考文献】

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1 王学卫;于洋;;重力影响下板间液桥断裂距离研究[J];实验力学;2012年01期

2 于洋;王学卫;吴群;;基于Surface Evolver模拟液桥断裂距离[J];医用生物力学;2011年05期

3 刘思思;张朝辉;刘俊铭;;微平面接触分离中弯月面力的计算[J];物理学报;2010年10期

4 梁静秋,姚劲松;端面摇摆式微型电机研究[J];光学精密工程;1999年04期

本文编号：2562472