热管理下电热微驱动器的输出特性快速计算与设计方法

文档序号:25215427发布日期:2021-05-28 14:13阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种热管理下电热微驱动器的输出特性快速计算与设计方法,其特征在于,它包括以下步骤:

步骤1,设计热管理下电热微驱动器的几何模型;

步骤2,确定关键几何参数和材料物性参数并初步确定参数取值;

步骤3,热管理下的电热微驱动器的温度场建模;

步骤4,求出驱动梁的理想最大温升θid;

步骤5,根据稳态热路模型,求出驱动梁的最大温升θh、热沉结点温升θsk与末端温升θed与理想最大温升θid之间的关系式;

步骤6,由步骤4和5,求出驱动梁上温度分布t(x)与平均温升δt表达式;

步骤7,仅分析驱动部分,将驱动梁和梭梁结构简化为平面钢架结构,结构内因温升产生的热应力或热应变作为内部载荷,利用矩阵位移法经手算求出无外部负载作用下的输出位移;

步骤8,利用矩阵位移法求出v型驱动部分位移方向的刚度系数ka;

步骤9,由步骤7和步骤8中的驱动部分位移方向的刚度系数,求出驱动器的最大驱动力;

步骤10,采用矩阵位移法求出温控部分中折弯型热沉在位移方向的刚度系数ksk;

步骤11,综合驱动与温控部分,由步骤8-10中的刚度系数和最大驱动力,求出最大驱动位移;

步骤12,判断求得的特性参数是否设计要求,若不满足,返回步骤3调整参数取值,再按照上述步骤重新计算至到满足设计要求;若满足,进行步骤13;

步骤13,给出热管理下v型电热微驱动器在负载力fl作用下输出位移d的表达式。

2.根据权利要求1所述的热管理下电热微驱动器的输出特性快速计算与设计方法,其特征在于:在步骤5中,单个驱动梁的热阻rdb的计算公式为,

其中,l为单侧驱动梁的长,a为驱动梁横截面积,k为驱动梁材料热传导系数;

热沉的热阻计算公式为

主热阻和末端热阻采用相同材质材料,此材料是工作层材料或是隔热效果较好的材料,或在工作层中刻蚀出热隔离槽并填充隔热效果较好的材料,后一种情况主热阻和末端热阻的热阻计算公式为

其中k和kth分别为驱动梁材料热传导系数和热隔离材料的热传导系数且满足kth>k,a、ath、aed和ask分别为驱动梁横截面面积、主热阻横截面面积、末端热阻横截面面积和热沉横截面面积;lsk、lb和lth分别是折弯型热沉的总长度、主热阻和末端热阻中相邻隔离槽中间的工作层跨度和热隔离层跨度,mth和med分别是主热阻和末端热阻中热隔离阵列中隔离槽的数目。

3.根据权利要求1所述的热管理下电热微驱动器的输出特性快速计算与设计方法,其特征在于:利用矩阵位移法经手算求出无外部负载作用下的输出位移,分两种情况:一种是忽略梭梁横向的热膨胀变形,求出无负载下的输出位移,

另一种是考虑梭梁横向的热膨胀变形,求出无负载下的输出位移,

fb=etwαδt

fsh=etwshαθh

其中,l、w和分别为单侧驱动梁的长、宽与倾斜角;lsh是梭梁横向长度的一半,wsh是梭梁跨越单个驱动梁的宽度,t是微驱动器整体厚度,e和α是材料的弹性模量和热膨胀系数。fb为驱动梁热膨胀引起的轴向力、fsh为梭梁横向热膨胀引起的横向力。

4.根据权利要求3所述的热管理下电热微驱动器的输出特性快速计算与设计方法,其特征在于:在步骤7中,考虑梭梁横向的热膨胀变形情况,无外部负载下的输出位移通过几何模型求出,包括因梭梁横向热膨胀引起的输出位移和因v型驱动梁热膨胀引起的输出位移两部分,前者可表示为

考虑梭梁横向的热膨胀变形情况,无负载下的输出位移表示为


技术总结
一种热管理下电热微驱动器的输出特性快速计算与设计方法,它包括以下步骤:步骤1,设计几何模型;步骤2,确定关键几何参数和材料物性参数并初步确定参数取值;步骤3,温度场建模;步骤4,求出驱动梁的理想最大温升;步骤5,求出驱动梁的最大温升、热沉结点温升与末端温升与理想最大温升之间的关系式;步骤6,求出驱动梁上温度分布与平均温升表达式;步骤7,利求出无外部负载作用下的输出位移;步骤8,求出驱动部分位移方向的刚度系数;步骤9,求出驱动器的最大驱动力等步骤。本发明提供了一种快速获得温度场分布、关键点温升、位移方向刚度系数和最大驱动位移和驱动力等重要性能参数的方法。

技术研发人员:张段芹;李明亮;马宇;冯炳昊;刘旭玲;曹宁;丁静;费致根
受保护的技术使用者:郑州轻工业大学
技术研发日:2021.01.22
技术公布日:2021.05.28
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