The piezoelectric materials convert from mechanical energy to electrical energy. The piezoelectric materials are used in various engineering applications such as piezoelectric ultrasonic actuators. Since the piezoelectric coupling characteristics of the actuator systems should be considered at the initial design stage, it is essential to analyze the piezoelectric coupling characteristics of the ultrasonic actuators. In this study, we analyzed the electromechanical characteristics of piezoelectric stacked actuator using the equivalent circuit model with modal mass stiffness parameters. It was compared the admittance of piezoelectric stack actuators with the analytical circuit model and the finite element model. Also, the coupling coefficient of piezoelectric stack actuator was discussed according to the number of stacks of actuators.
When one is interested in the dynamics of a mechanical system with electric motors, the force generated by the motor is generally considered as only an applied torque or force independent of mechanical state variables such as velocity. For a system operated in non-steady dynamic conditions, however, the usual analysis approach may fail to predict some characteristics in the dynamic behaviors because of electromechanical coupling effects. In this paper, we propose dynamics analysis model in which dc motor dynamics with the electromechanical coupling effects are embedded to mechanical dynamics models. The do motor is modeled based on its equivalent circuit model and included in the dynamics solving algorithm which we developed before, called generalized recursive dynamics formula. The developed dynamic analysis model is effective and realistic for analysis of electromechanical dynamics of a system with do motors. The developed model is evaluated by constructing and simulating the flexible antennas of an artificial satellite driven by do motors.
Kim, Jung-Soon;Kim, Moo-Joon;Ha, Kang-Lyeol;Cao, Wen-Wu
The Journal of the Acoustical Society of Korea
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제25권3E호
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pp.110-114
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2006
In a previous theoretical paper, we have derived a unified formula by considering 2-D coupled mode vibrations. The unified formula for electromechanical coupling coefficient of piezoelectric resonator was verified experimentally. The capacitance change near the resonant frequency was investigated to estimate the effective coupling coefficient of the resonator instead of the conventional method based on I-D model. The susceptance spectra were measured for the seven samples of piezoelectric resonator with different aspect ratio. Excellent agreement between theoretical and experimental results was obtained.
This paper presents a linear computational homogenization framework to evaluate the effective (or generalized) electromechanical coupling coefficient (EMCC) of adaptive structures with piezoelectric structural fiber (PSF) composite elements. The PSF consists of a silicon carbide (SiC) or carbon core fiber as reinforcement to a fragile piezo-ceramic shell. For the micro-scale analysis, a micromechanics model based on the variational asymptotic method for unit cell homogenization (VAMUCH) is used to evaluate the overall electromechanical properties of the PSF composites. At the macro-scale, a finite element (FE) analysis with the commercial FE code ABAQUS is performed to evaluate the effective EMCC for structures with the PSF composite patches. The EMCC is postprocessed from free-vibrations analysis under short-circuit (SC) and open-circuit (OC) electrodes of the patches. This linear two-scale computational framework may be useful for the optimal design of active structure multi-functional composites which can be used for multi-functional applications such as structural health monitoring, power harvest, vibration sensing and control, damping, and shape control through anisotropic actuation.
This paper proposes GaN film as a piezoelectric material for SAW(surface acoustic wave) filters. The fabricated GaN SAW filter exhibited a very high velocity of 5800 ㎧and relatively low insertion loss of -9.9 dB without matching circuit. From Smith's equivalent circuit model, the calculated electromechanical coupling factor (K$^2$) was about 4.$\pm$03%. which is larger than those obtained from other thin film piezoelectric materials and allows the realization of wider filter fractional bandwidths.
Abnormally large electromechanical strain properties have been reported in bismuth-based piezoelectric ceramics, which cast a promise for replacing the market-dominating PZT-based piezoelectric ceramics in actuator applications. In spite of these large strains in bismuth-based piezoelectric ceramics, there still remains a critical issue for its safe transfer to practical applications, representatively, a relatively high operating field required to obtain the large strain properties. To overcome the challenge, much attention has been paid to so-called 0-3(or 3-0) type ceramic/ceramic composite approach to better tailoring the strain properties of bismuth-based piezoelectric ceramics. The approach turns out to be highly effective, leading to a drastic decrease in the operating electric field for these materials. Besides, both extensive and intensive search for the related mechanism revealed that the reduction in the operating electric field is largely due to the contribution from polarization coupling or strain coupling model between two different ceramics. This article reviews the status of the art in the development of novel ceramic/ceramic composites to make large incipient piezostrains in bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics practical.
A new RMRAC scheme far the PMSM current regulation is proposed in a synchronous frame, which is completely free from the parameter's uncertainty. A current regulator of PMSM is the inner most loop of electromechanical driving systems and plays a foundation role in the control hierarchy. When the PMSM runs in high speed, the cross-coupling terms must be compensated precisely for large system BW. In the proposed RMRAC, the input signal is composed of a calculated voltage defined by MRAC law and an output of the disturbance compensator. The gains of feed forward and feedback controller are estimated by the proposed modified gradient method, where the system disturbances are assumed as filtered current regulation errors. After the compensation of the system disturbance from error information, the corresponding voltage is fed forward to control input to compensate for real disturbances. The proposed method robustly compensates the system disturbance and cross-coupling terms. It also shows a good realtime performance due to the simplicity of control structure. Through real experiments, the efficiency of the proposed method is verified.
This paper presents a coupling scheme of LSM(Level Set Method) and Poisson's equation to analyze the dynamic performance of electromagnetic system with moving parts. Remeshing process is necessary to analyze the dynamics of moving object using finite element method. LSM is useful for analysis of moving objects or propagating models in time varying system. In this paper, we proposed the material setting technique of mover using level set function. To validate the algorithm, we adopted the simple hinged electromagnet model with moving arm. The results of simulation are reasonable as expect.
A numerical simulation method is developed to analyze the dynamic response of a cantilever switch, which is driven by electrostatic force and a basic component of electro-mechanical coupled system. First, point-charges model on conductor is proposed as a lumped parameter of electrical part. Then, this model is easily incorporated into a multi-body dynamics analysis algorithm, the generalized recursive dynamics formula previously developed by our research group. The resulting motion of a coupled overall system is formulated as a differential algebraic equation form including electrical and mechanical variables together. The equation is simultaneously solved in every time step. To implement this approach into the useful dynamics analysis tool, we used multibody dynamics software (RecurDyn) based on the generalized recursive formula using relative coordinate. The developed numerical simulation tool is evaluated by applying to many different driving condition and switch configuration. The final analysis model will be added to RecurDyn as a basic module for dynamics analysis of electro-mechanical coupled system.
In the feed drive systems of machine tools that consist of many mechanical components such as motor, coupling, ballscrew, nut or table, a torsional vibration is often generated because of its elastic elements in torque transmission. Generally, the accuracy of motion control system is strongly influenced by the dynamic behavior of coupled transmission components. Especially, a torsional vibration caused by the elasticity of mechanical elements might deteriorate the quick movement of system and lead to shorten the life time of the mechanical transmission elements. So, it is necessary to analyze the electromechanical system mathematically to optimize the dynamic characteristics of the feed system. In this paper, the mathematical model of a feed drive system was developed and its mechanical characteristics were analyzed on the basis of the proposed model. The design concepts of speed control loop to stabilize a feed drive system were also proposed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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