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靜電電動(dòng)�(jī)
閱讀�5689�(shí)間:2017-08-10 14:03:25

    是利用靜電為能量源的一種能量轉(zhuǎn)換裝�。具有結(jié)�(gòu)簡單,空載轉(zhuǎn)速高的優(yōu)�(diǎn),隨�MEMS( 微機(jī)電系�(tǒng))開發(fā)的深�,作為MEMS中關(guān)鍵部件的靜電電動(dòng)�(jī)的研制越來越受到人們的�(guān)�。目前靜電電�(dòng)�(jī)已經(jīng)在一些基本上不需要功率輸出的場合得到了應(yīng)��

基本介紹

    隨著MEMS(Micro Electro Me-chanical System ,略記為MEMS,意為微�(jī)電系�(tǒng))開發(fā)的深�,作為MEMS中關(guān)鍵部件的靜電電動(dòng)�(jī)的研制越來越受到人們的�(guān)�。靜電電�(dòng)�(jī)是利用靜電為能量源的一種能量轉(zhuǎn)換裝�。具有結(jié)�(gòu)簡單,空載轉(zhuǎn)速高的優(yōu)�(diǎn),但也有功率�,啟�(dòng)難等缺點(diǎn)。目�,各�(fā)�(dá)國家競相開發(fā)靜電電動(dòng)�(jī)并且已經(jīng)取得了一些階段性�(jìn)�。鑒于MEMS在推�(dòng)國民�(jīng)�(jì)和軍事技�(shù)�(fā)展方面的重要性,我國國防科工委已�(jīng)把MEMS 列入了“九五”國防預(yù)研項(xiàng)�。目前,在航天衛(wèi)星和�(yī)療器械領(lǐng)域中已經(jīng)開始嘗試用靜電電�(dòng)�(jī)來代�?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁型電動(dòng)�(jī)�

基本原理、特�(diǎn)

    靜電電動(dòng)�(jī)的運(yùn)行原理有兩種:一種是利用介電馳豫原理,另一種是利用電容可變原理�

    1.利用介電馳豫原理的靜電電�(dòng)�(jī)一般被稱為靜電感應(yīng)電動(dòng)�(jī)或異步介電感�(yīng)電動(dòng)�(jī)。其具體原理如下:如果將一�(gè)介電�(zhuǎn)子置于旋�(zhuǎn)電場中,那么就會(huì)在轉(zhuǎn)子表面感�(yīng)出電�,由于介電馳�,這些電荷滯后于旋�(zhuǎn)電場,這些感應(yīng)電荷與旋�(zhuǎn)電場之間的偏移就�(chǎn)生了一�(gè)作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩。如果轉(zhuǎn)子由多種介質(zhì)�(gòu)�,那么不同的介電馳豫過程就會(huì)被疊�,在不同的頻率下起作用。由于電�(dòng)�(jī)�(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子的角速度小于旋轉(zhuǎn)電場的角速度,因此這種電動(dòng)�(jī)被稱之為“異步”,電動(dòng)�(jī)的轉(zhuǎn)矩與效率都取決于�(zhuǎn)子角速度與旋�(zhuǎn)電場角速度的比。圖1 所示的是異步介電感�(yīng)靜電電動(dòng)�(jī)的結(jié)�(gòu)示意簡圖�

    電極靜止排放,相�90°相角的兩�(gè)電壓用來�(chǎn)生旋�(zhuǎn)電場�

    感應(yīng)型靜電電�(dòng)�(jī)有其自身的優(yōu)勢:,感應(yīng)電動(dòng)�(jī)靠介電馳豫來建立�(zhuǎn)子上的電荷分�,而不是靠�(zhuǎn)子的凸極�(jié)�(gòu),于是感�(yīng)電動(dòng)�(jī)的轉(zhuǎn)子可以是光滑均勻�,甚至可以是液體。所以從制造工藝上�,感�(yīng)電動(dòng)�(jī)比電容可變電�(dòng)�(jī)有優(yōu)�。第�,感�(yīng)電動(dòng)�(jī)是異步運(yùn)行的,所以它可以不需要轉(zhuǎn)子位置的反饋就可以獲得較好的�(yùn)行性能。第�,在感應(yīng)電動(dòng)�(jī)某一特定的運(yùn)行狀�(tài)下可以提高軸承摩擦和磨損的特�。但是由于介電感�(yīng)電動(dòng)�(jī)材料的電性能對電�(dòng)�(jī)的運(yùn)行有很大的影�,因此對于感�(yīng)電動(dòng)�(jī)而言,對材料�(dǎo)電性能的控制就成為�(shè)�(jì)和制作上的難�(diǎn)�

    2.利用電容可變原理的靜電電�(dòng)�(jī)就是指利用帶電極板之間基于靜電能的能量變化趨勢產(chǎn)生機(jī)械位移,這種作用力使兩�(gè)電極趨于互相接近并達(dá)到一能量最小的�(wěn)定位�。電�(dòng)�(jī)的定子為靜止電極,轉(zhuǎn)子為移動(dòng)電極,通過限制�(zhuǎn)子向定子方向移動(dòng)的自由度,就可以使轉(zhuǎn)子獲得一�(gè)單一方向的位移。電容可變型靜電電動(dòng)�(jī)的結(jié)�(gòu)簡單,由性能良好的絕緣體和導(dǎo)電體�(gòu)�,它的激�(lì)只需要簡單的開環(huán)電壓脈沖就足夠了�

    電容可變型靜電電�(dòng)�(jī)也有著一些缺�(diǎn)�,為了使之能夠運(yùn)�,必須保證定轉(zhuǎn)子間的電容可�,因此對于頂驅(qū)式和�(cè)�(qū)式電�(dòng)�(jī)的轉(zhuǎn)子就必須是凸極的�(jié)�(gòu),這樣的結(jié)�(gòu)做成平面化就需要復(fù)雜的工藝步驟。第�,為了獲得較大的電容變化以提高驅(qū)�(dòng)�(zhuǎn)�,就需要減小定�(zhuǎn)子之間的氣隙,這就又增加了加工的難�。第�,電容可變型靜電電動(dòng)�(jī)是同步式電動(dòng)�(jī),因此即使是最小的�(yùn)行也需要轉(zhuǎn)子位置的反饋,這可以說是一�(gè)很重要的缺點(diǎn)�,�(zhuǎn)子易受到橫向電場力的作用,從而導(dǎo)致了軸承摩擦和磨損�

�(jié)�(gòu)分類

    目前各國以電容可變型靜電電動(dòng)�(jī)的研究最為普遍廣�,電容可變型靜電電動(dòng)�(jī)分為直線型和旋轉(zhuǎn)型兩大類�

    直線型電�(dòng)�(jī)�(jié)�(gòu)簡單,易采用多種制作方法和多種材料�

圖3

    �3 所示的�1996 年由東京大學(xué)研制的一種直線型靜電電動(dòng)�(jī)��(jié)�(gòu)示意簡圖,定子和�(dòng)子上都沉積有電極,通過對定子與�(dòng)子間施加一系列電壓可以使動(dòng)子產(chǎn)生一步步的直線運(yùn)�(dòng),運(yùn)�(dòng)速度的控制可以通過�(diào)節(jié)電極上施加的電壓來達(dá)�,這臺電動(dòng)�(jī)�(dòng)子電極分為四�,定子電極分為三相,采用矩形波電壓�(qū)�(dòng)�

    旋轉(zhuǎn)型靜電電�(dòng)�(jī)一般是以多晶硅材料制成,形狀為扁��

    旋轉(zhuǎn)型靜電電�(dòng)�(jī)可以分為三種:頂驅(qū)�(dòng)型、側(cè)�(qū)�(dòng)型以及擺�(dòng)�。頂�(qū)�(dòng)型旋�(zhuǎn)靜電電動(dòng)�(jī)的結(jié)�(gòu)是定子在�(zhuǎn)子的上面,定子電極與�(zhuǎn)子電極之間形成電�,電容中電場變化�(chǎn)生一�(gè)相對軸承為切向的靜電�,直接�(qū)�(dòng)電動(dòng)�(jī)旋轉(zhuǎn)。圖4 所示的是一�(gè)頂驅(qū)型靜電電�(dòng)�(jī)的部分截面圖。側(cè)�(qū)型靜電電�(dòng)�(jī)�(zhuǎn)子在定子的里�,電能�(chǔ)存在定轉(zhuǎn)子電極間的氣隙中,產(chǎn)生的靜電力的方向相對軸承也為切向�

圖5

    �5 所示的是加利福尼亞大學(xué)Berkeley 分校�1989 年采用IC 工藝用多晶硅制作的步�(jìn)式靜電電�(dòng)�(jī)的俯視圖與截面圖。擺�(dòng)型靜電電�(dòng)�(jī)也稱為行波型靜電電動(dòng)�(jī)。轉(zhuǎn)子的外徑比定子的�(nèi)徑小一��

    電動(dòng)�(jī)的運(yùn)行依靠徑向靜電力吸引�(zhuǎn)子向被激�(lì)的定子電極方向運(yùn)�(dòng),當(dāng)按一定順序激�(lì)定子電極,就可以�(shí)�(xiàn)�(zhuǎn)子在定子直徑�(nèi)滾動(dòng)。圖6 所示的是一種帶有中心軸承的擺動(dòng)型靜電電�(dòng)�(jī)的結(jié)�(gòu)簡圖�

    在這三種旋�(zhuǎn)型靜電電�(dòng)�(jī)�,頂�(qū)型靜電電�(dòng)�(jī)由于它的定轉(zhuǎn)子之間的電容變換較大,所以它的輸出轉(zhuǎn)矩是比較大的,但是在�(yùn)行過程中�(huì)�(chǎn)生一�(gè)與轉(zhuǎn)子電極相垂直的靜電力將轉(zhuǎn)子箝住推向定子電�,所以轉(zhuǎn)子的�(wěn)定性是一�(gè)非常�(yán)峻的問題,對于側(cè)�(qū)�(dòng)型靜電電�(dòng)�(jī),通過軸承來確保轉(zhuǎn)子在被激�(lì)的定子電極之�,于是轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定性就得到了結(jié)�(gòu)性的�(bǔ)�。但是對于扁平結(jié)�(gòu)的側(cè)�(qū)型靜電電�(dòng)�(jī),由于定轉(zhuǎn)子電極重疊形成的電容�,導(dǎo)致其輸出�(zhuǎn)矩過�;對于擺�(dòng)型靜電電�(dòng)�(jī),可以通過將電�(dòng)�(jī)做得長一些來獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩,但是由于�(zhuǎn)子在定子電極�(nèi)作滾�(dòng)�(yùn)�,所以這種�(jié)�(gòu)�(huì)�(dǎo)致所帶負(fù)載擺�(dòng)較大 。針對上述結(jié)�(gòu)的靜電電�(dòng)�(jī)的缺�(diǎn),為了提高輸出轉(zhuǎn)�、解決轉(zhuǎn)子的�(wěn)定性等問題,目前又有人提出了雙定子�(jié)�(gòu)靜電電動(dòng)�(jī)、靜電懸浮式靜電電動(dòng)�(jī)、外�(zhuǎn)子靜電電�(dòng)�(jī)等新�(jié)�(gòu)�

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