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上海千實解讀靜電電動機的運行原理
靜電電動機是利用靜電為能量源的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。具有結(jié)構(gòu)簡單，空載轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點，隨著MEMS( 微機電系統(tǒng))開發(fā)的深入，作為MEMS中關(guān)鍵部件的靜電電動機的研制越來越受到人們的關(guān)注。目前靜電電動機已經(jīng)在一些基本上不需要功率輸出的場合得到了應(yīng)用。
靜電電動機的運行原理有兩種：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動機一般被稱為靜電感應(yīng)電動機或異步介電感應(yīng)電動機。其具體原理如下：如果將一個介電轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)電場中，那么就會在轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)出電荷，由于介電馳豫，這些電荷滯后于旋轉(zhuǎn)電場，這些感應(yīng)電荷與旋轉(zhuǎn)電場之間的偏移就產(chǎn)生了一個作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩。如果轉(zhuǎn)子由多種介質(zhì)構(gòu)成，那么不同的介電馳豫過程就會被疊加,在不同的頻率下起作用。由于電動機運行時，轉(zhuǎn)子的角速度小于旋轉(zhuǎn)電場的角速度，因此這種電動機被稱之為“異步”，電動機的轉(zhuǎn)矩與效率都取決于轉(zhuǎn)子角速度與旋轉(zhuǎn)電場角速度的比。圖1 所示的是異步介電感應(yīng)靜電電動機的結(jié)構(gòu)示意簡圖。
電極靜止排放，相差90°相角的兩個電壓用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場。
感應(yīng)型靜電電動機有其自身的優(yōu)勢：,感應(yīng)電動機靠介電馳豫來建立轉(zhuǎn)子上的電荷分布，而不是靠轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)，于是感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子可以是光滑均勻的，甚至可以是液體。所以從制造工藝上講，感應(yīng)電動機比電容可變電動機有優(yōu)勢。第二，感應(yīng)電動機是異步運行的，所以它可以不需要轉(zhuǎn)子位置的反饋就可以獲得較好的運行性能。第三，在感應(yīng)電動機某一特定的運行狀態(tài)下可以提高軸承摩擦和磨損的特性。但是由于介電感應(yīng)電動機材料的電性能對電動機的運行有很大的影響，因此對于感應(yīng)電動機而言，對材料導電性能的控制就成為設(shè)計和制作上的難點。
2.利用電容可變原理的靜電電動機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)生機械位移，這種作用力使兩個電極趨于互相接近并達到一能量小的穩(wěn)定位置。電動機的定子為靜止電極，轉(zhuǎn)子為移動電極，通過限制轉(zhuǎn)子向定子方向移動的自由度，就可以使轉(zhuǎn)子獲得一個單一方向的位移。電容可變型靜電電動機的結(jié)構(gòu)簡單，由性能良好的絕緣體和導電體構(gòu)成,它的激勵只需要簡單的開環(huán)電壓脈沖就足夠了。
電容可變型靜電電動機也有著一些缺點：，為了使之能夠運行,必須保證定轉(zhuǎn)子間的電容可變,因此對于頂驅(qū)式和側(cè)驅(qū)式電動機的轉(zhuǎn)子就必須是凸極的結(jié)構(gòu),這樣的結(jié)構(gòu)做成平面化就需要復雜的工藝步驟。第二，為了獲得較大的電容變化以提高驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，就需要減小定轉(zhuǎn)子之間的氣隙，這就又增加了加工的難度。第三，電容可變型靜電電動機是同步式電動機,因此即使是小的運行也需要轉(zhuǎn)子位置的反饋,這可以說是一個很重要的缺點。后,轉(zhuǎn)子易受到橫向電場力的作用,從而導致了軸承摩擦和磨損。
