CN108322082A - 一种单相电容可变式静电电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相电容可变式静电电机，包括壳体、转子转轴以及设置于壳体内的转子、第一定子及第二定子，其中，转子位于第一定子与第二定子之间，转子转轴穿过壳体，第一定子及第二定子通过轴承安装于转子转轴上，转子套接并固定于转子转轴上，第一定子的内侧面上设置有若干第一电极层，转子一侧面设置有若干第二电极层，转子的另一侧面设置有第三电极层，第二定子的内侧面设置有若干第四电极层，该电机的输出转矩较大，并且每个定子上只分布一种电势的电极。

Description

一种单相电容可变式静电电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种静电电机，具体涉及一种单相电容可变式静电电机。

背景技术

静电场在电气、机械、轻工、纺织、以及航空航天等领域有着广泛的应用。利用电容可变原理的静电电动机是利用静电为能量源的一种能量转换装置。电机施加驱动电压后，利用定转子电极之间基于静电能的能量变化趋势产生静电转矩，驱动转子旋转以实现定转子电极之间能量最小。通常静电的能量密度与电磁能量密度相比较低，因此常规的动力源如工业用电机多为电磁式的，但是在微观领域情况却发生了根本的变化，绝缘体的电场强度随着绝缘厚度的变薄而上升，有效提高了静电的能量密度，又由于电容可变式静电电机具有构造简单，加工容易，效率高等优点，目前，电容可变式静电电机在MEMS系统中得到了广泛的应用。

在宏观领域，电容可变式静电电机由定转子上的电极和电极之间的电介质构成，与电磁式电动机相比，节省了绕组线圈、铁心和永磁体，具有构造简单，加工容易，成本低，损耗小，适用于超高温、强磁场领域等一系列优点。但是，宏观级电容可变式静电电机的输出转矩很小，限制了其在实际领域中的应用。针对这一缺点，除了可以通过提高驱动电压或电介质的相对介电常数的方法进行改善外，还需要在电机设计阶段，对电机的拓扑结构进行优化，以提高电机的输出转矩。另外，电容可变式静电电机通常设计为定子上分布不同电势的电极，比如三相电机，定子上分布三种不同电势的电极；单相电机，定子上分布两种不同电势的电极，不同电势的电极之间彼此要相互绝缘，这在工艺上增加了复杂性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种单相电容可变式静电电机，该电机的输出转矩较大，并且每个定子上只分布一种电势的电极。

为达到上述目的，本发明所述的单相电容可变式静电电机包括壳体、转子转轴以及设置于壳体内的转子、第一定子及第二定子，其中，转子位于第一定子与第二定子之间，转子转轴穿过壳体，第一定子及第二定子通过轴承安装于转子转轴上，转子套接并固定于转子转轴上，第一定子的内侧面上设置有若干第一电极层，转子一侧面设置有若干第二电极层，转子的另一侧面设置有第三电极层，第二定子的内侧面设置有若干第四电极层；

同一第一电极层中的各第一电极呈圆形分布，且各第一电极层的圆心重合；同一第二电极层中的各第二电极呈圆形分布，且各第二电极层的圆心重合；同一第一电极层中的各第三电极呈圆形分布，且各第三电极层的圆心重合；同一第四电极层中的各第四电极呈圆形分布，且各第四电极层的圆心重合；

各第一电极层与各第二电极层由内到外依次交错分布，各第四电极层与各第三电极层由内到外依次交错分布，且相邻第一电极层与第二电极层之间以及相邻第三电极层与第四电极层之间均填充有电介质；

在工作时，第一定子及第二定子上分别施加正电压及负电压，转子接地；

第一定子与第二定子在转子转轴上的固定位置在沿转子旋转方向上相差180度电角度。

各第一电极层中的各第一电极与各第四电极层中的各第四电极的排列方式相同，其中，第一电极层中的各第一电极与第四电极层中的各第四电极相对于转子转轴的空间位置沿转子旋转方向相差180度电角度，同一第一电极层中的相邻两个第一电极相对于转子转轴的空间位置在沿转子旋转方向上相差360度电角度。

第一电极及第四电极的形状为矩形、圆形或者任意可能形状。

电介质为气体或者液体。

第一定子与转子之间，第一定子与第二定子之间、以及转子与第二定子之间均相互绝缘。

转子与第一定子及第二定子之间的相互空间位置沿轴向排列或者沿径向排列。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的单相电容可变式静电电机包括第一定子、转子及第二定子，且第一定子与第二定子通过轴承安装于转子转轴上，转子固定于转子转轴上，且第一定子与第二定子在转子转轴上的固定位置在沿转子旋转方向上相差180度电角度，当第一定子与转子之间的电容达到最大时，此时，第二定子与转子之间的电容最小，且上述两电容之差最大，从而使电机具有较大的输出转矩。另外，本发明在工作时，在第一定子及第二定子上分别施加正电压及负电压，转子接地，因此每个定子上只分布一种电势的电极，不需要考虑电极之间绝缘的问题，相比于电磁式电动机，本发明节省了绕组线圈、铁心及永磁体，结构更为简单，并且工作过程中电机损耗小，效率高，不用考虑高温对永磁体去磁及绕组绝缘的影响，能够适用于超高温领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构平面示意图；

图3为实施例一的结构示意图；

图4为实施例一中定子与转子之间电容的曲线图。

其中，1为第一定子、2为第二定子、3为转子、4为第一电极、5为第四电极、6为第二电极、7为电介质、8为转子转轴、9为壳体、10为第三电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的单相电容可变式静电电机包括壳体9、转子转轴8以及设置于壳体9内的转子3、第一定子1及第二定子2，其中，转子3位于第一定子1与第二定子2之间，转子转轴8穿过壳体9，第一定子1及第二定子2通过轴承安装于转子转轴8上，转子3套接并固定于转子转轴8上，第一定子1的内侧面上设置有若干第一电极层，转子3一侧面设置有若干第二电极层，转子3的另一侧面设置有第三电极层，第二定子2的内侧面设置有若干第四电极层；同一第一电极层中的各第一电极4呈圆形分布，且各第一电极层的圆心重合；同一第二电极层中的各第二电极6呈圆形分布，且各第二电极层的圆心重合；同一第一电极层中的各第三电极10呈圆形分布，且各第三电极层的圆心重合；同一第四电极层中的各第四电极5呈圆形分布，且各第四电极层的圆心重合；各第一电极层与各第二电极层由内到外依次交错分布，各第四电极层与各第三电极层由内到外依次交错分布，且相邻第一电极层与第二电极层之间以及相邻第三电极层与第四电极层之间均填充有电介质7；在工作时，第一定子1及第二定子2上分别施加正电压及负电压，转子3接地；第一定子1与第二定子2在转子转轴8上的固定位置在沿转子3旋转方向上相差180度电角度。

各第一电极层中的各第一电极4与各第四电极层中的各第四电极5的排列方式相同，其中，第一电极层中的各第一电极4与第四电极层中的各第四电极5相对于转子转轴8的空间位置沿转子3旋转方向相差180度电角度，同一第一电极层中的相邻两个第一电极4相对于转子转轴8的空间位置在沿转子3旋转方向上相差360度电角度。

第一电极4及第四电极5的形状为矩形、圆形或者任意可能形状；电介质7为气体或者液体；第一定子1与转子3之间，第一定子1与第二定子2之间、以及转子3与第二定子2之间均相互绝缘；转子3与第一定子1及第二定子2之间的相互空间位置沿轴向排列或者沿径向排列。

本发明所述单相电容可变式静电电机的输出转矩T为：

其中，V为施加电压，x为定子与转子3之间的相对距离，C_{stator1-rotor}为第一定子1和转子3之间的电容，C_{stator2-rotor}为第二定子2和转子3之间的电容。第一定子1与第二定子2在转子转轴8上的固定位置在沿转子3旋转方向上相差180度电角度，当C_{stator1-rotor}达到最大值时，C_{stator2-rotor}为最小值，上述两电容之差为最大，有效提高电机的输出转矩，另外，每个定子上只分布一种电势的电极，不需要考虑电极之间绝缘的问题。

另外，第一电极4、第二电极6、第三电极10及第四电极5的电极个数为任意可能数量，排列方式为任意可能方式，所用材料为任意可能导电材料，也可以采用不导电材料再镀一层任意可能材料的导电层。

实施例一

本实施例以一台单相定子/转子的电容可变式静电电机为例，参考图3，所述电容可变式静电电机包括第一定子1、第二定子2及转子3，第一定子1、第二定子2及转子3沿轴向排列，转子3位于第一定子1与第二定子2之间，第一定子1上沿同心圆分布有若干第一电极层，第一电极层的层数为7，各第一电极层中第一电极4的数量均为40；第二定子2上沿同心圆分布有若干第二电极层，第二电极层的层数为7，各第二电极层中的第二电极6的数量均为40；转子3上沿同心圆分布有若干第三电极层，且各第三电极层中第三电极10的数目为40，第三电极层的数目为6层，将正、负电压分别施加在第一定子1和第二定子2上，第一定子1及第二定子2上只分布一种电势的电极，转子3接地，不需要考虑电极之间绝缘的问题，各电极的分布如图3所示，图4为定子与转子3之间的电容，参考图4，可以看出当第一定子1与转子3之间的电容达到最大值时，第二定子2和转子3之间的电容为最小值，两电容之差为最大，有效提高了输出转矩。

Claims (6)

1.一种单相电容可变式静电电机，其特征在于，包括壳体(9)、转子转轴(8)以及设置于壳体(9)内的转子(3)、第一定子(1)及第二定子(2)，其中，转子(3)位于第一定子(1)与第二定子(2)之间，转子转轴(8)穿过壳体(9)，第一定子(1)及第二定子(2)通过轴承安装于转子转轴(8)上，转子(3)套接并固定于转子转轴(8)上，第一定子(1)的内侧面上设置有若干第一电极层，转子(3)一侧面设置有若干第二电极层，转子(3)的另一侧面设置有第三电极层，第二定子(2)的内侧面设置有若干第四电极层；

同一第一电极层中的各第一电极(4)呈圆形分布，且各第一电极层的圆心重合；同一第二电极层中的各第二电极(6)呈圆形分布，且各第二电极层的圆心重合；同一第一电极层中的各第三电极(10)呈圆形分布，且各第三电极层的圆心重合；同一第四电极层中的各第四电极(5)呈圆形分布，且各第四电极层的圆心重合；

各第一电极层与各第二电极层由内到外依次交错分布，各第四电极层与各第三电极层由内到外依次交错分布，且相邻第一电极层与第二电极层之间以及相邻第三电极层与第四电极层之间均填充有电介质(7)；

在工作时，第一定子(1)及第二定子(2)上分别施加正电压及负电压，转子(3)接地；

第一定子(1)与第二定子(2)在转子转轴(8)上的固定位置在沿转子(3)旋转方向上相差180度电角度。

2.根据权利要求1所述的单相电容可变式静电电机，其特征在于，各第一电极层中的各第一电极(4)与各第四电极层中的各第四电极(5)的排列方式相同，其中，第一电极层中的各第一电极(4)与第四电极层中的各第四电极(5)相对于转子转轴(8)的空间位置沿转子(3)旋转方向相差180度电角度，同一第一电极层中的相邻两个第一电极(4)相对于转子转轴(8)的空间位置在沿转子(3)旋转方向上相差360度电角度。

3.根据权利要求1所述的单相电容可变式静电电机，其特征在于，第一电极(4)、第二电极(6)、第三电极(10)及第四电极(5)的形状为矩形或圆形。

4.根据权利要求1所述的单相电容可变式静电电机，其特征在于，电介质(7)为气体或者液体。

5.根据权利要求1所述的单相电容可变式静电电机，其特征在于，第一定子(1)与转子(3)之间，第一定子(1)与第二定子(2)之间、以及转子(3)与第二定子(2)之间均相互绝缘。

6.根据权利要求1所述的单相电容可变式静电电机，其特征在于，转子(3)与第一定子(1)及第二定子(2)之间的相互空间位置沿轴向排列或者沿径向排列。