CN112636627A - 一种基于驻极体薄膜的静电电动机 - Google Patents

一种基于驻极体薄膜的静电电动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于驻极体薄膜的静电电动机，包括定子、转子和旋转轴；定子上方设有第一电刷和第二电刷，定子上表面黏贴有朝上一面的正负极相反的第一驻极体薄膜和第二驻极体薄膜；转子中轴位置设有换向器，换向器包括两个换向器铜片及设在两个换向器铜片之间的绝缘部分，转子下表面设有与换向器铜片一一对应的半圆形金属电极，半圆形金属电极分别通过长方形金属条连接至与之对应的换向器铜片，半圆形金属电极与定子之间存在空气间隙；第一电刷和第二电刷均与换向器接触，旋转轴穿过转子中心。本发明在带动外部负载工作时无发热现象，有效降低电机功耗，便于电机微型化，解决了现有静电电动机输出力矩小、需要复杂调控电压等问题。

Description

一种基于驻极体薄膜的静电电动机
技术领域
本发明属于静电电机技术领域，尤其涉及一种用于将电能转换成推动转子旋转的机械能的基于驻极体薄膜的静电电动机。
背景技术
在目前的工业环境中，所使用的的电动机主要是电磁电动机，其工作原理是一样的，电磁电动机的转子线圈在恒定磁场中通入电流后，受到的安培力作为转子转动的驱动力。该类型电动机在工作时会在线圈中产生热量，造成额外的能量损耗。该类型电动机在工作时需要外加恒定的磁场，不利于小型化、微型化。
1742年，Andrew Gordan利用同号电荷相排斥、异号电荷相吸引原理发明了电铃和电弹力车，这是最早利用静电驱动的例子。20世纪70年代，Gubkin和Jefimenko使用驻极体发明出驻极体电动机，两人发明的电动机都是将驻极体作为电机转动的转子，产生高压电场的金属电极作为电机的定子。但Gubkin提出的电动机需要对定子两端施加随转子转动位置变化而交替变化的电压，电动机在转动过程中对驱动电压的要求较高。
现有的可变电容式静电电动机需要两个相对的金属电极作为定子和转子，比如中国专利CN110829879A公开的层叠电容电动机，包括线圈和与输出轴固定连接的第一转轴，线圈设有四个电流霍尔传感器，第一转轴外侧套设有若干层电容传动组件，线圈桥式连接有第一绝缘双极型晶体管组、第二绝缘双极型晶体管组、第三绝缘双极型晶体管组和第四绝缘双极型晶体管组，四个电流霍尔传感器分别于第一绝缘双极型晶体管组、第二绝缘双极型晶体管组、第三绝缘双极型晶体管组和第四绝缘双极型晶体管组连接。现有的变电容式静电电动机转动的过程中需要复杂的电压调控，电机的转速会受到调控电压的频率与波形的影响，电机的转速普遍偏低，在电机的极限转速附近容易失去对转子的控制。现有的静电电动机输出力矩较小，不具备带动外部负载工作的能力。
现有的介电弛豫式静电电动机对材料的制作工艺有较高的要求，该类型电动机在转动过程中会受到环境因素(温度、湿度)的影响，不能保持很好的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题提供一种基于驻极体薄膜的静电电动机，以解决传统电机不利于小型化、微型化，对驱动电压的要求较高、对环境因素敏感、稳定性难以保证、无法带动外部负载工作等问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
本发明涉及的一种基于驻极体薄膜的静电电动机，其包括定子、转子和旋转轴；所述的定子的上方设有用于连接直流高压负极的第一电刷和用于连接直流高压正极的第二电刷，定子的上表面黏贴有第一驻极体薄膜和第二驻极体薄膜，第一驻极体薄膜和第二驻极体薄膜朝上一面的正负极相反，且第一驻极体薄膜和第二驻极体薄膜之间留有间隙，第一电刷和第二电刷均不与第一驻极体薄膜及第二驻极体薄膜接触；所述的转子的中轴位置设有换向器，换向器包括两个换向器铜片以及设置在两个换向器铜片之间的绝缘部分，转子的上表面设有与两个换向器铜片一一对应的长方形金属条，转子下表面设有两个半圆形电极，两个半圆形电极之间存在间隙，两个半圆形电极分别与两个换向器铜片一一对应，且相互对应的半圆形电极与换向器铜片之间通过长方形金属条连接，半圆形电极与第一驻极体薄膜及第二驻极体薄膜之间存在空气间隙；所述的第一电刷和第二电刷均与换向器接触；所述的旋转轴穿过转子的中心并与转子连接。
优选地，所述的第一驻极体薄膜和第二驻极体薄膜的面积相同，分别对称的贴在定子上表面的左半部分和右半部分。
优选地，所述的长方形金属条的一端与换向器铜片连接，另一端与该换向器铜片对应的半圆形电极连接。
优选地，所述的定子的左右两侧均设有立柱，立柱上设有凸体，所述的第一电刷和第二电刷分别绑扎在两个凸体上。
优选地，所述的第一电刷和第二电刷在靠近换向器的部分均通过弯折的方式形成尖端，第一电刷和第二电刷的尖端与换向器接触，在与换向器接触良好的情况下尽可能的减少两者之间在转动过程中产生的摩擦力。
优选地，所述的立柱的顶部设有顶部横梁，顶部横梁上设有上转轴支撑体，所述的定子内设有下转轴支撑体，所述的旋转轴上端穿过上转轴支撑体，下端延伸至下转轴支撑体内。旋转轴上端穿过上转轴支撑体可带动外部负载工作。
优选地，所述的上转轴支撑体设有圆柱形孔洞，下转轴支撑体的上表面设有对应的圆锥形凹槽，所述的旋转轴的上下两端设有尖针，下端尖针插入圆锥形凹槽内，保证旋转轴及转子转动的稳定性。
优选地，所述的长方形金属条沿转子上表面的直径布置。
优选地，两个换向器铜片与绝缘部分组成一个圆环形状的柱体。
所述的定子和转子采用白色普通树脂制作，下转轴支撑体和旋转轴采用不锈钢金属材料制作。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明采用驻极体静电感应驱动原理，定子上表面贴有驻极体薄膜，转子的中轴位置设有换向器，转子的上表面设有长方形金属条，转子下表面设有两个半圆形电极，两个半圆形电极之间存在间隙，半圆形电极与驻极体薄膜及之间存在空气间隙，两个半圆形电极通过长方形金属条与对应的换向器铜片连通，该结构减小了电机尺寸，避免了电机在工作过程中产生发热现象，降低了电机功耗，便于电机的微型化，小型化。
2.本发明定子上表面黏贴有第一驻极体薄膜和第二驻极体薄膜，转子上设有两个换向器铜片、与两个换向器铜片一一对应的两个半圆形电极，对应的换向器铜片与半圆形电极之间通过长方形金属条连接，两个电刷分别与换向器接触，使用直流高压供电即可保证电机正常工作，电动机无需对定子两端施加随转子转动位置变化而交替变化的电压，解决了现有静电电动机需要复杂调控电压的问题。
3.本发明采用驻极体薄膜与转子下表面金属电极之间的静电场变化产生驱动力，使用旋转轴引出电机产生的动力，带动外部负载工作，解决了传统静电电动机无法带动外部负载工作的问题。
4.本发明使用的驻极体材料能够较长时间对外产生静电场，稳定性好，电机工作时转速平稳，解决了介电弛豫式静电电动机对工作环境敏感，性能不稳定的问题。
5.本发明所需的工作电流小，可通过控制供电电压大小的方式调节转速大小，操作简单。
6.本发明可通过控制驻极体薄膜与供电电刷之间的位置关系改变转子的转动方向。
附图说明
图1是基于驻极体薄膜的静电电动机的立体图；
图2是基于驻极体薄膜的静电电动机的主视图；
图3是基于驻极体薄膜的静电电动机的剖视图；
图4是基于驻极体薄膜的静电电动机逆时针转动的示意图；
图5是基于驻极体薄膜的静电电动机顺时针转动的示意图。
附图标记：1-定子，2-第一电刷，3-第二电刷，4-第一驻极体薄膜，5-第二驻极体薄膜，6-立柱，7-转子，8-凸体，9-顶部横梁，10-换向器，11-换向器铜片，12-半圆形电极，13-绝缘部分，14-长方形金属条，15-尖端，21-旋转轴，22-上转轴支撑体，23-下转轴支撑体，24-圆锥形凹槽。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参照附图1和2所示，本发明涉及的一种基于驻极体薄膜的静电电动机，其包括定子1、转子7和旋转轴21。
所述的定子的上方设有用于连接直流高压负极的第一电刷2和用于连接直流高压正极的第二电刷3，定子1的上表面黏贴有第一驻极体薄膜4和第二驻极体薄膜5，第一驻极体薄膜4和第二驻极体薄膜5的面积相同，分别对称的贴在定子1上表面的左半部分和右半部分，第一驻极体薄膜4和第二驻极体薄膜5朝上一面的正负极相反，且第一驻极体薄膜4和第二驻极体薄膜5之间留有间隙，第一电刷2和第二电刷3设置于均不与第一驻极体薄膜4及第二驻极体薄膜5接触。
所述的定子1的左右两侧均设有立柱6，立柱6和定子平板1采用一体式结构，两侧的立柱6上均设有凸体8，第一电刷2和第二电刷3分别绑扎在两个凸体8上；两侧立柱6的顶部设有顶部横梁9，顶部横梁9上设有上转轴支撑体22，定子平板1内设有下转轴支撑体23。参照附图3所示，所述的上转轴支撑体中心有圆柱形孔洞，下转轴支撑体23的上表面设有对应的圆锥形凹槽24。
参照附图1～3所示，所述的转子7的中轴位置设有换向器10，换向器10包括两个换向器铜片11以及设置在两个换向器铜片之间的绝缘部分，两个换向器铜片11与绝缘部分13组成一个圆环形状的柱体，转子7的上表面设有两个与换向器铜片11一一对应的长方形金属条14，转子7的下表面设有两个半圆形电极12，长方形金属条14一端与对应的换向器铜片11连接，一端与对应的半圆形电极12连接，两个半圆形电极12之间存在间隙，半圆形电极12与第一驻极体薄膜4及第二驻极体薄膜5之间存在空气间隙；所述的第一电刷2和第二电刷3分别与换向器10接触。所述的第一电刷2和第二电刷3在靠近换向器10的部分均通过弯折的方式形成尖端15，第一电刷2和第二电刷3的尖端15与换向器10接触，在与换向器10接触良好的情况下尽可能的减少两者之间在转动过程中产生的摩擦力。
参照附图3所述，所述的旋转轴21穿过转子7的中心并与转子7连接，旋转轴21的上端穿过上转轴支撑体22，下端延伸至下转轴支撑体23内。本实施例中，旋转轴21的上下两端设有尖针，下端的尖针插入转轴支撑体23的圆锥形凹槽24内，保证了旋转轴21及转子转动的稳定性。
本发明涉及的基于驻极体薄膜的静电电动机的工作原理为：第一驻极体薄膜5和第二驻极体薄膜6两侧具有正和负两种静电场。驻极体表面的静电场与施加高压的电极表面的静电场之间发生静电吸引和排斥作用，推动驻极体转子转动。第一电刷2和第二电刷3均与换向器10连接，保证对电动机转子两部分电极的交替供电，使转子顺利完成一个完整的转动动作。
逆时针转动方式为：参照图4所示，负高压从第一电刷2接入电动机，负电荷从换向器铜片传导至转子下表面左侧的半圆形电极12处，左半侧转子(左侧的半圆形电极12)下表面表现出强烈的负电场。第一驻极体薄膜4(负极朝上)由于自身的物理特性对外产生负电场，第二驻极体薄膜5(正极朝上)由于自身的物理特性对外产生正电场。此时，转子7下表面的负电场与左侧第一驻极体薄膜4产生的负电场之间产生排斥力，转子7下表面的负电场与右侧第二驻极体薄膜5产生的正电场之间产生吸引力，共同推动转子转动。同时，正高压从第二电刷3接入电动机，正电荷从换向器传导至转子下表面的电极处，右半侧转子(右侧的半圆形电极12)下表面表现出强烈的正电场。第一驻极体薄膜4(负极朝上)由于自身的物理特性对外产生负电场，第二驻极体薄膜5(正极朝上)由于自身的物理特性对外产生正电场。此时，转子下表面的正电场与左侧第一驻极体薄膜4产生的负电场之间产生吸引力，转子下表面的正电场与右侧第二驻极体薄膜5产生的正电场之间产生排斥力，共同推动转子转动。当左侧半圆形电极12转至右侧位置时，第一电刷2离开左侧换向器铜片11，接入右侧换向器铜片11，第二电刷3离开右侧换向器铜片11，接入左侧换向器铜片11，电动机完成一次换向动作。电刷与换向器的组合保证对转子下表面两侧电极进行不同电荷的交替供电。
顺时针转动方式：参照图5所示，负高压从第一电刷2接入电动机，负电荷从换向器传导至转子下表面的右侧的半圆形电极12处，右半侧转子(右侧的半圆形电极12)下表面表现出强烈的负电场。定子左侧的第一驻极体薄膜4(正极朝上)由于自身的物理特性对外产生正电场，定子右侧的第二驻极体薄膜5(负极朝上)由于自身的物理特性对外产生负电场。此时，转子下表面的负电场与右侧第二驻极体薄膜5产生的负电场之间产生排斥力，转子下表面的负电场与左侧第一驻极体薄膜4产生的正电场之间产生吸引力，共同推动转子转动。同时，正高压从第二电刷3接入电动机，正电荷从换向器传导至转子下表面的电极处，左半侧转子(左侧的半圆形电极12)下表面表现出强烈的正电场。第一驻极体薄膜4(正极朝上)由于自身的物理特性对外产生正电场，第二驻极体薄膜5(负极朝上)由于自身的物理特性对外产生负电场。此时，转子下表面的正电场与左侧第一驻极体薄膜4产生的正电场之间产生排斥力，转子下表面的正电场与右侧第二驻极体薄膜5产生的负电场之间产生吸引力，共同推动转子转动。当左侧半圆形电极转至右侧位置时，第一电刷2离开右侧换向器铜片11，接入左侧换向器铜片11，第二电刷3离开左侧换向器铜片11，接入右侧换向器铜片11，电动机完成一次换向动作。电刷与换向器的组合保证对转子下表面两侧电极进行不同电荷的交替供电。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种基于驻极体薄膜的静电电动机，其特征在于：其包括定子、转子和旋转轴；所述的定子的上方设有用于连接直流高压负极的第一电刷和用于连接直流高压正极的第二电刷，定子的上表面黏贴有第一驻极体薄膜和第二驻极体薄膜，第一驻极体薄膜和第二驻极体薄膜朝上一面的正负极相反，且第一驻极体薄膜和第二驻极体薄膜之间留有间隙，第一电刷和第二电刷均不与第一驻极体薄膜及第二驻极体薄膜接触；所述的转子的中轴位置设有换向器，换向器包括两个换向器铜片以及设置在两个换向器铜片之间的绝缘部分，转子的上表面设有与两个换向器铜片一一对应的长方形金属条，转子下表面设有两个半圆形电极，两个半圆形电极之间存在间隙，两个半圆形电极分别与两个换向器铜片一一对应，且相互对应的半圆形电极与换向器铜片之间通过长方形金属条连接，半圆形电极与第一驻极体薄膜及第二驻极体薄膜之间存在空气间隙；所述的第一电刷和第二电刷均与换向器接触；所述的旋转轴穿过转子的中心并与转子连接。
2.根据权利要求1所述的基于驻极体薄膜的静电电动机，其特征在于：所述的第一驻极体薄膜和第二驻极体薄膜的面积相同，分别对称的贴在定子上表面的左半部分和右半部分。
3.根据权利要求1所述的基于驻极体薄膜的静电电动机，其特征在于：所述的长方形金属条的一端与换向器铜片连接，另一端与该换向器铜片对应的半圆形电极连接。
4.根据权利要求1所述的基于驻极体薄膜的静电电动机，其特征在于：所述的定子的左右两侧均设有立柱，立柱上设有凸体，所述的第一电刷和第二电刷分别绑扎在两个凸体上。
5.根据权利要求4所述的基于驻极体薄膜的静电电动机，其特征在于：所述的第一电刷和第二电刷在靠近换向器的部分均通过弯折的方式形成尖端，第一电刷和第二电刷的尖端与换向器接触。
6.根据权利要求4所述的基于驻极体薄膜的静电电动机，其特征在于：所述的立柱的顶部设有顶部横梁，顶部横梁上设有上转轴支撑体，所述的定子内设有下转轴支撑体，所述的旋转轴上端穿过上转轴支撑体，下端延伸至下转轴支撑体内。
7.根据权利要求6所述的基于驻极体薄膜的静电电动机，其特征在于：所述的上转轴支撑体设有圆柱形孔洞，下转轴支撑体的上表面设有对应的圆锥形凹槽，所述的旋转轴的上下两端设有尖针，下端尖针插入圆锥形凹槽内。
8.根据权利要求7所述的基于驻极体薄膜的静电电动机，其特征在于：所述的长方形金属条沿转子上表面的直径布置。
9.根据权利要求1所述的基于驻极体薄膜的静电电动机，其特征在于：两个换向器铜片与绝缘部分组成一个圆环形状的柱体。
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