一种电容可变式静电电机

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1.本实用新型属于静电电机技术领域，具体涉及一种电容可变式静电电机。

背景技术：

2.电容可变式静电电机是以静电为能量源的一种能量转换装置，对电容可变式静电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，驱动转子电极向定子电极旋转，以达到二者之间能量最小的平衡位置。电容可变式静电电机仅由电介质和电极构成，与电磁电机相比，节省了绕组线圈、铁心和永磁体，具有构造简单、加工容易、损耗小、适用于超高温、强磁场领域等一系列优点。目前，电容可变式静电电机在mems系统中得到了广泛的应用。
3.然而，由于目前电容可变式静电电机的研制和开发还尚未成熟，电容可变式静电电机控制策略的研究还处在初步阶段，可能存在定转子之间不能持续产生驱动转矩、电机工作不稳定等技术问题，亟需研究一种控制效果良好并且能持续产生驱动转矩的电容可变式静电电机。

技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷和不足，本实用新型提供了一种电容可变式静电电机，以解决现有技术中电容可变式静电电机不能持续产生驱动转矩和电机工作不稳定的技术问题。
5.为达到上述目的，本实用新型采取如下的技术方案：
6.一种电容可变式静电电机，包括同轴套装的壳体和转子转轴，还包括套装并固定于转子转轴上的转子和定子，所述转子朝向定子的侧壁上沿周向设置有一个以转子转轴为中心轴的转子电极层，所述定子朝向转子的侧壁上沿周向分别设置有以转子转轴为中心轴的第一定子电极层和第二定子电极层，其特征在于，所述第一定子电极层、转子电极层与第二定子电极层由外向内依次交错分布；
7.所述转子电极层包括若干等间隔设置的转子电极，每个转子电极均连接正电压；
8.所述第一定子电极层包括多个等间隔设置的第一定子电极，相邻第一定子电极之间设置有第二定子电极；
9.所述第二定子电极层包括多个等间隔设置的第三定子电极，相邻第三定子电极之间设置有第四定子电极；
10.所述第一定子电极、第二定子电极、第三定子电极、第四定子电极与转子电极的数量相同；
11.第一定子电极与第三定子电极的极性相同，第二定子电极与第四定子电极的极性相同，且第一定子电极的极性与第二定子电极的极性相反；
12.当第一定子电极和第二定子电极进行极性切换时，第三定子电极和第四定子电极能够同步进行极性切换。
13.本实用新型还具有以下技术特征：
14.具体的，所述转子转轴通过开设在壳体前后表面中心位置上的通孔穿出壳体。
15.更进一步的，所述定子和转子均由导电材料制成。
16.更进一步的，所述壳体为圆柱形。
17.更进一步的，所述第一定子电极、第二定子电极、第三定子电极、第四定子电极和转子电极的形状为扇形或矩形。
18.更进一步的，所述第一定子电极、第二定子电极、第三定子电极、第四定子电极与转子电极的数量均为7个。
19.更进一步的，所述定子上设置有编码器，所述编码器用于采集转子电极、第一定子电极、第二定子电极、第三定子电极和第四定子电极的位置数据，并将采集到的位置数据传送到控制器，控制器根据接收到的位置数据调节各桥臂开关管的开关状态；
20.所述控制器包括电源、由开关管vt1与开关管vt4构成的第一桥臂、由开关管vt2与开关管vt3构成第二桥臂，以及电容c和二极管d1～d4；
21.所述电源的正极分别与开关管vt1的栅极、二极管d1的阴极、开关管vt3的栅极、二极管d3的阴极和电容c的一端相连；所述电源的负极分别与开关管vt2的漏极、二极管d2的阳极、开关管vt4的漏极、二极管d4的阳极和电容c的另一端相连；所述开关管vt1的漏极分别连接开关管vt2的栅极、第一定子电极311和第三定子电极321；所述二极管d1的阳极连接二极管d2的阴极；所述开关管vt3的漏极分别连接开关管vt4的栅极、第二定子电极312和第四定子电极322，所述二极管d3的阳极还连接二极管d4的阴极。
22.更进一步的，所述编码器的型号为e1050-14。
23.本实用新型与现有技术相比，有益的技术效果是：
24.本实用新型通过第一定子电极、第二定子电极、第三定子电极、第四定子电极与转子电极的数量和相对位置的布置，借助控制器实现第一定子电极、第二定子电极、第三定子电极和第四定子电极的极性周期性切换，使得转子电极与对应的第一定子电极/第三定子电极、第二定子电极/第四定子电极之间产生排斥力或吸引力，进而推动转子相对定子持续旋转，从而解决了静电电机不能持续产生驱动转矩、电机工作不稳定的问题。本实用新型结构简单，操作方便，具有很强的推广使用价值。
附图说明
25.图1为本实用新型的静电电机结构示意图。
26.图2为本实用新型的静电电机的截面图。
27.图3为本实用新型的控制器图；
28.图4为本实用新型转子旋转过程示意图，其中，箭头为转子的旋转方向。
29.图中各标号表示为：
30.1-壳体，2-转子转轴，3-定子，4-转子，5-编码器；31-第一定子电极层，32-第二定子电极层，41-转子电极层；311-第一定子电极，312-第二定子电极，321-第三定子电极，322-第四定子电极，411-转子电极。
31.以下结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做具体说明。
具体实施方式
32.需要说明的是，本实用新型中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
33.本方案中所用的控制器采用全桥逆变电路的双桥臂轮流导通的原理，可以达到快速且频繁切换极性的目的。目前，现有技术中存在其他可以实现极性快速切换的控制器和控制装置。
34.以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。
35.本实用新型所用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外，不能将上述术语理解为对本实用新型的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”等序数词仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
37.在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
38.实施例1
39.遵从上述技术方案，如图1至图2所示，本实用新型提供一种电容可变式静电电机，包括同轴套装的壳体1和转子转轴2，还包括套装并固定于转子转轴2上的转子4和定子3，转子4朝向定子3的侧壁上沿周向设置有一个以转子转轴2为中心轴的转子电极层41，定子3朝向转子4的侧壁上沿周向分别设置有以转子转轴2为中心轴的第一定子电极层31和第二定子电极层32，第一定子电极层31、转子电极层41与第二定子电极层32由外向内依次交错分布；
40.转子电极层41包括若干等间隔设置的转子电极411，每个转子电极411均通入正电压；
41.第一定子电极层31包括多个等间隔设置的第一定子电极311，相邻第一定子电极311之间设置有第二定子电极312；
42.第二定子电极层32包括多个等间隔设置的第三定子电极321，相邻第三定子电极321之间设置有第四定子电极322；
43.第一定子电极311、第二定子电极312、第三定子电极321、第四定子电极322与转子电极411的数量相同；
44.第一定子电极311与第三定子电极321沿定子3径向延伸的中线重合，第二定子电极312与第四定子电极322沿定子3径向延伸的中线重合。
45.第一定子电极311与第三定子电极321的极性相同，第二定子电极312与第四定子电极322的极性相同，且第一定子电极311的极性与第二定子电极312的极性相反；即，第一
定子电极311与第二定子电极312始终保持相反的极性，第三定子电极321与第四定子电极322始终保持相反的极性，如，第一定子电极311和第三定子电极321的极性为正时，第二定子电极312与第四定子电极322的极性为负。
46.当第一定子电极311和第二定子电极312进行极性切换时，第三定子电极321和第四定子电极322能够同步进行极性切换，从而使得第一定子电极311/第三定子电极321和第二定子电极312/第四定子电极322与带正电的转子电极411产生吸引力或排斥力，进而带动转子4绕转子转轴2旋转。
47.当第一定子电极311与第三定子电极321的极性均为正时，第二定子电极312与第四定子电极322的极性均为负，此时，对第一定子电极311与第三定子电极321连接正电压的转子电极411产生排斥力，第二定子电极312与第四定子电极322对转子电极411产生吸引力，使得转子4相对定子3旋转。
48.作为本实施例的一种优选方案，转子转轴2通过开设在壳体1前后表面中心位置上的通孔穿出壳体1。
49.作为本实施例的一种优选方案，定子3和转子4均由导电材料制成。
50.作为本实施例的一种优选方案，壳体1为圆柱形。
51.作为本实施例的一种优选方案，第一定子电极311、第二定子电极312、第三定子电极321、第四定子电极322和转子电极411的形状为扇形或矩形。
52.如图2所示，作为本实施例的一种优选方案，第一定子电极311、第二定子电极312、第三定子电极321、第四定子电极322与转子电极411的数量均为7个。也可以根据需求选择第一定子电极311、第二定子电极312、第三定子电极321、第四定子电极322与转子电极411的数量。
53.作为本实施例的一种优选方案，定子3上设置有编码器5，编码器5用于采集转子电极411、第一定子电极311、第二定子电极312、第三定子电极321和第四定子电极322的位置数据，并将采集到的位置数据传送到控制器，控制器根据接收到的位置数据调节各桥臂开关管的开关状态；
54.所述控制器包括电源、由开关管vt1与开关管vt4构成的第一桥臂、由开关管vt2与开关管vt3构成第二桥臂，以及电容c和二极管d1～d4；
55.所述电源的正极分别与开关管vt1的栅极、二极管d1的阴极、开关管vt3的栅极、二极管d3的阴极和电容c的一端相连；所述电源的负极分别与开关管vt2的漏极、二极管d2的阳极、开关管vt4的漏极、二极管d4的阳极和电容c的另一端相连；所述开关管vt1的漏极分别连接开关管vt2的栅极、第一定子电极311和第三定子电极321；所述二极管d1的阳极连接二极管d2的阴极；所述开关管vt3的漏极分别连接开关管vt4的栅极、第二定子电极312和第四定子电极322，所述二极管d3的阳极还连接二极管d4的阴极。
56.作为本实施例的一种优选方案，所述编码器的型号为e1050-14。
57.本实用新型使用时的工作过程如下：
58.如图2所示，首先，完成静电电机与电源和控制器的连接。然后，每个转子电极411均连接正极性电压，当控制器中的vt1和vt4导通时，第一定子电极311/第三定子电极321经vt1与电源正极连接，带正电荷，第二定子电极312/第四定子电极322经vt4与电源负极连接，带负电荷；每个转子电极411受到与其对应的第一定子电极311/第三定子电极321的排
斥力和第二定子电极312/第四定子电极322的吸引力，带动转子4进行逆时针旋转；
59.当转子4转动到转子电极411的轴线与对应的第二定子电极312/第四定子电极322的轴线对齐时，控制器根据编码器5检测到的位置数据，将控制器中的vt1和vt4关断，同时将vt2和vt3导通，此时，第一定子电极311/第三定子电极321均带负电荷，第二定子电极312/第四定子电极322均带正电荷，受到惯性作用继续转动的转子电极411受到第二定子电极312和第四定子电极322的排斥力，以及下一个相邻的第一定子电极311和第三定子电极321的吸引力，继续逆时针旋转。
60.如图4所示，每当编码器检测到转子电极旋转到其沿转子径向延伸的轴线与定子电极沿定子径向延伸的轴线对齐时，控制器控制进行第一定子电极311/第三定子电极321，以及第二定子电极312/第四定子电极322的极性切换，使得转子4能够受到持续的作用力，从而旋转。
61.也可以通过其他方式实现极性快速切换，如，根据定子的行程和设计转速来设置极性切换时间，只要能实现极性的快速切换即可。
62.在其它的方案中，也可以根据需要设置多个定子电极层。
63.以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
64.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的各个方式不再另行说明。
65.此外，本实用新型的各种实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

技术特征：

1.一种电容可变式静电电机，包括同轴套装的壳体(1)和转子转轴(2)，还包括套装并固定于转子转轴(2)上的转子(4)和定子(3)，所述转子(4)朝向定子(3)的侧壁上沿周向设置有一个以转子转轴(2)为中心轴的转子电极层(41)，所述定子(3)朝向转子(4)的侧壁上沿周向分别设置有以转子转轴(2)为中心轴的第一定子电极层(31)和第二定子电极层(32)，其特征在于，所述第一定子电极层(31)、转子电极层(41)与第二定子电极层(32)由外向内依次交错分布；所述转子电极层(41)包括若干等间隔设置的转子电极(411)，每个转子电极(411)均连接正电压；所述第一定子电极层(31)包括多个等间隔设置的第一定子电极(311)，相邻第一定子电极(311)之间设置有第二定子电极(312)；所述第二定子电极层(32)包括多个等间隔设置的第三定子电极(321)，相邻第三定子电极(321)之间设置有第四定子电极(322)；所述第一定子电极(311)、第二定子电极(312)、第三定子电极(321)、第四定子电极(322)与转子电极(411)的数量相同；第一定子电极(311)与第三定子电极(321)的极性相同，第二定子电极(312)与第四定子电极(322)的极性相同，且第一定子电极(311)的极性与第二定子电极(312)的极性相反；当第一定子电极(311)和第二定子电极(312)进行极性切换时，第三定子电极(321)和第四定子电极(322)能够同步进行极性切换。2.如权利要求1所述的电容可变式静电电机，其特征在于，所述转子转轴(2)通过开设在壳体(1)前后表面中心位置上的通孔穿出壳体(1)。3.如权利要求1所述的电容可变式静电电机，其特征在于，所述定子(3)和转子(4)均由导电材料制成。4.如权利要求1所述的电容可变式静电电机，其特征在于，所述壳体(1)为圆柱形。5.如权利要求1所述的电容可变式静电电机，其特征在于，所述第一定子电极(311)、第二定子电极(312)、第三定子电极(321)、第四定子电极(322)和转子电极(411)的形状为扇形或矩形。6.如权利要求1所述的电容可变式静电电机，其特征在于，所述第一定子电极(311)、第二定子电极(312)、第三定子电极(321)、第四定子电极(322)与转子电极(411)的数量均为7个。7.如权利要求1所述的电容可变式静电电机，其特征在于，所述定子(3)上设置有编码器(5)，所述编码器(5)用于采集转子电极(411)、第一定子电极(311)、第二定子电极(312)、第三定子电极(321)和第四定子电极(322)的位置数据，并将采集到的位置数据传送到控制器，控制器根据接收到的位置数据调节各桥臂开关管的开关状态；所述控制器包括电源、由开关管vt1与开关管vt4构成的第一桥臂、由开关管vt2与开关管vt3构成第二桥臂，以及电容c和二极管d1～d4；所述电源的正极分别与开关管vt1的栅极、二极管d1的阴极、开关管vt3的栅极、二极管d3的阴极和电容c的一端相连；所述电源的负极分别与开关管vt2的漏极、二极管d2的阳极、开关管vt4的漏极、二极管d4的阳极和电容c的另一端相连；所述开关管vt1的漏极分别连接
开关管vt2的栅极、第一定子电极(311)和第三定子电极(321)；所述二极管d1的阳极连接二极管d2的阴极；所述开关管vt3的漏极分别连接开关管vt4的栅极、第二定子电极(312)和第四定子电极(322)，所述二极管d3的阳极还连接二极管d4的阴极。8.如权利要求7所述的电容可变式静电电机，其特征在于，所述编码器的型号为e1050-14。

技术总结

本实用新型公开了一种电容可变式静电电机，包括同轴套装的壳体和转子转轴，还包括套装并固定于转子转轴上的转子和定子，所述转子朝向定子的侧壁上沿周向设置有一个以转子转轴为中心轴的转子电极层，所述定子朝向转子的侧壁上沿周向分别设置有以转子转轴为中心轴的第一定子电极层和第二定子电极层，通过控制电路实现定子电极层上不同定子电极极性的快速切换，使得转子电极与对应的定子电极之间产生排斥力或吸引力，进而推动转子相对定子持续旋转，从而解决了现有电容可变式静电电机不能持续产生驱动转矩、电机工作不稳定的问题。电机工作不稳定的问题。电机工作不稳定的问题。