CN108809144B - 一种基于微梁振动静电驱动微马达装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于微梁振动的静电驱动微马达装置，由微梁静电驱动***、动力输出***和马达启动停止***三部分组成。静电驱动装置由固定端、电源开关、直流电源、上极板、上极板接触弹簧、上电极、微梁、下电极、下极板接触弹簧和下极板组成；动力输出***由质量块、质量块铰链、惯性轮铰链、连杆、连杆铰链和惯性轮组成；马达启动***由电磁铁、质量块和微梁组成，电磁铁位于质量块正下方；静电马达做周期性重复运动，驱动惯性轮转动，利用振动微梁位移放大效应，梁右端质量块产生振动位移，能将微梁振动转化为驱动惯性轮的转动。
Description
技术领域
提出一种静电驱动微马达装置，特别是基于微梁振动的静电驱动微马达装置，属于微机械马达领域。
背景技术
随着微机电***等高新技术的迅速发展,要求微机电驱动电机具有体积小、重量轻、低速、高精度等性能。传统电磁电机在某些方面很难达到其发展要求,促使人们开发新原理、新结构的微型马达。微机电***的兴起引起人们开发微型马达的热潮，静电驱动微马达利用两个极板间电荷分布产生的引力和斥力,把电能转换成机械能。我国对静电驱动微马达做了大量的研究工作，但是该领域的研究还处于初级阶段,对静电驱动微马达结构、加工工艺的研究还有待进一步深入。国外学者在静电驱动微马达方面做了大量的研究工作，静电驱动微马达多以旋转型电机和直线电机为主，结构复杂，影响了其工作稳定性，另外，还存在输出转矩小,驱动电压大,工作稳定性差和使用寿命短等问题。
发明内容
针对静电驱动微马达现有技术存在的缺陷，本发明提出一种静电驱动微马达装置，由微梁静电驱动***、动力输出***和马达启动停止***组成。
微梁静电驱动***由固定端、电源开关、直流电源、上极板、上极板接触弹簧、上电极、微梁、下电极、下极板接触弹簧和下极板组成；固定端与底座连接，微梁左端与固定端固定连接，右端与质量块固定连接，微梁上表面和下表面分别电镀一层铜元素导电薄膜，组成上电极和下电极，薄膜厚度为50微米，宽度与梁等宽，长度与上极板和下极板相等，上电极和下电极通过金属导线连接导通；上电极与上极板形成一个平行板电容器，下电极与下极板形成一个平行板电容器，两个平行板电容器尺寸和板间距离完全相同，以微梁轴线为对称轴对称分布，上极板和下极板分别与底座固定；上极板接触弹簧固定在上极板中央，下极板接触弹簧固定在下极板中央，上极板接触弹簧和下极板接触弹簧均由金属丝做成；电源开关左端连接下极板，右端连接直流电源，直流电源右端连接上极板。
动力输出***由质量块、质量块铰链、惯性轮铰链、连杆、连杆铰链和惯性轮组成，连杆下端通过质量块铰链与质量块连接，上端通过连杆铰链与惯性轮连接，惯性轮轮心通过惯性轮铰链与底座连接。
马达启动停止***由电磁铁、质量块和微梁组成，电磁铁位于质量块正下方。
静电驱动微马达工作过程表述如下：对电磁铁进行通电操作，电磁铁通电，电磁铁产生电磁力，吸引铁磁性质量块向下运动，质量块带动微梁产生弯曲变形，设计微梁变形对应的连杆上端到达下止点，使得下电极通过下极板接触弹簧与下极板导通，闭合电源开关，直流电源向上极板和上电极组成的电容器充电，上极板充正电荷，上电极充负电荷；对电磁铁进行断电操作，电磁铁断电，电磁铁电磁力消失，对质量块产生的电磁引力消失，微梁在弹性力和平行板电容器间的静电引力作用下向上运动，质量块推动连杆做平面运动，连杆推动惯性轮做定轴转动。
微梁向上运动，越过平衡位置，上极板的上极板接触弹簧与上电极接触导通，上极板和上电极电容器发生电中和，电中和结束后，直流电源接着给下极板和下电极电容器充电，连杆上端继续向上运动，达到上止点时速度为零，连杆在微梁弹性力、下极板和下电极间静电引力作用下向下做平面运动，推动惯性轮做定轴转动。
微梁越过平衡位置向下运动，下极板的下极板接触弹簧与下电极导通，下极板和下电极电容器发生电中和，电中和结束后，直流电源接着给上极板和上电极电容器充电，这时，连杆上端达到下止点，连杆在微梁弹性力、上极板与上电极静电引力作用下向上做平面运动，推动惯性轮做定轴转动。
静电驱动微马达做周期性重复运动，驱动惯性轮转动。断开直流电源开关，平行板电容器充电结束，静电驱动微马达在自身阻尼作用下运动幅值逐步减小，直到静止，静电驱动微马达停止。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.利用振动微梁位移放大效应，梁右端质量块产生振动位移，能将微梁的振动转化为驱动惯性轮的转动运动。
2.提供一种平行移动转化为定轴转动的运动转化装置，将静电能转化为微梁的机械能，再换化为惯性轮的机械能。
3.极板接触弹簧设计能减小驱动机构对运动结构振动影响，提高静电驱动微马达运动的稳定性，弹性接触设计能有效进行平行板电容器的充放电。
附图说明
图1基于微梁振动的静电驱动微马达装置图；
图中，1.固定端 2.电源开关 3.直流电源 4.上极板 5.上极板接触弹簧 6.上电极 7.微梁 8.下电极 9.下极板接触弹簧 10.下极板 11.电磁铁 12.质量块 13.质量块铰链 14.惯性轮铰链 15.连杆 16.连杆铰链 17.惯性轮。
具体实施方案
下面结合附图1对本发明进一步说明。
本实施例的主体结构包括微梁静电驱动***、动力输出***和马达启动停止***。
微梁静电驱动***由固定端1、电源开关2、直流电源3、上极板4、上极板接触弹簧5、上电极6、微梁7、下电极8、下极板接触弹簧9和下极板10组成；固定端1与底座连接，微梁7左端与固定端1固定连接，右端与质量块12固定连接，微梁7上表面和下表面分别电镀一层铜元素导电薄膜，组成上电极6和下电极8，薄膜厚度为50微米，宽度与梁等宽，长度与上极板4和下极板10相等，上电极6和下电极8通过金属导线连接导通；上电极6与上极板4形成一个平行板电容器，下电极8与下极板10形成一个平行板电容器，两个平行板电容器尺寸和板间距离完全相同，以微梁7轴线为对称轴对称分布，上极板4和下极板10分别与底座固定；上极板接触弹簧5固定在上极板4中央，下极板接触弹簧9固定在下极板10中央，上极板接触弹簧5和下极板接触弹簧9均由金属丝做成；电源开关2左端连接下极板10，右端连接直流电源3，直流电源3右端连接上极板4。
动力输出***质量块12、质量块铰链13、惯性轮铰链14、连杆15、连杆铰链16和惯性轮17组成，连杆15下端通过质量块铰链13与质量块12连接，上端通过连杆铰链16与惯性轮17连接，惯性轮17轮心通过惯性轮铰链14与底座连接。
马达启动停止***由电磁铁11、质量块12和微梁7组成，电磁铁11位于质量块12正下方。
对电磁铁11进行通电操作，电磁铁11通电，电磁铁11产生电磁力，吸引铁磁性质量块12向下运动，质量块12带动微梁7产生弯曲变形，设计微梁7变形对应的连杆15上端到达下止点，使得下电极8通过下极板接触弹簧9与下极板10导通，闭合电源开关2，直流电源3向上极板4和上电极6组成的电容器充电，上极板4充正电荷，上电极6充负电荷；对电磁铁11进行断电操作，电磁铁11断电，电磁铁11电磁力消失，对质量块12产生的电磁引力消失，微梁7在弹性力和平行板电容器间的静电引力作用下向上运动，质量块12推动连杆15做平面运动，连杆15推动惯性轮17做定轴转动。
微梁7向上运动，越过平衡位置，上极板4的上极板接触弹簧5与上电极6接触导通，上极板4和上电极6电容器发生电中和，电中和结束后，直流电源3接着给下极板10和下电极8电容器充电，连杆15上端继续向上运动，达到上止点时速度为零，连杆15在微梁7弹性力、下极板10和下电极8间静电引力作用下向下做平面运动，推动惯性轮17做定轴转动。
微梁7越过平衡位置向下运动，下极板的下极板接触弹簧9与下电极8导通，下极板和下电极8电容器发生电中和，电中和结束后，直流电源3接着给上极板4和上电极6电容器充电，这时，连杆15上端达到下止点，连杆15在微梁7弹性力、上极板4与上电极6静电引力作用下向上做平面运动，推动惯性轮17做定轴转动。
静电驱动微马达做周期性重复运动，驱动惯性轮17转动。断开直流电源开关2，平行板电容器充电结束，静电驱动微马达在自身阻尼作用下运动幅值逐步减小，直到静止，静电驱动微马达停止。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本发明所述的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种静电驱动微马达装置包括微梁静电驱动***、动力输出***和马达启动停止***；微梁静电驱动***由固定端(1)、电源开关(2)、直流电源(3)、上极板(4)、上极板接触弹簧(5)、上电极(6)、微梁(7)、下电极(8)、下极板接触弹簧(9)和下极板(10)组成；固定端(1)与底座连接，微梁(7)左端与固定端(1)固定连接，右端与质量块(12)固定连接，微梁(7)上表面和下表面分别电镀一层铜元素导电薄膜，组成上电极(6)和下电极(8)，薄膜厚度为50微米，宽度与梁等宽，长度与上极板(4)和下极板(10)相等，上电极(6)和下电极(8)通过金属导线连接导通；上电极(6)与上极板(4)形成一个平行板电容器，下电极(8)与下极板(10)形成一个平行板电容器，两个平行板电容器尺寸和板间距离完全相同，以微梁(7)轴线为对称轴对称分布，上极板(4)和下极板(10)分别与底座固定；上极板接触弹簧(5)固定在上极板(4)中央，下极板接触弹簧(9)固定在下极板(10)中央，上极板接触弹簧(5)和下极板接触弹簧(9)均由金属丝做成；电源开关(2)左端连接下极板(10)，右端连接直流电源(3)，直流电源(3)右端连接上极板(4)；动力输出***由质量块(12)、质量块铰链(13)、惯性轮铰链(14)、连杆(15)、连杆铰链(16)和惯性轮(17)组成，连杆(15)下端通过质量块铰链(13)与质量块(12)连接，上端通过连杆铰链(16)与惯性轮(17)连接，惯性轮(17)轮心通过惯性轮铰链(14)与底座连接；马达启动停止***由电磁铁(11)、质量块(12)和微梁(7)组成，电磁铁(11)位于质量块(12)正下方；
静电驱动微马达工作过程表述如下：对电磁铁(11)进行通电操作，电磁铁(11)通电，电磁铁(11)产生电磁力，吸引铁磁性质量块(12)向下运动，质量块(12)带动微梁(7)产生弯曲变形，设计微梁(7)变形对应的连杆(15)上端到达下止点，使得下电极(8)通过下极板接触弹簧(9)与下极板(10)导通，闭合电源开关(2)，直流电源(3)向上极板(4)和上电极(6)组成的电容器充电，上极板(4)充正电荷，上电极(6)充负电荷；对电磁铁(11)进行断电操作，电磁铁(11)断电，电磁铁(11)电磁力消失，对质量块(12)产生的电磁引力消失，微梁(7)在弹性力和平行板电容器间的静电引力作用下向上运动，质量块(12)推动连杆(15)做平面运动，连杆(15)推动惯性轮(17)做定轴转动；
微梁(7)向上运动，越过平衡位置，上极板(4)的上极板接触弹簧(5)与上电极(6)接触导通，上极板(4)和上电极(6)电容器发生电中和，电中和结束后，直流电源(3)接着给下极板(10)和下电极(8)电容器充电，连杆(15)上端继续向上运动，达到上止点时速度为零，连杆(15)在微梁(7)弹性力、下极板(10)和下电极(8)间静电引力作用下向下做平面运动，推动惯性轮(17)做定轴转动；
微梁(7)越过平衡位置向下运动，下极板的下极板接触弹簧(9)与下电极(8)导通，下极板和下电极(8)电容器发生电中和，电中和结束后，直流电源(3)接着给上极板(4)和上电极(6)电容器充电，这时，连杆(15)上端达到下止点，连杆(15)在微梁(7)弹性力、上极板(4)与上电极(6)静电引力作用下向上做平面运动，推动惯性轮(17)做定轴转动；
静电驱动微马达做周期性重复运动，驱动惯性轮(17)转动；断开直流电源开关(2)，平行板电容器充电结束，静电驱动微马达在自身阻尼作用下运动幅值逐步减小，直到静止，静电驱动微马达停止。
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