靜電電機(jī)理論研究與性能仿真分析

李華峰 王伊凡

靜電電機(jī)理論研究與性能仿真分析

李華峰 王伊凡

（機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南京航空航天大學(xué)） 南京 210016）

靜電電機(jī)不使用磁鐵、無需線圈、結(jié)構(gòu)簡單、效率高，在微機(jī)電系統(tǒng)中有著潛在的應(yīng)用前景，但目前基于電容可變原理的直線型靜電電機(jī)還缺乏理論模型。該文以一種雙激勵(lì)直線型靜電電機(jī)為例，通過求解多層介質(zhì)情況下的泊松方程和拉普拉斯方程，獲得電機(jī)內(nèi)部電場分布情況；繼而通過靜電能量的虛位移法獲得電機(jī)推力特性，由此建立起完整的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，并計(jì)算得到電機(jī)動(dòng)子的推力曲線和最大電場強(qiáng)度數(shù)值，該推力曲線可用于指導(dǎo)電機(jī)換相系統(tǒng)設(shè)計(jì)；隨后建立電機(jī)的二維有限元模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提數(shù)學(xué)模型的正確性；最后根據(jù)電機(jī)各個(gè)參數(shù)與最大推力的關(guān)系并結(jié)合Sobol靈敏度分析結(jié)論對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，輸入電壓，介電常數(shù)和定、動(dòng)子導(dǎo)體間距離對電機(jī)推力的影響最大，電極寬度對推力的影響最小。據(jù)此可指導(dǎo)該類電機(jī)的設(shè)計(jì)。

直線型靜電電機(jī) 數(shù)學(xué)模型 多介質(zhì)電場分析 靈敏度分析

0 引言

靜電電機(jī)是一種利用介電弛豫原理或者電容可變原理運(yùn)行的電機(jī)[1]。由于它不使用磁鐵、無需線圈、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、容易實(shí)現(xiàn)微型化，特別是微型靜電電機(jī)的平面結(jié)構(gòu)和制造工藝與微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）器件高度兼容[2]，因此研究超微型旋轉(zhuǎn)型靜電電機(jī)較多，如頂驅(qū)動(dòng)（top-drive）、側(cè)驅(qū)動(dòng)（side-drive）、晃動(dòng)驅(qū)動(dòng)（wobble-drive）、中心釘驅(qū)動(dòng)（center-pin-drive）、軸瓦、法蘭盤（flange）和快門靜電型（shuffle）等[3]。

相較于超微型旋轉(zhuǎn)型靜電電機(jī)，宏觀尺寸的直線型靜電電機(jī)研究較少[4-8]。這方面有代表性的是1995年由東京大學(xué)提出的一種名為雙激勵(lì)多相靜電驅(qū)動(dòng)（Dual Excitation Multiphase Electrostatic Drive, DEMED）的新型靜電直線電機(jī)[9]。該電機(jī)定子和動(dòng)子都裝有電極，在定子和動(dòng)子上施加電壓可以讓動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)。動(dòng)子電極為三相，定子電極為三相，采用矩形波電壓驅(qū)動(dòng)；通過調(diào)節(jié)電壓大小和頻率可以調(diào)節(jié)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)速度。該電機(jī)只有cm級大小，但是推力可達(dá)到數(shù)十N且其移動(dòng)速度超過1m/s。鑒于上述特點(diǎn)，該類型直線電機(jī)不僅可應(yīng)用在微型機(jī)械領(lǐng)域，常規(guī)的設(shè)備如位移器和機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)等同樣可以應(yīng)用靜電電機(jī)[10-11]。在此基礎(chǔ)上，日本學(xué)者A. Yamamoto等進(jìn)一步對電極的形狀進(jìn)行改進(jìn)[12]，為減小施加電壓過高而導(dǎo)致的推力波紋，他們提出將電極設(shè)計(jì)成傾斜狀或者V形，這種設(shè)計(jì)可以使動(dòng)子平滑移動(dòng)，有效地降低了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲及振動(dòng)，提升了電機(jī)的運(yùn)行效率。M. Bahoura等將靜電薄膜電機(jī)應(yīng)用到仿生魚的驅(qū)動(dòng)中，利用靜電薄膜電機(jī)和一個(gè)小型靈活的電力傳輸系統(tǒng)制造出一種能夠通過自身振動(dòng)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的仿生魚[13-14]。

為了對電機(jī)性能進(jìn)行分析，A. Yamamoto利用電容網(wǎng)絡(luò)矩陣對已制成電機(jī)的推力特性進(jìn)行了分析[13]。由于DEMED一共有六相，所以電機(jī)可以看作是一個(gè)6端口網(wǎng)絡(luò)，6個(gè)端口之間互相以電容相連，這些電容可以用電容矩陣來表示。動(dòng)子板在運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容矩陣內(nèi)各個(gè)容值都隨動(dòng)子位置的改變而改變。電容的變化反映靜電能的變化，進(jìn)而反映推力的變化。因此基于電容可變原理的靜電電機(jī)推力特性可以用電容網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行描述，通過測量電機(jī)動(dòng)子板處于不同位置處的電容矩陣可以推算該位置處的推力大小。由于電容的大小不受外部驅(qū)動(dòng)電路的影響，通過這種方法可以對未連接外部驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的推力特性進(jìn)行分析[13]。

但上述方法是一種后驗(yàn)式測量方法。目前針對該類型直線靜電電機(jī)缺乏理論模型以預(yù)估其機(jī)械性能。雖然用有限元方法可以較準(zhǔn)確地獲得電機(jī)性能參數(shù)，但其存在計(jì)算時(shí)間長的固有缺點(diǎn)，不易得到電機(jī)性能與電機(jī)參數(shù)的關(guān)系，不適用于電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，因而獲得一套用以預(yù)估和優(yōu)化電機(jī)性能的理論模型是十分必要的。本文以一種雙激勵(lì)直線型靜電電機(jī)為例，通過求解靜電方程組，獲得電機(jī)內(nèi)部電場分布情況，從而得到電機(jī)的推力曲線和最大電場強(qiáng)度，并用有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證。最后分析了電機(jī)各個(gè)參數(shù)對輸出力的靈敏度，以期指導(dǎo)該類電機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文以定子三相6根導(dǎo)體、動(dòng)子單相4根導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)空間周期的靜電電機(jī)為例，對靜電電機(jī)進(jìn)行理論研究和性能仿真分析。

靜電電機(jī)主要由定子板、動(dòng)子板和絕緣液構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電極采用電路板工藝蝕刻在極板表面。由于靜電電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓較高，因此需要在兩板之間注入絕緣液來避免高壓造成的擊穿，同時(shí)減小運(yùn)動(dòng)時(shí)兩塊板子之間的摩擦。

圖1 靜電電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 靜電電機(jī)電壓變換示意圖

以此類推，通過在平衡位置處為定子板電壓換相，動(dòng)子板可以獲得持續(xù)向右的力。圖2b為定子板三相電壓的換相時(shí)序。從圖中看出，定子板在一個(gè)周期內(nèi)共換相6次，將一個(gè)周期劃分成6個(gè)時(shí)態(tài)，每個(gè)時(shí)態(tài)內(nèi)動(dòng)子板都經(jīng)歷一次水平推力從固定值減小到零的過程。

2 電機(jī)受力理論分析

首先做如下兩點(diǎn)假設(shè)：

（1）由于電極導(dǎo)體厚度（mm級）與電機(jī)厚度（mm級）相比非常小，電機(jī)導(dǎo)體視為平面導(dǎo)體。

（2）電極導(dǎo)體電荷均勻分布，即面電荷密度為常數(shù)。忽略邊緣效應(yīng)。

為簡化分析，假設(shè)電機(jī)定子介質(zhì)、動(dòng)子介質(zhì)和絕緣液的介電常數(shù)相同，此時(shí)電機(jī)模型如圖3所示。采用圖示坐標(biāo)系后，每根導(dǎo)體C的中心點(diǎn)坐標(biāo)為（x, 0,z），帶電量為Q，電勢為（以無窮遠(yuǎn)處為零電勢），施加電壓為U，=1,…,10。

圖3 電機(jī)模型

計(jì)算靜電場中導(dǎo)體受力一般有兩種方法：①通過計(jì)算導(dǎo)體處電場強(qiáng)度得到導(dǎo)體受力；②通過靜電系統(tǒng)能量的虛位移法計(jì)算受力。由于電場強(qiáng)度計(jì)算涉及到矢量運(yùn)算比較復(fù)雜，本文采用第②種方法。圖3所示靜電系統(tǒng)的靜電能為

當(dāng)動(dòng)子在方向有一微小位移D時(shí)，各個(gè)電極的帶電量和電勢都會(huì)產(chǎn)生變化，由此系統(tǒng)靜電能會(huì)有相應(yīng)變化D，則動(dòng)子的受力為

因此需計(jì)算在固定電壓下，動(dòng)子處于不同位置時(shí)導(dǎo)體的帶電量和其電勢。

第C根導(dǎo)體的電勢為

在多層介質(zhì)存在情況下，導(dǎo)體的電勢不僅與其自身帶電量有關(guān)，還與介質(zhì)界面上的極化電荷有關(guān)。因此本文首先計(jì)算單一介質(zhì)情況下的電勢，然后計(jì)算三層介質(zhì)下的電勢。

2.1 單一介質(zhì)情況下的電勢

由于導(dǎo)體是等勢體，其自電勢可認(rèn)為是導(dǎo)體上電荷在導(dǎo)體中心點(diǎn)處產(chǎn)生的電勢，單一介質(zhì)下自電勢如圖4所示，表示為

圖4 單一介質(zhì)下自電勢

式中，為第根導(dǎo)體在其自身位置產(chǎn)生的電勢，稱為自電勢；為介質(zhì)的介電常數(shù)；為導(dǎo)體寬度；為導(dǎo)體長度；電勢的上標(biāo)0表明該電勢為原導(dǎo)體產(chǎn)生的電勢，以區(qū)別于后面的鏡像導(dǎo)體。

單一介質(zhì)中的互電勢可認(rèn)為是導(dǎo)體上電荷在導(dǎo)體中心點(diǎn)處產(chǎn)生的電勢，單一介質(zhì)互電勢如圖5所示，表示為

2.2 三層介質(zhì)情況下的電勢

為計(jì)算本文兩種材料三層介質(zhì)下靜電體系的電勢分布，首先計(jì)算一般性的三種材料三層介質(zhì)中點(diǎn)電荷的電勢，各層介質(zhì)的介電常數(shù)分別為1、2和3，介質(zhì)界面相距，電荷距第Ⅰ層介質(zhì)距離為，三層介質(zhì)點(diǎn)電荷系統(tǒng)如圖6所示。采用柱坐標(biāo)系，點(diǎn)電荷位于原點(diǎn)，用靜電場的電勢傅里葉積分變換求解邊界條件下的Ⅱ區(qū)泊松方程和Ⅰ、Ⅲ區(qū)拉普拉斯方程，各區(qū)的電勢[15]可寫為

式中，()、1()、2()和()為待定系數(shù)；J0()為零階貝塞爾函數(shù)。

邊界條件為

本文關(guān)心的是點(diǎn)電荷所在II區(qū)域的電場分布2。由邊界條件和方程組可以求出

其中

利用貝塞爾函數(shù)的積分

可得

由此可將式（7）改寫為

由此可知在三層介質(zhì)情況下，Ⅱ區(qū)中的電勢2是原來點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場及向無窮多鏡像電荷產(chǎn)生電場的疊加（全空間為介電常數(shù)為2的介質(zhì)）。各電荷的位置及大小見表1。

表1 電荷位置及大小

Tab.1 The position and amount of charge

式中，的計(jì)算方法同互電勢（見式（5））。

式中，k,i為自電勢系數(shù)。

同理，互電勢可寫為

式中，k,j為互電勢系數(shù)。

由式（4）和式（5）可知，自電勢系數(shù)和互電勢系數(shù)僅與材料屬性、電機(jī)幾何尺寸以及導(dǎo)體相對位置有關(guān)，與電學(xué)參數(shù)無關(guān)。不同的動(dòng)子位置對應(yīng)不同的電勢系數(shù)。

至此，靜電電機(jī)各導(dǎo)體的電勢可寫為

其中

由于

因此，將式（14）通過式（15）的運(yùn)算后能夠得到9個(gè)方程。同時(shí)

將式（15）和式（16）聯(lián)立，最終得到關(guān)于Q的10個(gè)方程，求解得到，代入式（14）得到，然后由式（1）獲得動(dòng)子在特定位置處的系統(tǒng)靜電能量。將動(dòng)子在各個(gè)位置處的靜電能量由式（2）進(jìn)行差分，最終獲得靜電電機(jī)動(dòng)子在各位置處的受力。

2.3 電場強(qiáng)度分布計(jì)算

一般而言，電機(jī)施加的電壓越高，電機(jī)輸出力越大。但可施加的最大電壓受限于電機(jī)材料的擊穿場強(qiáng)，因此需校核特定電壓下電機(jī)的最大電場強(qiáng)度。

C導(dǎo)體在空間某點(diǎn)處產(chǎn)生的電勢可參考式（13）得出，記為，因此全部導(dǎo)體在該處產(chǎn)生的電勢為

由于電場強(qiáng)度為

其中

因此電場強(qiáng)度大小為

據(jù)此可以得出確定的電壓下動(dòng)子在不同位置處靜電電機(jī)全空間的電場強(qiáng)度大小，由此校核電機(jī) 參數(shù)。

2.4 理論計(jì)算結(jié)果

電機(jī)的計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 電機(jī)計(jì)算參數(shù)

Tab.2 The parameters of motor for caculation

設(shè)置a、b和s1的電壓為1kV，c和s2的電壓為0V。由于定子3根導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)空間周期，因此計(jì)算過程中動(dòng)子運(yùn)動(dòng)范圍為3根定子導(dǎo)體極距（計(jì)算步數(shù)為150步），計(jì)算在該電壓下動(dòng)子運(yùn)動(dòng)過程中的受力過程和電機(jī)中的最大電場強(qiáng)度。電機(jī)長度為一個(gè)定子空間周期，約2.5mm。電機(jī)動(dòng)子受力曲線如圖8所示。

圖8 電機(jī)動(dòng)子受力曲線

利用同樣方法獲得圖2a所示的6個(gè)時(shí)態(tài)下動(dòng)子板的推力曲線合并如圖9所示。每個(gè)時(shí)態(tài)下推力曲線的波形都類似，且后一個(gè)時(shí)態(tài)的波形比前一個(gè)時(shí)態(tài)右移半個(gè)定子極距。同時(shí)，利用該圖可以對定子板矩形波電壓的換相點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如在推力最大、推力為零或平均推力最大處換相，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在一個(gè)方向上的持續(xù)運(yùn)動(dòng)。

圖9 靜電電機(jī)6個(gè)時(shí)態(tài)推力曲線合并

3 有限元仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論模型的準(zhǔn)確性，利用Maxwell 2D模型對該靜電電機(jī)進(jìn)行有限元仿真，建立靜電電機(jī)的有限元模型如圖10所示。

圖10 靜電電機(jī)的有限元模型

選擇材料時(shí)，將定子板、動(dòng)子板和絕緣液都選擇為相對介電常數(shù)為2的絕緣材料Polyimide Quartz，外層空氣介質(zhì)選擇Air，電極材料選擇為Copper。邊界條件選為氣球邊界，半徑為1cm。圖11為動(dòng)子在一個(gè)周期內(nèi)的電機(jī)受力仿真曲線。

對比圖8和圖11，兩者的大小和變化趨勢基本一致，從而驗(yàn)證了所提數(shù)學(xué)模型的正確性。

4 電機(jī)參數(shù)分析

由于電機(jī)參數(shù)很多，因此有必要了解各參數(shù)分別對電機(jī)最大推力的影響程度，以期指導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)。

在前述靜電電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Sobol靈敏度分析法對各參數(shù)的靈敏度進(jìn)行分析。數(shù)學(xué)模型中有8個(gè)主要變量：輸入電壓、相對介電常數(shù)、電極長度、電極寬度、板間距、定子板厚度、動(dòng)子板厚度和電極間距，輸出量設(shè)定為動(dòng)子板一個(gè)周期內(nèi)推力的最大值。此時(shí)的樣本數(shù)量為8，設(shè)置采樣的數(shù)量為4。用Sobol Sequence對樣本進(jìn)行取樣，生成4行16列矩陣。將矩陣的前8列設(shè)置為矩陣，后8列設(shè)置為矩陣，用矩陣中的第列替換矩陣中的第列，得到矩陣，由此得到10組矩陣。靈敏度分析各參數(shù)的取值范圍見表3。

表3 靈敏度分析各參數(shù)的取值范圍

Tab.3 The value range of parameters for sensitivity analysis

利用Sobol法靈敏度分析計(jì)算公式，得到各個(gè)自變量對動(dòng)子最大推力靈敏度的影響指數(shù)，靜電電機(jī)各參數(shù)對推力的靈敏度如圖12所示。

圖12 靜電電機(jī)各參數(shù)對推力的靈敏度

從圖12中可以看出，輸入電壓和相對介電常數(shù)r對電機(jī)推力的影響程度最大，其次為兩板間距SR，電極寬度對推力的影響最小。據(jù)此可優(yōu)化電機(jī)本體來增大電機(jī)的輸出力。

由電機(jī)的理論模型可以獲得電機(jī)最大推力和最大電場強(qiáng)度與電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，如圖13所示。

結(jié)合各參數(shù)對受力輸出的影響結(jié)果，對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后電機(jī)參數(shù)見表4。

表4 優(yōu)化后電機(jī)參數(shù)

Tab.4 The optimised motor parameters

圖14 優(yōu)化后的電機(jī)推力曲線

圖15 優(yōu)化后的電機(jī)電場強(qiáng)度

5 結(jié)論

本文針對目前基于電容可變原理的直線型靜電電機(jī)缺乏理論模型的現(xiàn)狀，以一種雙激勵(lì)直線型靜電電機(jī)為例，通過求解多層介質(zhì)情況下的泊松方程和拉普拉斯方程，獲得電機(jī)內(nèi)部電場分布情況。繼而用靜電能量的虛位移法獲得電機(jī)推力特性，由此建立起完整的電機(jī)數(shù)學(xué)模型并計(jì)算得到電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)一個(gè)機(jī)械周期的推力曲線和最大電場強(qiáng)度曲線。然后由二維有限元模型驗(yàn)證了所提數(shù)學(xué)模型的正確性。最后結(jié)合數(shù)學(xué)模型，利用Sobol靈敏度分析法獲得電機(jī)各個(gè)參數(shù)對電機(jī)最大推力的靈敏度，以指導(dǎo)該類電機(jī)的設(shè)計(jì)。

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Theoretical Research and Performance Simulation of Electrostatic Motor

（State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China）

Electrostatic motor has the merits of no magnets, no coils, simple structure and high efficiency, which has potential application prospects in microelectromechanical systems (MEMS). However, there is no theoretical model for the linear electrostatic motor based on variable capacitance. Taking a double-excited linear electrostatic motor as an example, the distribution of electric field inside the motor was obtained by solving the Poisson equation and Laplace equation in the case of multi-layer media. Then, the thrust characteristics of the motor were obtained through the virtual displacement method, thereby establishing a complete mathematical model of the motor and calculating the thrust curve and the maximum field strength of the electric motor. The thrust curve can be used to guide the design of the motor commutation system. Then, a two-dimensional finite element model of the motor was established, and the simulation results have verified the correctness of the mathematical model. Finally, according to the relationship between each parameter of the motor and the maximum thrust, combined with the Sobol sensitivity analysis, the motor was optimized. The results show that the input voltage, the permittivity and the distance between the stator and the slider have the greatest influence on the motor thrust, while the electrode width has the least influence. Accordingly, the design of such motors can be guided.

Linear electrostatic motor, mathematical model, analysis of multi-medium electric field, sensitivity analysis

TM359.4

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200598

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015CB057503）。

2020-06-03

2020-09-30

李華峰 男，1974年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦碗姍C(jī)的運(yùn)行理論及控制。E-mail: lihuaf@nuaa.edu.cn（通信作者）

王伊凡 女，1994年生，碩士，研究方向?yàn)殡姍C(jī)本體設(shè)計(jì)。E-mail: wangyifanwy@163.com

（編輯 陳 誠）