基于薄膜驻极体的静电电动机研究

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在科技高速发展的当今社会,以“微小、智能、高集成度”为特征的微机电系统在全球范围内得到了深入的研究。基于电磁感应定律的电动机因体积大、易发热、需要较重的铁芯与线圈等缺点,不能很好地满足微机电系统在微小空间结构中的动力输出需求。而基于静电相互作用的执行器件和电动机等动力输出装置易于小型化,其紧凑的空间结构和优异的转速表现使其在微机电系统中具有较大的应用潜力。驻极体是一类能够长期存储空间电荷和偶极电荷的电介质材料,它能够对外产生持久稳定的静电场。利用驻极体材料所具有的静电场特性,驻极体电子器件的研究被广泛关注。驻极体静电电动机将驻极体与金属电极之间的电场相互作用转化为使转子发生转动的机械能,在微机电动力输出领域具有广泛的应用前景。本文使用新型夹心结构复合薄膜驻极体,开发了一款基于薄膜驻极体的新型静电电动机,研究了影响其输出转速的因素,演示了其在驱动小型风扇工作中的应用。本文的主要研究内容与结果如下:(1)聚合物薄膜驻极体的性能研究。使用电晕和夹层极化方法对单层非极性聚合物FEP和PTFE薄膜、极性聚合物THV500和THV815薄膜进行极化,研究了所获单层薄膜驻极体的表面电位稳定性和分布特征。结果表明,在极化完成后,单层薄膜驻极体的注极面和非注极面具有分布对称但极性相反的表面电位。注极面和非注极面在表面电位衰减期间表现出相同的衰减规律。经过400小时的电荷衰减后,单层薄膜驻极体的表面电位都经历了不同程度的下降,注极面和非注极面的表面电位都较低。(2)基于上述和前期研究成果,使用FEP/THV500/FEP夹心结构复合薄膜制备静电电动机中使用的薄膜驻极体。以FEP商品膜和THV500颗粒为原料,使用加热层压技术制备复合薄膜,研究了复合薄膜的最佳极化条件,获得了正极性表面电位为3005 V,负极性表面电位为-3020 V的夹心结构复合薄膜驻极体。与单层薄膜驻极体相比,夹心结构复合薄膜驻极体经过400小时存储后仍具有较高的表面电位,显示出优异的电荷存储稳定性,非常适合在驻极体静电电动机中使用。(3)驻极体静电电动机的整体设计。使用3D打印技术打印出驻极体静电电动机的整体框架,以夹心结构复合薄膜驻极体为定子,金属电极为转子,制备出基于薄膜驻极体的静电电动机。将驻极体静电电动机与电源进行一体化设计,提高了驻极体静电电动机的便携性。(4)驻极体静电电动机的性能表现。通过研究驻极体静电电动机在不同工作条件下的表现,获得了驻极体静电电动机的输出特性曲线。结果表明,驻极体静电电动机的转动速度与工作电压具有正相关关系;消耗功率随着转子和定子的面积的增大而增大。驻极体静电电动机在工作过程中的电流维持在微安级别,供电线路中没有明显的发热现象。(5)驻极体静电电动机的应用。设计了一种由驻极体静电电动机作为动力源的小型电风扇和四轮小车,首次实现了驻极体静电电动机驱动外部负载工作。结果表明,使用两节镍氢可充电电池作为电源的驻极体静电电动机可驱动外部小型风扇负载不间断工作18小时,证明了驻极体静电电动机在微机电动力输出领域具有很好的应用前景。
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