阅读说明：本技术 一种柔性薄膜直线电机 (Flexible film linear motor ) 是由 王宏强 曲扬 王佩松 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种柔性薄膜的直线电机。其中,包括：定子和动子,所述定子和动子均由电极、供电总线和柔性绝缘层组成,定子和动子以贴合方式分布。本发明通过采用在定子和动子之间均匀分布电极产生静电力从而驱动动子运动的技术手段,克服了现有技术中存在的直线电机结构复杂、刚度过高、控制原理繁杂的技术问题,实现了直线电机结构简单,控制原理简明、可实现柔性弯曲变形、耐强磁场、运行噪声小的技术效果。本发明可广泛应用于机械电子领域。(The invention discloses a linear motor of a flexible film. Wherein, include: the stator and the rotor are respectively composed of electrodes, a power supply bus and a flexible insulating layer, and are distributed in a fitting mode. The invention adopts the technical means that the electrostatic force is generated by uniformly distributing the electrodes between the stator and the rotor so as to drive the rotor to move, overcomes the technical problems of complex structure, overhigh rigidity and complex control principle of the linear motor in the prior art, and realizes the technical effects of simple structure, simple control principle, flexible bending deformation, strong magnetic field resistance and small operation noise of the linear motor. The invention can be widely applied to the mechanical and electronic field.)

一种柔性薄膜直线电机

技术领域

本发明涉及机械电子领域，尤其是一种柔性薄膜直线电机。

背景技术

最近几十年以来，随着工业技术的发展，对于驱动设备的要求不断提高，直线电机的优点不断地被工业领域所发现，直线电机在工厂机械臂、工业机床及多种涉及直线运动的设备中得到广泛运用，同时直线电机在磁悬浮列车等多种交通设备中受到了广泛使用，在船舰的动力装置中应用广泛，但现有的刚性直线电机在使用过程中表现出发热量大、结构复杂、易受外部磁场影响等缺陷。

除以上的应用外，随着机器人技术向着小型、微型化不断发展，精密程度不断提高，对于驱动设备的要求也不断提高。在微型化的过程中，传统的电机表现出操纵性差，结构复杂，效率明显降低等缺点，因此静电驱动等新型的驱动方式应运而生。静电驱动是指利用电荷之间的作用力完成驱动的技术，目前静电驱动主要应用于微机电(MEMS)系统之中，相对于传统的电磁驱动、电液驱动，静电驱动因其结构简单、操控简便等优势在微机电系统领域表现出更优异的性能。相较于传统的电磁驱动方式，静电驱动具有结构简单，发热量小，便于驱动和控制的优势，在MEMS系统之中表现出更好的性能；对比新型的磁感应驱动，静电驱动不存在电磁干扰的问题，可靠性较高，且能量转化效率更高；对比压电驱动，静电驱动可以提供持续稳定输出，并且可以做到大位移的输出。目前对于静电驱动的研究应用尚处于起步阶段。

现有技术中静电驱动一般利用梁或板在静电力作用下的微小形变做功，主要应用于产生振动或微小形变，结构复杂、控制原理繁杂、难以提供长距离的稳定输出。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种柔性薄膜直线电机，能够实现直线电机结构简单，控制原理简明、可实现柔性弯曲变形的技术效果。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种柔性薄膜直线电机，包括：定子和动子，所述定子和动子均包括电极、供电总线和柔性绝缘层，所述动子和定子所述动子和定子以贴合方式分布。

进一步地，所述电极包括定子电极和动子电极，所述定子电极和动子电极均沿直线方向均匀分布，呈多相交替排布，与所述供电总线连通，在所述供电总线的末端布置有触点，用于与外部电源连通。

进一步地，定子和动子还接入有交变电压，定子和动子相互贴合形成贴合面，使动子与定子之间对应电极带有极性相反的电荷，产生静电力驱动。

进一步地，动子的移动速度取决于接入交变电压的频率。

进一步地，绝缘绝缘层置在所述电极一侧或两侧。

进一步地，定子和动子单层或多层叠加分布。

第二方面，本发明提供了一种计算动子和定子运行速度的方法，包括公式：

V＝v₁-v₂

其中，

所述3p为接入的交流电波长；所述v₁、v₂为分别为动子和定子上电压的波速，所述w₁、w₂分别为动子和定子上电压的频率。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用在定子和动子之间均匀分布电极产生静电力从而驱动动子运动的技术手段，克服了现有技术中存在的直线电机结构复杂、控制原理繁杂、难以长距离稳定输出的技术问题，实现了直线电机结构简单，控制原理简明、能够长距离稳定运行的技术效果。

附图说明

图1是本发明一种柔性薄膜直线电机一具体实施例的结构原理示意图；

图2是本发明一种柔性薄膜直线电机一具体实施例的侧向结构示意图；

图3是本发明一种柔性薄膜直线电机另一具体实施例的接线示意图；

图4是本发明一种柔性薄膜直线电机另一具体实施例的线路布置图；

图5是本发明一种柔性薄膜直线电机另一具体实施例的运行原理图。

附图标记说明：

01：定子；

02：动子；

03：柔性绝缘层；

04：电极；

05：供电总线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：本实施例中以单层定子和动子为例进行说明，实际应用中定子和动子可以选择单层或多层叠加分布。

如图1和2所示，柔性薄膜直线电机包括了一个定子01和一个动子02，定子01和动子02均为柔性结构，上述柔性结构具体是指其几何非线性因素在分析中影响较大而不可忽略的结构。定子01和动子02均包括沿直线排布的电极04、柔性绝缘层03和供电总线05，柔性绝缘层03可在电极04两侧，也可只在单侧，动子02与定子01上的电极一一对应，电极通过蚀刻电路或直连的方式与外部供电电路接通。

优选地，定子01和动子02相互贴合，其贴合面内为可充入起绝缘作用的介质，贴合面介质一般为空气，也可以是其他起润滑作用的绝缘介质。

柔性绝缘层03设置在电极一侧或两侧。

实施例2：如图3所示，柔性薄膜直线电机供电方式为三相或者多相交流电，可采用同一电源或各自使用独立电源供电。其中定子和动子所接入的交流电存在频率差。

电极04沿直线方向均匀分布，电极04径向尺度极小，呈多相交替排布，与供电总线05连通，在供电总线05的末端布置有触点，用于与外部电源连通。

其每组数量与驱动电源的相数对应，一般为三到四相一组；电极04外分布供电总线05，总线条数与驱动电源的相数对应，总线端部设置触电，用于与外部电源相连接，接入同一相电源的电极04由一根供电总线05供电；在电极04和供电总线05外包裹有柔性的柔性绝缘层03，柔性绝缘层03作用为绝缘和保护内部电路以及电极04。

优选地，柔性绝缘层03材料为柔性的绝缘材料如聚酰亚胺等；

优选地，电极04材料为铜或其他导电材料；

优选地，柔性绝缘层03的外侧光滑，以减少运动时的摩擦；

优选地，上述柔性绝缘层03可仅在电极一侧布置，也可在两侧均布置；

优选地，在动子02和定子01的贴合面内可填充起绝缘或润滑作用的物质；

优选地，动子02和定子01之间的柔性绝缘层03，采用以下镀膜工艺形成：

S1:用真空镀膜等方式制取一块绝缘的柔性绝缘层；

S2:在柔性绝缘层表面以蚀刻电路的方式印制第一层电极04和供电总线05；

S3:用磁控溅射或真空镀膜的方法，在第一层上方镀柔性绝缘层03；

S4:在绝缘层上以蚀刻电路的方式印制第二层电极04和供电总线05；

S5:在第二层上方用磁控溅射或真空镀膜的方法，加工柔性绝缘层03。

优选地，上述交变电压可以为三相或更多相电压。

优选地，通过控制电压频率和幅值大小，可以控制电机的运动速度和驱动力。

定子01和动子02还接入有交变电压，动子02和定子01相互贴合形成贴合面，使动子02与定子01之间对应电极带有极性相反的电荷，产生静电力驱动。

动子的移动速度取决于接入交变电压的频率。

交变电压为有频率差的三相或更多相电压。

该电极采用多相交流电进行驱动。当电机工作时，通过外部电源为动子02和定子01通入多相的交变电压，以使定子01和动子02上所接入的交流电存在频率差，使得定子和动子上的对应电极带有极性相反的电荷，从而产生静电力，驱动动子02相对于定子01运动，从而将电能转化为机械能，电机的具体运动原理如具体实施方式所述。

对电机的控制一般通过改变驱动电压的频率和幅值进行。相对于一般的静电电机，本实施例中的电机采用了柔性薄膜结构，可以任意弯折，同时可以产生较大的位移。

动子02可在电极产生的静电力驱动下在上述贴合面内移动。

优选地，动子02运动方式为沿垂直于电极的方向在贴合面内滑动；

动子02的移动速度取决于接入交变电压的频率和幅度。

其中动子02的移动速度取决于接入的交变电压的频率，实现过程如下：

假设接入的交流电波长为3p，则动子02和定子01上的速度别为

其中v₁，v₂为动子02和定子01上电压的波速，w₁、w₂分别为动子02和定子01上电压的频率。由于频率存在差异，动子将沿波速的速度差方向运动，其速度为

当动子02和定子01的三相电压反接时，即w₁＝-w₂，此时动子02的运动速度为

电极之间产生驱动力的大小由接入交流电的电压大小即幅值决定；

具体的，基于静电电机的结构，每两个电极之间形成一个电容器，整个静电电机可以看作一系列电容器所组成的矩阵结构，由此得到电机内部相邻电极之间作用力f的表达式如下：

式中，W表示静电电机结构中储存的势能，x表示动子在前进方向上的移动距离，C表示一系列电容器组成的电容矩阵，V表示电压的值。

由于输入信号为n相的正弦信号，所以上式中的电压V可表示为下式的形式，

式中，V_st和V_sl分别表示定子与动子上电极之间交流电的电压幅值，f_st和f_sl分别表示定子与动子上输入信号的频率。

实施例3：如图4所示，柔性薄膜直线电机可使用供电总线05为电极04供电，由于电极04采用多相交替排布，因此需使用多层印制，图中虚线为印刷在底层的总线；

如图5所示，当电路接通后，由于电压存在频率差，使得一组对应电极04之间带有极性相反的电荷，使得动子02和定子01能够相互贴合，并且产生静电力，以推动动子沿贴合面移动；在动子02移动的过程中，电极04上的电荷极性发生改变，继续推动动子前进。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。