来源：电气新科技

静电电机是一种利用介电弛豫原理或者电容可变原理运行的电机。由于它不使用磁铁、无需线圈、结构简单、效率高、容易实现微型化，特别是微型静电电机的平面结构和制造工艺与微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）器件高度兼容，因此研究超微型旋转型静电电机较多，如顶驱动（top-drive）、侧驱动（side-drive）、晃动驱动（wobble-drive）、中心钉驱动（center-pin-drive）、轴瓦、法兰盘（flange）和快门静电型（shuffle）等。

静电电机主要由定子板、动子板和绝缘液构成，其结构示意图如图1所示。电极采用电路板工艺蚀刻在极板表面。由于静电电机的驱动电压较高，因此需要在两板之间注入绝缘液来避免高压造成的击穿，同时减小运动时两块板子之间的摩擦。

图1 静电电机结构示意图

相较于超微型旋转型静电电机，宏观尺寸的直线型静电电机研究较少。这方面有代表性的是1995年由东京大学提出的一种名为双激励多相静电驱动（Dual Excitation Multiphase Electrostatic Drive, DEMED）的新型静电直线电机。

该电机定子和动子都装有电极，在定子和动子上施加电压可以让动子做直线运动。动子电极为三相，定子电极为三相，采用矩形波电压驱动；通过调节电压大小和频率可以调节动子的运动速度。该电机只有cm级大小，但是推力可达到数十N且其移动速度超过1m/s。

鉴于上述特点，该类型直线电机不仅可应用在微型机械领域，常规的设备如位移器和机器人伺服驱动等同样可以应用静电电机。在此基础上，日本学者A. Yamamoto等进一步对电极的形状进行改进，为减小施加电压过高而导致的推力波纹，他们提出将电极设计成倾斜状或者V形，这种设计可以使动子平滑移动，有效地降低了电机运行时的噪声及振动，提升了电机的运行效率。

M. Bahoura等将静电薄膜电机应用到仿生鱼的驱动中，利用静电薄膜电机和一个小型灵活的电力传输系统制造出一种能够通过自身振动实现前进运动的仿生鱼。

为了对电机性能进行分析，A. Yamamoto利用电容网络矩阵对已制成电机的推力特性进行了分析。由于DEMED一共有六相，所以电机可以看作是一个6端口网络，6个端口之间互相以电容相连，这些电容可以用电容矩阵来表示。动子板在运动时，电容矩阵内各个容值都随动子位置的改变而改变。电容的变化反映静电能的变化，进而反映推力的变化。

因此，基于电容可变原理的静电电机推力特性可以用电容网络来进行描述，通过测量电机动子板处于不同位置处的电容矩阵可以推算该位置处的推力大小。由于电容的大小不受外部驱动电路的影响，通过这种方法可以对未连接外部驱动的电机的推力特性进行分析。

但上述方法是一种后验式测量方法。目前针对该类型直线静电电机缺乏理论模型以预估其机械性能。虽然用有限元方法可以较准确地获得电机性能参数，但其存在计算时间长的固有缺点，不易得到电机性能与电机参数的关系，不适用于电机优化设计，因而获得一套用以预估和优化电机性能的理论模型是十分必要的。

机械结构力学及控制国家重点实验室（南京航空航天大学）的研究人员李华峰、王伊凡，在2021年第6期《电工技术学报》撰文，以一种双激励直线型静电电机为例，通过求解多层介质情况下的泊松方程和拉普拉斯方程，获得电机内部电场分布情况。

继而通过静电能量的虚位移法获得电机推力特性，由此建立起完整的电机数学模型，并计算得到电机动子的推力曲线和最大电场强度数值，该推力曲线可用于指导电机换相系统设计；随后建立电机的二维有限元模型，仿真结果验证了所提数学模型的正确性；最后根据电机各个参数与最大推力的关系并结合Sobol灵敏度分析结论对电机进行优化设计。

图2 静电电机的有限元模型

他们的研究结果表明，输入电压，介电常数和定、动子导体间距离对电机推力的影响最大，电极宽度对推力的影响最小。据此可指导该类电机的设计。

本文编自2021年第6期《电工技术学报》，论文标题为“静电电机理论研究与性能仿真分析”，作者为李华峰、王伊凡。