一种基于静电驱动的扇叶及其混合驱动方法与流程

本发明涉及一种扇叶，特别涉及一种基于静电驱动的扇叶及其混合驱动方法。

背景技术：

扇叶在很多领域都有广泛的应用，例如散热降温领域的旋转风扇扇叶、动力推进领域的螺旋桨桨叶，都是利用扇叶的高速旋转带动流体运动，从而达到散热降温或者产生驱动力的目的。现有的扇叶一般是通过电机驱动，但是电机的机构较为复杂，难以微型化，对于微型设备而已难以满足其特定的使用需求。

在散热降温领域，微型电子设备在运行过程中往往会产生大量的热量，其主要降温手段是利用散热风扇进行风冷散热，现有技术中的散热风扇主要是利用电机带动扇叶旋转产生气流，使电子设备与气流进行热交换，进而达到降温的目的。但现有技术中用于驱动散热风扇的电机受工作原理限制很难微型化，为了满足电机的安装需求，只有缩减扇叶的尺寸，导致电机占据了过大的气流流通面积，限制了散热风扇的排风量，影响输出功率、降噪、散热效果。

在动力推进领域，随着微型飞行器对高机动和长续航性能要求的提高，微型动力装置的功率密度和能量转换效率亟待提高。现有微型飞行器动力装置利用传统微型电机驱动螺旋桨旋转，当螺旋桨负载变大时，微型电机内部会因电流大增而大量发热，导致能量转化效率大幅降低，功率密度无法提高，甚至发生过热烧毁。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于静电驱动的扇叶及其混合驱动方法，采用此种扇叶的装置具有易于微型化、噪音小、能量转换效率高、功率密度高的优势。

本发明的技术方案是：一种基于静电驱动的扇叶，扇叶设置在转轴上，扇叶周围设置有外壳，所述外壳的内表面上间隔布置若干正电极和负电极，所述扇叶靠近所述正电极、负电极的叶尖处能导电，通过对所述正电极、负电极施加电压后形成静电场从而产生静电力，利用静电力驱动所述扇叶转动。

进一步的，所述正电极、所述负电极与所述扇叶之间的径向间距小于等于扇叶径向长度的五分之一。

进一步的，其特征在于：所述正电极、负电极朝向所述扇叶的转动方向倾斜安装，实现扇叶沿特定方向旋转。

进一步的，其特征在于：所述正电极、负电极的数量相同，通过调整所述正电极、所述负电极的数量，可改变所述静电驱动风扇的输出功率。

进一步的，所述扇叶以绝缘材料为基体，在叶尖位置覆盖有导电涂层。

进一步的，所述扇叶的表面为三维气动曲面。

进一步的，所述正电极、负电极均呈凸起的尖端状。

一种微型静电风扇，包括上述的基于静电驱动的扇叶。

一种混合驱动的扇叶，包括上述的基于静电驱动的扇叶，外接装置还包括电机、电池、升压电路，通过电机和静电力共同驱动扇叶高速旋转。

一种扇叶的混合驱动方法，包括以下步骤：

(1)将基于静电驱动的扇叶安装在所述电机的输出轴上；

(2)将所述电池和所述升压电路相连，组成供电模块，所述供电模块既可以由电池直接输出低压直流电，也可以由升压电路输出高压直流电；

(3)将所述低压直流电引入所述电机的正、负极，同时将所述高压直流电引入所述扇叶的正、负极；

(4)所述供电模块通过控制高、低压直流电来调节所述电机和所述扇叶的工作状态，达到混合驱动目的。

本发明具有以下有益效果：静电驱动工作电压较高、工作电流较小，因此热耗散小、具有更高的能量转换率；通过调整正、负电极的数量，可以产生更大的静电力，进一步提高静电驱动扇叶的输出功率。静电驱动可单独使用也可和传统驱动形式结合使用，比如，传统电机受驱动原理限制，转速增加到一定程度时能量转换效率会大幅下降，此时如果引入本申请的混合驱动方法，可在改善电机效率的同时进一步增加电机转速。本申请提出的扇叶混合驱动方法中，电机与静电力不是简单的叠加，而是存在相互促进、相互增强的耦合关系：电机为静电驱动提供一个基础转速，且基础转速越高，静电驱动的效果越好；静电驱动反过来也可以改善电机的工作环境，促使电机保持在最佳工作区间，从而实现1+1远大于2的效果。换句话说，当微型动力装置采用电机和静电混合驱动时候，相比单独采用电机的传统驱动方式，其输出功率的增幅并不完全等于引入静电力的驱动功率，还要考虑电机因静电力引入、工作环境改善导致能量转换效率和输出功率大幅提高的因素。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明扇叶的结构示意图；

图3是本发明实施例1的驱动原理示意图；

图4是本发明实施例3的结构示意图；

图5是本发明实施例3的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

静电驱动原理是利用静电力进行驱动，是较早实用的微机电系统旋转驱动原理，静电力是静电场中两个带电体由于带同种或异种电荷而导致二者之间的吸引力和排斥力，微机械系统的研究已经证明：导体转子在静电场中可以主动的高速转动，转速能高达数万转/分钟，不需要额外的电机驱动，而且，静电力与结构线性尺寸的二次放成正比，当结构尺寸缩小时，静电力相对于结构体积是增加的。因此，利用静电力驱动微小尺寸扇叶是实现微型散热风扇和微型动力装置的重要方法。

实施例1：

参见图1，一种基于静电驱动的扇叶4，扇叶设置在转轴上，扇叶周围设置有外壳1，所述外壳1优选为圆环形，所述外壳1的内表面上间隔布置若干个正电极2和负电极3。优选地，所述正电极2、负电极3的制备材料为金属涂层，其加工方法为喷镀法；所述外壳1的材料绝缘材料，优选轻质塑料，其加工方法为3d打印或注塑成型。

参见图2，所述扇叶4以绝缘材料为基体，在其靠近所述正电极2、负电极3的叶尖处覆盖有导电涂层，优选地，所述扇叶4的制备材料为碳纤维，其加工方法为热塑成型。根据静电驱动的原理，通过对所述正电极2、所述负电极3施加电压后形成的静电场，进而产生静电力驱动所述扇叶4的旋转，所述扇叶4的表面为三维气动曲面,扇叶4在被静电力驱动的同时不影响其气动效率。

所述正电极2、负电极3与所述扇叶4之间的径向间距(沿圆环形外壳1的半径的直线方向的距离)小于等于扇叶径向长度的五分之一。

进一步的，所述正电极2、负电极3均呈凸起的尖端状，其凸起方向朝向所述扇叶4的转动方向倾斜安装，实现扇叶沿特定方向旋转。

进一步的，所述正电极2、负电极3的输入电源为高压直流电，由于其工作电压较高、工作电流较小，因此耗能少、具有较高的能力转化率。此外，由于所述静电驱动风扇需要扇叶4间相互绝缘，叶尖的导电涂层面积越大，所述扇叶4受到的静电力越大，但导电涂层面积过大会导致所述扇叶4之间的安全距离过小，在高电压下可能发生击穿短路，因此导电涂层的面积由所述正电极2、负电极3的最大工作电压决定。

参见图3，为上述扇叶的静电驱动原理如下：

对所述正电极2、负电极3分别施加高压直流电后，所述正电极2具有正电荷、所述负电极3具有负电荷，所述正电极2、负电极3与所述扇叶4之间会形成稳定的静电场；

(2)当所述扇叶4与所述正电极2间隙极小时，所述正电极2所带的部分正电荷跃至所述扇叶4的叶尖处，使所述扇叶4具有正电荷，根据同种电荷相排斥原理，所述扇叶4受到所述正电极2的排斥力而转动，其转动方向为叶尖凸起的方向(顺时针)；

(3)当所述扇叶4靠近所述负电极3时，根据异种电荷相吸引原理，所述负电极3所带的负电荷对带有正电荷的扇叶4产生吸引力，驱动所述扇叶4继续顺时针转动；

(4)当所述扇叶4与所述负电极2的间隙极小时，所述负电极3所带的部分负电荷跃至所述扇叶4的叶尖处，导致扇叶4所带的正电荷被中和并带上负电荷，所述扇叶4受到所述负电极的排斥力而继续顺时针转动。

(5)由于所述正电极2、负电极3间隔布置，所述扇叶4会间隔受到与转动方向一致的排斥力和吸引力，因此所述扇叶4可保持持续转动。

此外，通过调整所述正电极2、所述负电极3的数量，可改变所述基于静电原理驱动的风扇的输出功率。例如，增加正、负电极的数量，可产生更大的静电力，进而提高所述基于静电原理驱动的风扇的输出功率。

所述外壳1的正电极2、负电极3与所述扇叶4处于同一平面，且所述正电极2、负电极3在所述扇叶4的顶端时，此时产生静电力的方向可最大化推动扇叶4转动。所述外壳1的正电极2、负电极3页可位于所述扇叶的侧面(图中未示出)，也可产生静电力驱动所述扇叶转动。

实施例2：

一种微型静电风扇，用于对微型电子设备降温，包括上述基于静电驱动的扇叶。优选地，所述微型风扇整机直径为23.5mm，所述扇叶4长度为10mm，整机厚度为3mm，所述扇叶4的叶尖导电涂层厚度为37纳米，所述正电极2、负电极3与所述扇叶4的最小径向间距为0.5mm。微型静电风扇相比传统电机驱动的风扇，拥有更小的厚度，更大的扇叶，更小的噪音，可满足了微型散热风扇小尺寸、平面化的应用环境。

实施例3：

如图4-5所示，一种混合驱动的扇叶，包括实施例1中所述的基于静电驱动的扇叶4，还包括微型电机5，此时扇叶的外壳1为气流涵道，优选地，所述涵道为圆环形，圆环形的环括作用，可使动力装置噪声低、使用安全性好、气动效率较高。优选地，所述涵道利用轻质塑料制备，其加工方法为3d打印或注塑成型。微型电机优选为微型电磁电机。

优选地，所述混合驱动的扇叶，扇叶直径为30mm，其涵道直径为35mm，微型电磁电机5的直径为4mm，长度为8mm，所述扇叶4的叶尖导电涂层厚度为37nm，所述正电极、负电极与所述扇叶4的最小径向间隙为0.5mm，整机质量为600mg。

一种扇叶的混合驱动方法，包括以下步骤：

(1)将基于静电驱动的扇叶安装在所述电机的输出轴上；

(2)将所述电池和所述升压电路相连，组成供电模块，所述供电模块既可以由电池直接输出低压直流电，也可以由升压电路输出高压直流电；

(3)将所述低压直流电引入所述电机的正、负极，同时将所述高压直流电引入所述扇叶的正、负极；

(4)所述供电模块通过控制高、低压直流电来调节所述电机和所述扇叶的工作状态，达到混合驱动目的。

因此，所述混合驱动的扇叶，利用静电加速原理实现了在不增加电机输入电流的情况下，提高了电机的工作转速，且降低了电机的负荷，改善了电机的工作环境。与单独使用电机驱动相比，混合驱动的微型动力装置拥有更高的功率密度和能量转换效率。采用混合驱动原理的动力装置，其输出功率和能量转化效率并不是电机和静电驱动的简单叠加，而是存在一个相互增强的作用，静电驱动改善电机的工作坏境，电机为静电驱动提供基础转速，从而实现1+1大于2的效果。换句话说，当微型动力装置采用电机和静电混合驱动时候，相比单独采用电机的传统驱动方式，其输出功率的增幅并不完全等于引入静电力的驱动功率，还要考虑电机因静电力引入、工作环境改善导致能量转换效率和输出功率大幅提高的因素。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。