ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
ELECTROSTATIC MOTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электростатическому двигателю, который осуществляет приведение во вращение с использованием электростатической силы, в частности к электростатическому двигателю, который осуществляет приведение во вращение за счет выработки сильного электрического поля в вакууме.
Уровень техники
В большинстве традиционных электрических двигателей используется электромагнитная сила, создаваемая катушкой и магнитом. Также известны электростатические двигатели, которые обеспечивают приведение во вращение с использованием электростатической силы (см., например, японскую выложенную заявку на выдачу патента за № 8-88984 и работу «Study of Servo Systems using Electrostatic Motors», Akio Yamamoto и др. по электронному адресу: www.intellect.pe.u-tokyo.ac.jp/japanese/dissertationj/yamamoto.html).
Тем не менее, традиционные электрические двигатели, в которых используется электромагнитная сила, создаваемая катушкой и магнитом, производят газ в вакууме, нарушающий вакуум. Кроме того, так как в традиционных электрических двигателях используются обладающие магнитными свойствами материалы, они не могут работать в сильных магнитных полях.
Традиционные электростатические двигатели, подобные описанным выше, также производят газ в вакууме, нарушающий вакуум. В традиционных электростатических двигателях электрическое поле увеличивается за счет расположения большого числа пар электродов на изоляторе таким образом, что электроды расположены близко с промежутком. Тем не менее, при этом способе существует предрасположенность к возникновению пробоя диэлектрика, скользящему разряду, искровому разряду и прочим нежелательным явлениям. Соответственно, не может быть создано сильное электрическое поле и не может быть получена достаточная сила тяги. Следовательно, пока еще не были реализованы практически применимые электростатические двигатели.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение создано с учетом вышеизложенных недостатков. Соответственно, цель настоящего изобретения состоит в предложении электростатического двигателя, который вырабатывает сильное электрическое поле в вакууме таким образом, что он может осуществлять приведение во вращение с достаточной движущей силой.
Другая цель настоящего изобретения состоит в создании электростатического двигателя, разработанного с возможностью предотвращения пробоя диэлектрика, скользящего разряда, искрового разряда и подобных явлений с целью работы в сильном электрическом поле, а также имеющего меньший вес.
Предлагаемый электростатический двигатель имеет описанные ниже характеристики для того, чтобы разрешить вышеизложенные проблемы.
В первом аспекте настоящего изобретения предлагается электростатический двигатель, отличающийся тем, что содержит дискообразный статор и дискообразный ротор, расположенные в вакуумной емкости противоположно друг другу, причем статор прикреплен к основному корпусу вакуумной емкости, а ротор опирается с возможностью вращения на основной корпус вакуумной емкости для обеспечения свободного вращения посредством вращающегося вала, при этом статор имеет первые электроды и вторые электроды, электрически изолированные посредством изолятора и прикрепленные к опорам электродов с чередованием по окружности опор электродов, и ротор имеет первые электроды и вторые электроды, электрически изолированные посредством изолятора и прикрепленные к опорам электродов с чередованием по окружности опор электродов, причем каждые из первых и вторых электродов на стороне статора расположены с интервалом в два или более рядов на заданном расстоянии от центра вращающегося вала, и каждые из первых и вторых электродов на стороне ротора расположены на заданном расстоянии от центра вращающегося вала и в промежутке между рядами первых и вторых электродов на стороне статора, при этом к первым и вторым электродам на стороне статора прикладываются предопределенные электрические поля, а к первым и вторым электродам на стороне ротора прикладываются с переключением согласно заданному распределению во времени напряжения различных полярностей.
Во втором аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по первому аспекту, отличающийся тем, что каждый из первых и вторых электродов на стороне статора и первых и вторых электродов на стороне ротора выполнен в форме стержня и расположен параллельно осевому направлению вращающегося вала.
В третьем аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по первому или второму аспекту, отличающийся тем, что опоры первых и вторых электродов на стороне статора, а также опоры первых и вторых электродов на стороне ротора поддерживаются изолирующим образом посредством изоляторов с обеспечением достаточной длины пути тока утечки.
В четвертом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по третий, отличающийся тем, что каждый из изоляторов на стороне статора и на стороне ротора имеет один или множество образованных на нем пазов.
В пятом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по четвертый, отличающийся тем, что концы первых и вторых электродов на стороне статора и концы первых и вторых электродов на стороне ротора имеют закругленную форму.
В шестом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по пятый, отличающийся тем, что для металлических компонентов, расположенных в вакуумной емкости, использована нержавеющая сталь, а в качестве изолирующих компонентов используется изолятор неорганического происхождения.
В седьмом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по шестой, отличающийся тем, что в качестве металлических компонентов, расположенных в вакуумной емкости, использован немагнитный материал.
В восьмом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по седьмой, содержащий кодовый датчик положения, имеющий пластину с прорезями и считывающий элемент, который определяет взаимное положение между первыми и вторыми электродами на стороне статора и первыми и вторыми электродами на стороне ротора.
В девятом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по восьмой, отличающийся тем, что на расположенные в вакуумной емкости компоненты нанесено покрытие из газопоглощающего материала.
Согласно изобретению первые и вторые электроды, прикрепленные к опорам электродов статора и ротора, расположены в вакууме. Соответственно, в отличие от традиционного электростатического двигателя, в котором группы электродов поддерживаются изолятором или изоляторами, настоящее изобретение предотвращает пробой диэлектрика, даже если между электродами существует сильное электрическое поле. Это приводит к выходной мощности, такой же высокой или выше, чем та, которая получена электромагнитным двигателем. Соответственно, разработан электростатический двигатель, который создает сильное электрическое поле в вакууме, так что он может осуществлять приведение во вращение с достаточной движущей силой. Электростатический двигатель, который может осуществлять привод в высоком чистом вакууме, может найти применение, например, в устройствах для производства полупроводников. Кроме того, в электростатическом двигателе отсутствуют вентиляционные потери, таким образом он имеет улучшенный КПД. Более того, электростатический двигатель, который осуществляет привод в сильном электрическом поле, созданном между электродами, позволяет практические применения, в том числе малых или крупных двигателей, и в нем достигается высокая выходная мощность и снижение веса.
В настоящем изобретении опоры электродов изолированно поддерживаются изолятором, в котором образованы пазы, обеспечивающие достаточную длину пути тока утечки. Соответственно, электростатический двигатель эффективно предотвращает пробой диэлектрика, скользящий разряд, искровой разряд и другие явления и вырабатывает сильное электрическое поле.
Кроме того, в предлагаемом электростатическом двигателе в качестве компонентов использованы нержавеющая сталь и т.п. или изолятор неорганического происхождения, такой как фарфор или стекло, которые производят меньше остаточного газа. Следовательно, электростатический двигатель может быть использован в чистом вакууме. Кроме того, применение немагнитного материала для металлических компонентов позволяет создать немагнитный двигатель, который может быть использован в сильном магнитном поле.
Кроме того, в предлагаемом электростатическом двигателе для металлических компонентов не используются тяжелые магнитные материалы, и следовательно, он имеет меньший вес, чем традиционные.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 проиллюстрирован вертикальный разрез электростатического двигателя согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения.
На фиг.2 показан вид в плане статора в первом варианте выполнения.
На фиг.3 показан вид в плане ротора в первом варианте выполнения.
На фиг.4 показано выполненное отчасти подробным схематическое изображение первого и второго электродов статора в первом варианте выполнения.
На фиг.5(A) показано вертикальное частичное изображение конструкции опор электродов, а также первого и второго электродов на стороне статора в первом варианте выполнения.
На фиг.5(B) показано вертикальное частичное изображение конструкции опор электродов, а также первого и второго электродов на стороне ротора в первом варианте выполнения.
На фиг.6 проиллюстрирован принцип действия первого и второго электродов на стороне статора и первого и второго электродов на стороне ротора в первом варианте выполнения.
На фиг.7 показаны временные диаграммы напряжений первого и второго электродов на стороне ротора в первом варианте выполнения.
На фиг.8 показан вертикальный разрез электростатического двигателя согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения.
На фиг.9 показан вертикальный разрез электростатического двигателя согласно третьему варианту выполнения настоящего изобретения.
На фиг.10 показан вертикальный разрез электростатического двигателя согласно четвертому варианту выполнения настоящего изобретения, в котором первые и вторые электроды на стороне статора и первые и вторые электроды на стороне ротора расположены радиально по отношению к центру вращающегося вала.
На фиг.11 показано сечение статора в четвертом варианте выполнения.
На фиг.12 показано сечение ротора в четвертом варианте выполнения.
Осуществление изобретения
Далее приведено подробное описание вариантов выполнения предложенного электростатического двигателя.
На фиг.1 проиллюстрирован вертикальный разрез согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.2 показан вид в плане статора в первом варианте выполнения, а на фиг.3 показан вид в плане ротора в первом варианте выполнения. На фиг.4 показано выполненное отчасти подробным схематическое изображение первого и второго электродов статора в первом варианте выполнения.
В первом варианте выполнения предложенного электростатического двигателя в вакуумной емкости 11 противоположно друг другу расположены дискообразный статор S и дискообразный ротор R. В первом варианты выполнения электростатический двигатель выполнен с возможностью работать в условиях вакуума при давлении, не превышающем 3 Па.
В электростатическом двигателе согласно этому варианту выполнения первые электроды 34А прикреплены к опорам 31 электродов на стороне статора S. Первые электроды 34А расположены в два ряда на заданном расстоянии от центра вращающегося вала 1 (т.е. центра основания 10 двигателя). Подобным образом вторые электроды 34В прикреплены к другим опорам 32 электродов на стороне статора S. Как показано на фиг.2 и 4, первые электроды 34А и вторые электроды 34В расположены таким образом, что они чередуются. Первые и вторые электроды 34А, 34В расположены с равномерными интервалами вдоль окружностей соответственно опор 31, 32 электродов параллельно вращающемуся валу 1, так что первые и вторые электроды 34А, 34В закреплены в два ряда в радиальном направлении. Опоры 31, 32 электродов с соответственно первыми и вторыми электродами 34А, 34В закреплены на изоляторе 33, который установлен на основании 10 двигателя (т.е. основной корпус вакуумной емкости 11). Изолятор 33 обеспечивает достаточные толщину изоляции и длину пути тока утечки и имеет множество пазов, образованных с целью предотвращения скользящего разряда. Здесь достаточная толщина изоляции должна быть равна или превышать ту, которая соответствует напряжению пробоя изолятора, а достаточная длина пути тока утечки в несколько раз больше, чем эта толщина. Число пазов, форма паза, глубина паза и другие характеристики могут быть установлены такими, как необходимо согласно размеру и применению электростатического двигателя.
С другой стороны, первый электрод 44А прикреплен к каждой из опор 41 электродов на стороне ротора R. Эти первые электроды 44А размещены в один ряд на заданном расстоянии от центра вращающегося вала 1. Также на стороне ротора R на каждой из других опор 42 электродов расположен второй электрод 44В. Как показано на фиг.3, первые электроды 44А и вторые электроды 44В размещены так, чтобы чередоваться подобно электродам на стороне статора S. Первые и вторые электроды 44А, 44В расположены вдоль окружностей соответственно опор 41, 42 электродов с равномерными промежутками параллельно вращающемуся валу 1 так, что первые и вторые электроды 44А, 44В закреплены в один ряд в радиальном направлении. Опоры 41, 42 электродов с соответственно первыми и вторыми электродами 44А, 44В закреплены на изоляторе 43, который установлен на вращающемся валу 1. Как и на стороне статора S, изолятор 43 обеспечивает достаточную толщину изоляции и длину пути тока утечки и имеет множество пазов, образованных с целью предотвращения скользящего разряда. Число пазов, форма паза, глубина паза и другие характеристики могут быть установлены такими, какие необходимы согласно размеру и применению электростатического двигателя.
Как описано выше, первые и вторые электроды 44А, 44В на стороне ротора R закреплены соответственно на опорах 41, 42 с равномерными промежутками параллельно вращающемуся валу 1, как первые и вторые электроды 34А, 34В на стороне статора S. Тем не менее, как показано на фиг.1, положения первых и вторых электродов 44А, 44В на стороне ротора R от центра вращающегося вала 1 находятся посередине между рядами первых и вторых электродов 34А, 34В на стороне статора S, так что ротор R выполнен с возможностью приведения его во вращение. Первый электрод 34А, второй электрод 34В, первый электрод 44А и второй электрод 44В имеют форму стержней. Предпочтительно, чтобы концы электродов были закруглены с целью предотвращения между ними разряда. Однако форма этих электродов не ограничена стержневидной.
Энергия подается к электродам 44А, 44В на стороне ротора R через контактные токосъемные кольца 51, 52 и щетки 61, 62.
Кодовый датчик положения образован из оптической системы (т.е. пластины 7 с прорезями и считывающего элемента 8) или магнитной системы (т.е. магнитного диска и считывающего элемента). В этом варианте выполнения применено первое из указанных. Считывающий элемент 8 определяет моменты времени, соответствующие подаче питания к первым и вторым электродам 44А, 44В на стороне ротора R, и определенный результат подвергается процессу обработки сигнала цепью возбуждения (не показанной). На выходе происходит выдача высокого напряжения (приблизительно от 1 до 100 кВ), и оно подается к первым и вторым электродам 44А, 44В.
Когда электростатический двигатель применяется в воздушной или газовой среде, к основанию 10 двигателя прикрепляют вакуумное уплотнение 9 для поддержания вакуума внутри электростатического двигателя.
Настоящее изобретение использует электростатический двигатель, который работает в вакууме. Излишне говорить о том, что настоящее изобретение функционирует как электростатический двигатель даже в среде изолирующего газа, такого как газ элегаз (газ «SF6» («sulfur hexafluoride»)).
В вышеприведенном описании первые и вторые электроды 34А и 34В, соответственно на стороне статора S, расположены в два ряда, в то время как первые и вторые электроды 44А и 44В соответственно, на стороне ротора R, расположены в один ряд. Тем не менее, как описано ниже, число рядов не ограничено только одним, а также могут быть установлены два или более рядов.
Вдобавок к этому в первом варианте выполнения в качестве металлических компонентов, которые расположены в вакуумной емкости 11 (например, первых и вторых электродов 34А, 34В, опор 31, 32 электродов, первых и вторых электродов 44А, 44В, опор 41, 42 электродов) может быть использована нержавеющая сталь или подобный материал, который производит меньше остаточного газа. Также в качестве изолирующих компонентов может быть использован изолятор неорганического происхождения, такой как фарфор или стекло, который производит меньше остаточного газа. Тем самым может быть обеспечена возможность применения электростатического двигателя в чистом вакууме. Также является эффективным нанесение на компоненты, используемые в вакуумной емкости 11, покрытий из газопоглощающего материала (т.е. вещества, обладающего способностью геттерирования), такого как титан, ванадий, тантал или цирконий,
В первом варианте выполнения применение немагнитного материала в качестве металлических компонентов, используемых в вакуумной емкости 11, дает возможность получения немагнитного двигателя, который может быть использован в сильном магнитном поле. Кроме того, в качестве металлических компонентов не используется никакой тяжелый магнитный материал, за счет чего обеспечивается снижение веса.
Теперь приведем разъяснение принципов функционирования электростатического двигателя согласно первому варианту выполнения, который имеет вышеописанную конфигурацию. Как показано на фиг. 5 (А), за счет приложения высокого напряжения (приблизительно от 1 до 100 кВ) между опорами 31, 32 электродов на стороне статора S, между первыми и вторыми электродами 34А, 34В создается сильное электрическое поле (напряженностью от 1 до 100 кВ/мм или около того).
Так как электростатический двигатель выполнен таким образом, что первые и вторые электроды 44А, 44В на стороне ротора R свободно перемещаются вдоль окружности между первыми и вторыми электродами 34А, 34В на стороне статора S, то первые и вторые электроды 44В, 44А соответственно заряжены положительно и отрицательно за счет приложения к опорам 42 электродов высокого положительного напряжения (от 1 до 100 кВ или около того). Исходя из распределения во времени подачи заряда направление тяги (т.е. вращающей силы), например, определяется тем, где выполненные на стороне ротора R электроды 44В расположены относительно вторых электродов 34В на стороне статора S. Следовательно, величина и время подачи напряжения значительно влияют на величину тяги (вращающей силы).
На фиг.6 проиллюстрирован принцип действия электростатического двигателя путем показа только первых и вторых электродов 34А, 34В на стороне статора S и первых и вторых электродов 44А, 44В на стороне ротора R. Например, когда каждый из вторых электродов 44В на стороне ротора R достиг местоположения (т.е. местоположения Х1), которое слегка смещено вправо от местоположения Х0 второго электрода 34В на стороне статора S, ко второму электроду 44В прикладывается положительный потенциал. Тем самым между вторыми электродами 34В и вторым электродом 44В возникает сила отталкивания, в то время как между первыми электродами 34А и вторым электродом 44В возникает сила притяжения. Следовательно, соединенный с первыми и вторыми электродами 44А, 44В ротор R подвергается действию движущей силы, направленной вправо, и движется соответствующим образом.
К местоположению (т.е. местоположению Х2), которое находится непосредственно перед первыми электродами 34А, происходит переключение напряжения каждого из вторых электродов 44В. Эта операция переключения повторяется для второго электрода 44В каждый раз, когда сигналом от считывающего элемента 8 кодового датчика положения определяется момент времени, соответствующий такому положению второго электрода 44В.
На фиг.7 показаны временные диаграммы напряжения первых и вторых электродов 44А, 44В на стороне ротора R (в которых Т0 представляет момент времени при нахождении в местоположении Х0, а Т1 и Т2 соответственно представляют моменты времени в местоположениях Х1 и Х2).
Далее приведено описание электростатического двигателя согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения.
На фиг.8 показан вертикальный разрез предлагаемого электростатического двигателя согласно второму варианту выполнения. На фиг. 8 те элементы, которые одинаковы с показанными в иллюстрациях к первому варианту выполнения, обозначены теми же самыми символами, и дублирование описания разъяснения этих элементов не приводится.
Во втором варианте выполнения вдоль окружностей опор 31, 32 электродов на стороне статора S расположены соответственно три ряда первых электродов 34А и три ряда вторых электродов 34В. Аналогичным образом вдоль окружностей опор 41, 42 электродов расположены соответственно два ряда первых электродов 44А и два ряда вторых электродов 44В. Во втором варианте выполнения за счет увеличения числа электродов получен электростатический двигатель с высокой выходной мощностью.
Далее приведено описание электростатического двигателя согласно третьему варианту выполнения настоящего изобретения.
На фиг. 9 показан вертикальный разрез предлагаемого электростатического двигателя в третьем варианте выполнения. На фиг. 9 одинаковые элементы с теми, которые показаны в иллюстрациях к первому варианту выполнения, обозначены теми же самыми символами, и дублирование разъяснения этих элементов не приводится. Не показаны кодовый датчик положения, контактные токосъемные кольца и щетки.
В первом и втором вариантах выполнения ограничения, возникающие в результате консольной конструкции, препятствуют какому-либо необязательному увеличению длины электродов. В третьем варианте выполнения первые электроды 44А проходят от обеих сторон каждой из опор 41 электродов на стороне ротора R, а вторые электроды 44В также проходят от обеих сторон каждой из опор 42 электродов на стороне ротора R. Это позволяет получать выходную мощность, которая в два раза выше по сравнению с той, которая получается в электростатическом двигателе с электродами с консольной конструкцией, в первом варианте выполнения. Кроме того, первые и вторые электроды 34А, 34В могут проходить от обеих сторон соответственно опор 31, 32 электродов на стороне статора S, и роторы R и статоры S могут быть установлены стопкой в осевом направлении более, чем в одну ступень.
Далее приведено описание электростатического двигателя согласно четвертому варианту выполнения настоящего изобретения.
На фиг.10 показан вертикальный разрез предлагаемого электростатического двигателя согласно четвертому варианту выполнения, в котором первые и вторые электроды на стороне статора и первые и вторые электроды на стороне ротора расположены радиально по отношению к центру вращающегося вала. На фиг.11,12 показаны соответственно вертикальные разрезы статора и ротора согласно четвертому варианту выполнения. К тому же на фиг.10-12 элементы, одинаковые с теми, которые показаны в иллюстрациях к первому варианту выполнения, обозначены теми же самыми символами, и дублирование разъяснения этих элементов не приводится. Не показаны кодовый датчик положения, контактные токосъемные кольца и щетки.
Тем не менее, в четвертом варианте выполнения взаимные расположения между опорами 31, 32 электродов, изолятором 33, первыми и вторыми электродами 34А, 34В на стороне статора S и опорами 41, 42 электродов, изолятором 43 и первыми и вторыми электродами 44А, 44В на стороне ротора R отличаются от таковых в вариантах выполнения с первого по третий.
В четвертом варианте выполнения первые электроды 44А проходят через сравнительно широкие отверстия выполненной в виде трубы опоры 41 электродов, затем плотно вставлены по направлению к оси в выполненную в виде трубы опору 42 электродов, имеющую большое количество отверстий, и таким образом зафиксированы в этом положении. Вторые электроды 44В прикреплены к опоре 41 электродов. Аналогичным образом первые и вторые электроды 34А, 34В прикреплены соответственно к опорам 31, 32 электродов вдоль оси. Опоры 31, 32 электродов прикреплены к основанию 10 двигателя или к корпусу вакуумной емкости 11 посредством изолятора 33. Опоры 41, 42 электродов присоединены к вращающемуся корпусу 12 и вращающемуся валу 1 посредством изолятора 43.
Конфигурация в четвертом варианте выполнения обеспечивает такие же отличные результаты, как те, которые обеспечиваются в вариантах выполнения с первого по третий.