МИКРО-, НАНОДВИГАТЕЛЬ
MINIATURE NANOMOTOR

Изобретение относится к микроструктурным и наноструктурным устройствам, а более конкретно к микро- и нанодвигателям. Изобретение может быть использовано для построения микро- и нанодвигателей систем передвижения и транспортировки различного назначения, осуществляющих перемещения в микро- и наноразмерной шкале масштабов, а также, двигателей, имеющих микро- и наноразмеры, например, в робототехнике, в том числе в нано- и микроробототехнических системах медицинского назначения.
В статье "Nanotube Nanomotor", опубликованной в журнале Nature №424, стр.408-410 (24 July 2003), представлена конструкция электростатического нанодвигателя, содержащая статор и ротор с осью вращения, изготовленной из нанотрубок. Ротор выполнен в виде электропроводящей пластины, расположенной между двумя электродами.
11
15
Известен двигатель (патент США №5.965.968 по кл. H02N 1/00 от 12.10.1999 г.), который содержит статор и ротор, выполненные с размещенными на них электродами, расположенными с заданным шагам и направлением. Между электродами статора и ротора имеется зазор. Электропроводящие поверхности электродов ротора и статора имеют плоский вид и параллельны друг другу. На электропроводящие поверхности электродов статора и ротора в определенной последовательности подается электрический заряд, приводящий двигатель в движение. Еще одним аналогом данного изобретения является конструкция привода, описанная в патенте США №5.552.654 по кл. H02N 1/00 от 03.09.1996 г. Данный привод содержит первый элемент конструкции, включающий большое количество электродов, расположенных в заданном направлении и в заданных местах. Кроме того, он имеет второй элемент конструкции, расположенный в контакте с первым элементом, который снабжен средствами для подачи положительных и отрицательных зарядов на изоляционную оболочку. Таким средством может являться слой сопротивления, например, имеющего поверхностное сопротивление, равное 10-10Ω/. На электропроводящих поверхностях электродов и слоях сопротивления может быть создан электрический заряд определенной пространственной конфигурации (смотри фиг.7 указанного патента), который может изменяться системой управления. В результате этого, между первым и вторым элементом возникают силы Кулона взаимодействия электрических зарядов. Электропроводящие поверхности первого и второго элементов расположены с зазором, равным толщине изоляционных оболочек. Под электропроводящей поверхностью понимается поверхность какого-либо проводника электрического тока, например, выполненного из металла. Работа двигателя определяется формой и положением обращенных друг к другу электропроводящих поверхностей электродов статора и ротора, на которые в определенной последовательности подается электрический заряд.
Недостатками данного типа двигателей являются проблема подвода энергии от внешнего источника и сложность его выполнения при микро- и наноразмерах.
Ближайшим аналогом данного изобретения является конструкция двигателя, описанная в статье VOLUME 87, NUMBER 26 / PHYSICAL REVIEW LETTERS / 24 December 2001/Probing the Strong Boundary Shape Dependence of Casimir Force/Thorsten Emig, Andreas Hanke, Ramin Golestanian, and Mehran Kardar. Данный двигатель состоит из двух частей, способных изменять относительное положение. Данные части выполнены в виде двух гофрированных пластин. На них расположен повторяющийся элемент рифления, который представляет собой электропроводящую поверхность, выполненную в форме волны. Последовательность данных электропроводящих поверхностей, расположенных в заданном направлении и с заданным шагом, создает на пластинах синусоидальное рифление. Электропроводящие поверхности на первой и второй частях обращены друг к другу. Между электропроводящими поверхностями имеется зазор.
Недостатком данного двигателя является малый рабочий ход, равный половине длины волны.
Задачей данного изобретения является создание двигателя, имеющего неограниченный рабочий ход.
1
2
1
Указанная задача достигается тем, что в известном двигателе, состоящем из двух частей, способных изменять относительное положение, с находящимися на них и обращенными друг к другу электропроводящими поверхностями, расположенными в заданном направлении с заданным шагом и с зазором менее одного микрона между ними, проводящие поверхности имеют форму и положение, при котором угол между нормалью n, проведенной от произвольной точки проводящей поверхности подвижной части двигателя, и нормалью n, проведенной из этой точки к ближайшей проводящей поверхности второй части, не превышает 10°, а угол α между нормалью n от проводящей поверхности подвижной части и направлением движения данной точки не больше 89,7°. В результате параллельного расположения (с допустимым отклонением до 10°) электропроводящих поверхностей, размещенных на расстоянии менее одного микрона друг от друга, между ними возникают силы взаимного притяжения, вызванные эффектом Казимира.
Кроме того, так как электропроводящие поверхности на взаимодействующих частях двигателя наклонены по отношению к направлению движения, возникает составляющая сила, действующая в направлении перемещения.
Техническим результатом этого является возникновение сдвигающих сил на взаимодействующих частях двигателя. По мере выхода из зоны взаимодействия одной электропроводящей поверхности, в нее вовлекается следующая проводящая поверхность, что обеспечивает непрерывность движения двигателя.
Части двигателя могут быть выполнены в виде ротора и статора.
1
2
С целью увеличения силы притяжения, электропроводящие поверхности на роторе и статоре, в сечении, проходящем через нормали n и n, могут иметь вид смежных участков плоский спирали, например - спирали Архимеда.
Электропроводящие поверхности на роторе и статоре могут быть выполнены в виде плоских поверхностей.
На фиг.1 изображены виды и отдельные элементы описываемого микро- и нанодвигателя с электропроводящими поверхностями плоской формы, на фиг.2 - виды роторного двигателя с электропроводящими поверхностями спиралевидной формы, на фиг.3 - вид двигателя с ротором, расположенным на оси из нанотрубок.
Где:
произвольная точка проводящей поверхности части 1 - с;
угол между нормалью, проведенной от произвольной точки с проводящей поверхности части 1, и направлением движения этой точки - α;
1
нормаль, проведенная от произвольной точки с проводящей поверхности части 1 - n,
2
нормаль к ближайшей проводящей поверхности части 2, проведенная из выбранной произвольной точки с - n;
1
2
угол между нормалью n, проведенной от произвольной точки с проводящей поверхности части 1, и нормалью n, проведенной из этой точки к ближайшей проводящей поверхности части 2 - β;
сила взаимного притяжения электропроводящих поверхностей - Р;
проекция силы Р притяжения между проводящими поверхностями на направление движения данной точки - Рх.
Микро-, нанодвигатель содержит части 1 и 2 с расположенными на них плоскими электропроводящими поверхностями 3. Данные поверхности параллельны друг другу, а допустимое отклонение (угол β) не превышает 10°, расстояние между ними менее одного микрона. На них действуют силы взаимного притяжения, вызванные эффектом Казимира. Кроме того, электропроводящие поверхности расположены под углом к направлению движения 4. При этом проекция Рх силы притяжения Р между проводящими поверхностями на направление движения данной точки не равна нулю и создает движущую силу, действующую на подвижную часть двигателя.
1
2
Микро- и нанодвигатель может быть выполнен в виде роторного двигателя. При этом электропроводящие поверхности 5 и 6 на роторе и статоре в сечении, проходящем через нормали n и n, могут иметь вид смежных участков плоский спирали 7, например - спирали Архимеда. В результате этого электропроводящие поверхности при любом угле поворота ротора остаются параллельными, а сила притяжения - максимальной. Подобно двигателю, описанному в статье "Nanotube Nanomotor", которая опубликована в журнале Nature №424, стр.408-410 (24 July 2003), предлагаемый двигатель может содержать ротор 8, выполненный из окиси кремния с нанесенными на него электропроводящими поверхностями 9 из золота. Кроме того, электропроводящие поверхности могут быть созданы путем нанесения одноатомного слоя графена на подложку. В качестве оси вращения можно использовать нанотрубки 10, закрепленные на основании 11. Ротор при этом должен располагаться между двумя элементами статора 12, выполненными из окиси кремния, на торцевые поверхности которых нанесены электропроводящие пластины 9 из золота. На электропроводящую поверхность подвижной части, параллельную электропроводящей поверхности неподвижной части двигателя, действует сила Р, вызванная эффектом Казимира. Проекция Рх этой силы на направление движения создает усилие, приводящее в движение подвижную часть двигателя. Взаимодействие между концевыми участками электропроводящих поверхностей пренебрежимо мало и не влияет на работу двигателя. По мере выхода из зоны взаимодействия одной электропроводящей поверхности, в нее вовлекается следующая электропроводящая поверхность, что обеспечивает непрерывность работы двигателя. Источником энергии для данного типа двигателей является энергия физического вакуума.
Подтверждением возможности изготовления такого двигателя является конструкция, описанная в статье VOLUME 87, NUMBER 26 / PHYSICAL REVIEW LETTERS / 24 December 2001/Probing the Strong Boundary Shape Dependence of Casimir Force/Thorsten Emig, Andreas Hanke, Ramin Golestanian, and Mehran Kardar. Данный двигатель представляет собой две гофрированные золотые пластины, расположенные в вакууме на расстоянии несколько сотен нанометров. Выпуклости и вогнутости совмещены. Когда пластины немного смещаются, появляется сила, возвращающая их в исходную позицию.