ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ЕМКОСТНАЯ (ЭМЕ) С НАТЯЖНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
CAPACITIVE ELECTRICAL MACHINE (CEM) WITH TENSIONING ELECTRODES

Электрическая машина емкостная (ЭМЕ) с натяжными электродами относится к широкому классу преобразователей, предназначенных для трансформации электрической энергии в механическую и обратного преобразования и действующих за счет электростатических сил кулоновского притяжения между электрическими зарядами противоположных знаков, размещаемыми на параллельных друг другу плоских электродах, или электродах иной конфигурации.
Промышленная применимость
ЭМЕ, заявленные в настоящем изобретении, могут использоваться в промышленности и технике в качестве двигателей и актуаторов, преобразующих электрическую энергию в механическую, например в робототехнике, в исполнительных механизмах электрических замков и прочих запорных устройств, и во многих других областях техники. Также ЭМЕ могут использоваться в качестве обратного преобразователя механической энергии в электрическую, в таком качестве ЭМЕ можно использовать как в качестве генератора импульсов электрического тока как высокого напряжения, так и любой другой величины, необходимой для бытовой и промышленной электротехники. В том числе заявленные электростатические микродвигатели и микрогенераторы могут применяться везде, где сейчас применяются пьезоэлектрические преобразователи, в том числе в качестве реле, управляемых напряжением, в качестве микродвигателей в сервоприводах и во многих других устройствах.
Текущий уровень техники
Первые электростатические преобразователи появились задолго до открытия принципа электромагнитной индукции. Известен широкий класс электрических машин, работающих на принципах электростатики, которые содержат как минимум одну пару электродов, предназначенных для накопления электрических зарядов противоположного знака, посредством которых электроды взаимодействуют друг с другом. Такое взаимодействие электродов удобнее и проще описывать через динамику их емкостных характеристик, поскольку любая пара электродов может быть рассмотрена как электрический конденсатор переменной емкости (КПЕ), емкость которого зависит от геометрии электродов, их взаимного расположения и диэлектрических характеристик среды, расположенной между электродами. Изменение любого из этих факторов приводит к изменению емкости, изменение емкости заряженных электродов приводит к изменению разности потенциалов между электродами и электрической энергии КПЕ, и может быть произведено множеством механических способов. Именно эта жесткая связь механических характеристик устройства с его электрической емкостью и с электрическим напряжением лежит в основе преобразования энергии в данном типе электрических машин, поэтому они часто называются емкостными, хотя могут встречаться и другие названия.
Кроме этого существуют многочисленные электрические машины, также работающие за счет электростатических сил, но которые не удается описать как КПЕ. Известен генератор Ван де Граафа, в котором используется диэлектрическая лента, являющаяся ротором генератора. Принцип работы генератора заключается в индукции электрического заряда на ленте в области контакта ленты с заземленным металлическим валом (статором генератора) при создании разности потенциалов возбуждения между валом и лентой, и в последующем переносе этого заряда к токосъемной щетке, которая снимает индуцированный заряд на накопитель зарядов, причем вследствие того, что взаимная электрическая емкость диэлектрической ленты и статора при этом переносе уменьшается во много раз, разность потенциалов зарядов на накопителе по отношению к заземленному статору во много раз превышает начальную разность потенциалов возбуждения. Известна модификация генератора Ван де Граафа - пеллетрон, работающий по тому же принципу, у которого вместо диэлектрической ленты используется лента, состоящая из множества токопроводящих электродов, изолированных друг от друга и образующих цепь из чередующихся электродов (пеллет) и диэлектрической основы. Для описания настоящего изобретения и определения текущего уровня техники является важным, что: во-первых, эти пеллеты гальванически изолированы друг от друга; во-вторых, ленточную форму имеет только ротор, в то время как металлический вал (статор) не является ни лентой, ни твердой пластиной, то есть в генераторе используется только одна лента; в-третьих, эта лента имеет только естественное натяжение на валах генератора и лента движется относительно этих валов, в то время как в заявленном изобретении специально натянутые ленты или движутся вместе с каркасом, на котором они натянуты, или неподвижны. Поэтому указанные выше характеристики генератора Ван де Граафа и пеллетрона позволяют утверждать об отсутствии их релевантности к настоящему изобретению.
Также известен широкий класс пьезоэлектрических машин, основанных на прямом и обратном пьезоэлектрическом эффекте. Во многом эти устройства могут рассматриваться как аналоги электростатических емкостных преобразователей, поскольку в основе их работы лежит такой же принцип жесткой связи геометрических характеристик и разности потенциалов противолежащих поверхностей пьезокерамических рабочих элементов. Широкое применение получили пьезоэлектрические микродвигатели, иногда называемые ультразвуковыми. По многим показателям, например по удельной мощности и энергоэффективности, эти устройства уже сейчас успешно конкурируют с электромагнитными электрическими машинами и превосходят их. Например, широкое применение они получили в системах управления объективами фотоаппаратов. К недостаткам этих машин следует отнести дорогую технологию производства и сравнительно небольшой ресурс работы, а также технологические проблемы при попытках увеличить размеры и мощность устройства.
max
min
max
min
min
max
Для емкостных преобразователей, описываемых как КПЕ, общим является то, что их емкость периодически изменяется от максимальной величины С до минимальной величины С и обратно. Когда ЭМЕ работает в режиме генератора, электроды КПЕ в положении С заряжают некоторыми начальными зарядами возбуждения, потом емкость КПЕ уменьшают до C, в результате чего энергия зарядов и создаваемая ими разность потенциалов увеличиваются, что и является целью генерации. При работе в режиме двигателя на электроды КПЕ, находящийся в положении C, подают разность потенциалов, под действием электростатических сил КПЕ переходит в положение С, производя при этом механическую работу.
max
min
min
max
В общем случае мощность такого преобразователя тем больше, чем больше отличаются по величине С и C. Поскольку С технически несложно уменьшить практически до нуля, эффективность и мощность ЭМЕ будет тем больше, чем больше С. Увеличение этой величины ЭМЕ является одной из основных задач для повышения мощности и других силовых характеристик ЭМЕ, что и является конечной целью заявленных в настоящем изобретении решений.
Среди ЭМЕ можно выделить два широких класса машин, являющихся предметом настоящего изобретения: электростатические планарные актуаторы и преобразователи со сдвигом.
d
0
d
0
-12
Данные классы ЭМЕ являются конденсаторами переменной емкости (КПЕ), построенными на базе обычного плоского конденсатора, состоящего из двух плоских электродов, наложенных друг на друга через разделяющий токопроводящие части электродов слой диэлектрика. Пусть площадь поверхности контакта электродов S, толщина слоя диэлектрика d, его диэлектрическая проницаемость е. Емкость такого конденсатора C=eeS/d, где е - электрическая постоянная, равная 8,85⋅10(Ф/м). Часто встречаются описания ЭМЕ, у которых слоем диэлектрика является воздушная прослойка. В силу плохой электрической прочности и малой диэлектрической проницаемости воздуха такие устройства обладают очень малой мощностью и КПД.
Изменение емкости плоского конденсатора возможно тремя механическими способами.
Во-первых, емкость плоского конденсатора может меняться путем изменения расстояния между пластинами d, на таком принципе построена работа электростатического планарного актуатора (ЭПА), который в английской терминологии часто называется Comb drive. ЭПА состоит из двух плоскопараллельных электродов, размещаемых параллельно друг друга на расстоянии переменной величины. Иногда одна из пластин подвешивается над второй на пружине. Изменение емкости такого устройства происходит путем изменения расстояния между пластинами в направлении, перпендикулярном пластинам. В настоящем изобретении ЭМЕ, построенные на таком принципе, называются ЭМЕ планарного типа.
Во-вторых, емкость плоского конденсатора может меняться путем изменения площади поверхности контакта пластин S путем сдвига в сторону одного электрода относительно другого. В настоящем изобретении ЭМЕ, построенные на таком принципе, называются ЭМЕ со сдвигом.
d
В-третьих, емкость плоского конденсатора может меняться путем изменения диэлектрической проницаемости диэлектрика е путем замены одного диэлектрика в пространстве между пластинами на диэлектрик с другой величиной диэлектрической проницаемости. Для изменения емкости конденсатора возможна частичная замена диэлектрика между пластинами конденсатора на токопроводящий материал, при этом данный токопроводящий материал не должен иметь электрического соединения с пластинами конденсатора, по характеру и общим свойствам изменения емкости конденсатора этот вариант можно рассматривать как частный случай замены одного диэлектрика на другой, так как токопроводящий материал, помещенный между пластинами конденсатора, вследствие электростатической индукции эквивалентен диэлектрику с бесконечно большой диэлектрической проницаемостью. ЭМЕ, построенные на таком принципе, являются разновидностью ЭМЕ со сдвигом.
Все эти способы хорошо известны и изучены и являются общим уровнем техники. При этом возможна реализация любой комбинации этих трех способов.
В настоящем изобретении для повышения мощности и силовых характеристик ЭМЕ описанных выше типов предлагается использовать электроды, выполненные в виде лент или пленок, находящихся в состоянии постоянного натяжения и зафиксированных в натянутом состоянии в конструкции ЭМЕ, или в собственном каркасе жесткости. Возможно использование натянутых проводов, что во многих случаях существенно упрощает сборку ЭМЕ.
Раскрытие изобретения
max
max
max
Как было отмечено выше, для повышения мощности ЭМЕ нужно увеличивать максимальную емкость ЭМЕ С. Во всех представленых выше вариантах положение С достигается, когда пластины электродов находятся в состоянии максимально плотного примыкания друг к другу, поэтому первой технической задачей по повышению мощности таких ЭМЕ является изготовление электродов, поверхности которых являются как можно более гладкими и плоскими. Любое ухудшение качества поверхности взаимодействующих электродов ведет к увеличению количества и объема воздушных зазоров между поверхностями электродов в состоянии их примыкания друг к другу и, как следствие, ведет к уменьшению С, а в конечном итоге к уменьшению мощности ЭМЕ. Предлагаемое техническое решение - натяжные электроды - в значительной степени решает эту задачу, поскольку натянутая пленка одновременно обладает и гладкостью, и совершенной плоской поверхностью. Механические способы обработки поверхности электродов любо не способны в принципе достичь нужной чистоты обработки, либо стоят очень дорого.
Также необходимо отметить, что для того, чтобы описанные выше типы ЭМЕ обладали высокой удельной мощностью (мощность, деленная на массу ЭМЕ), электроды должны быть как можно более тонкими, обладать максимально возможной поверхностью контакта и располагаться как можно ближе друг к другу. Фактически возможно использование электропроводящих и диэлектрических материалов толщиной до нескольких микрон, такие материалы (металлическая фольга и полимерные пленки) выпускаются промышленностью в широком ассортименте, соответственно максимальные расстояния между электродами могут быть уменьшены до сотни и даже десятков микрон, что позволяет получать ЭМЕ действительно большой удельной мощности.
Однако использование таких материалов в описанных случаях приводит к серьезной технической проблеме - чем тоньше пленка, тем меньше коэффициент упругости пленки (при прочих равных условиях он прямо пропорционален толщине пленки), и тем больше упругие деформации, возникающие в пленках в процессе их электростатического взаимодействия друг с другом. Пленки под воздействием электростатических сил прилипают друг к другу, и при попытке их отделения друг от друга в процессе работы ЭМЕ в пленках возникают натяжения (упругие напряжения), приводящие к растяжению пленок, и такие растяжения у тонких пленок могут составлять десятки и сотни микрон.
min
max
Для ЭМЕ планарного типа это приводит к тому, что взаимодействующие пленки остаются в состоянии частичного или даже полного наложения контактных поверхностей друг на друга в рабочих положениях, когда такого наложения быть не должно, фактически такое остаточное прилипание означает, что реально достижимая величина C будет близка к величине С. Это делает невозможным работу ЭМЕ с электродами, выполненными из тонких пленок, или как минимум существенно снижает или мощность и генерируемое напряжение ЭМЕ (в режиме генератора), или мощность и силу, передаваемую внешнему механическому приводу (в режиме двигателя).
Для ЭМЕ со сдвигом это приводит к тому, что между прилипшими друг к другу пленками возникает сила трения, которая может или полностью заблокировать сдвигаемые части ЭМЕ и сделать работу ЭМЕ невозможной, или значительно уменьшить мощность и КПД ЭМЕ.
0
1
0
1
1
1
0
0
Для решения этой проблемы также можно использовать натяжные электроды, которые в процессе производства ЭМЕ должны фиксироваться в своих конструктивных положениях под упругим напряжением в натянутом виде. Чем больше начальное растяжение электродов (начальное внутреннее натяжение), тем меньше последующие упругие деформации, возникающие в электродах под воздействием внешней силы, растягивающей электрод. Действительно, согласно закону Гука: F=kx, где F - упругая сила, k - коэффициент упругости, x - величина растяжения. Начальное натяжение означает, что kx+kx=kX, где x - нальное растяжение, сответствующее начальному натяжению электрода, k - аналог коэффициента упругости для натянутого электрода, откуда следует: k=k(+x/x), то есть чем больше натяжение начального растяжения х, тем больше ʺжесткостьʺ электрода, что, на самом деле, является достаточно очевидным фактом.
Натяжение электродов можно производить как в специальных каркасах электродов, предназначенных для этого, так и в корпусах секций электродов самыми разными способами. В результате такого технического решения становится возможным использование максимально тонких ленточных или пленочных электродов, или электродов, сделанных из тонких проводов, в конструкции ЭМЕ. Достигаемым техническим результатом этого становятся многократно увеличенные удельные мощность и сила ЭМЕ.
Вариант ЭМЕ с натяжными электродами со сдвигом
Очень перспективной моделью ЭМЕ с натяжными электродами является ЭМЕ со сдвигом. Возможно объединение множества натянутых электродов в две секции плоскопараллельных электродов, одна из которых является ротором, а другая статором, каждая секция состоит из каркаса секции и набора плоскопараллельных или лент, или пленок, или проводов, натянутых в каркасе секции так, чтобы электроды располагались последовательно друг за другом. При этом между соседними электродами статора образуется щелевое пространство, ширина которого равна или близка к ширине или одного, или всех электродов ротора (если электроды ротора одинаковой ширины), а между соседними электродами ротора образуются щелевые пространства, ширина которых равна или близка к ширине или одного, или всех электродов статора (если электроды статора одинаковой ширины), и электроды ротора и статора полностью или частично размещены в этих щелевых пространствах друг друга так, чтобы те элементы каркаса ротора и статора, к которым крепятся электроды секции, были сдвинуты относительно друг друга на прямой угол или иной угол относительно оси, перпендикулярной плоскости поверхностей электродов ротора и статора, и не препятствовали сдвигу электродов ротора относительно электродов статора. Такая конструкция означает, что электроды ротора и статора натянуты перпендикулярно друг другу (возможно отклонение от прямого угла) внутри своих каркасов, силовые боковые элементы которых также перпендикулярны друг другу и не мешают скольжению электродов ротора между электродами статора. Такое объединение электродов позволяет сделать ЭМЕ со множеством работающих одновременно и синхронно электродов - сотни и тысячи электродов, размещенных компактно в ограниченном объеме, что позволяет получать многократное увеличение мощности и силовых характеристик ЭМЕ.
max
min
При этом каждый ленточный электрод может иметь сложную секториальную конструкцию, например состоять из множества токопроводящих полосок, разделенных полосками диэлектрика (конструкция, похожая на пеллеты пеллетрона), но в отличие от пеллетрона данные полоски должны объединяться в блоки единой коммутации к источнику электропитания и/или нагрузки. Такая конструкция позволяет конструировать ЭМЕ, у которых полная амплитуда колебания емкости может происходить при минимально возможных сдвигах ротора с высокой частотой. Пусть статор и ротор имеют одинаковое секториальное строение - ширина всех токопроводящих полосок и диэлектрических полосок одинакова, полоски чередуются друг за другом. Положение С достигается, когда токопроводящие полоски ротора и статора находятся точно напротив друг друга, а положение C достигается, когда токопроводящие полоски статора находятся точно напротив диэлектрических полосок ротора и наоборот. При одинаковом смещении ротора относительно статора у двух ЭМЕ, отличающихся только шириной полосок при прочих равных условиях, та ЭМЕ, у которой полоски тоньше, произведет большее количество рабочих циклов изменения емкости ЭМЕ от максимума до минимума, и поэтому будет обладать большей емкостью.
Вариантов такого секториального строения электродов может быть очень много, например сектора могут быть не только полосками, но и иметь сложную геометрию, могут располагаться под разными углами к боковым сторонам ротора или статора, и так далее. В обобщенном определении такое строение электродов можно описать следующим образом: каждый электрод разделен на множество секторов из токопроводящего материала, чередующихся с секторами из диэлектрического материала, и сектора из токопроводящего материала могут объединяться в одну или несколько групп секторов, каждая из которых имеет возможность собственного отдельного подключения к источнику электропитания или нагрузки.
Важным дополнительным положительным свойством ЭМЕ с натяжными электродами со сдвигом является то, что ротор такого ЭМЕ может не иметь коммутации к источнику электропитания или нагрузки, заряды на электродах ротора могут образовываться посредством электростатической индукции под воздействием электрических полей электродов статора.
Дополнительные варианты осуществления изобретения
Поскольку существенно, что движение электродов заявленных здесь ЭМЕ, передаваемое или принимаемое от внешнего механического привода, является возвратно-поступательным, важное значение для ЭМЕ могут иметь следующие дополнительные технические решения, описанные ниже.
Во-первых, важным дополнительным решением для заявленных ЭМЕ является объединение двух или нескольких ЭМЕ последовательно друг за другом в одно устройство таким образом, чтобы статор (или ротор) каждого ЭМЕ кинематически был связан с ротором (или статором) предыдущего или следующего ЭМЕ. Такая комбинация позволяет увеличить амплитуду поступательно-возвратного движения ЭМЕ, предаваемого или получаемого от внешнего механического привода.
max
min
Во-вторых, важным дополнительным решением для заявленных ЭМЕ является объединение двух или нескольких ЭМЕ в одно устройство, в котором отдельные ЭМЕ кинематически связаны и работают или по очереди, или в противофазе, или с иным сдвигом фаз относительно друг друга, то есть все объединенные ЭМЕ имеют кинематическую связь с общим механическим приводом, и в любой момент рабочего цикла ЭМЕ расстояния между поверхностями контакта одной из ЭМЕ отличаются от аналогичных расстояний другой ЭМЕ. В результате, когда одна ЭМЕ находится в положении С, другая ЭМЕ может находиться в положении С, или ином положении. Такое объединение ЭМЕ позволяет осуществлять непрерывную работу устройства, а также позволяет усреднять рабочие характеристики ЭМЕ, поскольку зависимость емкости ЭМЕ от расстояния между взаимодействующими электродами носит нелинейный характер.
В-третьих, важным дополнительным решением может быть включение в ЭМЕ упругого возвратного механизма для того, чтобы возвращать ЭМЕ в исходное состояние для начала следующего рабочего цикла. Данный возвратный упругий механизм должен обладать такой упругой силой и энергией, запасаемой во время активной фазы рабочего цикла ЭМЕ, когда происходит нужное пользователю преобразование энергии, чтобы не блокировать эту активную фазу, но быть достаточными для того, чтобы вернуть ЭМЕ в исходное состояние в начало рабочего цикла.
В-четвертых, для подавления паразитных переходных процессов, приводящих к ненужным колебаниям напряжения и тока в цепи питания или нагрузки ЭМЕ, а также для того, чтобы исключить токи, обратные токам питания или зарядки ЭМЕ, в цепь питания ЭМЕ полезно включать электрический вентиль (выпрямитель), например диод, таким образом, чтобы исключить, или сделать минимальным ток в направлении, противоположном току питания или зарядки ЭМЕ. В противном случае в электрической цепи питания или нагрузки ЭМЕ будут возникать паразитные колебания напряжения и тока, вызванные переходными динамическими процессами, как минимум уменьшающие мощность и КПД ЭМЕ.
max
В-пятых, для уменьшения или полного предотвращения слипания электродов в положении С, полезно на поверхности контакта электродов дополнительно размещать антиадгезионную смазку или покрытие, обладающие свойствами диэлектрика.
Достигаемые технические результаты
Достигаемыми техническими результатами решений, заявленных в настоящем изобретении, являются повышение мощности и удельной мощности и прочих силовых характеристик электростатических преобразователей - ЭМЕ с натяжными электродами.