БЕССТАТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности, к электростатическим двигателям, основанным на эффекте Бифельда-Брауна, и может быть использована в качестве учебного демонстрационного пособия, а также в качестве бесшумного устройства, входящего в состав систем с незначительным уровнем электромагнитных полей, например, применяемых в кардиологии или на космических станциях.
Суть эффекта Бифельда-Брауна заключается в том, что на заряженный конденсатор под высоким напряжением действует сила, направленная в сторону положительного электрода.
Наиболее наглядно этот эффект наблюдается в несимметричных конденсаторах, в качестве одной из обкладок которого используют тонкую проволоку, а в качестве второй - широкий электрод с плавными гранями. В данном случае можно говорить о проявляемом эффекте, как об электрическом явлении возникновения ионного ветра, который передает свой импульс окружающим нейтральным частицам. Явление основано на коронном разряде в сильных электрических полях, что приводит к ионизации атомов воздуха вблизи острых и резких граней. При этом вблизи тонкой проволоки напряженность электрического поля максимальна и может достигать значений, вызывающих ионизацию воздуха. Явление происходит при напряжении между электродами в десятки киловольт, вплоть до мегавольт. Наибольшая эффективность явления достигается при напряжении порядка 1 кВ на 1 мм воздушного зазора между электродами, т.е. при напряженностях электрического поля чуть ниже, чем начало электрического пробоя воздушного зазора. Вблизи тонкого электрода возникает ионизация атомов воздуха (кислорода) в случае отрицательного напряжения на этом контакте, азота - в случае положительного, полученные ионы начинают двигаться к широкому электроду, сталкиваясь с молекулами и атомами окружающего воздуха и отдавая им часть своей кинетической энергии, превращая атомы либо в ионы, либо передавая им дополнительное ускорение. Возникает высокоскоростной поток воздуха от тонкого электрода к широкому, создающий между электродами в соответствии с законом Бернулли зону пониженного давления, в которую и устремляется несимметричный конденсатор. Силы, действующей в сторону тонкого электрода, оказывается достаточно, чтобы поднять в воздух легкую летающую модель такого конденсатора, так называемый «лифтер».
Испытания симметричных конденсаторов (с одинаковыми по площади электродами) показали, что при подаче на них напряжения более 15 кВ, возникает сила, смещающая их в сторону положительного электрода. Явление можно объяснить одновременными проявлениями закона Кулона, ионным ветром (законом Бернулли) и эффектом Бифельда-Брауна.
Из уровня техники известен электростатический двигатель, содержащий тело вращения из диэлектрика, насаженное на ось, причем относительно тела вращения установлено (n+1) прямых металлических электродов с размерами не больше радиуса тела вращения, с потенциалами в разных вариантах по количеству и знаку, таким образом, что каждый электрод перпендикулярен радиусу тела вращения и составляет с касательной окружности, над которой расположен электрод, угол £ (см. патент РФ №2225066 на изобретение «Электростатический двигатель (варианты)», дата подачи 17.12.2001 г., дата публикации заявки 10.08.2003 г.).
Известен электростатический двигатель, содержащий электроды статора, размещенные под острым углом к поверхности расположенного с зазором и возможностью поступательного или вращательного перемещения относительно статора подвижного тела и наклоном вдоль направления его движения, при этом подвижное тело также состоит из электродов, размещенных под острым углом к поверхности подвижного тела, но с противоположным относительно электродов статора наклоном, причем электроды выполнены в виде набора разделенных диэлектриком токопроводящих плоских платин, расположенных параллельно ближнему к зазору краю электрода (см. заявку на изобретение №2011116908 «Способ электромеханического преобразования энергии и электростатический емкостной двигатель на его основе», дата подачи заявки 28.04.2011 г., дата публикации заявки 10.11.2012 г.).
Кроме того, известен электростатический двигатель, содержащий расположенные в вакуумной емкости напротив друг друга дискообразные статор и ротор, оснащенные электрически изолированными первыми и вторыми электродами, прикрепленными к опорам с чередованием по окружности, причем каждые из первых и вторых электродов статора расположены с интервалом в два или более рядов на заданном расстоянии от центра вращающегося вала, а каждые из первых и вторых рядов ротора расположены на заданном расстоянии от центра вращающегося вала в промежутке между рядами первых и вторых электродов статора. К первым вторым электродам статора прикладываются предопределенные электрические поля. К первым и вторым электродам ротора прикладываются напряжения различных полярностей. Эти напряжения переключаются согласно заданному распределению во времени (см. патент на изобретение №2340269 «Электростатический двигатель», дата подачи 07.06.2007 г., опубликовано 27.09.2011 г., заявка РСТ JP 2007/061546 20070607).
Известен двигатель, содержащий диэлектрический корпус, закрепленный в нем с возможностью вращения вал, на котором установлен диэлектрический подвижный элемент, выполненный в виде конуса из фибры, металлические электроды, установленные под углом относительно нормали к поверхности подвижного элемента, вал при помощи болтов и подшипников входит в подвижную стойку, скользящую по общему основанию, электроды расположены радиально, а их стержни с одного конца закреплены в диэлектрических фланцах, в одном из которых и в корпусе при помощи подшипников установлен еще один вал, на котором установлено зубчатое колесо (см. патент РФ №2330374 на изобретение «Емкостной двигатель», дата подачи 28.06.2006 г., опубликовано 10.01.2008 г.).
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является электростатический двигатель, содержащий статор, состоящий из, по меньшей мере, одной пары металлических электродов разной полярности, и ротор, выполненный из диэлектрического материала в виде диска или набора дисков, расположенных на валу и связанных с исполнительным механизмом, в качестве которого используют, например, электропривод (см. патент US 1974483 «Electristatic motor», дата подачи 07.02.1934 г., выдан 25.09.1934 г.).
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является упрощение конструкции, позволяющей создать крутящий момент без использования статора.
Указанный технический результат достигается тем, что бесстаторный электростатический двигатель, включающий ротор, вал, металлические электроды разной полярности, связанные с токоподводящими элементами и исполнительным механизмом, согласно полезной модели ротор состоит из металлического вала и изготовленного в виде разборной конструкции диэлектрического корпуса, разделенных на две части, причем части вала представляют собой электрически изолированные разнополярные электроды, один конец которых установлен в гнездах-опорах, а на других его концах закреплены соответствующие части корпуса, оснащенные электродами разной полярности в виде широких пластин, расположенных на внутренней поверхности одной из его частей и диагонально друг другу на внешней поверхности каждой из частей корпуса, при этом части вала соосны друг другу и соединены с однополярными электродами в виде широких пластин.
В качестве материала для широких пластин используют металлическую фольгу, толщиной 9-12 мкм.
В качестве диэлектрического материала для ротора применяют, например, пенопласт.
Электрод, закрепленный на внутренней поверхности корпуса, имеет П-образную форму.
Заявляемый электростатический двигатель поясняется чертежами, где Фиг.1 - общий вид электростатического двигателя в сборе;
Фиг.2 - вид электростатического двигателя сверху в разрезе;
Фиг.3 - поперечный разрез электростатического двигателя.
Заявляемое устройство состоит из корпуса 1 (фиг.1-3), представляющего собой разборную конструкцию, состоящую из двух сопряженных между собой частей и выполненную из диэлектрического материала, например, пенопласта.
Корпус 1 оснащен электродами разной полярности, выполненных в виде широких пластин из фольги толщиной 9-12 мкм, при этом один из электродов, например, электрод 2, закреплен на внутренней поверхности одной из частей корпуса, выполнен П-образной формы и имеет полярность «-», другие два электрода 3 диагонально расположены по отношению друг к другу на внешней поверхности разных частей корпуса и имеют полярность, соответственно, «+».
Вал 4 разделен на две электрически изолированные друг от друга с помощью диэлектрической трубки (на чертеже не показана) разнополярные части, представляющие собой разнополярные электроды, на одном конце каждого из которых смонтирована соответствующая часть корпуса 1, при этом части вала соосны друг другу. С помощью токоподводящих элементов 5 части вала соединены с однополярными электродами 2, 3, выполненными из широких полос, а также с исполнительным механизмом (на чертеже не показан). Другие концы частей вала закреплены в металлических гнездах-опорах 6, обеспечивающих электрический контакт при подаче напряжения на устройство и закрепленных на раме (на чертеже не показана).
Осуществление полезной модели подтверждается примерами конкретного выполнения.
При подаче напряжения на гнезда-опоры 6, связанные с соответствующими частями вала 4, начинает действовать сила, направленная в сторону положительного электрода, вблизи которого возникает ионизация атомов воздуха и полученные ионы начинают двигаться к широкому П-образному электроду, сталкиваясь с молекулами окружающего воздуха и отдавая им часть своей кинетической энергии. Вал 4 и размещенный на нем корпус 1 начинают вращаться.
Преимуществами заявляемого электростатического двигателя является возможность осуществления бесшумного перемешивания воздуха в системах вентиляции, устанавливаемых, например, на орбитальной космической станции, в операционных и кардиологических отделениях различных медицинских учреждений, а также в системах и приборах, работающих в цепях постоянного тока высокого напряжения, при этом двигатель практически не создает магнитных полей.