ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ЕМКОСТНАЯ (ЭМЕ) С ЯЧЕЙКАМИ ВНУТРЕННЕГО СЖАТИЯ
CAPACITY ELECTRIC MACHINE (CME) WITH INTERNAL COMPRESSION CELLS

Электрическая машина емкостная (ЭМЕ) с ячейками внутреннего сжатия 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 специально предназначенных для этого электродах, называемых контактной парой электродов.
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. Например, известен генератор Ван де Граафа, в котором используется диэлектрическая лента, являющаяся ротором генератора, и его разновидность - пеллетрон.
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 C до минимальной величины C и обратно. Когда ЭМЕ работает в режиме генератора, электроды КПЕ в положении C 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, находящегося в положении C, подают разность потенциалов, под действием электростатических сил КПЕ переходит в положение C, производя при этом механическую работу.
max
min
min
max
В общем случае сила и мощность такого преобразователя тем больше, чем больше отличаются по величине C и C, а также они прямо-пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Поскольку C технически несложно уменьшить практически до нуля, эффективность и мощность ЭМЕ будет тем больше, чем больше C. 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.
d
0
d
0
-12
Среди ЭМЕ можно выделить широкий класса машин, называемых электростатические планарные актуаторы, которые 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 e. 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 несколькими механическими способами, один из которых заключатся в изменении 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, назовем их контактной парой 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, данный способ хорошо известен и является общим уровнем техники. ЭПА и аналогичные им устройства являются, по-видимому, ближайшими аналогами заявленного изобретения. Также возможно изменение емкости плоского конденсатора путем параллельного сдвига одной пластины относительно другой, в этом случае меняется площадь взаимного контакта пластин S, будем называть такие и подобные им устройства - ЭМЕ со сдвигом.
max
max
max
Как было отмечено выше, для повышения мощности ЭМЕ нужно увеличивать максимальную емкость ЭМЕ C. В представленных выше вариантах положение C 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 C, а в конечном итоге к уменьшению мощности ЭМЕ. Предлагаемое техническое решение в значительной степени решает эту задачу, поскольку предполагает использование гибких электродов (пленка, лента или тонкий провод), наложение которых друг на друга за счет гибкости близко к идеальному. Механические способы обработки поверхности электродов либо 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, что позволяет создать КПЕ с очень большой контактной площадью взаимодействующих электродов S на единицу объема ЭМЕ. 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 электростатических преобразователях 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. А избежать такого натяжения невозможно в любом варианте ЭМЕ, где внешние силы прикладываются к концам или отдельным частям электродов, прочие же варианты исполнения ЭМЕ подразумевают, что электроды и механический привод составляют единое целое, что в принципе не способно обеспечить удовлетворительную компактность.
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 C. 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 или может или полностью заблокировать сдвигаемые части ЭМЕ и сделать работу ЭМЕ невозможной, или значительно уменьшить мощность и КПД ЭМЕ.
Раскрытие изобретения.
В настоящем изобретении для повышения мощности и силовых характеристик ЭМЕ предлагается использовать тот же принцип движения электродов контактной пары навстречу друг другу под воздействием сил электростатического притяжения, но предложена конструкция принципиально иного типа. В общей постановке задачи для преобразования электрической энергии в механическую и обратно нужно, чтобы устройство совершало перемещение (движение) какой-либо своей части под воздействием электростатической силы или против нее. Например, движение в направлении, нормальном к поверхности притягивающихся электродов, как у планарного электростатического актуатора, или скользящее движение одного электрода относительно другого в ЭМЕ со сдвигом. В последнем случае расстояние между контактирующими поверхностями электродов не меняется.
В настоящем изобретении для передачи движения и силы внешнему механическому приводу предлагается использовать не прямую силу и прямое движение электродов навстречу друг другу, а силу натяжения этих электродов, порождаемую их притяжением друг к другу, и перемещение частей ЭМЕ вдоль этой силы натяжения. Для этого электроды контактной пары ЭМЕ должны быть гибкими, и ЭМЕ кроме электродов должно содержать специальные достаточно твердые (жесткие) элементы внутреннего каркаса (ЭВК), размещенные на поверхностях электродов контактной пары так, чтобы электроды и данные ЭВК образовывали некоторую внутреннюю полость с замкнутой внутренней поверхностью, образованной поверхностями контакта этих электродов и ЭВК. Назовем эту полость и образующие ее внутреннюю поверхность элементы ячейкой внутреннего сжатия (ЯВС). Заметим, что замкнутая внутренняя поверхность не означает, что внутренняя полость ЯВС должна быть замкнутой со всех сторон, такая полость может быть открытой с двух противоположных торцов, примером такой фигуры может быть любая призма, взятая без обоих оснований (только боковые стороны).
min
max
На фиг. 1 представлен один из вариантов такой ЯВС - показаны вертикальные разрезы одной и той же ЯВС в двух крайних положениях. Ячейка образованна двумя гибкими плоскими электродами (3) и (2) (на фиг. 1 плоскости электродов перпендикулярны плоскости разреза, электроды выполнены из токопроводящего материала, покрытого с внутренней для полости ячейки (4) стороны равномерным слоем диэлектрика) и одним ЭВК (1), выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда, вытянутого в направлении, перпендикулярном плоскости разреза, и имеющего сечение квадратной формы (показано на разрезах). Концы электродов со стороны, противоположной ЭВК (1), жестко соединены друг с другом вдоль некоторой полосы крепления электродов, параллельной направлению, вдоль которого вытянут ЭВК, для упрощения эту полосу будем считать линией (ширину полосы крепления можно и нужно делать как можно меньше), которая на разрезе на фиг. 1 проецируется в точку (5). Такая ЯВС образует конденсатор переменной емкости (КПЕ). На верхнем рисунке на фиг. 1 показано положение, когда объем внутренней полости ЯВС (4) максимален, электроды (3) и (2) находятся на максимальном удалении друг от друга (плоскости электродов образуют некоторый угол), КПЕ, образованный данной ЯВС, находится в положении C. На нижнем рисунке ячейка находится в положении C, когда электроды (3) и (2) максимально близки и плотно примыкают друг к другу (некоторые фрагменты электродов при этом облегают ЭВК), а объем ячейки равен нулю, то есть ячейка находится в полностью сжатом состоянии. Видно, что переход ЯВС из верхнего несжатого положения в нижнее сжатое положение характеризуется изменением горизонтальной протяженности (длины) ЯВС на некоторую величину х (на нижнем рисунке на фиг. 1 х достигает максимальной величины). Емкость ЭМЕ (то есть КПЕ ЯВС) будет функцией от х - С(х).
min
max
Если на электроды ЭМЕ в положении C подать электрические заряды, например, подключив электроды к источнику питания с напряжением U, (на фиг. 1 электрод (2) заряжен положительно, а электрод (3) отрицательно), электроды начнут притягиваться друг к другу, изгибаясь в направлении к друг другу и втягиваясь внутрь ЯВС, огибая и обхватывая ЭВК (1), точка (5) ЯВС придет в движение относительно ЭВК (1) под действием суммы сил натяжения электродов, и ЯВС под действием этих сил перейдет в нижнее положение C. Именно данное изменение горизонтальных размеров ЯВС х и сумма сил натяжения электродов, направленная вдоль х, лежат в основе настоящего изобретения. Именно они используются для передачи или приема движения и энергии от внешнего механического привода. Этим настоящее изобретение принципиально отличается от электростатического планарного актуатора (ЭПА) и его вариантов, не смотря на присутствие в настоящем изобретении электродов, сближающихся друг с другом в направлении силы электростатического приближения электродов (как у ЭПА).
min
max
На фиг. 2 представлен еще один вариант ЭМЕ с ЯВС, отличающийся тем, что содержит не один, а два ЭВК (1), расположенные симметрично по концам ячейки. Принцип действия данной ячейки полностью аналогичен устройству на фиг. 1. При подаче на электроды (3) и (2) электрических зарядов противоположного знака от источника питания с напряжением U, электроды, притягиваясь друг к другу, изгибаются и втягиваются внутрь ЯВС, огибая и обхватывая ЭВК, одновременно натягиваясь и сдвигая один ЭВК относительно другого в горизонтальном направлении на величину х. Аналогично емкость данной ячейки сжатия является функцией С(х), на верхнем рисунке показано положение C, а на нижнем C.
Таким образом, в заявленном изобретении в ЭМЕ присутствует движение противоположно заряженных электродов навстречу друг другу, происходящее внутри ЭМЕ (внутри ЯВС), аналогичное движению электродов ЭПА, но данное движение остается внутренним, хотя и является первичным. Оно порождает изменение объема ЯВС и уменьшение как минимум одного из линейных размеров ячейки в направлении, перпендикулярном движению электродов навстречу друг другу (вторичное направление), что в результате приводит к вторичному движению противоположных концов ЯВС навстречу друг другу вдоль этого направления. Данное вторичное направление может не быть строго перпендикулярным к движению каждого электрода навстречу друг другу (как, например, у ЯВС на фиг. 1), правильнее говорить о совпадении направления вторичного движения направлению векторной суммы единичных векторов, касательных к контактным поверхностям электродов, и в более общем случае вторичное направление может быть не равно ему в точности, но быть близко к этому направлению. Но вторичное и первичные направления движения частей ЭМЕ с ЯВС в заявленном изобретении никогда не совпадают, что является важнейшей отличительной характеристикой заявленной ЭМЕ от ЭПА. Отличие заявленного изобретения от ЭМА со сдвигом также очевидно, поскольку первичное движение электродов ЭМА с ЯВС не является скользящим и касательным (электроды движутся навстречу друг другу или наоборот) и расстояние между плоскостями контактной пары электродов у ЭМЕ со сдвигом не меняется в отличие от заявленного устройства.
max
min
Указанные в двух предыдущих абзацах примеры ЭМЕ с ЯВС (состоящих из одной ЯВС каждая) описаны в режиме двигателя. Работа в режиме генератора состоит в обратном движении из положения C в C (перед этим электроды нужно зарядить начальными зарядами возбуждения). Также нужно заметить, что электроды контактной пары ЯВС могут не быть полностью гибкими, для осуществления заявленного изобретения достаточно, чтобы они обладали отдельными фрагментами, сделанными из гибких материалов, которые бы позволяли электродам изменять свою геометрию и втягиваться внутрь ЯВС.
Данными двумя примерами далеко не исчерпываются все варианты исполнения ЯВС. Ключевой характеристикой для таких ячеек является совмещение пары гибких электродов, способных втягиваться внутрь ячейки (в том числе такими электродами могут быть и провода), с жесткими ЭВК, что позволяет создать ЯВС, позволяющую многократно совершать сжимающее и разжимающее ячейку движение, прикладывая внешние силы к концам электродов или к ЭВК; при этом существенно, что направление изменения линейных размеров ЯВС, которое напрямую используется в работе ЭМЕ для преобразования энергии, не совпадает с направлением втягивания электродов внутрь ячейки, и в большинстве вариантов перпендикулярно этому направлению или близко к перпендикулярному.
В общем определении ЭМЕ с ЯВС можно описать следующим образом: ЭМЕ содержит как минимум пару электродов контактной пары, каждый из которых содержит как минимум один фрагмент, имеющий форму или гибкой ленты, или гибкой пленки, или гибкого провода, называемый гибкой частью электрода, и ЭМЕ содержит как минимум один протяженный жесткий элемент, называемый элементом внутреннего каркаса (ЭВК), имеющий форму или стержня, или провода, или иную форму вытянутого предмета, и который сделан из диэлектрического материала, или из токопроводящего материала, полностью или частично покрытого слоем диэлектрического материала; при этом гибкие части электродов контактной пары вместе с одним, или двумя, или большим количеством ЭВК образуют как минимум одну ячейку внутреннего сжатия (ЯВС), содержащую внутри полость, внутренняя поверхность которой сформирована гибкими частями электродов контактной пары и ЭВК так, чтобы гибкие части электродов контактной пары могли изгибаться и двигаться навстречу друг другу, уменьшая при этом объем внутренней полости и сжимая ячейку, в том числе уменьшая длину ячейки как минимум вдоль одного направления, называемого направление сжатия ячейки, и поэтому данная ячейка внутреннего сжатия представляет собой электрический конденсатор переменной емкости, емкость которого зависит от степени сжатия ячейки, и при образовании на контактной паре электродов данной ячейки электрических зарядов противоположных знаков эти электроды притягиваются друг к другу и их гибкие части изгибаются внутрь ячейки в направлении друг к другу, в том числе вдоль границ контакта гибких частей электродов с ЭВК, что приводит к уменьшению объема внутренней полости, сжатию ячейки и уменьшению ее линейных размеров в направлении, перпендикулярном относительно направления втягивания электродов внутрь ячейки (или в направлении, близком к этому перпендикулярному направлению).
Итак, еще раз подчеркнем, что особенностью такой ЭМЕ будет то, что сжатие и линейное сокращение размеров ЭМЕ происходит не в направлении притяжения контактной пары электродов друг к другу и соответствующего движения электродов навстречу друг другу, а в перпендикулярном к нему направлении (или близком к перпендикулярному направлению), а сила, передаваемая внешнему приводу от ЭМЕ, является векторной суммой сил натяжения электродов, направленных по касательным к плоскостям поверхности контактной пары электродов. Этим настоящее изобретение принципиально отличается ЭМЕ планарного типа или ЭМЕ со сдвигом электродов. При этом собственное натяжение электродов возникает как следствие взаимодействия сил электростатического притяжения электродов и сил реакции ЭВК, возникающих как противодействие этому электростатическому притяжению.
Также следует заметить, что наличие собственного натяжения электродов в процессе работы приводит сразу к нескольким положительным эффектам: это стабилизирует форму электродов и значительно уменьшает значение упругих деформаций электродов при отделении одного электрода контактной пары от другого, что позволяет успешно бороться с паразитным слипанием тонких электродов, а значит позволяет использовать предельно тонкие электроды и делать ячейки внутреннего сжатия предельно компактными, что позволяет разместить большее их количество в единице объема ЭМЕ, многократно увеличивая удельную мощность ЭМЕ; кроме этого отделение электродов друг от друга и обратное движение могут происходить в строгой последовательности отделения одних участков электродов за другими участками (то же самое для обратного движения), позволяя иметь стабильно повторяемые силу и мощность ЭМЕ во всех фазах работы ЭМЕ.
ЭВК ЯВС могут иметь достаточно произвольную форму. На фиг. 1 и 2 это протяженные бруски, имеющие квадратное сечение. Сечение может быть прямоугольным, иметь треугольную форму (фиг. 3) или иметь форму круга (фиг. 4). В последнем случае элементом внутреннего каркаса может быть обычный провод, что является очень перспективным решением с технологической точки зрения. В общем определении ЭВК ЯВС можно описать следующим образом: жесткие протяженные элементы, имеющие форму или стержня, или провода, или иную форму вытянутого предмета, и которые сделаны из диэлектрического материала, или из токопроводящего материала, полностью или частично покрытого слоем диэлектрического материала, в том числе выполненные или в виде протяженных призм, которые имеют поперечное сечение в форме четырехугольника или треугольника, или в виде протяженных цилиндров, которые имеют поперечное сечение в виде круга (или эллипса в общем случае), или в виде протяженных половин цилиндра, которые имеет поперечное сечение в виде полукруга или полу-эллипса.
Кроме формы элементы каркаса ЯВС могут отличаться по их диэлектрическим и токопроводящим характеристикам, а в последнем случае по способам электрического соединения с электродами контактной пары. На фиг. 1 и 2 элементы каркаса полностью состоят из диэлектрика. Однако более перспективны варианты, когда элементы каркаса ЯВС содержат токопроводящий материал, что позволяет ЭВК участвовать в электростатическом взаимодействии и позволяет увеличить силу и мощность ЭМЕ. Вариантов такого исполнения ЭВК много, ниже мы рассмотрим несколько основных и наиболее эффективных. Во всех описанных ниже вариантах подразумевается, что ЭВК сделаны из токопроводящего материала, полностью или частично покрытого слоем диэлектрика.
Во-первых, ЭВК может не иметь электрического контакта с электродами контактной пары, заряды на поверхности ЭВК будут образовываться за счет эффектов электростатической индукции и будут усиливать втягивание гибких частей электродов внутрь ЯВС, пример такого ЭМЕ с ЯВС представлен на фиг. 4. и фиг. 5.
Во-вторых, ЭВК может иметь электрический контакт с одним из электродов контактной пары или может быть частью одного из электродов контактной пары, при этом противоположный ему ЭВК, если он имеется, соответственно должен иметь электрический контакт с другим электродом контактной пары или быть его частью (фиг. 3 и фиг. 6).
В-третьих, ЭВК может состоять из двух изолированных друг от друга частей, одна из которых является частью одного электрода контактной пары или имеет с ним электрический контакт, а вторая является частью другого электрода контактной пары или имеет с ним электрический контакт (фиг. 7);
В-четвертых, ЭВК или его отдельные части могут иметь возможность отдельного собственного подключения к источнику электрического питания или электрической нагрузки. На фиг. 8 представлен пример такого ЭМЕ, содержащего два ЭВК, каждый из которых имеет две части, подключаемые к противоположным полюсам источника питания.
min
max
На фиг. 5-8 показаны варианты ЯВС ЭМЕ в двух положениях: слева - C, справа - C. Каждый из этих вариантов имеет свои преимущества в зависимости от критериев оценки эффективности ЭМЕ, в том числе с учетом технологической простоты и стоимости изготовления ЭМЕ.
Основными критериями оценки ЭМЕ с ЯВС являются: удельная мощность, сила, равномерность распределения силовой нагрузки по фазам работы ЭМЕ, простота изготовления и его стоимость. Из перечисленных выше вариантов ЭМЕ каждый может обладать преимуществами по одному или нескольким данным критериям. По совокупности этих качеств очень перспективным является два устройства, описанные ниже, состоящие из множества ленточных электродов и ЭВК, выполненных в виде провода или нити.
Многоэлектродный вариант ЭМЕ с ЯВС с лентами и ЭВК на базе "внутренних" проводов.
На фиг. 9 представлено такое устройство (ЭМЕ), вверху изображена одна ЯВС, внизу изображена ЭМЕ, в которой объединено множество таких ЯВС, рисунки являются вертикальными разрезами, аналогично всем другим фигурам. ЯВС на фиг. 9 похожа на ЯВС на фиг. 1 (ЭВК на фиг. 1 является прямоугольным бруском с квадратным сечением, а на фиг. 9 это провода с круглым сечением) и состоит из двух гибких ленточных электродов, выполненных, например, из тонкой фольги, покрытой слоем тонкой диэлектрической полимерной пленки, и одного ЭВК, выполненного из металлического провода, также покрытого тонким слоем диэлектрика. В качестве такого диэлектрика может выступать специальный изоляционный лак, то есть можно использовать в качестве ЭВК лакированный медный провод, широко использующийся в обмотке трансформаторов. Два соседних достаточно длинных ленточных электрода могут образовывать множество таких ЯВС: между размещенными параллельно электродами (на фиг. 9 размещены горизонтально) с диэлектрическими слоями на поверхности электродов, обращенными внутрь, на равном расстоянии размещают параллельно друг другу множество ЭВК (то есть провода размещаются "внутри" ЯВС), каждый из которых является проводом одинакового сечения. ЭВК размещают между электродами так, чтобы каждый ЭВК одновременно касался обоих электродов.
Такая конструкция уже является базой для многоэлектродной ЭМЕ с ЯВС - достаточно взять множество таких пар. Фактически каждая такая пара составляет цепочку ЯВС, которые похожи на ЯВС на фиг. 2 (квадратное сечение ЭВК заменено на круглое). Если объединить множество таких пар, последовательно наложив их друг на друга, то получается многоэлектродная ЭМЕ, при этом верхний электрод нижней пары и нижний электрод верхней пары (для любых двух соседних пар электродов) могут коммутироваться к одинаковому полюсу источника питания или нагрузки, что делает необязательным размещение между ними изоляционного слоя диэлектрика.
Однако у такой ЭМЕ будет существенный недостаток - сильно нелинейная зависимость емкости ЭМЕ и силы натяжения электродов при их при электростатическом взаимодействии от горизонтальной длины ЭМЕ (что присуще всем ЭМЕ планарного типа). Например, при работе в режиме двигателя в оптимальных вариантах подбора характеристик ЭМЕ сила натяжения, производимая ЭМЕ в начале и конце рабочего цикла сокращения ЯВС, будут отличаться друг от друга минимум на один-два порядка, что очень неудобно и требует специальных конструктивных решений для сглаживания этого эффекта.
Гораздо проще использовать естественное конструктивное решение: посередине между парой соседних ЭВК каждой ЯВС (для каждой пары электродов, описанной в двух предыдущих абзацах), пару электродов скрепляют друг с другом (например, склеивают) так, чтобы каждая образованная таким образом линия скрепления электродов была параллельна ЭВК, и чтобы в результате получилась цепочка ЯВС, каждая из которых образованна фрагментами двух электродов, расположенных под определенным углом друг к другу, одним ЭВК и одной линией скрепления электродов. Каждая такая ЯВС получается зеркальным отображением двух соседних ЯВС. На такую цепочку ЯВС (нижняя цепочка) можно наложить другую, аналогичную цепочку ЯВС (верхняя цепочка), таким образом, чтобы линии касания верхнего электрода и ЭВК нижней цепочки ЯВС были расположены точно под линиями скрепления двух электродов верхней цепочки ЯВС; а линии скрепления электродов нижней цепочки были расположены точно под линиями касания нижнего электрода и ЭВК верхней цепочки ЯВС. То есть цепочки ЯВС двух соседних пар сдвинуты относительно друг друга в горизонтальном направлении. Именно эта конструкция представлена внизу на фиг. 9. У такого ЭМЕ электроды каждой ЯВС будут всегда иметь линию касания друг с другом, за счет чего их взаимная емкость будет зависеть от горизонтальной длины ячейки гораздо более плавно, чем у ЯВС, электроды которой всегда параллельны.
Это является общим преимуществом ЯВС, подобным ЯВС на фиг. 1 (ЯВС-1, содержит один ЭВК) от ЯВС, подобным ЯВС на фиг. 2 (ЯВС-2, содержит два ЭВК). Под подобными подразумеваются ЯВС, отличающиеся только формой сечения ЭВК от ЯВС на фиг. 1 и фиг. 2, у которых форма сечения ЭВК квадратная. Еще раз отметим, что конструктивно цепочка ЯВС-1, является производной от цепочки ЯВС-2, и отличается от нее тем, что дополнительно содержит линии крепления пары электродов цепочки ЯВС друг к другу, параллельные ЭВК и проходящие между ЭВК ЯВС.
Описанную выше ЭМЕ можно изготавливать из самых простых материалов: из тонкой металлической фольги, одна из сторон которой и все торцы покрыты тонкой полимерной диэлектрической пленкой, и тонкого провода. В общем случае покрытие провода лаком или тонким слоем полимерной пленки не обязательно, но желательно, для увеличения ресурса работы ЭМЕ. Вместо провода можно использовать нить из диэлектрика, но такая конструкция будет уступать по эффективности ЭМЕ с проводами. Провода могут быть изолированы или подключаться к источнику питания или нагрузки самыми разными способами, описанными в предыдущих разделах. Кроме того, ЭВК (провода) могут служить элементами, скрепляющими друг с другом электроды одной цепочки ЯВС, и также скрепляющими друг с другом соседние цепочки ЯВС и всю конструкцию ЭМЕ, для этого достаточно тем или иным способом скрепить друг с другом все ЭВК, расположенные вертикально друг над другом (при горизонтальной ориентации цепочек ЯВС и ЭМЕ, как это показано на фиг. 9).
Многоэлектродный вариант ЭМЕ с ЯВС с лентами и ЭВК на базе "наружных" проводов или нитей.
min
Другой перспективный вариант многоэлектродной ЭМЕ с ЯВС представлен на фиг. 10, все рисунки являются вертикальными разрезами, аналогично всем другим фигурам. ЯВС на фиг. 10 похожа на ЯВС на фиг. 3 (ЭВК на фиг. 3 является призмой с треугольными основаниями и сечением, а на фиг. 10 это полуцилиндр с сечением в виде полукруга) и состоит из двух гибких ленточных электродов, выполненных, например, из тонкой фольги, покрытой слоем тонкой диэлектрической полимерной пленки, и двух ЭВК, выполненных из любого материала в форме полуцилиндра, причем электроды полностью покрывают ЭВК с внутренней стороны ЯВС и крепятся к ЭВК. Внизу на фиг. 10 показано объединение таких ЯВС в единое устройство. Пара достаточно длинных ленточных электродов со множеством ЭВК образовывает цепочку ЯВС (на фиг. 10 цепочки ЯВС размещаются горизонтально). Цепочки ЯВС накладываются друг на друга так, чтобы полуцилиндры двух соседних цепочек накладывались друг на друга и образовывали полный цилиндр. Такая конструкция позволяет вместо двух ЭВК-полуцилиндров использовать цилиндрические протяженные тела, например, нити (также возможно использование проводов), служащие как ЭВК одновременно двум разным ЯВС, что упрощает изготовление ЭМЕ. Каждая ЯВС такого устройства обладает двумя линиями прямого контакта взаимодействующих электродов, в положении C (верхний рисунок на фиг. 10) это линии касания вершин электродов, размещенных на цилиндрах, с горизонтальными частями парных им электродов. Такая конструкция, аналогично описанной в предыдущем разделе ЭМЕ с ЯВС, обеспечивает плавную зависимость взаимной емкости электродов ЯВС от горизонтальной длины ячейки по сравнению с ЯВС, электроды которой всегда параллельны. В отличие от ЭМЕ с ЯВС на базе "внутренних" проводов из предыдущего раздела, у данной ЭМЕ ЭВК (провода или нити) размещаются "снаружи" от электродов ЯВС, образующих поверхность внутренней полости ЯВС.
В общем случае такую ЭМЕ можно описать следующим образом: ЭМЕ состоит из множества цепочек ЯВС, каждая из которых содержит два гибких электрода, имеющих форму ленты или провода, размещенных напротив друг друга, при этом цепочки ячеек сложены в одно устройство таким образом, чтобы при горизонтальной ориентации цепочек ячеек в любой соседней паре цепочек ячеек одна из цепочек ячеек является нижней, а другая верхней по отношению друг к другу, и при этом у каждой цепочки ячеек один из электродов является нижним, а другой верхним по отношению друг к другу; и ЭМЕ также содержит множество общих ЭВК, выполненных в виде провода или нити, имеющих круглое или произвольное сечение, размещенных между верхним электродом нижней цепочки ячеек и нижним электродом верхней цепочки ячеек для любой пары соседних цепочек ячеек, так что один общий ЭВК является одновременно ЭВК для одной ЯВС верхней цепочки ячеек и ЭВК для одной ЯВС нижней цепочки ячеек; при этом каждая ЯВС ЭМЕ любой цепочки ячеек оказывается образованной двумя гибкими фрагментами электродов и двумя фрагментами электродов, наложенными на два ЭВК, один из которых является общим с ЯВС, принадлежащей цепочке ячеек, являющейся верхней по отношению к цепочке ячеек, к которой принадлежит рассматриваемая ЯВС, а второй ЭВК является общим с ЯВС, принадлежащей цепочке ячеек, являющейся нижней по отношению к цепочке ячеек, к которой принадлежит рассматриваемая ЯВС.
Так же, как и у ЭМЕ на фиг. 9, ЭВК (провода или нити) данного ЭМЕ могут служить элементами, скрепляющими друг с другом электроды одной цепочки ЯВС, и также скрепляющими друг с другом соседние цепочки ЯВС и всю конструкцию ЭМЕ, для этого достаточно тем или иным способом скрепить друг с другом все ЭВК, расположенные вертикально друг над другом (при горизонтальной ориентации цепочек ЯВС и ЭМЕ, как это показано на фиг. 10).
Дополнительные варианты осуществления изобретения.
Поскольку существенно, что движение электродов заявленных здесь ЭМЕ, передаваемое или принимаемое от внешнего механического привода, является поступательно-возвратным, 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 подвижные части одного ЭМЕ были кинематически связаны с подвижными частями 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 степень сжатия одной из ЭМЕ отличается от степени сжатия другой ЭМЕ. В результате, когда одна ЭМЕ находится в положении C, другая ЭМЕ может находится в положении C, 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 и степени сжатия ЭМЕ 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. Этой же цели могут служить следующие технические решения: такое исполнение ЭМЕ, чтобы гибкие части электродов ЭМЕ были сделаны из упругих материалов таких, чтобы силы упругости, возникающие при изгибе гибких частей электродов ЭМЕ при их притяжении друг к другу при сжатии ЯВС и ЭМЕ и препятствующие такому изгибу, были меньше силы электростатического притяжения электродов ЭМЕ в начале фазы их притяжения друг к другу и сжатия ЭМЕ, но были достаточны для возврата ЯВС и ЭМЕ в исходное несжатое состояние; или такое исполнение ЭМЕ, чтобы электроды ЭМЕ были сделаны из упругих материалов или дополнительно содержали упругий материал, такие чтобы силы упругости возникали при нахождении ЯВС и ЭМЕ в несжатом состоянии, и эти силы упругости стремились бы перевести и зафиксировать ЯВС и ЭМЕ в сжатое состояние для работы ЭМЕ в режиме генератора.
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, 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 C, полезно на поверхности контакта электродов дополнительно размещать антиадгезионную смазку или покрытие, обладающие свойствами диэлектрика. Это нужно для уменьшения эффекта слипания электродов при сжатии ЯВС.
min
max
min
Кроме этого очень полезным для увеличения удельной мощности ЭМЕ следующее техническое решение: ЭМЕ исполняется в такой конструкции, что содержит основной механический привод ЭМЕ и один или два механических привода, называемые толкателями, кинематически связанные с ЭМЕ, у которых возможно поступательно-возвратное движение в двух направлениях: в основном направлении, движение вдоль которого или происходит под воздействием подвижных частей ЭМЕ (то есть концов или частей ЭМЕ, которые двигаются навстречу друг другу при сжатии ЯВС ЭМЕ вдоль основного направления этого сжатия), или передает движение подвижным частям ЭМЕ, и движении в боковом направлении, вдоль которого происходит перемещение конца толкателя по направлению к основному приводу ЭМЕ, при этом возможно два крайних положения конца толкателя: первое положение, когда толкатель или плотно прижат к основному приводу ЭМЕ, или находится в состоянии иной кинематической связи с основным приводом ЭМЕ, и второе положение, когда толкатель не имеет контакта и кинематической связи с основным приводом ЭМЕ; и при этом ЭМЕ содержит или еще одну или две вспомогательные ЭМЕ с ячейками внутреннего сжатия или содержит иное устройство, которые предназначены для перемещения конца толкателя по направлению к основному приводу ЭМЕ до достижения кинематической связи конца толкателя с основным приводом и для обратного перемещения конца толкателя до достижения отсутствия указанной выше кинематической связи. Такая конструкция нужна для того, чтобы преобразовывать высокочастотное поступательно-возвратное движение ЭМЕ с ЯВС с небольшой амплитудой в непрерывное поступательное или вращательное движение. Толкатели ЭМЕ "включают" кинематическую связь основного привода ЭМЕ с внешним механическим устройством в положении C, подается напряжение, ЭМЕ сжимается переходит в положение C, передавая свое движение сжатия внешнему механическому устройству, потом толкатели "выключают" кинематическую связь ЭМЕ с внешним механическим устройством и ЭМЕ переходит в исходное несжатое положение C (например, это делает возвратный упругий механизм или парная ЭМЕ, работающая в противофазе), и все повторяется, при этом внешнее механическое устройство может осуществлять непрерывное движение в одном направлении. Эта конструкция во многом аналогична тем, что применяются для ультразвуковых микродвигателей с пьезокерамикой.
Осуществление изобретения и достигаемые технические результаты.
max
min
max
min
min
max
Как уже было описано выше, заявленное изобретение может использоваться в двух режимах - режиме генератора и режиме двигателя. В первом случае на электроды ЭМЕ подаются электрические заряды возбуждения и ЭМЕ переводится в положение C с максимально сжатыми ЯВС, причем перевод в это положение может осуществляться за счет собственных сил электростатического взаимодействия электродов ЭМЕ, а также с помощью механического привода, упругих механизмов, другой ЭМЕ и многими другими способами. Потом ЭМЕ переводят в положение C с максимальным объемом ЯВС посредством приложения внешней силы, в результате чего энергия зарядов и разность потенциалов на электродах многократно увеличиваются и ЭМЕ включают в цепь электрической нагрузки. Эти и достигается цель генерации - механическая энергия от внешнего устройства, переводящего ЭМЕ из положения C в Cпреобразуется в увеличение электрической энергии на электродах ЭМЕ. Конкретных вариантов подачи зарядов возбуждения на ЭМЕ и последующей подачи разности потенциалов в цепь нагрузки может быть много. В режиме двигателя ЭМЕ работает в обратном порядке: в положении C на электроды ЭМЕ (и возможно на ЭВК, если это предусмотрено) подается разность потенциалов от источника питания, ЯВС сжимаются под действием сил электростатического взаимодействия и переходит в положение C, в том числе вдоль одного из направлений происходит уменьшение длины ЭМЕ, и это движение противоположных частей ЭМЕ навстречу друг другу вдоль направления сокращения ЯВС и уменьшения длины ЭМЕ передается внешнему механическому устройству (приводу), и ЭМЕ преобразует электрическую энергию источника питания в механическую энергию.
Достигаемыми техническими результатами технических решений, заявленных в настоящем изобретении являются повышение мощности и удельной мощности и силовых характеристик электростатических электрических машин - ЭМЕ с ячейками внутреннего сжатия. Это происходит за счет того, что в представленных ЭМЕ можно использовать одновременно и синхронно большое количество тонких электродов, расположенных максимально близко друг к другу, что позволяет получать очень большие значения суммарной площади поверхности одновременно взаимодействующих электродов в единице объема ЭМЕ. Главной проблемой в таких конструкциях являются упругие деформации и растяжения сверхтонких электродов (толщиной в несколько микрон или десятков микрон), приводящие к их слипанию, что серьезно ограничивает нижние пределы толщины используемых материалов. Заявленные технические решения позволяют успешно преодолевать указанные проблемы. Толщина электродов, которые можно использовать в заявленных ЭМЕ, ограничена только технологическими возможностями производства фольги и тонких полимерных пленок. В том числе в заявленных ЭМЕ становится возможным использование сверхтонких пленок, толщиной менее микрона, например, из графена или иных сверхтонких композитных материалов.
Описание чертежей.
Для наглядности настоящее изобретение проиллюстрировано на 10 фигурах. На всех фигурах представлены ЯВС или ЭМЕ в вертикальных разрезах, плоскости разрезов параллельны листам бумаги, на которых изображены фигуры и проходят посередине каждого представленного устройства.
min
max
На фиг. 1 представлена ЯВС, состоящая из одного ЭВК (1), имеющего квадратное сечение, двух гибких электродов (2) и (3), в совокупности образующих внутреннюю полость ЯВС (4), и линии скрепления электродов друг с другом, которая на фигуре проецируется в точку (5). ЯВС показано в двух положениях: в несжатом положении с максимальным объем внутренней полости C (верхний рисунок), и в сжатом положении C (нижний рисунок), также показано изменение горизонтальной длины ЯВС х при переходе из одного положения в другое. Именно это изменение длины ЯВС х используется для работы ЭМЕ.
min
max
На фиг. 2 представлена ЯВС, состоящая из двух ЭВК (1), имеющих квадратное сечение, двух гибких электродов (2) и (3), в совокупности образующих внутреннюю полость ЯВС (4). ЯВС показано в двух положениях: в несжатом положении с максимальным объем внутренней полости C (верхний рисунок), и в сжатом положении C (нижний рисунок), также показано изменение горизонтальной длины ЯВС х при переходе из одного положения в другое, которое используется для работы ЭМЕ.
min
На фиг. 3 представлена ЯВС, состоящая из двух ЭВК, имеющих треугольное сечение, двух гибких электродов, в том числе покрывающих ЭВК изнутри ЯВС и образующих внутреннюю полость ЯВС. ЯВС показана в положении C.
min
На фиг. 4 представлена ЯВС, состоящая из двух ЭВК, имеющих круглое сечение, выполненных в виде провода, и двух гибких электродов, которые в совокупности образуют внутреннюю полость ЯВС. Заряды на электродах индуцируют заряды на ЭВК, которые также участвуют в общем электростатическом взаимодействии при сжатии ЯВС. ЯВС показана в положении C.
min
max
На фиг. 5 представлена ЯВС, аналогичная ЯВС на фиг. 2, отличающаяся от нее тем, что ЭВК выполнены из изолированного токопроводящего материала. Заряды на электродах индуцируют заряды на ЭВК, которые также участвуют в общем электростатическом взаимодействии при сжатии ЯВС. ЯВС показана в положении C (слева) и C (справа).
min
max
На фиг. 6 представлена ЯВС, аналогичная ЯВС на фиг. 2, отличающаяся от нее тем, что ЭВК выполнены из токопроводящего материала и являются частью электродов и также участвуют в общем электростатическом взаимодействии при сжатии ЯВС. ЯВС показана в положении C (слева) и C (справа).
min
max
На фиг. 7 представлена ЯВС, аналогичная ЯВС на фиг. 2, отличающаяся от нее тем, что ЭВК содержат две части, выполненные из токопроводящего материала, одна из которых имеет электрический контакт с одним из электродов, а вторая часть имеет электрический контакт с другим электродом, в результате эти части ЭВК также участвуют в общем электростатическом взаимодействии при сжатии ЯВС. ЯВС показана в положении C (слева) и C (справа).
min
max
На фиг. 8 представлена ЯВС, аналогичная ЯВС на фиг. 2, отличающаяся от нее тем, что ЭВК содержат две части, выполненные из токопроводящего материала, каждая из которых имеет собственное подключение к источнику электрического питания, в результате эти части ЭВК также участвуют в общем электростатическом взаимодействии при сжатии ЯВС. ЯВС показана в положении C (слева) и C (справа).
На фиг. 9 представлена одна ЯВС (вверху), состоящая из одного ЭВК - провода, имеющего круглое сечение, двух гибких электродов и линии крепления электродов друг к другу (аналогично ЯВС на фиг. 1). Ниже представлено объединение таких ЯВС в цепочки ЯВС, выполненные из двух длинных ленточных электродов и множества ЭВК - проводов, расположенных между ними, и показано объединение таких цепочек ЯВС в единую ЭМЕ. Цепочки ЯВС и ЭМЕ показаны в горизонтальной ориентации. Масштаб верней ЯВС примерно в полтора раза превышает масштаб ЯВС внизу.
На фиг. 10 представлена одна ЯВС (вверху), состоящая из двух ЭВК - полуцилиндров, имеющих сечение в виде полукруга, и двух гибких электродов, в том числе облегающих ЭВК изнутри ЯВС. Ниже представлено объединение таких ЯВС в цепочки ЯВС, выполненные из двух длинных ленточных электродов и множества общих ЭВК (один общий ЭВК круглого сечения фактически является объединением двух ЭВК соседних цепочек с полукруглым сечение каждый) - проводов или нитей, расположенных между электродами соседних цепочек, и показано объединение таких цепочек ЯВС в единую ЭМЕ. Цепочки ЯВС и ЭМЕ показаны в горизонтальной ориентации. Масштаб верней ЯВС примерно в полтора раза превышает масштаб ЯВС внизу.