ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ РАБОТЫ В ПЛОТНЫХ ГАЗОВЫХ СРЕДАХ Российский патент 2004 года по МПК H02N1/08 

Изобретение относится к области разработки устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую. Предназначено главным образом для использования в нанотехнологии и решает задачу создания простого и миниатюрного устройства для получения вращающего момента в микромеханизмах. Актуальность этой задачи определяется тем, что миниатюризация является одной из основных тенденций современной техники, а упрощение устройств существенно способствует продвижению в этом направлении.

Задача преобразования электростатической энергии в механическую решается различными путями. Так, электростатические реактивные двигатели, рассматриваемые в настоящее время исключительно как тяговые системы для космических условий [1, 2], позволяют получить тягу или крутящий момент за счет отбрасывания частиц, разогнанных до высокой скорости. Удельная тяга этих двигателей при самых оптимальных условиях составляет не более 10 Н/м² [3]. Возможность применения их в плотных газовых средах даже не обсуждается.

Предложен ряд конструкций электростатических двигателей на основе применения жидких кристаллов [4, 5]. Однако относительная сложность этих устройств ограничивает возможности их миниатюризации.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является предложенное в [6] решение - электростатический двигатель, содержащий ротор с остриями и систему специальным образом изогнутых противоположных по отношению к остриям электродов. Для работы двигателя необходимо, чтобы между противоположными электродами периодически возникали электрические разряды.

Недостатком этого решения по сравнению с предлагаемым является его относительная сложность. Это необходимость в наличии специфических противоположных электродов (в предлагаемом противоположные электроды не нужны), необходимость выполнения заданного соотношения между расстоянием между электродами и давлением газовой среды (как известно, согласно закону Пашена условия возникновения разряда определяются главным образом произведением давления на длину промежутка). Если эти соотношения не соблюдены, то разряд будет происходить или слишком рано, или вообще не будет происходить. Очевидно также, что в отличие от предлагаемого, данный двигатель не будет работать, если острие всего одно. Требования к точности изготовления конструкции, очевидно, выше, чем в предлагаемом устройстве. Ведь необходимо, чтобы при вращении расстояния между электродами оставались постоянными. Это, в частности, затрудняет миниатюризацию.

Задача настоящего изобретения - упрощение и миниатюризация двигателя.

Поставленная задача решается за счет использования эффекта отталкивания ротора от одноименного объемного заряда, создаваемого в плотном газе заряженными частицами, эмиттированными из микроострий (вместо микроострий возможно использование лезвий) на роторе или с их поверхности. Под микроостриями в технике обычно понимаются острия с радиусом при вершине ≤1 мкм. Преимущество использования микроострий определяется известным фактом резкого увеличения прочности материалов при снижении диаметра менее 10 мкм и возможностью существенного снижения необходимых электрических рабочих напряжений для работы двигателя.

Схема устройства показана на фиг.1.

Где: 1 - ось и одновременно провод для подвода электрического напряжения; 2 - область объемного заряда; 3 - ротор, на котором расположены микроострия таким образом, чтобы их собственная ось симметрии (идущая вдоль оси микроострия) была перпендикулярна оси, вокруг которой может вращаться ротор и обе эти оси находились на некотором расстоянии, которое и является плечом силы, действующей на микроострие (изменяя это расстояние, можно получить желаемый крутящий момент двигателя, равный произведению силы на плечо); 4 - ограничители смещения ротора вдоль оси.

Нужно отметить, что ось, на которую насажен ротор, и ось симметрии микроострия представляют собой скрещивающиеся, но не пересекающиеся прямые (в последнем случае вращающего момента не будет). Кроме того, необходимо, чтобы вращающие моменты от всех микроострий были направлены в одну сторону. То есть, если смотреть вдоль оси 1, то вершины микроострий должны быть направлены все по часовой стрелке (или все против часовой стрелки) относительно оси 1, чтобы создаваемые ими моменты складывались, а не взаимно уничтожались.

Работа устройства происходит следующим образом. На ось 1 подают электрическое напряжение, достаточное для проявления эффекта ионизации молекул окружающей среды в сильном электрическом поле в области у вершины микроострий (при + на оси) или для возникновения автоэлектронной эмиссии из микроострий (при - на оси). Оценить величину необходимого напряжения можно по формуле: U=KER, где R - радиус при вершине микроострия, Е - напряженность электрического поля, необходимая для начала автоэлектронной эмиссии или автоионизации, К - коэффициент, составляющий ~5. Проходя через плотный газ, заряженные частицы создают область объемного заряда 2. Взаимное отталкивание одноименно заряженных острия и области объемного заряда создает силу тяги, вращающую ротор 3.

Несмотря на простоту конструкции, теория работы предлагаемого двигателя еще полностью не завершена. Однако некоторые ее основные положения можно изложить в следующем виде.

За счет поляризации атомов и молекул газовой среды в сильном электрическом поле происходит увеличение их концентрации у поверхности микроострий. Согласно статистической механике частицы, пребывая в тепловом равновесии в поле сил, распределяются так, что плотность n частиц в точке с координатой R дается формулой:

где n - плотность частиц в точке с координатой R, U(R) - потенциальная энергия частицы

Силу F(R), действующую со стороны электрического поля на нейтральную частицу с поляризуемостью α и постоянным дипольным моментом р, можно определить из формулы [7]:

В данном случае необходимо вместо р подставить среднее значение компоненты дипольного момента частицы, параллельное напряженности электрического поля [8].

Если устремить R к бесконечности, то n(R=∞) будет равно средней плотности газа в объеме двигателя. Тогда плотность частиц у поверхности микроострия определится из формулы:

В первом приближении для случая сферической симметрии зависимость E(R) можно представить в виде:

где E₀ - напряженность у поверхности.

Результаты расчета давления по этой формуле представлены на фиг.2 По горизонтали отложена напряженность электрического поля (В/м) у вершины микроострия, а по вертикали (вниз) - давление газа, возникающее в этой области. (Па) Пунктирная прямая показывает величину механических напряжений, возникающих в микроострие в результате воздействия электростатического поля. Видно, что при достижении напряженности поля ≅10⁹ В/м происходит резкое повышение давления вблизи поверхности. Эмиттированные с поверхности частицы еще не ускорены электрическим полем и, двигаясь с малой скоростью, испытывают большое количество соударений с газовыми атомами. Это становится причиной образования значительного объемного заряда.

Пример: был изготовлен и опробован двигатель с ротором из вольфрамовой проволоки диаметром 0,1 мм, заостренной у концов путем электрополировки до радиуса при вершине ~0,5 мкм. Измерения показали, что при нормальных условиях в атмосфере, токе 1-2 мкА и питающем напряжении 5 кВ сила, действующая на одно острие, составила 10^-5 Н (при измерениях ось устанавливалась горизонтально, на конец ротора подвешивался свинцовый грузик и измерялся угол отклонения ротора от вертикали).

Расчет же реактивной силы дает почти на два порядка меньшее значение для данных условий, чем наблюдаемое. Это доказывает, что основной движущей силой здесь является отталкивание от объемного заряда, а не реактивный эффект.

Характерными особенностями работы и применения устройства являются:

1. В начальный момент, до того, как образовался объемный заряд в газе, наблюдается сравнительно слабое притяжение микроострий к противоположному электроду.

2. При откачке воздуха форвакуумным насосом до давлений 10^-2-10^-3 Торр сила, действующая на острие, снижается до <10^-6 Н, хотя ток и возрастает на порядок.

3. Вместо микроострий возможно использование лезвий.

4. Для питания двигателя перспективными являются ядерные батареи, создающие относительно большое напряжение при небольшом токе.

5. При остановке ротора двигатель не повреждается.

6. При изменении полярности напряжения на роторе параметры двигателя меняются незначительно и вращение происходит в ту же сторону.

7. Одно из возможных применений двигателя - для приведения во вращение микровентилятора.

8. Ось, на которую насажен ротор, может сама вращаться.

9. В отличие от прототипа двигатель работоспособен, даже если имеется лишь один электрод - микроострие.

10. В отличие от прототипа противоположные электроды для работы устройства не являются необходимыми. Двигатель работает и без них.

11. Вращающий момент двигателя равен произведению силы, действующей на микроострие на длину плеча (расстояние между скрещивающимися прямыми - осью микроострия и осью вращения).

Источники информации

1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели, М., Наука, 1975, 180 с.

2. Морозов А.И., Шубин А.П. Космические электрореактивные двигатели, М., 3нание, 1975, 64 с.

3. Романовский М.К. Электрореактивные движители, М., Изд. МИФИ, 1979, 80 с.

4. Электростатический двигатель, H 02 N 1/08, А1 №1452427.

5. Электростатический двигатель, H 02 N 1/08, А1 №1589987.

6. Электростатический двигатель, H 02 N 1/08, №864472.

7. Калашников С.Г. Электричество, М., Наука, 1985 г., 576 с.

8. Шимони К. Физическая электроника, М., Энергия, 1977 г., 650 с.

Изобретение относится к устройствам, преобразующим электрическую энергию в механическую, в частности микромеханизмах. Технический результат - упрощение и миниатюризация конструкции. Движение ротора двигателя, находящегося под высоким электрическим потенциалом, является результатом его электростатического отталкивания от одноименного объемного электрического заряда, создаваемого в плотной газовой среде заряженными частицами, эмитированными с поверхности микроострий, расположенных на роторе. 2 ил.

Электростатический двигатель для работы в плотных газовых средах, содержащий ротор с электродами, установленный с возможностью вращаться на оси вращения, которая подключена к источнику электрического напряжения, и электроды, закрепленные на роторе, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде микроострий, ось симметрии которых составляет с осью вращения ротора угол 90°, причем ось симметрии микроострий и ось вращения являются непересекающимися скрещивающимися прямыми, а все микроострия направлены своими концами по часовой или все против часовой стрелки относительно оси, на которой вращается ротор, при этом на оси вращения установлены ограничители перемещения ротора вдоль нее.