ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ЕМКОСТНАЯ (ЭМЕ) ПЛАНАРНОГО ТИПА Российский патент 2017 года по МПК H02N1/08 

Электрическая машина емкостная (ЭМЕ) планарного типа 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.

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 перспективно использование ЭМЕ 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 генератор Ван де Граафа или его модифицированная версия - 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.

Для емкостных преобразователей, описываемых как КПЕ, общим является то, что их емкость периодически изменяется от максимальной величины C_max до минимальной величины C_min и обратно. Когда ЭМЕ работает в режиме генератора, электроды КПЕ в положении C_max заряжают некоторыми начальными зарядами возбуждения, потом емкость КПЕ уменьшают до C_min, 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_min, подают разность потенциалов, под действием электростатических сил КПЕ переходит в положение C_max, производя при этом механическую работу.

В общем случае мощность такого преобразователя тем больше, чем больше отличаются по величине C_max и C_min. Поскольку C_min технически несложно уменьшить практически до нуля, эффективность и мощность ЭМЕ будет тем больше, чем больше C_max. 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.

Раскрытие изобретения.

Известно устройство, называемое электростатическим актуатором (в английской терминологии часто встречается наименование Comb drive). Известен электростатический планарный актуатор (ЭПА), который 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. Данное устройство является ближайшим аналогом заявленного изобретения.

Рассмотрим ЭПА, состоящий из двух одинаковых электродов: металлических плоских пластин с площадью поверхности S, покрытых ровным слоем одинакового диэлектрика, имеющего толщину d/2 и диэлектрическую проницаемость е_d. Одна из пластин может двигаться в направлении, перпендикулярном плоскости поверхности пластин. C_max такого ЭПА будет в положении, когда металлические пластины находятся в состоянии плотного примыкания друг к другу через разделяющие их слои диэлектрика, при этом C_max=e₀e_dS/d, где е₀ - электрическая постоянная, равная 8,85⋅10^-12 (Ф/м). Как видно, C_max ЭПА прямо пропорциональна площади электродов S, поэтому естественным решением для увеличения C_max и мощности ЭПА будет максимально возможное увеличение площади взаимодействующих электродов. Очевидным решением является создание множества таких пар электродов, размещенных компактно рядом друг с другом. В настоящем изобретении заявлены два варианта такого устройства. Общим у этих изобретений является то, что в обоих вариантах ЭМЕ взаимодействие осуществляется между плоскопараллельными поверхностями соседних электродов в направлении, перпендикулярном этим поверхностям, в этом же направлении происходит движение этих электродов относительно друг друга, при этом существенно, что эти электроды в одном из положений ЭМЕ находятся в состоянии достаточно плотного примыкания друг к другу и в данном положении взаимная электрическая емкость этих электродов имеет максимальное значение. Поэтому заявленные изобретения называются ЭМЕ планарного типа.

Также необходимо отметить, что оба варианта подразумевают обобщение своих технических решений на случаи, когда плоскости электродов могут быть не полностью параллельны, или такая параллельность может не выполняться в определенных положениях ЭМЕ. Такие варианты исполнения ЭМЕ в рамках заявленных изобретений должны рассматриваться как частные случаи заявленных изобретений. Также сами электроды в общем случае могут быть выполнены не только в форме пластин, а иметь достаточно произвольную форму. Существенным признаком, по которому такие варианты должны рассматриваться как частные случаи заявленных изобретений, является наличие у каждого электрода ЭМЕ не менее двух гладких участков, расположенных на противоположных поверхностях электродов (у крайних электродов ЭМЕ это может быть один участок), называемых поверхностями контакта, которые имеют возможность для плотного примыкания к аналогичным поверхностям контакта соседних электродов ЭМЕ таким образом, чтобы между токопроводящими материалами этих электродов вдоль всей поверхности контакта был расположен слой диэлектрика; при этом при отделении двух таких электродов друг от друга в процессе работы ЭМЕ между данными поверхностями контакта электродов образуется щелевое пространство равномерной толщины. В таком определении данные поверхности контакта электродов по своему функциональному назначению будут полными аналогами описанных выше плоскопараллельных пластин. Например, электроды могут иметь форму одинаковых полусфер, вставляемых друг в друга, а в общем случае это могут быть самые разные варианты для формы электродов. Также не обязательно, чтобы токопроводящие поверхности электродов были полностью покрыты диэлектриком, существенно, чтобы при наложении друг на друга поверхностей контакта соседних электродов между токопроводящими частями электродов всегда был сплошной слой диэлектрика, например, диэлектрик может размещаться на поверхности только одного из примыкающих друг к другу электродов, возможны иные варианты. Также возможно наличие в ЭМЕ электродов, которые в процессе работы ЭМЕ не подключаются к источнику электрического питания или нагрузки, электрические заряды на поверхности таких электродов могут образовываться за счет электростатической индукции и взаимодействовать с другими зарядами, поэтому возможны такие ЭМЕ, у которых только два электрода ЭМЕ имеют возможность подключения к источнику электрического питания и/или электрической нагрузки, не смотря на то, что общее количество электродов значительно больше.

Вариант ЭМЕ планарного типа с ротором и статором.

Одним из заявленных решений является объединение множества плоскопараллельных электродов в две секции, которые выполнены таким образом, чтобы электроды каждой секции были параллельны друг другу и отстояли друг от друга на одинаковом и фиксированном неизменяемом расстоянии, образовывая между соседними электродами одной секции пустые щелевые пространства одинаковой ширины. В оптимальном варианте каждый электрод представляет собой достаточно тонкую пластину прямоугольной формы постоянной толщины, сделанную из токопроводящего материала и покрытую с обеих сторон равномерным тонким слоем диэлектрика. Электроды каждой секции жестко зафиксированы в каркасе своей секции к специальным силовым боковым элементам каркаса и не могут двигаться относительно друг друга, поэтому расстояние между ними постоянно. Оптимальным вариантом такого каркаса является параллелепипед, у которого открыты две противоположные грани, а другие четыре грани образованы двумя основаниями каркаса, представляющими собой жесткие прямоугольные пластины, наложенные с внешней стороны на два крайних электрода секции, и двумя торцами - силовыми боковыми элементами каркаса, представляющими собой жесткие боковые пластины, соединенные с ребрами оснований под прямым углом. Основаниями каркаса могут служить крайние электроды секции, если их жесткость это позволяет, или основания каркаса могут быть наложены на крайние электроды секции. Вместо пластин можно использовать конструкцию лестничного типа, состоящую из двух параллельных боковых ребер, соединенных планками, перпендикулярными этим ребрам, каждая из которых предназначена для крепления к одной из сторон одного из электродов секции, или является частью электрода, а также возможны иные варианты. Кроме оснований каждая секция для придания каркасу большей жесткости может содержать дополнительные силовые элементы, подобные основаниям секции, размещаемые параллельно электродам внутри секции. Все электроды секции располагаются параллельно основаниям и перпендикулярно торцам каркаса на одинаковом расстоянии друг от друга и жестко прикреплены к торцам каркаса. В таком виде каждая секция представляет собой аналог стеллажа, щелевые пространства между электродами каждой секции являются открытыми с двух противоположных открытых торцов секции, а два других торца являются торцами каркаса секции.

Такая конструкция необходима для свободного доступа в щелевые пространства между электродами секции, чтобы две секции можно было объединить в единое устройство, разместив электроды одной секции в щелевых пространствах между электродами другой секции, так, чтобы в собранном виде в ЭМЕ электроды каждой секции чередовались друг за другом и могли свободно перемещаться в щелевых пространствах между соседними электродами другой секции, а силовые боковые элементы каркаса каждой секций были размещены с открытых боковых торцов другой секции или были наложены на эти открытые боковые торцы, не пересекаясь друг с другом и не мешая движению электродов. Для этого в собранном ЭМЕ секции должны быть повернуты относительно друг друга в ЭМЕ на некоторый угол относительно оси, перпендикулярной плоскостям поверхностей электродов. Оптимальным является прямой угол поворота, то есть секции должны быть ориентированы перпендикулярно друг другу и вставлены друг в друга. Такую вставку следует осуществлять при сборке ЭМЕ. Если конструкция каркаса секции не соответствует описанной выше, то такое объединение секций или не возможно, или силовые боковые элементы, упираясь друг в друга и мешая движению друг друга, не позволят осуществлять свободное движение электродов внутри щелевых пространств.

В общем случае вариантов каркаса и, в частности, силовых боковых элементов каркаса может быть очень много. Общими у всех этих вариантов должна быть общая существенная обобщенная характеристика: у каркаса жесткости должны быть открыты два противоположных торца каркаса секции. То есть электроды каждой секции должны быть зафиксированы внутри каркаса своей секции путем крепления к боковым элементам каркаса так, чтобы поверхности контакта электродов каждой секции были разделены щелевыми пространствами постоянной ширины, и эти щелевые пространства между электродами каждой секции оставались полностью или частично открытыми для доступа как минимум с двух боковых сторон щелевого пространства, называемых "открытые" стороны, а крепления электродов к боковым элементам каркаса секции располагались со стороны других боковых сторон щелевого пространства, называемых "закрытые" стороны; при этом в собранном виде в ЭМЕ каждая секция является вставленной в другую секцию таким образом, чтобы электроды ротора были расположены в щелевых пространствах между электродами статора, а электроды статора были расположены в щелевых пространствах между электродами ротора, за исключением крайних электродов ЭМЕ, при этом "закрытые" стороны щелевых пространств между электродами ротора располагаются со стороны "открытых" сторон щелевых пространств между электродами статора, а "закрытые" стороны щелевых пространств между электродами статора располагаются со стороны "открытых" щелевых пространств между электродами ротора так, чтобы электроды ротора имели возможность одновременно двигаться внутри щелевых пространств электродов статора в направлении нормалей к поверхностям контакта электродов, а крепления электродов к корпусам своих секций не пересекались и не накладывались друг на друга и не препятствовали этому движению.

В результате такого объединения секций мы получим конденсатор переменной емкости (КПЕ), являющийся базовым элементом ЭМЕ. Подчеркнем еще раз, что принципиальным для ЭМЕ является такое совмещение секций, чтобы торцы каждой секции или иные силовые боковые элементы каркаса, к которым крепятся электроды, не пересекались и не накладывались друг на друга и в конечном итоге не мешали электродам одной секции двигаться в щелевых пространствах между электродами другой секции. В описанном выше оптимальном варианте для этого закрытые торцы каркаса одной секции должны располагаться со стороны открытых торцов другой секции и наоборот, при этом, если электроды и основания каркаса представляют собой одинаковые прямоугольные пластины, эти прямоугольники одной секции оказываются повернутыми на прямой угол к прямоугольникам другой секции относительно оси, перпендикулярной плоскости пластин. Если одна из этих секций содержит N одинаковых электродов, другая секция может содержать или N-1, или N, или N+1 электродов. Такое устройство уже перестает быть прямым аналогом ЭПА, поскольку заряды на всех электродах (кроме двух крайних) взаимодействуют с зарядами на двух соседних электродах, между которыми электроды расположены, а не с одним как у ЭПА. У ЭПА вся энергия электростатического поля сосредоточена в пространстве между парой его электродов, а у описанного выше устройства данное поле носит более сложный характер, необходимо учитывать эффекты электростатической индукции.

Пусть одна из этих секций будет неподвижна (статор) и состоит из N плоскопараллельных электродов, а другая (ротор) состоит из N-1 таких же электродов и имеет возможность двигаться так, чтобы электроды ротора двигались одновременно в щелевых пространствах статора. На фиг. 1 и фиг. 2 представлены три вертикальных разреза, сделанных посередине ЭМЕ, плоскость каждого разреза проходит посередине ЭМЕ между боковыми сторонами каркаса ротора параллельно им и перпендикулярно боковым сторонам каркаса статора. На каждой фиг. представлены три разных положения одной и той же ЭМЕ (N=3) для описанного выше оптимального варианта с электродами, имеющими форму прямоугольных пластин. Все электроды ротора и статора являются одинаковыми прямоугольными пластинами, состоят из токопроводящего слоя, покрытого с двух строи слоем диэлектрика одинаковой толщины; электроды ротора (1) могут двигаться в щелевом пространстве между двумя соседними электродами статора (2). Разрезы сделаны вдоль открытых торцов каркаса статора и закрытых торцов каркаса ротора, поэтому на фигурах мы видим короткие стороны электродов ротора и длинные стороны электродов статора. Также на фиг. 1 и 2 показаны основания каркаса статора (3), наложенные на крайние электроды статора, и боковые стороны каркаса статора (4). Поскольку боковых сторон каркаса ротора не видно на представленных разрезах, боковые силовые элементы каркаса ротора не показаны, они аналогичны боковым сторонам каркаса статора (4), а основаниями каркаса ротора являются сами электроды ротора (1), что является вполне допустимым. Электроды ротора могут перемещаться из одного крайнего положения плотного примыкания к одному из соседних электродов статора в другое крайнее положение примыкания к другому соседнему электроду статора (эти положения показаны на двух нижних разрезах на фиг. 1 и фиг. 2), проходя через положение, когда электроды ротора находятся точно посередине между соседними электродами статора (это положение показано на верхнем разрезе на фиг. 1 и фиг. 2).

Кроме зависимости от места расположения электродов ротора между электродами статора емкость КПЕ ЭМЕ будет зависеть от способа и порядка подключения электродов ротора и статора к источнику разности потенциалов или нагрузки. Таких способов коммутации электродов может быть множество, в данном изобретении предлагаются два способа.

Первый способ коммутации: полярность электродов ротора противоположна полярности электродов статора, то есть электроды статора гальванически связаны друг с другом или могут одновременно подключаться к одинаковому полюсу источника напряжения; электроды ротора гальванически связаны друг с другом или могут одновременно подключаться к одинаковому полюсу источника напряжения, противоположного полюсу статора, при этом электроды ротора не имеют гальванической связи с электродами статора. То есть каждая секция является единым электродом. Для наглядности этот способ коммутации проиллюстрирован на фиг. 1, где полярность электродов указана знаками "+" и "-". Емкость такого КПЕ ЭМЕ будет иметь два максимума C_max в двух крайних положениях электродов ротора (нижние разрезы на фиг. 1), когда они примыкают к одному из своих соседних электродов статора, и будет иметь один минимум C_min, расположенный точно посередине между соседними электродами статора (верхний разрез на фиг. 1). Такой способ коммутации хорошо подходит ЭМЕ для работы в режиме генератора и плохо подходит для работы в режиме двигателя, поскольку электростатические поля соседних электродов статора будут ослаблять друг друга (то же самое для электродов ротора), а точка C_min, будет "мертвой точкой" такого двигателя, когда силы притяжения двух соседних электродов статора, действующие на электрод ротора, расположенный между ними, будут полностью компенсировать друг друга.

Второй способ коммутации: полярность электродов статора и ротора чередуется - за одинаковой положительной или отрицательной полярностью двух соседних электродов ротора и статора, следующих друг за другом, следует одинаковая противоположная полярность следующих двух соседних электродов ротора и статора, то есть два соседних электрода ротора и статора гальванически связаны друг с другом или могут одновременно подключаться к одинаковому полюсу источника напряжения, следующие за ними два соседних электрода ротора и статора гальванически связаны друг с другом или могут одновременно подключаться к одинаковому полюсу источника напряжения, противоположному полюсу предыдущей пары, и не имеют гальванического контакта с предыдущей парой. И так далее, полярность электродов КПЕ последовательно меняется на противоположную через каждые два электрода статора и ротора. Такой КПЕ имеет положение C_min, когда соседние электроды ротора и статора, имеющие одинаковую полярность, приведены в положение плотного примыкания друг к другу, и положение C_max, когда соседние электроды ротора и статора, имеющие противоположную полярность, приведены в состояние плотного примыкания друг к другу. Для наглядности этот способ коммутации проиллюстрирован на фиг. 2, где полярность электродов указана знаками "+" и "-", при этом левый разрез является положением C_min, правый разрез является положением C_max, а верхний разрез является промежуточным положением с емкостью C* (C_min<C*<C_max). При подаче напряжения на электроды КПЕ указанной выше полярности в положении _Cmin электроды ротора притягиваются соседними электродами статора, имеющими противоположную полярность, КПЕ переходит в положение C_max. После завершения этого движения электроды КПЕ могут быть переключены таким образом, чтобы новое положение КПЕ снова стало C_min. Для этого нужно изменить полярности коммутации или всех электродов статора, или всех электродов ротора на противоположные, после чего при наличии на электродах разности потенциалов ЭМЕ совершит обратное перемещение электродов, завершив полный цикл возвратно-поступательного движения. Похожим образом возможна работа ЭМЕ в режиме генератора, когда электроды КПЕ перемещаются с помощью внешнего механического привода из положения C_max в положение C_min, после чего происходит переключение электродов, аналогичное переключению в режиме двигателя.

Вариант ЭМЕ планарного типа с маятниковым ходом.

Другим вариантом ЭМЕ планарного типа является устройство, представленное на фиг. 3, где показаны вертикальные разрезы одного и того же ЭМЕ в трех различных положениях. В базовом оптимальном варианте заявленное изобретение состоит из некоторого множества прямоугольных плоскопараллельных пластин - электродов (1), сделанных из токопроводящего материала, покрытого равномерным слоем диэлектрика, пластины кинематически связаны с двумя элементами каркаса, верхним (2) и нижним (3), и размещаются между ними так, чтобы образовывать пакет параллельных пластин, размещенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Плоскость каждого разреза проходит по середине ЭМЕ перпендикулярно поверхности пластин электродов. На фиг. 3 электроды покрыты с обеих сторон ровным слоем диэлектрика, а элементы каркаса являются двумя параллельными жесткими пластинами или брусками. На верхнем разрезе показано одно из основных положений ЭМЕ, когда электроды расположены вертикально и перпендикулярны обоим элементам каркаса, в таком положении расстояния между плоскостями электродов имеют максимальное значение. Существенным для ЭМЕ является то, что крепления электродов к элементам каркаса не являются жесткими, это могут быть шарнирные соединения (4), или гибкие соединения, или возможны иные варианты. В результате электроды могут отклоняться от вертикального положения в обе стороны. Если верхний элемент каркаса закреплен, то нижний элемент каркаса вместе с электродами может совершать колебательные движения, подобные движению раскачивающегося маятника. Амплитуда такого движения ограничена двумя крайними положениями, в которых электроды находятся в состоянии плотного примыкания друг к другу, оба эти положения показаны на двух нижних разрезах на фиг. 3, и характеризуются предельным углом отклонения от вертикали α_max. Пусть D - расстояние между электродами в вертикальном положении, d - общая толщина электродов с учетом толщины диэлектрических слоев, а α - угол отклонения электродов от вертикали. Тогда расстояние между поверхностями соседних электродов x будет равно: x=(D+d)cos(α)-d, а косинус угла максимально возможного отклонения α_max, когда x=0, будет равен: cos(α_max)=d/(d+D). Поворот электродов на угол, превышающий угол α_max, возможен только при соответствующих деформациях электродов. Полученное нами устройство представляет собой КПЕ, у которого емкость зависит от угла α.

Для такой ЭМЕ оптимальным способом подключения электродов к полюсам источника напряжения или нагрузки будет такая коммутация, когда электроды противоположной полярности чередуются друг с другом. Это позволяет объединить электроды-пластины в две секции электродов, электроды одной секции размещаются между двумя соседними электродами другой секции, при этом электроды одной секции подключаются к одному полюсу источника напряжения или нагрузки, а электроды другой секции в этот момент подключаются к противоположному полюсу. Для наглядности данный способ коммутации проиллюстрирован на верхнем разрезе на фиг. 3, где полярность электродов указана знаками "+" и "-". При этом положение C_max находится в точке α=α_max (два нижних разреза на фиг. 3), а положение C_min находится в точке α=0 (верхний разрез на фиг. 3).

Такая ЭМЕ может работать стандартным образом в качестве генератора. Для использования в качестве двигателя необходимо учесть, что точка C_min будет "мертвой точкой", поэтому амплитуда движения электродов ЭМЕ в режиме двигателя должна быть ограничена от α_max до некоторой величины α₁>0. Поэтому желательно использовать как минимум две ЭМЕ, кинематически связанные друг с другом и работающие в противофазе: одна ЭМЕ совершает работу, переходя из положения C(α₁) в положение C_max, одновременно перемещая другую ЭМЕ, находящуюся в этот момент в неработающем состоянии, из положения C_max в положение C(α₁), после чего первая ЭМЕ переходит в нерабочее состояние, а вторая совершает работу, одновременно перемещая первую ЭМЕ в исходное состояние.

Описанная выше ЭМЕ является оптимальным базовым вариантом. Существует огромное количество вариаций данной ЭМЕ, например: может быть множество различных вариантов осуществления для верхнего и нижнего элементов каркаса; не все электроды могут быть строго параллельны друг другу, или электроды могут содержать непараллельные участки; электроды ЭМЕ не обязательно должны размещаться вертикально в точке C_min; возможна произвольная ориентация всех элементов ЭМЕ; возможно использование в ЭМЕ дополнительных элементов каркаса, ограничивающих и направляющих движение электродов и других элементов каркаса. Однако общим для всех таких решений будет следующее существенное техническое решение, заявленное в настоящем изобретении: ЭМЕ состоит из электродов, представляющих собой плоские пластины или имеющие фрагменты с плоскими поверхностями контакта, предназначенными для наложения на аналогичные плоские поверхности контакта соседних электродов, и содержит как минимум два элемента каркаса, называемых элементами вращения, каждый из которых имеет соединения со всеми электродами ЭМЕ, такие, что в любом положении ЭМЕ поверхности контакта соседних электродов находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом соединения электродов к элементам вращения и электроды выполнены таким образом, чтобы электроды могли одновременно изменять свой угол наклона к обоим элементам вращения, и при таком изменении угла наклона происходит изменение расстояния между поверхностями контакта соседних электродов от некоторого максимального расстояния до нулевого или близкого к нулю расстояния, когда соседние электроды находятся в положении примыкания их поверхностей контакта друг к другу.

Как уже было отмечено, если закрепить верхний элемент вращения, например, в корпусе ЭМЕ, а нижний элемент вращения привести в движение, он вместе с электродами будет совершать колебания из стороны в сторону, полностью аналогичные колебаниям маятника (фиг. 3), при этом поверхности контакта соседних электродов всегда параллельны друг другу. Поэтому данная ЭМЕ называется ЭМЕ планарного типа с маятниковым ходом. Траектория каждой точки нижнего элемента вращения является сектором окружности, радиус которой равен длине электродов или близок к ней. Такой характер движения оказывается полезным для создания кинематической связи с внешним механическим приводом, совершающим круговые движения.

Дополнительный способ осуществления изобретения, повышающий удельную мощность заявленных технических решений.

С помощью описанных выше технических решений возможно получение ЭМЕ со множеством электродов, одновременно взаимодействующих друг с другом. Достигаемым техническим результатом этого являются во много раз увеличенные мощность и силовые характеристики ЭМЕ.

Чтобы такие ЭМЕ обладали при этом 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 заявленных технических решениях 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. В результате взаимодействующие пленки остаются в состоянии частичного или даже полного наложения контактных поверхностей друг на друга в положении C_min, когда такого наложения быть не должно, фактически такое остаточное прилипание означает, что реально достижимая величина C_min будет близка к величине C_max. 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). Однако для этой проблемы имеется простое техническое решение: 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=kх, где F - упругая сила, k - коэффициент упругости, x - величина растяжения. Начальное натяжение означает, что kx₀+kx=k₁x, где x₀ - начальное растяжение, соответствующее начальному натяжению электрода, _k1 - аналог коэффициента упругости для натянутого электрода, откуда следует: k₁=k(₁+x₀/x), то есть чем больше натяжение начальное растяжение х₀, тем больше "жесткость" 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. Достигаемым техническим результатом этого становятся многократно увеличенные удельные мощность и сила ЭМЕ.

Дополнительные варианты осуществления изобретения.

Поскольку существенно, что движение электродов заявленных здесь ЭМЕ, передаваемое или принимаемое от внешнего механического привода, является возвратным (поступательным или касательным по окружности), 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 крайний электрод или статор каждого ЭМЕ кинематически был связан с крайним электродом или с ротором предыдущего или следующего ЭМЕ. Такая комбинация позволяет увеличить амплитуду поступательно-возвратного движения ЭМЕ, предаваемого или получаемого от внешнего механического привода.

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 C_max, другая ЭМЕ может находится в положении C_min, 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. В-пятых, для уменьшения или полного предотвращения слипания электродов в положении C_max, 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 планарного типа.

Описание чертежей.

Для наглядности заявленные изобретения проиллюстрированы тремя фигурами. На фиг. 1 и фиг. 2 представлена ЭМЕ планарного типа с ротором и статором. На каждой фигуре ЭМЕ показано в трех разных положениях. Все электроды ротора и статора являются одинаковыми прямоугольными пластинами, состоят из токопроводящего слоя, покрытого с двух сторон слоем диэлектрика одинаковой толщины; электроды ротора (1) могут двигаться в щелевом пространстве между двумя соседними электродами статора (2). На фиг. 1 и 2 показаны основания каркаса статора (3), наложенные на крайние электроды статора, и боковые стороны каркаса статора (4). Поскольку боковых сторон каркаса ротора не видно на представленных разрезах, боковые силовые элементы каркаса ротора не показаны, они аналогичны боковым сторонам каркаса статора (4), а основаниями каркаса ротора являются сами электроды ротора (1). ЭМЕ на фиг. 1 и фиг. 2 отличаются способом коммутации электродов к источнику напряжения или электрической нагрузки. Полярность электродов указана знаками "+" и "-" (варианты, когда полярности всех электродов одновременно меняются на противоположные, полностью эквивалентен представленным на фигурах). На фиг. 1 представлена ЭМЕ планарного типа с ротором и статором с такой коммутацией электродов, когда электроды ротора имеют одинаковую полярность, и электроды статора имеют одинаковую полярность, противоположную полярности ротора. Для такого ЭМЕ верхний разрез является положением C_min, а два нижних разреза положением C_max.

На фиг. 2 представлена такая же ЭМЕ планарного типа с ротором и статором, как и на фиг. 1, но с другой коммутацией электродов, когда электроды ротора и статора попарно имеют одинаковую полярность, то есть за двумя соседними электродами статора и ротора, имеющими одинаковую полярность, следует другая пара соседних электродов статора и ротора, имеющих противоположную полярность, и так далее. Для такого ЭМЕ нижний левый разрез является положением C_min, нижний правый разрез является положением С_max, а верхний разрез является промежуточным положением.

На фиг. 3 представлена ЭМЕ планарного типа с маятниковым ходом. Показаны вертикальные разрезы одного и того же ЭМЕ в трех различных положениях. ЭМЕ состоит из некоторого множества прямоугольных плоскопараллельных пластин - электродов (1), сделанных из токопроводящего материала, покрытого равномерным слоем диэлектрика, пластины кинематически связаны посредством шарнирных соединений (4) с двумя элементами каркаса, верхним (2) и нижним (3), и размещаются между ними так, чтобы образовывать пакет параллельных пластин, размещенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Плоскость каждого разреза проходит по середине ЭМЕ перпендикулярно поверхности пластин электродов. Элементы каркаса являются двумя параллельными жесткими пластинами. На верхнем разрезе показано положение ЭМЕ C_min, когда электроды расположены вертикально и перпендикулярны обоим элементам каркаса, в таком положении расстояния между плоскостями электродов имеют максимальное значение, на нижних разрезах показаны два симметричных положения ЭМЕ C_max, когда электроды отклоняются от вертикального начального положения на максимально возможный угол α_max.

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям электрической энергии в механическую и обратно за счет электростатических сил кулоновского притяжения между зарядами противоположных знаков и может использоваться в промышленности и технике в качестве электрических двигателей и генераторов. Технический результат состоит в повышении мощности и улучшении силовых характеристик. Электрическая машина емкостная (ЭМЕ) с ротором и статором, состоящими из множества плоскопараллельных электродов, чередующихся друг за другом, обеспечивает одновременное движение всех электродов ротора между электродами статора. Электроды ЭМЕ плоскопараллельной конструкции совершают маятниковые колебания. Для обоих вариантов используются электроды, выполненные в виде лент или пленок, находящихся в состоянии постоянного натяжения и зафиксированных в таком состоянии в конструкции ЭМЕ, что позволяет размещать в ограниченном объеме большее количество взаимодействующих плоскопараллельных электродов. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрическая машина емкостная планарного типа, состоящая из электродов, или сделанных из токопроводящего материала, или сделанных из токопроводящего материала, полностью или частично покрытого слоем диэлектрического материала, каждый из которых представляет собой или плоскую пластину, или иное тело, поверхность которого содержит как минимум один гладкий участок, называемый поверхностью контакта и который имеет возможность для плотного примыкания к аналогичной поверхности контакта другого соседнего электрода таким образом, чтобы между токопроводящими материалами этих электродов вдоль всей поверхности контакта был расположен слой диэлектрика, при этом как минимум два электрода имеют возможность подключения к источнику электрического питания и/или электрической нагрузки; отличающаяся тем, что электроды собраны в две секции электродов, одна из которых является ротором, а другая - статором, каждая из которых дополнительно содержит каркас жесткости или имеет как минимум два боковых силовых элемента каркаса; и электроды каждой секции расположены последовательно друг за другом и зафиксированы внутри каркаса своей секции путем крепления к боковым элементам каркаса так, чтобы поверхности контакта электродов каждой секции были разделены щелевыми пространствами постоянной ширины и эти щелевые пространства между электродами каждой секции оставались полностью или частично открытыми для доступа как минимум с двух боковых сторон щелевого пространства, называемых "открытые" стороны, а крепления электродов к боковым элементам каркаса секции располагались со стороны других боковых сторон щелевого пространства, называемых "закрытые" стороны; при этом в собранном виде каждая секция является вставленной в другую секцию таким образом, чтобы электроды ротора были расположены в щелевых пространствах между электродами статора, а электроды статора были расположены в щелевых пространствах между электродами ротора, за исключением крайних электродов, при этом "закрытые" стороны щелевых пространств между электродами ротора располагаются со стороны "открытых" сторон щелевых пространств между электродами статора, а "закрытые" стороны щелевых пространств между электродами статора располагаются со стороны "открытых" щелевых пространств между электродами ротора так, чтобы электроды ротора имели возможность одновременно двигаться внутри щелевых пространств электродов статора в направлении нормалей к поверхностям контакта электродов, а крепления электродов к корпусам своих секций не пересекались и не накладывались друг на друга и не препятствовали этому движению.

2. Электрическая машина емкостная планарного типа по п. 1, отличающаяся тем, что как минимум один из электродов выполнен в виде гибкой ленты или гибкой пленки, которые находятся в состоянии постоянного натяжения и зафиксированы в натянутом состоянии или в конструкции электрической машины емкостной, или внутри корпуса своей секции, или в собственном каркасе жесткости.

3. Электрическая машина емкостная планарного типа по п. 1, отличающаяся тем, что схема подключения электродов к положительным и отрицательным полюсам источника электрического питания или электрической нагрузки как минимум в одной из фаз выполнена таким способом, чтобы полярность электродов ротора была противоположна полярности электродов статора.

4. Электрическая машина емкостная планарного типа по п. 1, отличающаяся тем, что схема подключения электродов к положительным и отрицательным полюсам источника электрического питания или электрической нагрузки как минимум в одной из фаз выполнена таким способом, чтобы полярность электродов статора и ротора чередовалась следующим образом: за одинаковой положительной или отрицательной полярностью двух соседних электродов ротора и статора, следующих друг за другом, следует одинаковая противоположная полярность следующих двух соседних электродов ротора и статора.

5. Электрическая машина емкостная планарного типа по п. 1, отличающаяся тем, что электроды выполнены в форме плоскопараллельных прямоугольников, покрытых равномерным слоем диэлектрика, противоположные стороны которых крепятся к двум противоположным друг другу боковым сторонам своей секции.

6. Электрическая машина емкостная планарного типа по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что состоит из нескольких электрических машин емкостных планарного типа, объединенных последовательно друг за другом в одно устройство таким образом, что крайний электрод или статор каждой электрической машины планарной кинематически связан с крайним электродом или с ротором предыдущей или следующей.

7. Электрическая машина емкостная планарного типа по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что состоит из нескольких электрических машин емкостных планарного типа, объединенных в одно устройство, в котором отдельные электрические машины емкостные кинематически связаны и работают или по очереди, или в противофазе, или с иным сдвигом фаз относительно друг друга, то есть все электрические машины емкостные имеют кинематическую связь с общим механическим приводом, и в любой момент рабочего цикла объединенных электрических машин емкостных расстояния между поверхностями контакта одной из электрических машин емкостных отличаются от аналогичных расстояний другой электрической машины емкостной.

8. Электрическая машина емкостная планарного типа по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что дополнительно содержит упругий возвратный механизм, кинематически связывающий ротор и статор между собою таким образом, чтобы обеспечивать возврат ротора в исходное состояние внутри рабочего цикла.

9. Электрическая машина емкостная планарного типа по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что дополнительно содержит как минимум один электрический вентиль или выпрямитель, включенный в цепь подачи электрического питания на электроды таким образом, чтобы максимально уменьшить или сделать невозможным ток в направлении, противоположном току источника питания.

10. Электрическая машина емкостная планарного типа по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что как минимум один электрод на поверхности контакта дополнительно содержит антиадгезионные смазку или покрытие, обладающие свойствами диэлектрика.

11. Электрическая машина емкостная планарного типа, состоящая из электродов, или сделанных из токопроводящего материала, или сделанных из токопроводящего материала, полностью или частично покрытого слоем диэлектрического материала, каждый из которых представляет собой или плоскую пластину, или иное тело, поверхность которого содержит как минимум один гладкий участок, называемый поверхностью контакта, и который имеет возможность для плотного примыкания к аналогичной поверхности контакта другого соседнего электрода таким образом, чтобы между токопроводящими материалами этих электродов вдоль всей поверхности контакта был расположен слой диэлектрика, при этом как минимум два электрода имеют возможность подключения к источнику электрического питания и/или электрической нагрузки; отличающаяся тем, что состоит из электродов, представляющих собой плоские пластины или тела, имеющие фрагменты с плоскими поверхностями контакта, предназначенными для наложения на аналогичные плоские поверхности контакта соседних электродов, и содержит как минимум два элемента каркаса, называемых элементами вращения, каждый из которых имеет соединения со всеми электродами, такие, что в любом положении электрической машины емкостной поверхности контакта соседних электродов находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом соединения электродов к элементам вращения и электроды выполнены таким образом, чтобы электроды могли одновременно изменять свой угол наклона к обоим элементам вращения, и при таком изменении угла наклона происходит изменение расстояния между поверхностями контакта соседних электродов от некоторого максимального расстояния до нулевого или близкого к нулю расстояния, когда соседние электроды находятся в положении примыкания их поверхностей контакта друг к другу.

12. Электрическая машина емкостная планарного типа по п. 11, отличающаяся тем, что как минимум один из электродов выполнен в виде гибкой ленты или гибкой пленки, натянутой внутри корпуса своей секции или натянутой на собственном каркасе.

13. Электрическая машина емкостная планарного типа по п. 11, отличающаяся тем, что электроды выполнены в форме плоскопараллельных прямоугольников одинаковой толщины, покрытых равномерным слоем диэлектрика.

14. Электрическая машина емкостная планарного типа по п. 11, отличающаяся тем, что схема подключения электродов к положительным и отрицательным полюсам источника электрического питания или электрической нагрузки как минимум в одной из фаз выполнена таким способом, чтобы полярность электродов чередовалась: за электродом с одной полярностью, следует электрод с противоположной полярностью.

15. Электрическая машина емкостная планарного типа по любому из пп. 11-14, отличающаяся тем, что состоит из нескольких электрических машин емкостных планарного типа, объединенных последовательно друг за другом в одно устройство таким образом, чтобы подвижная часть каждой электрической машины емкостной была кинематически связана с неподвижной частью предыдущей или следующей.

16. Электрическая машина емкостная планарного типа по любому из пп. 11-14, отличающаяся тем, что состоит из нескольких электрических машин емкостных планарного типа, объединенных в одно устройство, в котором отдельные электрические машины емкостные кинематически связаны и работают или по очереди, или в противофазе, или с иным сдвигом фаз относительно друг друга, то есть все объединенные электрические машины емкостные имеют кинематическую связь с общим механическим приводом, и в любой момент рабочего цикла расстояния между поверхностями контакта одной из электрических машин емкостных отличаются от аналогичных расстояний другой.

17. Электрическая машина емкостная планарного типа по любому из пп. 11-14, отличающаяся тем, что дополнительно содержит упругий возвратный механизм, кинематически связывающий подвижную и неподвижную части между собою таким образом, чтобы обеспечивать возврат электрической машины емкостной в исходное состояние внутри рабочего цикла.

18. Электрическая машина емкостная планарного типа по любому из пп. 11-14, отличающаяся тем, что дополнительно содержит как минимум один электрический вентиль или выпрямитель, включенный в цепь подачи электрического питания на электроды таким образом, чтобы максимально уменьшить или сделать невозможным ток в направлении, противоположном току источника питания.

19. Электрическая машина емкостная планарного типа по любому из пп. 11-14, отличающаяся тем, что как минимум один электрод на поверхности контакта дополнительно содержит антиадгезионные смазку или покрытие, обладающие свойствами диэлектрика.