Электростатический двигатель: принцип работы, виды и перспективы применения

Как устроен электростатический двигатель. Какие бывают виды электростатических двигателей. Каковы преимущества и недостатки электростатических двигателей. Где могут применяться электростатические двигатели в будущем. Какие перспективы развития есть у этой технологии.

Принцип работы электростатического двигателя

Электростатический двигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую работу за счет сил электростатического взаимодействия. Основными элементами такого двигателя являются:

• Статор — неподвижная часть с электродами
• Ротор — подвижная часть, вращающаяся под действием электростатических сил
• Источник высокого напряжения

Как работает электростатический двигатель? Принцип его действия основан на взаимодействии электрических зарядов. На электроды статора подается высокое напряжение разных знаков. Это создает сильное электрическое поле. Ротор, находящийся между электродами, поляризуется в этом поле. В результате возникают силы притяжения между разноименно заряженными частями ротора и статора, что приводит ротор во вращение.

Виды электростатических двигателей

Существует несколько основных разновидностей электростатических двигателей:

1. С диэлектрическим ротором — ротор выполнен из диэлектрика и поляризуется в электрическом поле статора.
2. С металлическим ротором — ротор изготовлен из металла и приобретает заряд от электродов статора.
3. С сегментированным ротором — ротор разделен на сегменты, которые поочередно заряжаются и разряжаются.
4. Коронный двигатель — использует явление коронного разряда для создания вращающего момента.

В чем отличия этих видов двигателей? Диэлектрические роторы проще в изготовлении, но обеспечивают меньший крутящий момент. Металлические роторы эффективнее, но требуют изоляции. Сегментированные конструкции позволяют управлять направлением вращения. Коронные двигатели отличаются высокой скоростью вращения.

Преимущества и недостатки электростатических двигателей

Электростатические двигатели имеют ряд достоинств и ограничений по сравнению с традиционными электродвигателями:

Преимущества:

• Простота конструкции — минимум движущихся частей
• Отсутствие щеток и коллектора — меньший износ
• Возможность миниатюризации
• Высокая скорость вращения
• Низкий уровень шума и вибраций

Недостатки:

• Необходимость высокого напряжения
• Низкий КПД (обычно 1-5%)
• Малая мощность
• Сложность регулировки скорости
• Зависимость от влажности воздуха

Как преодолеть эти недостатки? Ученые работают над повышением КПД за счет оптимизации геометрии электродов и использования новых материалов. Для увеличения мощности разрабатываются многосекционные конструкции. Применение электроники позволяет улучшить управляемость двигателей.

Применение электростатических двигателей

Несмотря на ограничения, электростатические двигатели находят применение в различных областях техники:

• Микроэлектромеханические системы (МЭМС)
• Прецизионные приводы в научном оборудовании
• Малошумные вентиляторы для электронных устройств
• Актуаторы в микророботах
• Привод ионных двигателей космических аппаратов

Почему электростатические двигатели используются именно в этих сферах? Их преимущества — компактность, отсутствие магнитных полей, низкий уровень помех — оказываются критически важными для указанных применений.

Перспективные направления развития электростатических двигателей

Исследователи активно работают над совершенствованием электростатических двигателей. Основные направления развития включают:

1. Разработку новых диэлектрических материалов с улучшенными свойствами
2. Создание гибридных конструкций, сочетающих электростатический и электромагнитный принципы
3. Применение наноматериалов для повышения эффективности
4. Интеграцию с микроэлектронными схемами управления
5. Оптимизацию геометрии электродов с помощью компьютерного моделирования

Какие перспективы открывают эти направления? Ожидается значительное повышение КПД и удельной мощности электростатических двигателей, что расширит сферу их применения. Особенно перспективным выглядит использование в микро- и наносистемах.

Экспериментальные разработки электростатических двигателей

Ученые и изобретатели предлагают оригинальные конструкции электростатических двигателей. Некоторые интересные примеры:

• Двигатель Литовченко — использует эффект электростатической индукции для создания вращающего момента
• Ионный ветряк — преобразует энергию коронного разряда во вращение лопастей
• Электретный двигатель — применяет постоянно поляризованные диэлектрики (электреты) вместо внешнего источника напряжения
• Жидкостный электростатический двигатель — использует электрореологические жидкости в качестве ротора

Чем интересны эти разработки? Они демонстрируют разнообразие подходов к созданию электростатических двигателей и открывают новые возможности их применения. Многие из этих идей находятся на стадии лабораторных образцов, но могут найти практическое воплощение в будущем.

Сравнение электростатических и традиционных электродвигателей

Для оценки перспектив электростатических двигателей важно сравнить их характеристики с показателями распространенных электромагнитных двигателей:

Параметр	Электростатический двигатель	Электромагнитный двигатель
КПД	1-5%	70-95%
Удельная мощность	0.01-0.1 Вт/кг	100-1000 Вт/кг
Рабочее напряжение	1-100 кВ	12-380 В
Максимальные обороты	До 100 000 об/мин	До 20 000 об/мин

Какие выводы можно сделать из этого сравнения? Очевидно, что по большинству параметров электростатические двигатели значительно уступают электромагнитным. Однако у них есть свои ниши применения, где их уникальные свойства оказываются решающим преимуществом.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано везде, где требуется экономичный малошумный мотор.

Известен электростатический двигатель Литовченко, содержащий статор, ротор, электроды, высоковольтный источник энергии (SU, а.с.№1066009, опубл. 07.01.84, бюл. №1, МПК H02N1/08).

Недостатки в том, что он обладает небольшой мощностью, задействованы электроды разной полярности, что вызывает искрение между статором и ротором.

Известен электропотенциальный мотор, содержащий пластины, соединенные исходно вместе, источник высокого напряжения, пружину, заземление. В нем отсутствует механизм преобразования поступательного движения во вращательное (интернет, [email protected] — электрополевой двигатель В.Дудышева).

Известен безстаторный электростатический двигатель, содержащий ротор, состоящий из двух сопряженных между собой частей, металлических электродов в виде широких пластин из фольги, соединенных с источником высокого напряжения, вал (RU, п. м. №130162 от 18.12.2012, МПК H02N1/00).

Недостаток — малая мощность, ограниченное применение.

Известен электрополевой двигатель В.Дудышева (интернет, [email protected]), содержащий высоковольтный источник напряжения с питанием от аккумуляторной батареи (-12в), две пластины, соединенные с источником высокого напряжения, подвижный ротор, механизм преобразования поступательного движения во вращательное (ближайший аналог).

Двигатель имеет большую мощность, но кривошипно-шатунный механизм преобразования поступательного движения во вращательное имеет всем известные недостатки.

Цель изобретения — упрощение конструкции механизма преобразования движения.

Указанная цель достигается тем, что в известном двигателе, содержащем высоковольтный источник напряжения с питанием от аккумуляторной батареи (-12в), пластины, соединенные с источником высокого напряжения, ротор, что ротор состоит из лопаток, насаженных на валу двигателя, в корпусе которых выполнен толкатель в виде основания и штока, при этом толкатель сопряжен с корпусом лопаток пружинами и контактирует, взаимодействует с ними через пластины, частично выполненные из металла и частично снабженные моноэлектретами.

На фиг. 1 — устройство в разрезе,

фиг. 2 — структурная схема.

Устройство состоит из ротора в виде лопаток 1, сопряженных с корпусом 2 толкателя 3 пружинами 4, насаженных на валу 5. Лопатки 1 и толкатель 3 снабжены пластинами 6. При этом пластины 6, жестко связанные с толкателем 3, снабжены моноэлектретами с высоким удельным отрицательным зарядом, а пластины 6, жестко связанные с лопатками 1, выполнены из металла и соединены с источником высокого напряжения. Место контакта штока 7 толкателя 3 и корпуса 2 снабжено моноэлектретами 8, которые отталкиваясь силами кулона снижают трение при движении штока 7 относительно корпуса 2. При необходимости лопатки 1 помещаются в закрытый кожух 9.

При использовании устройства в качестве пропеллера кожух 9 не нужен. Пластины 6 получают заряд от потенциала источника высокого напряжения 10, запитанного через пульт управления 11 от источника низкого напряжения 12, например аккумуляторной батареи или суперконденсатора. Заряд-разряд пластин 6 осуществляется с помощью коммутационного устройства 13 с управлением коммутатором одним из известных способов.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении пластины 6 прижаты друг к другу с помощью пружин 4. Для запуска двигателя от источника высокого напряжения 10 под- ключается отрицательный потенциал на металлические пластины 6, которые получают заряд одинаковый с зарядом моноэлектретов других пластин, выполненных на толкателе 3. Пластины 6, а вместе с ними лопатки 1 и толкатели 3, отталкиваются друг от друга, что служит началом раскрутки ротора. При этом растягиваются пружины 4.

При растяжении пружин 4 силы, препятствующие отталкиванию, увеличиваются, а силы отталкивания между лопатками 1 и толкателем 3 уменьшаются по закону Кулона из-за увеличения расстояния между пластинами 6. При равенстве этих сил удаление толкателя 3 от корпуса лопаток 1 прекратится. В это время одним из известных способов отрицательный заряд с пластин 6 с помощью коммутатора 13 снимается, силы отталкивания исчезают и пружины 4 подтягивают пластины 6 в исходное, контактное положение.

Далее следует очередной цикл заряд-разряд пластин 6 с помощью коммутатора 13. Управление коммутатором, например, может осуществляться автоматически, управлением управляющего напряжения на коммутаторе по времени, по программе, с учетом времени, вычисленного теоретически и практически заранее, необходимого для заряда пластин 6. При увеличении или уменьшении потенциала, подаваемого на пластины 6, вносится коррекция в работу коммутатора 13.

Возможности устройства оцениваются из следующего. Приближенно силы отталкивания пластин 7,9 по формуле Кулона F=K₁ ⋅ q₁q₂/r², где K — коэффициент в системе СИ=9⋅10⁹

q₁ (заряд)=q₂=K₁S, K₁ для моноэлектретов из известных источников можно взять 5⋅10^-4 Кл/м.

Такую же плотность заряда можно создать на металлических пластинах 9.

При размере пластин 10 см × 15 см.

q₁=q₂=5 ⋅ 10^-4×0,1×0,15=0,075 ⋅ 10^-4Кл, тогда на расстоянии между пластинами 7,9 (r)=10 мм

F=9⋅10⁹ ⋅ 0,075⋅10^-4⋅0,075 ⋅ 10^-4/(10^-2)²≈4500Н

При движении 2^х пластин относительно друг друга от 0 до 20 мм и средней величине силы отталкивания в 4000Н, частоте f=50 Гц

Р (мощность) = F ⋅ L ⋅ f = 4000 × 0,02 × 50 = 4000 кгс ⋅ м/с ≈ 40 кВт

С учетом погрешности закона Кулона для пластин (краевой эффект) Р (мощность) меньше.

Электробезопасность осуществляется известными способами защиты, размещением источника высокого напряжения вблизи пластин, применением моноэлектретов.

Найдет применение везде, во всех отраслях техники, где требуются электродвигатели простой конструкции и с высоким КПД.

Электростатический двигатель, содержащий высоковольтный источник напряжения с питанием от низковольтного источника, пластины, соединенные с источником высокого напряжения, подвижный ротор, механизм преобразования поступательного движения во вращательное, отличающийся тем, что ротор состоит из лопаток, размещенных на валу двигателя, в корпусе которых выполнен механизм движения в виде толкателя из основания и штока, сопряженного с лопатками пружинами и пластинами, при этом часть пластин выполнена из металла и соединена с источником высокого напряжения, другая часть пластин выполнена в виде моноэлектретов.

Для умелых рук

Конструкторы считают, что у электростатического двигателя, несомненно, большое практическое будущее. Они мечтают собрать малогабаритный быстроходный «плоский» двигатель для вертолета, работающий от энергии грозового облака. Бесшумный и экономичный электростатический моторчик — неплохое дополнение к будущим разработкам моделей компрессоров, вентиляционных устройств и лентопротяжных механизмов магнитофонов.

 

Модель такого двигателя сконструировали и собрали на Мелитопольской станции юных техников под руководством преподавателя Н.С.Трахтенберга.

 

Рис 1

Модель двигателя состоит из двух узлов: блока питания и самого двигателя.(Рис 1) Блок питания должен обеспечивать ток 3-4 мА при напряжении 10-15 кВ. Для получения высокого напряжения можно использовать без существенных переделок блок строчной развертки от любого старого телевизора. Однако лучше собрать автономный полупроводниковый высоковольтный преобразователь напряжения.

Этот прибор работает от двух батареек для карманного фонаря КБС 0.5 (3336Л), соединенных последовательно. Трансформатор Тр1 и транзистор Т1 образуют генератор незатухающих колебаний в диапазоне звуковых частот. На обмотке III трансформатора Тр1 индуктируется переменный ток напряжением 7-10кВ, а обмотки I и IV подключены к нитям накала (катодам) высоковольтных кенотронов Л1 и Л2 типа 1Ц1С, работающих в выпрямителе, собранном по схеме удвоения напряжения.

Трансформатор преобразователя — самодельный. Его обмотки выполняются на сердечнике, составленном из двух ферритовых полуколец от отклоняющей системы телевизора.

Сначала из гетинакса или оргстекла выпилите 12-14 щечек так, чтобы в их отверстия проходили половинки ферритового сердечника. Равномерно распределите их на двух полукольцах и закрепите клеем.

В одном промежутке между щечками разместите обмотку I, которая состоит из 40+40  витков провода ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0.35-0.6 мм. В двух соседних секциях уложите по 7 витков такого же провода для обмоток II и IV. Остальные секции полуколец заполните проводом ПЭЛ или ПЭВ 0.08-0.1. В каждой секции по 1800-2000 витков, а всего обмотка III должна иметь 15000-20000 витков. Перед выполнением обмоток ферритовое кольцо тщательно заизолируйте прокладкой из хлорвиниловой или полистироловой пленки. Концы катушек закрепите в отверстиях щечек. После выполнения обмоток ферритовые полукольца склейте клеем БФ-2, а катушки пропитайте полистироловым клеем или органическим стеклом, растворенным в дихлорэтане.

Рис.2

Конденсаторы С1-С3 емкостью 390 пф типа ПОВ рассчитаны на рабочее напряжение не менее 15 кВ. Сопротивление резистора R1 подбирается экспериментально при регулировке схемы.

Мощный низкочастотный транзистор Т1 типа П209-П210 укрепите на металлическом радиаторе из алюминия или меди и разместите подальше от кенотронов. Все детали блока питания монтируются на панели произвольных размеров из оргстекла или гетинакса. Сверху панель закрывается кожухом с отверстиями.(Схему другого высоковольтного генератора можно выбрать здесь).

Конструкция электростатического двигателя показана на рисунке 2. Статор вырежьте из пластины гетинакса толщиной 10-12 мм. Диаметр его внутреннего отверстия 100 мм. По периметру статора на равных расстояниях друг от друга запрессовано 16 электродов из латуни. К этим электродам подводиться напряжение от преобразователя.

Все четные электроды соединяются между собой одним проводником и подключаются к одному выводу выпрямителя, а нечетные соединяются  другим проводником и подключаются к другому выводу.

Ротор выточите оз органического стекла. Он имеет форму диска диаметром 80 мм и толщиной 3-4 мм. В центре диска запрессован миниатюрный шариковый подшипник. Ротор двигателя тщательно отбалансируйте, чтобы он находился в равновесии. Ось ротора крепиться к кронштейну из гетинакса, который в свою очередь, соединяется со статором.

Латунные электроды статора отогните в одну сторону. Между концами электродов и ротором необходим зазаор 0.5-0.7 мм.

Когда на электроды подается высокое напряжение, между ними возникает электрическое поле. Это поле поляризует диэлектрик, из которого состоит ротор. Поляризация диэлектрика способствует стеканию электрических зарядов с электродов на ротор. заряды приходят в движение под действием сил поля и создают крутящий момент.

 По мере поворота ротора оказываются у электрода с противоположной полярностью. Сила, удерживающая заряд на ободе ротора, становиться минимальной. Это способствует переходу заряда на электрод противоположной полярности, и в цепи появляется электрический ток. на участке цепи между электродами заряды «транспортируются» вращающимся ротором. Скорость вращения двигателя стабильна и зависит от числа электродов и величины напряжения, подаваемого на них.

Мощность электростатического двигателя можно значительно повысить, если наклеить на обод ротора узкие полоски алюминиевой фольги, расстояние между которыми должно быть не менее, чем расстояние между концами электродов.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ЛИТОВЧЕНКО. 

Сергей Сергеевич Литовченко, высокий, стройный, загорелый, под пятьдесят, кандидат технических наук, заслуженный изобретатель РСФСР, автор 60 изобретений, буднично открывает портфель, вынимает несколько деталей размером с миску, легко соединяет их и втыкает штепсельную вилку в розетку сети. Так и подмывает побиться с ним об заклад, что самоделка не заработает. Очень уж она неказиста и нехитра с виду. Посмотрите, как устроен один из двигателей, а их у изобретателя с десяток (рис. 1).

Рис. 1. Устройство нового двигателя: статор, выпрямитель и роторы — диэлектрический и металлический. Статор — это пластиковый цилиндр с электродами (проволоками) внутри, на которые поочередно поданы высокие потенциалы разного знака (красный и синий цвета).

Обычный цилиндр из капролона высотой 54 мм. На его внутренней поверхности диаметром 146 мм вдоль оси равномерно и по отдельности уложено 36 бронзовых проволок диаметром по 0,8 мм. На половину из них от выпрямителя подается высокий потенциал положительного знака, а на другую половину отрицательного. В полость цилиндра вставляется опять-таки капролоновая болванка без каких-либо электродов высотой 40 мм, диаметром 140 мм и массой 200 г. Впрочем, можно воспользоваться и алюминиевой звездочкой с 36 лучами. Вот и все премудрости.

Если вы знакомы с электротехникой, то на ум приходит ближайший аналог электростатический двигатель (рис. 2). Там тоже на статор подается высокое напряжение, но его надо подать и на ротор. А, кроме того, естественно, нужны щетки, чтобы при провороте ротора его полудиски перезарядились и снова оттолкнулись от пластинок статора.

Рис. 2. В обычном электростатическом двигателе полудиски ротора Р1 и Р2 отталкиваются от неподвижных пластинок статора C1 и С2. Щетки меняют заряды на полудиках ротора, и направление момента вращения остается неизменным.

На исключительно важной роли щеток, пожалуй, следует остановиться особо. Ведь, по существу, нам известны электромашины только переменного тока (или заряда). Машины постоянного тока (или заряда) получают из первых, дополняя их выпрямителями, механическими или электрическими. Это и понятно: немыслимо длительное время толкать ротор в одну и ту же сторону силами одного и того же тока (или заряда) либо машина должна стать неприемлемо большой, либо ток (заряд) должен быть чудовищно велик. Итак, бесщеточных машин просто быть не может, и эта истина уже многие десятки лет считается раз и навсегда доказанной. Сотни теоретиков, тысячи изобретателей сами убедились в ее правоте и убедили электриков всех последующих поколений…

Самый простой вентилятор: его ротор вращается между электродами с постоянным напряжением.

Но «чудо» все же происходит. В капролоновом цилиндре-статоре со скрипом и легким шелестом начинает набирать обороты капролоновая болванка ротор, который через несколько секунд превращается в бешено вращающийся овал. Между ротором и электродами статора проскакивают искорки, от моторчика попахивает озоном, как при грозе. Если погасить свет, кольцеобразный зазор таинственно мерцает, тихонько потрескивают электрические разряды.

Вал двигателя можно, хотя и с трудом, затормозить пальцами, ведь крутящий момент не превышает 40 — 80 Гсм. Остановленный ротор на ощупь холоден, да это и не удивительно: разные модификации двигателя потребляют мощности 4 — 6 Вт при очень малых токах (0,2 — 0,6 мА), но зато при высоких напряжениях (1 — 8 кВ).

 «Ротор может вращаться в любую сторону», — говорит изобретатель. Он задерживает вал и прокручивает его в обратном направлении. Болванка снова, чуть поскрипывая, набирает бешеные обороты, 25 — 40 в секунду. Затем Сергей Сергеевич демонстрирует нам и другие машинки, созданные им совместно с Н. Тимченко. Мы соглашаемся, что дело не меняется от того, сделан ротор из диэлектрика или из металла. Только в первом случае цилиндры могут быть гладкими, а во втором обязательно лучевыми, звездообразными, словно велосипедное колесо со спицами, но без обода. Кстати, если ротор звездочка, то некоторая ориентация ее лучей способствует предпочтительному вращению в одну сторону, но противоположное перемещение по-прежнему не запрещается. Разряды с электродов статора обычно стекают навстречу движущимся точкам ротора.

Чем же поражают эти двигатели? Ну, во-первых, отсутствием щеток. Стало быть, при эксплуатации не надо беспокоиться об их истирании, изломе, износе, о потерях за счет кругового огня на коллекторе. Во-вторых, своей предельной простотой: вал с подпятниками, да статор с электродами. В-третьих, быстротой вращения ротора, причем в любую сторону куда пожелаете. Вполне возможно, что число оборотов удастся повысить еще больше, поскольку здесь нет вращающегося поля, как в машинах переменного тока, ограничений на такое увеличение не предвидится.

Теперь оставим фактическую сторону вопроса: как работает двигатель (хотя Литовченко, Тимченко и подключившиеся к их исследованиям десятки специалистов уже собрали солидный экспериментальный материал). Пора ступить на зыбкую тропу гипотез: почему же он, собственно, работает? И профессионалы, и любители от науки высказали немало догадок о причинах вращения роторов. Если отбросить предположения, в которых непонятное явление описывается гораздо более непонятными воздействиями «черных дыр», пульсациями гравитационного поля, неоднородностями физического вакуума, то останется 5 — 6 добротных инженерных мнений. Вкратце о них можно сказать следующее.

По одному из предположений, сила вращения объясняется эффектом, обнаруженным Г. Герцем в 1881 году и подробно описанным его соотечественником Г. Квинке через 15 лет. Этот эффект уже неплохо изучили ученые Москвы и Минска, занятые магнитогидродинамическими машинами, жидкостными электронасосами.

 Его суть сводится к спонтанному вращению диэлектрического образца в электрическом поле из-за того, что жидкая, так называемая электрореологическая, среда поляризуется, а потом смещается кулоновскими силами поля, увлекая за собой ротор. Но расчеты показывают: эти силы тяги куда меньше тех, что развивает необычный мотор. К тому же эффект Герца Квинке проявляется при много больших напряжениях (10 — 20 кВ). И еще: если на образец нанести тонкое металлическое покрытие, эффект исчезнет, а у Литовченко отлично крутятся алюминиевые звездочки. Наконец, здесь нет и речи о какой-либо специальной жидкости.

Точно так же отпадает вторая гипотеза об электрическом ветре, якобы стекающем с ротора и тянущем его реактивными силами. Ведь заряды стекают с электродов статора навстречу движению ротора, а с ротора по ходу движения. И в том, и другом случаях они должны тормозить ротор. Опять же у потоков плазмы столь малое количество движения, что оно не может быть причиной вращения, для которого, как показали измерения, создаются силы примерно 10 Г.

Еще уязвимее третье объяснение принципа действия нового мотора. Сторонники этого мнения вспоминают об опытах Отто фон Герике, вошедшего в историю своими магдебургскими полушариями (две четверки лошадей не могли разъять отвакуумированные полусферы, прижатые друг к другу атмосферным давлением). Так вот, в 1660 году Герике наэлектризовал ладонью серный шар с голову ребенка. Пушинки притягивались, а, коснувшись шара, отталкивались. Об электрическом танце бумажек знал И. Ньютон. Сегодня хорошо известно, что в электрическом поле тела поляризуются и притягиваются к заряду, источнику поля. Коснувшись, они заряжаются одноименно и потому отталкиваются.

Поначалу и сам Литовченко пытался использовать электростатическую индукцию «в лоб». Металлический шарик, бумажная лента, текстолитовая палочка метались туда-сюда между пластинами конденсатора (рис.3), В одной из ранних статей (С.С. Литовченко, Н. М. Тимченко. «Явление непосредственного преобразования электрической энергии в механическую». Техника средств связи, вып. 7, 1978) описано, что от колебательного движения действительно удалось перейти к вращательному.

Рис. 3. Электрический метроном: между пластинами плоского конденсатора шарик поляризуется, притягивается к ближайшей из них, заряжается и отталкивается, касается другой, перезаряжается и снова отталкивается и т. д. Здесь можно посмотреть видеоролик эксперимента.

Но как это могло случиться? — вот в чем вопрос. Казалось, что проскоки обеспечиваются инерцией и упругостью ротора. Но если бы ротор смещался за счет притяжения к статору наведенных зарядов, то, поколебавшись и затратив на трение первичный импульс, он, в конце концов, занял бы устойчивое положение, электрод против электрода, попав в потенциальную яму. Но этого нет, ротор раскручивается, стало быть, действуют какие то другие силы. Вот их то и надо найти.

Еще одну, четвертую, гипотезу можно назвать «разряд как щетка». Наведенный заряд после приближения к электроду статора якобы стекает с ротора, а тот, уже нейтральный, по инерции прокручивается дальше. Следующий, очередной электрод вновь наводит на роторе заряды и притягивает их к себе вместе с ним. Они опять стекают, ротор проскакивает и т. д.

Бесспорно, столь «умно» ведя себя, разряд действительно сыграет роль электрощетки, дергая ротор в одну сторону. Если бы это было на самом деле, изобретение такого разрядного выпрямителя принесло бы в технике немало пользы. Что-то не видно причин предпочтительной односторонней зарядки-разрядки, да и распределение зарядов на статоре и роторе должно быть строго равномерным.

С другой стороны, полупериодный разрядный выпрямитель кажется правдоподобным. Ведь сочетание напряжений, токов и зазоров в новом двигателе как раз соответствует зоне зажигания самостоятельного разряда в воздухе (так называемая кривая Пашена). Мало того, работа двигателя явно зависит от погоды: давления, влажности, температуры. Это ли не свидетельство «разрядной» причины вращения, подтверждение коммутаторной роли тлеющего разряда?

Но не менее убедительно считать, что разряды просто маскируют истинные причины смещения ротора. Мало того, разрядные токи ухудшают экономичность работы двигателя: в одной из моделей механическая мощность на валу равна 0,16 Вт, а от высоковольтного источника потребляется 4,8 Вт. Несложно видеть, что КПД не превышает 3,4%. Конечно, для массового двигателя эта цифра мизерна. Вот бы убрать разряды с электродов статора! Если ротор будет крутиться по-прежнему, значит, гипотеза «разряд как щетка» отпадает. К тому же КПД неминуемо вырастет!

Пятое предположение появляется на базе следующих данных. Измерения, проделанные Литовченко, показали, что установившиеся обороты двигателя зависят от квадрата напряжения на электродах. Растет напряжение вдвое, обороты возрастают в 4 раза. Мало того, и вращающий момент на валу также пропорционален квадрату напряжения. Вывод очевиден: величины зарядов на статоре и роторе прямо зависят от напряжения. А следовательно, силы вращения зависят от произведения зарядов, то есть причина появления этих сил явно кулоновская. Попросту говоря, именно притяжение зарядов на электродах статора и зарядов, как-то наведенных на роторе, обеспечивает раскрутку. Теперь надо бы отыскать причину уменьшения этих сил после того, как луч ротора минует электрод статора. Но причина эта уже известна давно. Заряды на электродах статора вовсе не постоянны во времени, они беспрерывно пульсируют, ибо меняются электрические параметры цепи высокого напряжения!

Каждый луч ротора меняет емкость зазора между соседними электродами. Значит, в цепи статора потечет ток, подзаряжающий электроды. Частота пульсации тока зависит от емкости и индуктивности контура, а также жестко связана с оборотами ротора. Когда фазы электрических и механических колебаний окажутся смещенными на 20-30⁰, подтягивание ротора станет сильнее торможения и он ускорится.

 

Если это все верно, то есть напряжение на электродах статора меняется циклично с зазором, то Литовченко изобрел автоколебательную электромеханическую систему, состоящую из ротора и электрической цепи статора. Примерно такой преобразователь изображен на рисунке 4. Источник энергии — выпрямитель или заряженный конденсатор (проверено на опыте). Возбуждаются колебания тока в статоре за счет «наведения зарядов на лучах ротора. Луч ротора втягивается в зазор, емкость статорного контура растет, заряд статорных электродов увеличивается, сила притяжения ротора статором становится больше.

Наконец луч ротора проскакивает электрод статора, силы между ними ослабевают, потому что заряд спадает по величине. Ротор раскручивается все быстрее, пока трение в осях не уравновесит момент вращения. Несложно видеть, что в статорной цепи устанавливаются мало затухающие колебания тока, зависящие в основном от напряжения, числа электродов, инерции ротора и трения в осях. Все это можно измерить экспериментальным путем, примерно этим и заняты заинтересованные специалисты.

Рис. 4. Автоколебательный электромеханический преобразователь с самовозбуждением за счет электростатического наведения: а)расчетная модель, б)колебания тока в статоре, в)механическое вращение ротора с частотой w, г) фазовая плоскость «ток — заряд конденсатора».

Общая математическая теория автоколебаний разработана детально, но аналитические решения нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка удаются нечасто. Автоколебательные преобразователи применяются весьма широко это анкерные часовые механизмы, радиотехнические ламповые генераторы колебаний. В некоторой степени новый двигатель можно уподобить параметрическому генератору, построенному в 1932 году Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси. И тут и там меняются емкости контура, правда, по разным причинам. Энергия забирается либо от механического привода, либо от высоковольтного источника. Очевидна аналогия нового двигателя и с механизмами, использующими вынужденные колебания, только вместо навязывания заданной частоты электрическим источником она подбирается сама собой вместе с механической частотой вращения ротора.

 

Любопытно, что в опытах Литовченко столбики масла или подкрашенного воздуха колеблются около электродов, стало быть, в статорной цепи токи пульсируют. Нетрудно заметить, в последних рассуждениях о принципе работы двигателя мы исходили из того, что ротор металлический, звездообразный. Если же ротор диэлектрическая болванка, то картина хотя и становится несколько сложнее, но не теряет своей наглядности. При вращении сплошной ротор сильно деформируется, стало быть, зазоры меняются, а вместе с ними и емкость. Механизм действия остается тем же, но частоты автоколебаний выше, а фазы и амплитуды меньше. Разделять диэлектрический ротор на части нет нужды, он сам вибрирует, деформируется и гнется. Кстати, вот почему при работе двигателя слышны щелчки, скрипы и удары от зацеплений.

Итак, похоже, что изобретен бесколлекторный автоколебательный преобразователь электрической и механической энергии. В нем оригинально меняется емкость колебательного контура, за счет электростатической индукции. Удачно подобраны форма и материал роторов эмпирическим путем выполнено необходимое условие самовозбуждения: ведь жесткий массивный ротор неизбежно остановится, попав в равновесное положение.

Плохо то, что у конструкции низкий КПД, но это, как говорится, дело наживное всегда отыщутся способы повышения экономичности работы. Даже если устранить разряды, потери на трение в осях ротора и электрические потери в статорном контуре останутся. Обороты двигателя довольно стабильны, но давать нагрузку на вал опасно: из-за мягкой нагрузочной характеристики резонансного типа (резонанс напряжений) обороты резко изменяются. Вот почему силовые электродвигатели могут и не получиться, хотя в принципе ничто не мешает ввести быстродействующее регулирование напряжения на статоре. Возможно, что новые преобразователи найдут себе место в слаботочной технике в виде генераторов колебаний, регуляторов, стабилизаторов электрической частоты, задатчиков механических оборотов.

Но не забудьте все это лишь предположения. Поиски продолжаются. Придя домой после работы, Литовченко запирается в ванной комнате, где что-то паяет, вытачивает и клеит. Его засыпали письмами энтузиасты. К исследованиям подключились десятки научных лабораторий. И вот последние новости из Калуги: если на статор подать не постоянное, а переменное напряжение, двигатель работает лучше!

Подача переменного напряжения на электроды статора чрезвычайно расширит круг потребителей нового двигателя, потому что теперь оказываются излишними выпрямители. Упрощение и удешевление и без того недорогой конструкции значительное, а физика процесса от этого вряд ли меняется. Действительно, в промышленности переменным считается напряжение, величина которого пульсирует 50 раз в секунду. Для нас эта частота представляется огромной, но для электронов, создающих электрические токи, она почти незаметна. Поэтому столь медленно меняющиеся электрические поля все равно принято считать статическими, точнее квазистатическими. Вот почему в поисках объяснения принципа работы двигатель Литовченко по-прежнему остается в классе машин электростатических, а лучше квазиэлектростатических.

Может показаться, что вся эта история с калужским изобретением не столь уж важна, чтобы уделять ему много внимания. Но нет, работу Литовченко, скажем прямо, следует считать незаурядной, по крайней мере по трем причинам.

Во-первых, в электротехнике что-то не видно электрических машин столь же простой конструкции. Самые массовые двигатели, на плечах которых поистине держится вся промышленность мира, асинхронные. В них ротор предельно прост, его без особой натяжки можно назвать металлической болванкой. А машинки Литовченко проще! Это ли не событие? Поскольку в них вообще нет никаких обмоток, отпадает надобность в электроизоляции проводников самой трудоемкой работе при изготовлении электродвигателей любого типа.

Второй довод: кулоновские силы неизмеримо больше магнитных, но это преимущество обычно не используется из-за трудностей удержания зарядов на проводниках. Пробой изоляционных промежутков сводит на нет все достоинства электростатических машин. Досадно, но располагаемые нами материалы не позволяют широко использовать силы Кулона, и мы вынуждены обходиться куда меньшими силами Ампера Лоренца.

Отсюда как раз проистекает третий довод в пользу нового электромотора: электротехника неминуемо сместится в сторону пополнения электростатическими конструкциями, радикально изменив свой облик в ближайшие десятилетия. С помощью электростатических полей инженеры уже научились окрашивать, прясть, изготавливать искусственный ворс, улавливать пыль дымовых газов, но это лишь первые весточки грядущий весны под названием «электротехнология».

ВЛАДИМИР ОКОЛОТИН

Техника — молодежи, 1982г.

Смотрите также:
Передачи электроэнергии вдоль одножильного проводника

 Электростатический двигатель-принцип работы

 

 

Электродвигатели нового типа

Электродвигатели нового типа   Сергей Сергеевич Литовченко, высокий, стройный, загорелый, под пятьдесят, кандидат технических наук, заслуженный изобретатель РСФСР, автор 60 изобретений, буднично открывает портфель, вынимает несколько деталей размером с миску, легко соединяет их и втыкает штепсельную вилку в розетку сети. Так и подмывает побиться с ним об заклад, что самоделка не заработает. Очень уж она неказиста и нехитра с виду. Посмотрите, как устроен один из двигателей, а их у изобретателя с десяток (рис. 1). Рис. 1. Устройство нового двигателя: статор, выпрямитель и роторы — диэлектрический и металлический. Статор — это пластиковый цилиндр с электродами (проволоками) внутри, на которые поочередно поданы высокие потенциалы разного знака (красный и синий цвета).   Обычный цилиндр из капролона высотой 54 мм. На его внутренней поверхности диаметром 146 мм вдоль оси равномерно и по отдельности уложено 36 бронзовых проволок диаметром по 0,8 мм. На половину из них от выпрямителя подается высокий потенциал положительного знака, а на другую половину отрицательного. В полость цилиндра вставляется опять-таки капролоновая болванка без каких-либо электродов высотой 40 мм, диаметром 140 мм и массой 200 г. Впрочем, можно воспользоваться и алюминиевой звездочкой с 36 лучами. Вот и все премудрости. Если вы знакомы с электротехникой, то на ум приходит ближайший аналог электростатический двигатель (рис. 2). Там тоже на статор подается высокое напряжение, но его надо подать и на ротор. А, кроме того, естественно, нужны щетки, чтобы при провороте ротора его полудиски перезарядились и снова оттолкнулись от пластинок статора. Рис. 2. В обычном электростатическом двигателе полудиски ротора Р1 и Р2 отталкиваются от неподвижных пластинок статора C1 и С2. Щетки меняют заряды на полудне ках ротора, и направление момента вращения остается неизменным.   На исключительно важной роли щеток, пожалуй, следует остановиться особо. Ведь, по существу, нам известны электромашины только переменного тока (или заряда). Машины постоянного тока (или заряда) получают из первых, дополняя их выпрямителями, механическими или электрическими. Это и понятно: немыслимо длительное время толкать ротор в одну и ту же сторону силами одного и того же тока (или заряда) либо машина должна стать неприемлемо большой, либо ток (заряд) должен быть чудовищно велик. Итак, бесщеточных машин просто быть не может, и эта истина уже многие десятки лет считается раз и навсегда доказанной. Сотни теоретиков, тысячи изобретателей сами убедились в ее правоте и убедили электриков всех последующих поколений… На рисунке изображен самый простой вентилятор: его ротор вращается между электродами с постоянным напряжением.   Но «чудо» все же происходит. В капролоновом цилиндре-статоре со скрипом и легким шелестом начинает набирать обороты капролоновая болванка ротор, который через несколько секунд превращается в бешено вращающийся овал. Между ротором и электродами статора проскакивают искорки, от моторчика попахивает озоном, как при грозе. Если погасить свет, кольцеобразный зазор таинственно мерцает, тихонько потрескивают электрические разряды. Вал двигателя можно, хотя и с трудом, затормозить пальцами, ведь крутящий момент не превышает 40 — 80 Гсм. Остановленный ротор на ощупь холоден, да это и не удивительно: разные модификации двигателя потребляют мощности 4 — 6 Вт при очень малых токах (0,2 — 0,6 мА), но зато при высоких напряжениях (1 — 8 кВ). «Ротор может вращаться в любую сторону», — говорит изобретатель. Он задерживает вал и прокручивает его в обратном направлении. Болванка снова, чуть поскрипывая, набирает бешеные обороты, 25 — 40 в секунду.   Затем Сергей Сергеевич демонстрирует нам и другие машинки, созданные им совместно с Н. Тимченко. Мы соглашаемся, что дело не меняется от того, сделан ротор из диэлектрика или из металла. Только в первом случае цилиндры могут быть гладкими, а во втором обязательно лучевыми, звездообразными, словно велосипедное колесо со спицами, но без обода. Кстати, если ротор звездочка, то некоторая ориентация ее лучей способствует предпочтительному вращению в одну сторону, но противоположное перемещение по-прежнему не запрещается. Разряды с электродов статора обычно стекают навстречу движущимся точкам ротора.   Чем же поражают эти двигатели? Ну, во-первых, отсутствием щеток. Стало быть, при эксплуатации не надо беспокоиться об их истирании, изломе, износе, о потерях за счет кругового огня на коллекторе. Во-вторых, своей предельной простотой: вал с подпятниками да статор с электродами. В-третьих, быстротой вращения ротора, причем в любую сторону куда пожелаете. Вполне возможно, что число оборотов удастся повысить еще больше, поскольку здесь нет вращающегося поля, как в машинах переменного тока, ограничений на такое увеличение не предвидится.   Теперь оставим фактическую сторону вопроса: как работает двигатель (хотя Литовченко, Тимченко и подключившиеся к их исследованиям десятки специалистов уже собрали солидный экспериментальный материал). Пора ступить на зыбкую тропу гипотез: почему же он, собственно, работает? И профессионалы, и любители от науки высказали немало догадок о причинах вращения роторов. Если отбросить предположения, в которых непонятное явление описывается гораздо более непонятными воздействиями «черных дыр», пульсациями гравитационного поля, неоднородностями физического вакуума, то останется 5 — 6 добротных инженерных мнений. Вкратце о них можно сказать следующее.   По одному из предположений, сила вращения объясняется эффектом, обнаруженным Г. Герцем в 1881 году и подробно описанным его соотечественником Г. Квинке через 15 лет. Этот эффект уже неплохо изучили ученые Москвы и Минска, занятые магнитогидродинамическими машинами, жидкостными электронасосами. Его суть сводится к спонтанному вращению диэлектрического образца в электрическом поле из-за того, что жидкая, так называемая электрореологическая, среда поляризуется, а потом смещается кулоновскими силами поля, увлекая за собой ротор. Но расчеты показывают: эти силы тяги куда меньше тех, что развивает необычный мотор. К тому же эффект Герца Квинке проявляется при много больших напряжениях (10 — 20 кВ). И еще: если на образец нанести тонкое металлическое покрытие, эффект исчезнет, а у Литовченко отлично крутятся алюминиевые звездочки. Наконец, здесь нет и речи о какой-либо специальной жидкости.   Точно так же отпадает вторая гипотеза об электрическом ветре, якобы стекающем с ротора и тянущем его реактивными силами. Ведь заряды стекают с электродов статора навстречу движению ротора, а с ротора по ходу движения. И в том, и другом случаях они должны тормозить ротор. Опять же у потоков плазмы столь малое количество движения, что оно не может быть причиной вращения, для которого, как показали измерения, создаются силы примерно 10 Г.   Еще уязвимее третье объяснение принципа действия нового мотора. Сторонники этого мнения вспоминают об опытах Отто фон Герике, вошедшего в историю своими магдебургскими полушариями (две четверки лошадей не могли разъять отвакуумированные полусферы, прижатые друг к другу атмосферным давлением). Так вот, в 1660 году Герике наэлектризовал ладонью серный шар с голову ребенка. Пушинки притягивались, а, коснувшись шара, отталкивались. Об электрическом танце бумажек знал И. Ньютон. Сегодня хорошо известно, что в электрическом поле тела поляризуются и притягиваются к заряду, источнику поля. Коснувшись, они заряжаются одноименно и потому отталкиваются.   Поначалу и сам Литовченко пытался использовать электростатическую индукцию «в лоб». Металлический шарик, бумажная лента, текстолитовая палочка метались туда-сюда между пластинами конденсатора (рис. 3), В одной из ранних статей (С. С. Литовченко, Н. М. Тимченко. «Явление непосредственного преобразования электрической энергии в механическую». Техника средств связи, вып. 7, 1978) описано, что от колебательного движения действительно удалось перейти к вращательному. Р и с. 3. Электрический метроном: между пластинами плоского конденсатора шарик поляризуется, притягивается к ближайшей из них, заряжается и отталкивается, касается другой, перезаряжается и снова отталкивается и т. д.   Но как это могло случиться? — вот в чем вопрос. Казалось, что проскоки обеспечиваются инерцией и упругостью ротора. Но если бы ротор смещался за счет притяжения к статору наведенных зарядов, то, поколебавшись и затратив на трение первичный импульс, он, в конце концов, занял бы устойчивое положение, электрод против электрода, попав в потенциальную яму. Но этого нет, ротор раскручивается, стало быть, действуют какие то другие силы. Вот их то и надо найти.   Еще одну, четвертую, гипотезу можно назвать «разряд как щетка». Наведенный заряд после приближения к электроду статора якобы стекает с ротора, а тот, уже нейтральный, по инерции прокручивается дальше. Следующий, очередной электрод вновь наводит на роторе заряды и притягивает их к себе вместе с ним. Они опять стека ют, ротор проскакивает и т. д.   Бесспорно, столь «умно» ведя себя, разряд действительно сыграет роль электрощетки, дергая ротор в одну сторону. Если бы это было на самом деле, изобретение такого разрядного выпрямителя принесло бы в технике немало пользы. Что-то не видно причин предпочтительной односторонней зарядки-разрядки, да и распределение зарядов на статоре и роторе должно быть строго равномерным. С другой стороны, полупериодный разрядный выпрямитель кажется правдоподобным. Ведь сочетание напряжений, токов и зазоров в новом двигателе как раз соответствует зоне зажигания самостоятельного разряда в воздухе (так называемая кривая Пашена). Мало того, работа двигателя явно зависит от погоды: давления, влажности, температуры. Это ли не свидетельство “разрядной” причины вращения, подтверждение коммутаторной роли тлеющего разряда? Но не менее убедительно считать, что разряды просто маскируют истинные причины смещения ротора. Мало того, разрядные токи ухудшают экономичность работы двигателя: в одной из моделей механическая мощность на валу равна 0,16 Вт, а от высоковольтного источника потребляется 4,8 Вт. Несложно видеть, что КПД не превышает 3,4%. Конечно, для массового двигателя эта цифра мизерна. Вот бы убрать разряды с электродов статора! Если ротор будет крутиться по-прежнему, значит, гипотеза “разряд как щетка” отпадает. К тому же КПД неминуемо вырастет!   Пятое предположение появляется на базе следующих данных. Измерения, проделанные Литовченко, показали, что установившиеся обороты двигателя зависят от квадрата напряжения на электродах. Растет напряжение вдвое, обороты возрастают в 4 раза. Мало того, и вращающий момент на валу также пропорционален квадрату напряжения. Вывод очевиден: величины зарядов на статоре и роторе прямо зависят от напряжения. А следовательно, силы вращения зависят от произведения зарядов, то есть причина появления этих сил явно ку-лоновская. Попросту говоря, именно притяжение зарядов на электродах статора и зарядов, как-то наведенных на роторе, обеспечивает раскрутку. Теперь надо бы отыскать причину уменьшения этих сил после того, как луч ротора минует электрод статора. Но причина эта уже известна давно. Заряды на электродах статора вовсе не постоянны во времени, они беспрерывно пульсируют, ибо меняются электрические параметры цепи высокого напряжения!   Каждый луч ротора меняет емкость зазора между соседними электродами. Значит, в цепи статора потечет ток, подзаряжающий электроды. Частота пульсации тока зависит от емкости и индуктивности контура, а также жестко связана с оборотами ротора. Когда фазы электрических и механических колебаний окажутся смещенными на 20—30°, подтягивание ротора станет сильнее торможения и он ускорится. Если это все верно, то есть напряжение на электродах статора меняется циклично с зазором, то Литовченко изобрел автоколебательную электромеханическую систему, состоящую из ротора и электрической цепи статора. Примерно такой преобразователь изображен на рисунке 4. Источник энергии — выпрямитель или заряженный конденсатор (проверено на опыте). Возбуждаются колебания тока в статоре за счет «наведения зарядов на лучах ротора. Луч ротора втягивается в зазор, емкость статорного контура растет, заряд статорных электродов увеличивается, сила притяжения ротора статором становится больше. Наконец луч ротора проскакивает электрод статора, силы между ними ослабевают, потому что заряд спадает по величине. Ротор раскручивается все быстрее, пока трение в осях не уравновесит момент вращения. Несложно видеть, что в статорной цепи устанавливаются мало затухающие колебания тока, зависящие в основном от напряжения, числа электродов, инерции ротора и трения в осях. Все это можно измерить экспериментальным путем, примерно этим и заняты заинтересованные специалисты. Р и с. 4. Автоколебательный электромеханический преобразователь с самовозбуждением за счет электростатического наведения: а) расчетная модель, б) колебания тока в статоре, в) механическое вращение ротора с частотой w, г) фазовая плоскость «ток — заряд конденсатора».   Общая математическая теория автоколебаний разработана детально, но аналитические решения нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка удаются нечасто. Автоколебательные преобразователи применяются весьма широко это анкерные часовые механизмы, радиотехнические ламповые генераторы колебаний. В некоторой степени новый двигатель можно уподобить параметрическому генератору, построенному в 1932 году Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. И тут и там меняются емкости контура, правда, по разным причинам. Энергия забирается либо от механического привода, либо от высоковольтного источника. Очевидна аналогия нового двигателя и с механизмами, использующими вынужденные колебания, только вместо навязывания заданной частоты электрическим источником она подбирается сама собой вместе с механической частотой вращения ротора.   Любопытно, что в опытах Литовченко столбики масла или подкрашенного воздуха колеблются около электродов, стало быть, в статорной цепи токи пульсируют. Нетрудно заметить, в последних рассуждениях о принципе работы двигателя мы исходили из того, что ротор металлический, звездообразный. Если же ротор диэлектрическая болванка, то картина хотя и становится несколько сложнее, но не теряет своей наглядности. При вращении сплошной ротор сильно деформируется, стало быть, зазоры меняются, а вместе с ними и емкость. Механизм действия остается тем же, но частоты автоколебаний выше, а фазы и амплитуды меньше. Разделять диэлектрический ротор на части нет нужды, он сам вибрирует, деформируется и гнется. Кстати, вот почему при работе двигателя слышны щелчки, скрипы и удары от зацеплений.   Итак, похоже, что изобретен бесколлекторный автоколебательный преобразователь электрической и механической энергии. В нем оригинально меняется емкость колебательного контура, за счет электростатической индукции. Удачно подобраны форма и материал роторов эмпирическим путем выполнено необходимое условие самовозбуждения: ведь жесткий массивный ротор неизбежно остановится, попав в равновесное положение.   Плохо то, что у конструкции низкий КПД, но это, как говорится, дело наживное всегда отыщутся способы повышения экономичности работы. Даже если устранить разряды, потери на трение в осях ротора и электрические потери в статорном контуре останутся. Обороты двигателя довольно стабильны, но давать нагрузку на вал опасно: из-за мягкой нагрузочной характеристики резонансного типа (резонанс напряжений) обороты резко изменяются. Вот почему силовые электродвигатели могут и не получиться, хотя в принципе ничто не мешает ввести быстродействующее регулирование напряжения на статоре. Возможно, что новые преобразователи найдут себе место в слаботочной технике в виде генераторов колебаний, регуляторов, стабилизаторов электрической частоты, задатчиков механических оборотов.   Но не забудьте все это лишь предположения. Поиски продолжаются. Придя домой после работы, Литовченко запирается в ванной комнате, где что-то паяет, вытачивает и клеит. Его засыпали письмами энтузиасты. К исследованиям подключились десятки научных лабораторий. И вот последние новости из Калуги: если на статор подать не постоянное, а переменное напряжение, двигатель работает лучше!   Подача переменного напряжения на электроды статора чрезвычайно расширит круг потребителей нового двигателя, потому что теперь оказываются излишними выпрямители. Упрощение и удешевление и без того недорогой конструкции значительное, а физика процесса от этого вряд ли меняется. Действительно, в промышленности переменным считается напряжение, величина которого пульсирует 50 раз в секунду. Для нас эта частота представляется огромной, но для электронов, создающих электрические токи, она почти незаметна. Поэтому столь медленно меняющиеся электрические поля все равно принято считать статическими, точнее квазистатическими. Вот почему в поисках объяснения принципа работы двигатель Литовченко по-прежнему остается в классе машин электростатических, а лучше квазиэлектростатических.   Может показаться, что вся эта история с калужским изобретением не столь уж важна, чтобы уделять ему много внимания. Но нет, работу Литовченко, скажем прямо, следует считать незаурядной, по крайней мере по трем причинам. Во-первых, в электротехнике что-то не видно электрических машин столь же простой конструкции. Самые массовые двигатели, на плечах которых поистине держится вся промышленность мира, асинхронные. В них ротор предельно прост, его без особой натяжки можно назвать металлической болванкой. А машинки Литовченко проще! Это ли не событие? Поскольку в них вообще нет никаких обмоток, отпадает надобность в электроизоляции проводников самой трудоемкой работе при изготовлении электродвигателей любого типа. Второй довод: кулоновские силы неизмеримо больше магнитных, но это преимущество обычно не используется из-за трудностей удержания зарядов на проводниках. Пробой изоляционных промежутков сводит на нет все достоинства электростатических машин. Досадно, но располагаемые нами материалы не позволяют широко использовать силы Кулона, и мы вынуждены обходиться куда меньшими силами Ампера Лоренца. Отсюда как раз проистекает третий довод в пользу нового электромотора: электротехника неминуемо сместится в сторону пополнения электростатическими конструкциями, радикально изменив свой облик в ближайшие десятилетия. С помощью электростатических полей инженеры уже научились окрашивать, прясть, изготавливать искусственный ворс, улавливать пыль дымовых газов, но это лишь первые весточки грядущий весны под названием «электротехнология». ВЛАДИМИР ОКОЛОТИН Техника — молодежи № 9, 1982 Источник: shems.h2.ru

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Яроцкий Ф.Д. 1

---

1МБОУ ДО Центр детского (юношеского) научно-технического творчества [ЦНТТ]

Шишкин Е.М. 1

---

1Лаборатория радиоэлектроники МБОУ ДО ЦНТТ

---

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

АННОТАЦИЯ

Проект посвящен исследованию принципов работы и перспектив дальнейшего развития устройства электростатических двигателей. Считаем, что электростатические двигатели, приводящиеся в работу электрическим ветром менее эффективны в космосе, так как для их работы требуется восполняемый запас газов.

Ключевые слова: электростатика, электростатические двигатели, электростатический маятник, колесо Франклина, лабораторный эксперимент.

Объект исследования в проекте:электростатика.

Предмет исследования в проекте:электростатические двигатели.

Цель проекта:экспериментально определить тип электростатического двигателя способного работать в вакууме.

Гипотеза:электростатический двигатель, работа которого основана на действии сил Кулона, способен работать в вакууме.

Задачи проекта:провести анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации по выбранной тематике; выявить физические законы и принципы, объясняющие работу электростатических двигателей; провести испытания прототипов электростатического двигателя на способность работать в вакууме.

Практическую значимость проекта мы видим в том, что мы экспериментально доказали способность некоторых электростатических двигателей работать в вакууме открытого космоса.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Интернет источник

Закон Кулона простыми словами

Интернет источник

https://dspace.kpfu.ru/xmlui/bitstream/handle/net/130799/F_fmopip2017_98_101.pdf?sequence=-1

Интернет источник

https://www.youtube.com/watch?v=XqTLp7RxcbE

Научно-исследовательская работа. Физика

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Яроцкий Фёдор Дмитриевич

Краснодарский край, город Армавир

МБУ ДО ЦНТТ 7г класс

Научный руководитель: Шишкин Евгений Маленович, почётный работник общего образования РФ, педагог доп. образования высшей категории МБУ ДО ЦНТТ г. Армавира

ВВЕДЕНИЕ

«Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство» — говорил в свое время Циолковский. Для освоения космического пространства появляется необходимость использовать двигатели, способные работать в условиях глубокого вакуума, надежные, экономичные и ремонт пригодные, использующие энергию, взятую в космосе.

Под эти характеристики подходит электростатический двигатель, принцип действия которого основан на использовании Кулоновских сил, перерабатывающий энергию космических излучений. В своей работе мы проверим способность одного из таких двигателей работать в вакууме и сравним его с похожим двигателем, но работающем на реактивной тяге ионного ветра.

Объект исследования в проекте:электростатика.

Предмет исследования в проекте:электростатические двигатели.

Цель проекта:экспериментально определить тип электростатического двигателя способного работать в вакууме.

Гипотеза:электростатический двигатель, работа которого основана на действии сил Кулона, способен работать в вакууме.

Задачи проекта:провести анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации по выбранной тематике; выявить физические законы и принципы, объясняющие работу электростатических двигателей; провести испытания прототипов электростатического двигателя на способность работать в вакууме.

Практическую значимость проекта мы видим в том, что мы экспериментально доказали способность некоторых электростатических двигателей работать в вакууме открытого космоса.

1. Отбор электростатических двигателей принцип действия, которых основан на действии только сил Кулона от двигателей, работающих на принципе ионизации газов

Рассматривая устройство электростатических двигателей, способных работать в космосе при глубоком вакууме возникла необходимость отбора двигателей, принцип действия которых основан на действии только сил Кулона [1] от двигателей, работающих по принципу ионизации газов. Для этого мы провели серию опытов, в которых под стеклянный купол с отрицательным давлением помещался электростатический маятник [2], как ярко выраженный образец электростатического двигателя, принцип действия, которых основан на действии только сил Кулона и колесо Франклина [3], как ярко выраженный двигатель, работающий на реактивной тяге электрического ветра.

Оборудование для опытов:

Вакуумная тарелка, см. приложение 1, рис. 1.

Лазерный тахометр DT-2236C, см. приложение 1, рис. 2.

Маятник с параметрами L=130 мм, А=23 мм, D=16 мм, m = 2,1 грамм.

Колесо Франклина, d=100 мм.

Вакуумный насос VN-C4, см. приложение 1, рис. 3.

Вакуумметр ТВ5, класс точности 1,5. См. приложение 1, рис. 4.

Блок высокого напряжения Разряд-1, см. приложение 2, рис. 5.

Триггерный блок управления вакуумным насосом с блоком питания, см. приложение 3, рис. 6.

Опыт №1, схема опыта представлена фотографией на рис. 7 в приложении 4.

Цель опыта: доказать, что отрицательное давление не влияет на работоспособность электростатического маятника.

Гипотеза: снижение атмосферного до отрицательного давления не влияет на частоту колебания электростатического маятника. Результаты измерения сведены в таблицу 1:

Табл. 1. Влияние отрицательного давления на

частоту колебания электростатического маятника

№ п.п	Атмосферное давление	-20 кРа	-40 кРа	-60 кРа	-80 кРа
Колебаний в минуту	157	157	157	157	157
Частота в герцах	2,62	2,62	2,62	2,62	2,62

Анализируя табл. 1 можно сделать вывод, что снижение давления, а, следовательно, и концентрации ионов газа не оказывает влияние на частоту колебаний электростатического маятника.

Опыт №2, схема опыта представлена фотографией на рис. 8 в приложении 5.

Цель опыта: доказать, что отрицательное давление влияет на работоспособность колеса Франклина.

Гипотеза: снижение атмосферного до отрицательного давления влияет на частоту вращения колеса Франклина. Результаты измерения сведены в таблицу 2:

Табл. 2. Влияние отрицательного давления на

частоту вращения колеса Франклина.

№ п.п	Атмосферное давление	-20 кРа	-40 кРа	-60 кРа	-80 кРа
Обороты в минуту	153	150,0	100,5	69,5	0
Частота в герцах	2,6	2,5	1.7	1,16	0

Анализируя табл. 2 можно заметить, что уже при давлении в -80 кРа наше колесо Франклина прекращает своё вращение.

Анализируя совместно табл. 1 и табл. 2 можно утверждать, что, помещая исследуемый двигатель в вакуум, удаётся определить, какие силы заложены в его работу, силы Кулона или работа возможна только при ионизации газов.

2. Влияние формы электростатического поля на работу электростатического маятника

Для определения влияния формы поля на работу электростатического маятника мы провели физический опыт, в котором маятник сначала колебался в вакууме между пластинами, площадь которых больше площади поперечного сечения шара, потом равных площади поперечного сечению шара, а впоследствии — меньше площади поперечного сечения шара. Схема опыта представлена фотографией на рис 7, приложение 4.

Цель опыта: экспериментально определить зависимость частоты колебания электростатического маятника от площади пластин.

Гипотеза: отношение площади пластин к площади поперечного сечения рабочего тела влияет на частоту колебания электростатического маятника.

Результаты наблюдения за колебаниями сведены в таблицу 3.

Табл. 3. Результаты наблюдения за колебаниями электростатического маятника между пластинами с различной площади

Отношение площади пластин к площади поперечного сечения шара маятника	Наблюдение за колебаниями
Больше	Колебания устойчивые
Равное	Колебания малоустойчивые
Меньше	Колебания не устойчивые

Анализируя табл. 3 можно заметить, что отношение площади пластин к площади поперечного сечения шара определяет равномерность поля, в котором происходят колебания электростатического маятника. Колебания маятника устойчивы только в равномерном электростатическом поле.

3. Определение коэффициента полезного действия электростатического маятника как двигателя способного работать в глубоком вакууме

Схема работы электростатического маятника представлена на рисунке 9:

Рис. 9. Электростатический маятник.

На схеме работы электростатического маятника (рис. 8) применены следующие сокращения: F_Тяж – сила тяжести; F_уп – сила упругости подвеса; F_рав – равнодействующая сила между F_Тяж и F_уп; L– высота подвеса рабочего тела; R – радиус рабочего тела; —Ammи +Amm – соответственно отрицательная и положительная амплитуды перемещения рабочего тела; ?h – изменение высоты относительно линии горизонта проходящей через центр рабочего тела находящегося в равновесии при его движении от —Ammк +Amm.

КПД подвеса электростатического маятника можно определить как отношение механической мощности затрачиваемой на совершение механической работы к электрической мощности , затрачиваемой на заряд пластин и рабочего тела:

; (1)

Электрическую мощность , затрачиваемую на заряд пластин и рабочего тела, определим как произведение напряжения U подводимого к пластинам на ток I, протекающий по цепи:

; (2)

Механическую мощность , затрачиваемую на перемещение рабочего тела, определим как отношение механической работы за время движения рабочего тела от точки равновесия до контакта с пластиной :

(3)

Механическую работу определим как произведение заряда рабочего тела , на напряжение, подводимое к пластинам U:

;(4)

Определим заряд рабочего тела как произведение электрической ёмкости рабочего тела C на электрический потенциал пластин в точке равновесия:

;(5)

Определим электрический потенциал пластин , относительно точки равновесия как половину напряжения подводимого к пластинам:

;(6)

Определим электрическую ёмкость рабочего тела как произведение диэлектрической проницаемости вакуума на радиус рабочего тела R:

; (7)

Подставив в выражение (4) выражение (5) будем иметь:

= ; (8)

Подставив в выражение (8) выражение (6) будем иметь:

; (9)

Подставив в выражение (9) выражение (7) будем иметь:

; (10)

Подставив в выражение (3) выражение (10) будем иметь:

;(11)

Время движения рабочего тела от точки равновесия до контакта с пластиной t соответствует половине периода колебания T – время движения от одной пластины к другой тогда:

; (12)

Подставив в выражение (11) выражение (12) будем иметь:

; (13)

Учитывая, что отношение соответствует частоте колебаний

Просмотров работы: 99

Электростатический двигатель

Изобретение относится к электростатическим двигателям, работающим в вакууме. Электростатический двигатель содержит расположенные в вакуумной емкости напротив друг друга дискообразные статор и ротор. Статор и ротор оснащены электрически изолированными первыми и вторыми электродами. Эти электроды прикреплены к опорам с чередованием по окружности. Каждые из первых и вторых электродов статора расположены с интервалом в два или более рядов на заданном расстоянии от центра вращающегося вала. Каждые из первых и вторых электродов ротора расположены на заданном расстоянии от центра вращающегося вала в промежутке между рядами первых и вторых электродов статора. К первым и вторым электродам статора прикладываются предопределенные электрические поля. К первым и вторым электродам ротора прикладываются напряжения различных полярностей. Эти напряжения переключаются согласно заданному распределению во времени. Изобретение позволяет увеличить мощность двигателя. 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электростатическому двигателю, который осуществляет приведение во вращение с использованием электростатической силы, в частности к электростатическому двигателю, который осуществляет приведение во вращение за счет выработки сильного электрического поля в вакууме.

Уровень техники

В большинстве традиционных электрических двигателей используется электромагнитная сила, создаваемая катушкой и магнитом. Также известны электростатические двигатели, которые обеспечивают приведение во вращение с использованием электростатической силы (см., например, японскую выложенную заявку на выдачу патента за № 8-88984 и работу «Study of Servo Systems using Electrostatic Motors», Akio Yamamoto и др. по электронному адресу: www.intellect.pe.u-tokyo.ac.jp/japanese/dissertationj/yamamoto.html).

Тем не менее, традиционные электрические двигатели, в которых используется электромагнитная сила, создаваемая катушкой и магнитом, производят газ в вакууме, нарушающий вакуум. Кроме того, так как в традиционных электрических двигателях используются обладающие магнитными свойствами материалы, они не могут работать в сильных магнитных полях.

Традиционные электростатические двигатели, подобные описанным выше, также производят газ в вакууме, нарушающий вакуум. В традиционных электростатических двигателях электрическое поле увеличивается за счет расположения большого числа пар электродов на изоляторе таким образом, что электроды расположены близко с промежутком. Тем не менее, при этом способе существует предрасположенность к возникновению пробоя диэлектрика, скользящему разряду, искровому разряду и прочим нежелательным явлениям. Соответственно, не может быть создано сильное электрическое поле и не может быть получена достаточная сила тяги. Следовательно, пока еще не были реализованы практически применимые электростатические двигатели.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение создано с учетом вышеизложенных недостатков. Соответственно, цель настоящего изобретения состоит в предложении электростатического двигателя, который вырабатывает сильное электрическое поле в вакууме таким образом, что он может осуществлять приведение во вращение с достаточной движущей силой.

Другая цель настоящего изобретения состоит в создании электростатического двигателя, разработанного с возможностью предотвращения пробоя диэлектрика, скользящего разряда, искрового разряда и подобных явлений с целью работы в сильном электрическом поле, а также имеющего меньший вес.

Предлагаемый электростатический двигатель имеет описанные ниже характеристики для того, чтобы разрешить вышеизложенные проблемы.

В первом аспекте настоящего изобретения предлагается электростатический двигатель, отличающийся тем, что содержит дискообразный статор и дискообразный ротор, расположенные в вакуумной емкости противоположно друг другу, причем статор прикреплен к основному корпусу вакуумной емкости, а ротор опирается с возможностью вращения на основной корпус вакуумной емкости для обеспечения свободного вращения посредством вращающегося вала, при этом статор имеет первые электроды и вторые электроды, электрически изолированные посредством изолятора и прикрепленные к опорам электродов с чередованием по окружности опор электродов, и ротор имеет первые электроды и вторые электроды, электрически изолированные посредством изолятора и прикрепленные к опорам электродов с чередованием по окружности опор электродов, причем каждые из первых и вторых электродов на стороне статора расположены с интервалом в два или более рядов на заданном расстоянии от центра вращающегося вала, и каждые из первых и вторых электродов на стороне ротора расположены на заданном расстоянии от центра вращающегося вала и в промежутке между рядами первых и вторых электродов на стороне статора, при этом к первым и вторым электродам на стороне статора прикладываются предопределенные электрические поля, а к первым и вторым электродам на стороне ротора прикладываются с переключением согласно заданному распределению во времени напряжения различных полярностей.

Во втором аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по первому аспекту, отличающийся тем, что каждый из первых и вторых электродов на стороне статора и первых и вторых электродов на стороне ротора выполнен в форме стержня и расположен параллельно осевому направлению вращающегося вала.

В третьем аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по первому или второму аспекту, отличающийся тем, что опоры первых и вторых электродов на стороне статора, а также опоры первых и вторых электродов на стороне ротора поддерживаются изолирующим образом посредством изоляторов с обеспечением достаточной длины пути тока утечки.

В четвертом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по третий, отличающийся тем, что каждый из изоляторов на стороне статора и на стороне ротора имеет один или множество образованных на нем пазов.

В пятом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по четвертый, отличающийся тем, что концы первых и вторых электродов на стороне статора и концы первых и вторых электродов на стороне ротора имеют закругленную форму.

В шестом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по пятый, отличающийся тем, что для металлических компонентов, расположенных в вакуумной емкости, использована нержавеющая сталь, а в качестве изолирующих компонентов используется изолятор неорганического происхождения.

В седьмом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по шестой, отличающийся тем, что в качестве металлических компонентов, расположенных в вакуумной емкости, использован немагнитный материал.

В восьмом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по седьмой, содержащий кодовый датчик положения, имеющий пластину с прорезями и считывающий элемент, который определяет взаимное положение между первыми и вторыми электродами на стороне статора и первыми и вторыми электродами на стороне ротора.

В девятом аспекте изобретения предлагается электростатический двигатель по любому из аспектов с первого по восьмой, отличающийся тем, что на расположенные в вакуумной емкости компоненты нанесено покрытие из газопоглощающего материала.

Согласно изобретению первые и вторые электроды, прикрепленные к опорам электродов статора и ротора, расположены в вакууме. Соответственно, в отличие от традиционного электростатического двигателя, в котором группы электродов поддерживаются изолятором или изоляторами, настоящее изобретение предотвращает пробой диэлектрика, даже если между электродами существует сильное электрическое поле. Это приводит к выходной мощности, такой же высокой или выше, чем та, которая получена электромагнитным двигателем. Соответственно, разработан электростатический двигатель, который создает сильное электрическое поле в вакууме, так что он может осуществлять приведение во вращение с достаточной движущей силой. Электростатический двигатель, который может осуществлять привод в высоком чистом вакууме, может найти применение, например, в устройствах для производства полупроводников. Кроме того, в электростатическом двигателе отсутствуют вентиляционные потери, таким образом он имеет улучшенный КПД. Более того, электростатический двигатель, который осуществляет привод в сильном электрическом поле, созданном между электродами, позволяет практические применения, в том числе малых или крупных двигателей, и в нем достигается высокая выходная мощность и снижение веса.

В настоящем изобретении опоры электродов изолированно поддерживаются изолятором, в котором образованы пазы, обеспечивающие достаточную длину пути тока утечки. Соответственно, электростатический двигатель эффективно предотвращает пробой диэлектрика, скользящий разряд, искровой разряд и другие явления и вырабатывает сильное электрическое поле.

Кроме того, в предлагаемом электростатическом двигателе в качестве компонентов использованы нержавеющая сталь и т.п. или изолятор неорганического происхождения, такой как фарфор или стекло, которые производят меньше остаточного газа. Следовательно, электростатический двигатель может быть использован в чистом вакууме. Кроме того, применение немагнитного материала для металлических компонентов позволяет создать немагнитный двигатель, который может быть использован в сильном магнитном поле.

Кроме того, в предлагаемом электростатическом двигателе для металлических компонентов не используются тяжелые магнитные материалы, и следовательно, он имеет меньший вес, чем традиционные.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 проиллюстрирован вертикальный разрез электростатического двигателя согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения.

На фиг.2 показан вид в плане статора в первом варианте выполнения.

На фиг.3 показан вид в плане ротора в первом варианте выполнения.

На фиг.4 показано выполненное отчасти подробным схематическое изображение первого и второго электродов статора в первом варианте выполнения.

На фиг.5(A) показано вертикальное частичное изображение конструкции опор электродов, а также первого и второго электродов на стороне статора в первом варианте выполнения.

На фиг.5(B) показано вертикальное частичное изображение конструкции опор электродов, а также первого и второго электродов на стороне ротора в первом варианте выполнения.

На фиг.6 проиллюстрирован принцип действия первого и второго электродов на стороне статора и первого и второго электродов на стороне ротора в первом варианте выполнения.

На фиг.7 показаны временные диаграммы напряжений первого и второго электродов на стороне ротора в первом варианте выполнения.

На фиг.8 показан вертикальный разрез электростатического двигателя согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения.

На фиг.9 показан вертикальный разрез электростатического двигателя согласно третьему варианту выполнения настоящего изобретения.

На фиг.10 показан вертикальный разрез электростатического двигателя согласно четвертому варианту выполнения настоящего изобретения, в котором первые и вторые электроды на стороне статора и первые и вторые электроды на стороне ротора расположены радиально по отношению к центру вращающегося вала.

На фиг.11 показано сечение статора в четвертом варианте выполнения.

На фиг.12 показано сечение ротора в четвертом варианте выполнения.

Осуществление изобретения

Далее приведено подробное описание вариантов выполнения предложенного электростатического двигателя.

На фиг.1 проиллюстрирован вертикальный разрез согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.2 показан вид в плане статора в первом варианте выполнения, а на фиг.3 показан вид в плане ротора в первом варианте выполнения. На фиг.4 показано выполненное отчасти подробным схематическое изображение первого и второго электродов статора в первом варианте выполнения.

В первом варианте выполнения предложенного электростатического двигателя в вакуумной емкости 11 противоположно друг другу расположены дискообразный статор S и дискообразный ротор R. В первом варианты выполнения электростатический двигатель выполнен с возможностью работать в условиях вакуума при давлении, не превышающем 3 Па.

В электростатическом двигателе согласно этому варианту выполнения первые электроды 34А прикреплены к опорам 31 электродов на стороне статора S. Первые электроды 34А расположены в два ряда на заданном расстоянии от центра вращающегося вала 1 (т.е. центра основания 10 двигателя). Подобным образом вторые электроды 34В прикреплены к другим опорам 32 электродов на стороне статора S. Как показано на фиг.2 и 4, первые электроды 34А и вторые электроды 34В расположены таким образом, что они чередуются. Первые и вторые электроды 34А, 34В расположены с равномерными интервалами вдоль окружностей соответственно опор 31, 32 электродов параллельно вращающемуся валу 1, так что первые и вторые электроды 34А, 34В закреплены в два ряда в радиальном направлении. Опоры 31, 32 электродов с соответственно первыми и вторыми электродами 34А, 34В закреплены на изоляторе 33, который установлен на основании 10 двигателя (т.е. основной корпус вакуумной емкости 11). Изолятор 33 обеспечивает достаточные толщину изоляции и длину пути тока утечки и имеет множество пазов, образованных с целью предотвращения скользящего разряда. Здесь достаточная толщина изоляции должна быть равна или превышать ту, которая соответствует напряжению пробоя изолятора, а достаточная длина пути тока утечки в несколько раз больше, чем эта толщина. Число пазов, форма паза, глубина паза и другие характеристики могут быть установлены такими, как необходимо согласно размеру и применению электростатического двигателя.

С другой стороны, первый электрод 44А прикреплен к каждой из опор 41 электродов на стороне ротора R. Эти первые электроды 44А размещены в один ряд на заданном расстоянии от центра вращающегося вала 1. Также на стороне ротора R на каждой из других опор 42 электродов расположен второй электрод 44В. Как показано на фиг.3, первые электроды 44А и вторые электроды 44В размещены так, чтобы чередоваться подобно электродам на стороне статора S. Первые и вторые электроды 44А, 44В расположены вдоль окружностей соответственно опор 41, 42 электродов с равномерными промежутками параллельно вращающемуся валу 1 так, что первые и вторые электроды 44А, 44В закреплены в один ряд в радиальном направлении. Опоры 41, 42 электродов с соответственно первыми и вторыми электродами 44А, 44В закреплены на изоляторе 43, который установлен на вращающемся валу 1. Как и на стороне статора S, изолятор 43 обеспечивает достаточную толщину изоляции и длину пути тока утечки и имеет множество пазов, образованных с целью предотвращения скользящего разряда. Число пазов, форма паза, глубина паза и другие характеристики могут быть установлены такими, какие необходимы согласно размеру и применению электростатического двигателя.

Как описано выше, первые и вторые электроды 44А, 44В на стороне ротора R закреплены соответственно на опорах 41, 42 с равномерными промежутками параллельно вращающемуся валу 1, как первые и вторые электроды 34А, 34В на стороне статора S. Тем не менее, как показано на фиг.1, положения первых и вторых электродов 44А, 44В на стороне ротора R от центра вращающегося вала 1 находятся посередине между рядами первых и вторых электродов 34А, 34В на стороне статора S, так что ротор R выполнен с возможностью приведения его во вращение. Первый электрод 34А, второй электрод 34В, первый электрод 44А и второй электрод 44В имеют форму стержней. Предпочтительно, чтобы концы электродов были закруглены с целью предотвращения между ними разряда. Однако форма этих электродов не ограничена стержневидной.

Энергия подается к электродам 44А, 44В на стороне ротора R через контактные токосъемные кольца 51, 52 и щетки 61, 62.

Кодовый датчик положения образован из оптической системы (т.е. пластины 7 с прорезями и считывающего элемента 8) или магнитной системы (т.е. магнитного диска и считывающего элемента). В этом варианте выполнения применено первое из указанных. Считывающий элемент 8 определяет моменты времени, соответствующие подаче питания к первым и вторым электродам 44А, 44В на стороне ротора R, и определенный результат подвергается процессу обработки сигнала цепью возбуждения (не показанной). На выходе происходит выдача высокого напряжения (приблизительно от 1 до 100 кВ), и оно подается к первым и вторым электродам 44А, 44В.

Когда электростатический двигатель применяется в воздушной или газовой среде, к основанию 10 двигателя прикрепляют вакуумное уплотнение 9 для поддержания вакуума внутри электростатического двигателя.

Настоящее изобретение использует электростатический двигатель, который работает в вакууме. Излишне говорить о том, что настоящее изобретение функционирует как электростатический двигатель даже в среде изолирующего газа, такого как газ элегаз (газ «SF6» («sulfur hexafluoride»)).

В вышеприведенном описании первые и вторые электроды 34А и 34В, соответственно на стороне статора S, расположены в два ряда, в то время как первые и вторые электроды 44А и 44В соответственно, на стороне ротора R, расположены в один ряд. Тем не менее, как описано ниже, число рядов не ограничено только одним, а также могут быть установлены два или более рядов.

Вдобавок к этому в первом варианте выполнения в качестве металлических компонентов, которые расположены в вакуумной емкости 11 (например, первых и вторых электродов 34А, 34В, опор 31, 32 электродов, первых и вторых электродов 44А, 44В, опор 41, 42 электродов) может быть использована нержавеющая сталь или подобный материал, который производит меньше остаточного газа. Также в качестве изолирующих компонентов может быть использован изолятор неорганического происхождения, такой как фарфор или стекло, который производит меньше остаточного газа. Тем самым может быть обеспечена возможность применения электростатического двигателя в чистом вакууме. Также является эффективным нанесение на компоненты, используемые в вакуумной емкости 11, покрытий из газопоглощающего материала (т.е. вещества, обладающего способностью геттерирования), такого как титан, ванадий, тантал или цирконий,

В первом варианте выполнения применение немагнитного материала в качестве металлических компонентов, используемых в вакуумной емкости 11, дает возможность получения немагнитного двигателя, который может быть использован в сильном магнитном поле. Кроме того, в качестве металлических компонентов не используется никакой тяжелый магнитный материал, за счет чего обеспечивается снижение веса.

Теперь приведем разъяснение принципов функционирования электростатического двигателя согласно первому варианту выполнения, который имеет вышеописанную конфигурацию. Как показано на фиг. 5 (А), за счет приложения высокого напряжения (приблизительно от 1 до 100 кВ) между опорами 31, 32 электродов на стороне статора S, между первыми и вторыми электродами 34А, 34В создается сильное электрическое поле (напряженностью от 1 до 100 кВ/мм или около того).

Так как электростатический двигатель выполнен таким образом, что первые и вторые электроды 44А, 44В на стороне ротора R свободно перемещаются вдоль окружности между первыми и вторыми электродами 34А, 34В на стороне статора S, то первые и вторые электроды 44В, 44А соответственно заряжены положительно и отрицательно за счет приложения к опорам 42 электродов высокого положительного напряжения (от 1 до 100 кВ или около того). Исходя из распределения во времени подачи заряда направление тяги (т.е. вращающей силы), например, определяется тем, где выполненные на стороне ротора R электроды 44В расположены относительно вторых электродов 34В на стороне статора S. Следовательно, величина и время подачи напряжения значительно влияют на величину тяги (вращающей силы).

На фиг.6 проиллюстрирован принцип действия электростатического двигателя путем показа только первых и вторых электродов 34А, 34В на стороне статора S и первых и вторых электродов 44А, 44В на стороне ротора R. Например, когда каждый из вторых электродов 44В на стороне ротора R достиг местоположения (т.е. местоположения Х1), которое слегка смещено вправо от местоположения Х0 второго электрода 34В на стороне статора S, ко второму электроду 44В прикладывается положительный потенциал. Тем самым между вторыми электродами 34В и вторым электродом 44В возникает сила отталкивания, в то время как между первыми электродами 34А и вторым электродом 44В возникает сила притяжения. Следовательно, соединенный с первыми и вторыми электродами 44А, 44В ротор R подвергается действию движущей силы, направленной вправо, и движется соответствующим образом.

К местоположению (т.е. местоположению Х2), которое находится непосредственно перед первыми электродами 34А, происходит переключение напряжения каждого из вторых электродов 44В. Эта операция переключения повторяется для второго электрода 44В каждый раз, когда сигналом от считывающего элемента 8 кодового датчика положения определяется момент времени, соответствующий такому положению второго электрода 44В.

На фиг.7 показаны временные диаграммы напряжения первых и вторых электродов 44А, 44В на стороне ротора R (в которых Т0 представляет момент времени при нахождении в местоположении Х0, а Т1 и Т2 соответственно представляют моменты времени в местоположениях Х1 и Х2).

Далее приведено описание электростатического двигателя согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения.

На фиг.8 показан вертикальный разрез предлагаемого электростатического двигателя согласно второму варианту выполнения. На фиг. 8 те элементы, которые одинаковы с показанными в иллюстрациях к первому варианту выполнения, обозначены теми же самыми символами, и дублирование описания разъяснения этих элементов не приводится.

Во втором варианте выполнения вдоль окружностей опор 31, 32 электродов на стороне статора S расположены соответственно три ряда первых электродов 34А и три ряда вторых электродов 34В. Аналогичным образом вдоль окружностей опор 41, 42 электродов расположены соответственно два ряда первых электродов 44А и два ряда вторых электродов 44В. Во втором варианте выполнения за счет увеличения числа электродов получен электростатический двигатель с высокой выходной мощностью.

Далее приведено описание электростатического двигателя согласно третьему варианту выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 9 показан вертикальный разрез предлагаемого электростатического двигателя в третьем варианте выполнения. На фиг. 9 одинаковые элементы с теми, которые показаны в иллюстрациях к первому варианту выполнения, обозначены теми же самыми символами, и дублирование разъяснения этих элементов не приводится. Не показаны кодовый датчик положения, контактные токосъемные кольца и щетки.

В первом и втором вариантах выполнения ограничения, возникающие в результате консольной конструкции, препятствуют какому-либо необязательному увеличению длины электродов. В третьем варианте выполнения первые электроды 44А проходят от обеих сторон каждой из опор 41 электродов на стороне ротора R, а вторые электроды 44В также проходят от обеих сторон каждой из опор 42 электродов на стороне ротора R. Это позволяет получать выходную мощность, которая в два раза выше по сравнению с той, которая получается в электростатическом двигателе с электродами с консольной конструкцией, в первом варианте выполнения. Кроме того, первые и вторые электроды 34А, 34В могут проходить от обеих сторон соответственно опор 31, 32 электродов на стороне статора S, и роторы R и статоры S могут быть установлены стопкой в осевом направлении более, чем в одну ступень.

Далее приведено описание электростатического двигателя согласно четвертому варианту выполнения настоящего изобретения.

На фиг.10 показан вертикальный разрез предлагаемого электростатического двигателя согласно четвертому варианту выполнения, в котором первые и вторые электроды на стороне статора и первые и вторые электроды на стороне ротора расположены радиально по отношению к центру вращающегося вала. На фиг.11,12 показаны соответственно вертикальные разрезы статора и ротора согласно четвертому варианту выполнения. К тому же на фиг.10-12 элементы, одинаковые с теми, которые показаны в иллюстрациях к первому варианту выполнения, обозначены теми же самыми символами, и дублирование разъяснения этих элементов не приводится. Не показаны кодовый датчик положения, контактные токосъемные кольца и щетки.

Тем не менее, в четвертом варианте выполнения взаимные расположения между опорами 31, 32 электродов, изолятором 33, первыми и вторыми электродами 34А, 34В на стороне статора S и опорами 41, 42 электродов, изолятором 43 и первыми и вторыми электродами 44А, 44В на стороне ротора R отличаются от таковых в вариантах выполнения с первого по третий.

В четвертом варианте выполнения первые электроды 44А проходят через сравнительно широкие отверстия выполненной в виде трубы опоры 41 электродов, затем плотно вставлены по направлению к оси в выполненную в виде трубы опору 42 электродов, имеющую большое количество отверстий, и таким образом зафиксированы в этом положении. Вторые электроды 44В прикреплены к опоре 41 электродов. Аналогичным образом первые и вторые электроды 34А, 34В прикреплены соответственно к опорам 31, 32 электродов вдоль оси. Опоры 31, 32 электродов прикреплены к основанию 10 двигателя или к корпусу вакуумной емкости 11 посредством изолятора 33. Опоры 41, 42 электродов присоединены к вращающемуся корпусу 12 и вращающемуся валу 1 посредством изолятора 43.

Конфигурация в четвертом варианте выполнения обеспечивает такие же отличные результаты, как те, которые обеспечиваются в вариантах выполнения с первого по третий.

1. Электростатический двигатель, содержащий дискообразный статор и дискообразный ротор, расположенные в вакуумной емкости противоположно друг другу, причем статор прикреплен к основному корпусу вакуумной емкости, а ротор опирается с возможностью вращения на основной корпус вакуумной емкости для обеспечения свободного вращения посредством вращающегося вала, при этом статор имеет первые электроды и вторые электроды, электрически изолированные посредством изолятора и прикрепленные к опорам электродов с чередованием по окружности опор электродов, и ротор имеет первые электроды и вторые электроды, электрически изолированные посредством изолятора и прикрепленные к опорам электродов с чередованием по окружности опор электродов, причем каждые из первых и вторых электродов на стороне статора расположены с интервалом в два или более рядов на заданном расстоянии от центра вращающегося вала, и каждые из первых и вторых электродов на стороне ротора расположены на заданном расстоянии от центра вращающегося вала и в промежутке между рядами первых и вторых электродов на стороне статора, при этом к первым и вторым электродам на стороне статора прикладываются предопределенные электрические поля, а к первым и вторым электродам на стороне ротора прикладываются с переключением согласно заданному распределению во времени напряжения различных полярностей.

2. Электростатический двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый из первых и вторых электродов на стороне статора и первых и вторых электродов на стороне ротора выполнен в форме стержня и расположен параллельно осевому направлению вращающегося вала.

3. Электростатический двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что опоры первых и вторых электродов на стороне статора, а также опоры первых и вторых электродов на стороне ротора поддерживаются изолирующим образом посредством изоляторов с обеспечением достаточной длины пути тока утечки.

4. Электростатический двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый из изоляторов на стороне статора и на стороне ротора имеет один или множество образованных на нем пазов.

5. Электростатический двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что концы первых и вторых электродов на стороне статора и концы первых и вторых электродов на стороне ротора имеют закругленную форму.

6. Электростатический двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что для металлических компонентов, расположенных в вакуумной емкости, использована нержавеющая сталь, а в качестве изолирующих компонентов используется изолятор неорганического происхождения.

7. Электростатический двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве металлических компонентов, расположенных в вакуумной емкости, использован немагнитный материал.

8. Электростатический двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит кодовый датчик положения, имеющий пластину с прорезями и считывающий элемент, который определяет взаимное положение между первыми и вторыми электродами на стороне статора и первыми и вторыми электродами на стороне ротора.

9. Электростатический двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что на расположенные в вакуумной емкости компоненты нанесено покрытие из газопоглощающего материала.

способ электромеханического преобразования энергии и электростатический емкостный двигатель на его основе — патент РФ 2471283

Изобретение относится к электротехнике, к электромеханическому преобразованию электрической энергии в механическую и может найти широкое применение в промышленности, транспорте, бытовой технике. Преобразуют энергию электрического поля, действующего между неподвижными одноименно заряженными телами и механически связанными между собой одноименно заряженными подвижными телами, в механическую энергию поступательного или вращательного перемещения подвижных тел относительно неподвижных. Их располагают одни над другими с зазором таким образом, чтобы электрическое поле между указанными взаимодействующими телами было максимально однородным, а приложенная к подвижным телам сила и напряженность этого поля была направлена под острым углом к направлению их движения. Техническим результатом является повышение мощности электростатического двигателя и расширение его функциональных возможностей. Способ экологически чист. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула изобретения

1. Способ электромеханического преобразования энергии путем взаимного перемещения тел, являющихся источником электрического поля, отличающийся тем, что преобразуют энергию электрического поля, действующего между неподвижными одноименно заряженными телами и механически связанными между собой одноименно заряженными подвижными телами, в механическую энергию поступательного или вращательного перемещения подвижных тел относительно неподвижных, для чего их располагают одни над другими с зазором таким образом, чтобы электрическое поле между указанными взаимодействующими телами было максимально однородным, а приложенная к подвижным телам сила и напряженность этого поля была направлена под острым углом к направлению их движения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что силу взаимодействия заряженных тел регулируют изменением величины их заряда.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что все или некоторые заряженные тела являются моноэлектретами.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пространство между заряженными телами вакуумируют или заполняют иной газообразной или жидкостной диэлектрической средой с максимально высокой диэлектрической прочностью и минимально низкой диэлектрической проницаемостью.

5. Электростатический емкостный двигатель, содержащий электроды статора, размещенные под острым углом к поверхности расположенного с зазором и возможностью поступательного или вращательного перемещения относительно статора подвижного тела и наклоном вдоль направления его движения, отличающийся тем, что подвижное тело также состоит из электродов, размещенных под острым углом к поверхности подвижного тела, но с противоположным относительно электродов статора наклоном, причем электроды выполнены в виде набора разделенных диэлектриком токопроводящих плоских пластин, расположенных параллельно ближнему к зазору краю электрода.

6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что обеспечена возможность регулирования величины заряда электродов, например, подключением электродов к источнику регулируемого напряжения.

7. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что все или некоторые электроды являются моноэлектретами.

8. Двигатель по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что пространство между электродами вакуумировано или заполнено иной газообразной или жидкостной диэлектрической средой с максимально высокой диэлектрической прочностью и минимально низкой диэлектрической проницаемостью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к способам и устройствам электромеханического преобразования электрической энергии в механическую, и может найти широкое применение в промышленности, транспорте, бытовой технике и других областях человеческой деятельности, взамен существующих неэкономичных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и электрических машин электромагнитной индукции.

Наиболее широкое применение в качестве средств производства механической энергии в современной технике приобрели ДВС, использующие сжигание углеводородного топлива, и индукционные машины, т.е. машины, в которых электродвижущая сила возникает в результате процесса электромагнитной индукции, занявшие практически монопольное положение в электромашиностроении (см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т2. 13-е изд. — М.: Физматлит, 2008. с.361, 410).

Основные недостатки ДВС — низкий КПД, менее 60% у лучших образцов, и загрязнение окружающей среды при сжигании топлива. Недостатки индукционных машин (способа и устройств) состоят в технологической сложности способа, в значительной материалоемкости и дороговизне устройств для его реализации, ограничениях допустимого рабочего напряжения (не выше 6 кВ) по условию электрического пробоя изоляции обмоток машин, критичности магнитных свойств материалов к температуре и вибрациям. Кроме того, индукционный электромагнитный способ энергозатратен, поскольку для создания электромагнитных полей по обмоткам индуктивных электрических машин и преобразователей пропускают значительные токи. Вследствие высоких омических потерь энергии в индуктивных обмотках таких машин, а также вследствие потерь электрической энергии на создание электромагнитного поля и потреблении ими значительной реактивной мощности (до 20-30% от полной мощности машины), эффективность электромеханического преобразования энергии в индуктивных электрических машинах недостаточно высока. Так, у наиболее распространенных индуктивных электрических машин средней мощности, КПД не превышает 70-75%.

Поэтому остается по-прежнему актуальным поиск экологически чистых способов построения двигателей с более высоким КПД.

Известен способ обратимого электромеханического преобразования электрической энергии в механическую энергию, основанный на явлениях электростатической индукции, и емкостные генераторы и электрические машины на их основе (см. Тэнэсеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике. — М.: Энергия, 1980, с.174-184; Губкин А.Н. Электреты. — М.: Наука, 1978, с.177-179).

Недостатком способа является несовершенство известных устройств и низкая выходная мощность, поэтому способ, в основном, применяется в качестве генераторов высокого напряжения, например, в копировальной технике.

Известен способ преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, в котором в емкостной электрической машине преобразуют энергию электрического поля ротора, являющегося гетероэлектретом, и вращающегося электрического поля, образуемого путем подачи на неподвижные обкладки статора высоковольтных потенциалов от многофазного полупроводникового высоковольтного коммутатора, во вращательное движение ротора. Развитие способа состоит в том, что зазор электрической машины вакуумируют или заполняют инертным газом с высокой диэлектрической проницаемостью, а скорость и момент ротора регулируют путем изменения частоты, амплитуды и фазы напряжения на статорных неподвижных обкладках конденсаторов (см. «Способ электромеханического преобразования энергии (варианты)», патент РФ № 2182398, МПК⁷ H04N 1/10, 1998 г.).

В связи с тем, что в устройствах, реализующих предложенный способ, практически отсутствуют тепловые потери, а удельная сила взаимодействия электрических зарядов на несколько порядков выше отнесенной к массе устройства силы электромагнитного взаимодействия, используемой в индуктивных электрических машинах, то и эффективность их значительно выше.

Недостатком способа является потеря энергии на перезарядку задающих конденсаторов и на организацию соответствующих коммутационных операций. Поэтому коэффициент полезного действия этого способа недостаточно высок.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является, выбранный в качестве прототипа, электростатический двигатель, содержащий тело вращения из диэлектрика, расположенное на оси, относительно тела вращения установлены прямые электрические электроды с размерами не больше радиуса тела вращения, при этом каждый электрод перпендикулярен радиусу тела вращения, составляет с касательной к окружности угол и расположен над диэлектриком с зазором. В другом варианте линейного движителя, электростатический двигатель содержит тело перемещения из диэлектрика, относительно которого установлены прямые металлические электроды, при этом каждый электрод расположен в плоскости параллельно телу перемещения и наклонен к нему под углом , с зазором, в сторону, противоположную направлению движения. Направление перемещения меняют наклоном прямых электродов в противоположную сторону (см. «Электростатический двигатель (варианты)», патент РФ № 2225066, МПК⁷ H02N 1/00, 2001 г.).

В устройстве-прототипе реализован способ электромеханического преобразования энергии электрического поля тел, являющихся их источником, во взаимное перемещение этих тел, а именно, энергии электрического поля элементарных диполей диэлектрика и заряженных электродов в вынужденное движение диполей диэлектрика относительно неподвижных электродов. Техническим результатом изобретения является создание устройства, позволяющего получить устойчивое вращение или перемещение тел из диэлектрика в неоднородном поле за счет электростатических сил, а также регулировать влияние этих сил на скорость и направление движения тел из диэлектрика. В данном устройстве прямыми электродами создается неоднородное электрическое поле, под влиянием которого, путем поляризации диэлектрика тела вращения или перемещения, индуцируются электрические связанные заряды (диполи), на которые действует электростатическая сила, заставляющая вращать (перемещать) подвижное тело, так как возникшие заряды, оставаясь неподвижными относительно диэлектрика, увлекают за собой и диэлектрик и само подвижное тело.

Недостатком изобретения является незначительная мощность двигателя, поэтому его автор предлагает использование устройства для демонстрации действия электростатических сил по курсу электротехники и в практических целях как двигатель небольшой мощности. К недостаткам можно отнести и сложность реверса двигателя, осуществляемого механически, изменением направления наклона электродов.

Задачей изобретения является существенное повышение мощности двигателя, использующего электростатические силы взаимодействия заряженных тел, и расширение его функциональных возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что энергию электрического поля, действующего между неподвижными одноименно заряженными телами и механически связанными между собой одноименно заряженными подвижными телами, преобразуют в механическую энергию поступательного или вращательного перемещения подвижных тел относительно неподвижных, для чего их располагают одни над другими с зазором, таким образом, чтобы электрическое поле между указанными взаимодействующими телами было максимально однородным, а приложенная к подвижным телам сила и напряженность этого поля была направлена под острым углом к направлению их движения.

Сущность изобретения состоит в том, что для электромеханического преобразования энергии совместно используют два, хорошо известных в электротехнике эффекта (приема). Первый — явление электростатического (кулоновского) взаимодействия электрических зарядов. Второй — действие и свойства электрического поля конденсатора, образованного параллельно расположенными плоскими электропроводящими пластинами (см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т.2. 13-е изд. — М.: Физматлит, 2008. с.24-31, 40-41, 44-45, 91-93; Тэнэсеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике. — М.: Энергия, 1980. с.13-15, 50-57; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. — М.: Высшая школа, 1967. с.578).

Согласно закону Кулона, заряды противоположного знака притягиваются, а одного знака — отталкиваются. При этом эти силы в конденсаторе имеют не зависящий от расстояния между пластинами стационарный, а поле — однородный характер, с силовыми линиями, перпендикулярными плоскостям пластин (за исключением краевых эффектов). В устройстве решается задача создания как раз такого однородного, характерного для конденсаторов поля. Для этого создается равномерная поверхностная плотность распределения заряда пластин путем использования электретов или разбиением электродов на отдельные, одинаково заряженные полосы, а поверхности взаимодействующих электродов ориентируются параллельно друг другу.

Работа прототипа основана на известном эффекте движения диполя в сторону источника неоднородного электрического поля (например, см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т.2. 13-е изд. — М.: Физматлит, 2008. с.33-34, 88-91; Савельев И.В. Курс общей физики. -СПб.: Лань, 2008. с.28-34). Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ получения механической энергии отличается иной, более эффективной и более экономичной технологией преобразования энергии электрического поля в механическую энергию, осуществляемого путем взаимодействия монозарядов между собой, а не монозарядов с диполями, имеющего гораздо (на несколько порядков) меньшую силу притяжения. При этом реверс двигателя осуществляется более просто, путем формирования на электродах зарядов одного знака или использования самостоятельного блока обратного хода.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «новизна» и «изобретательский уровень».

На фиг.1-3 показаны примеры работы устройства, реализующего предлагаемый способ преобразования энергии, которая заключается в следующем.

Электрическое поле, энергию которого преобразуют в механическую, действует между одноименно заряженными электродами 1, размещенными в неподвижном диэлектрическом статоре 2 и одноименно заряженными электродами 3, размещенными в диэлектрическом подвижном теле 4. Обе группы электродов наклонены под острыми углами ₁ и ₂ к поверхности подвижного тела 4 и плоскости зазора 5 между статором 2 и подвижным телом 4, но наклонены в разные стороны. Углы ₁ и ₂ подбирают из условия максимизации действующей на электродах 3 подвижного тела 4 силы. Шаг размещения электродов и их высота у различных групп выбирается такая, чтобы выдерживалось стабильное среднее расстояние между взаимодействующими электродами для исключения рывков в движении подвижного тела 4 двигателя.

Для формирования максимально однородного электрического поля, электроды 1, 3 выполняются из моноэлектретов или составляются из одинаково заряженных отдельных токопроводящих плоских пластин 6, разделенных тонким слоем диэлектрика 7 (фиг.2), в противном случае, использования металлической монопластины, большая часть заряда сместится к зазору и вместо однородного поля пластины конденсатора получается неоднородное поле заряженного стержня.

В зависимости от требуемых задач, устройство исполняется в варианте линейного движителя (фиг.1) или двигателя вращения (фиг.3) с одним или несколькими рядами подвижных и неподвижных электродов, максимально заполняющих рабочее пространство устройства для оптимизации удельных мощностных характеристик двигателя.

Будучи заряженными, оппозитно расположенные электроды подвижных и неподвижных (статорных) групп притягиваются (или отталкиваются при одноименных зарядах) друг к другу с силой f, проекция которой на поверхность подвижного тела дает линейную (тангенцальную) составляющую f_л, сумма которых по всем электродам образует общую силу F_л, которая может быть использована для выполнения полезной работы (фиг.1).

В устройстве обеспечивается возможность реверса двигателя путем формирования одноименных зарядов на оппозитных электродах или с помощью отдельных реверсных групп электродов, что более предпочтительно, поскольку не нарушает общую электрическую нейтральность устройства и не требует перезарядки основных электродов устройства.

Необходимую силу взаимодействия заряженных электродов регулируют изменением величины их заряда любым известным методом, например, от источника регулируемого высокого напряжения (на рисунках не показан).

Все электроды изолированы друг от друга и других элементов устройства для исключения перетекания зарядов и образования вихревых токов. При увеличении силы взаимодействия электродов путем наращивания их заряда, необходимо исключать возможность пробоя в пространстве между ними, например, удаляя из него воздух (вакуумируя) или заполняя иной газообразной или жидкостной диэлектрической средой с высокой диэлектрической прочностью и низкой диэлектрической проницаемостью, поскольку газообразная и жидкостная среда уменьшает силу взаимодействия находящихся в них зарядов (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. — М.: Наука, 1974. с.356-359).

Рассмотрим численный пример работы устройства. Пусть электроды имеют наклон в 45° и имеют общую площадь каждой группы по 0,785 м², а образуемое ими поле однородно. В этом случае, при оценке действующих сил можно использовать соотношения для плоского конденсатора (см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т.2. 13-е изд. — М.: Физматлит, 2008. с.91-92):

где:

F — суммарная сила, действующая между электродами,

q — заряд каждого электрода,

— поверхностная плотность заряда электрода,

₀ — электрическая постоянная,

Е — напряженность поля между электродами, Е= /₀,

S — площадь электродов каждой группы.

Подставляя заданные значения, приняв Е=30 кВ/см (напряжение пробоя воздуха 33 кВ/см — см. Губкин А.Н. Электреты. — М.: Наука, 1978, с.79), получим F=3,2 кГ. Откуда вычислим линейную, рабочую составляющую: F_л=F·cos 45°=2,3 кГ.

Вакуумируя устройство, получаем возможность значительно увеличить напряженность поля, примерно в 100 раз, и, соответственно, рабочее усилие до величины, порядка 23 Т. Или при двигателе вращения с радиусом ротора 0,25 м получаем момент в 5,75 Т·м.

Использование предлагаемого способа преобразования электрической энергии в механическую дает, по сравнению с существующими способами, следующий технический результат:

позволяет упростить конструкцию электрических двигателей;

экономичнее и эффективнее по сравнению с существующими способами, обладает более высоким коэффициентом полезного действия и гораздо более высокой мощностью и лучшими удельными характеристиками, чем известные электростатические и емкостные двигатели;

является экологически чистым способом производства механической энергии.

Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку предлагаемый способ состоит из совместного действия давно известных и широко применяемых в электротехнике и радиоэлектронике эффекта (приема) электростатического (кулоновского) взаимодействия электрических зарядов и свойств однородного электрического поля конденсатора, образованного параллельно расположенными плоскими электропроводящими пластинами, а также не требует использования каких-либо, неизвестных современной промышленности, средств, материалов или элементов. В том числе упомянутые электреты промышленно выпускаются уже более 50 лет (см. Губкин А.Н. Электреты. — М.: Наука, 1978. — 192 с.).

как человечество использует электрические двигатели для полетов в космос

Ионный двигатель является если не самым перспективным электрическим космическим двигателем, то точно одним из самых используемых сегодня в отрасли. «Хайтек» рассказывает, как работают ионные двигатели, зачем их используют и при чем тут Константин Циолковский.

Сейчас на околоземной орбите находятся тысячи искусственных спутников, выведенных туда гигантскими (или не очень) ракетами-носителями с мощными реактивными двигателями на химическом топливе. Пока человечество не смогло придумать альтернативу таким двигателям, поскольку для преодоления гравитации Земли и развития первой космической скорости необходима мощная тяга: ее могут дать только обычные двигатели.

При этом уже в космосе спутники используют другой тип двигателей — электрические. Самым используемым является ионный двигатель — устройство, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Ионный двигатель

---

Типы электрических и альтернативных двигателей:

• Ионные и плазменные накопители

Тип реактивного двигателя, который использует электрическую энергию для получения тяги от топлива: ионизированного газа. Многие из таких спутников не имеют ракетные сопла.

Электродвигатели для космических кораблей могут быть сгруппированы в три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы: электростатический (собственно, классический ионный двигатель), электротермический (в них электромагнитные поля используются для генерации плазмы, что приводит к повышению температуры топлива, а тепловая энергия, передаваемая газообразному топливу, преобразуется в кинетическую) и электромагнитный (или плазменный, тут ионы ускоряются путем воздействия электромагнитных полей, как правило, земного и искусственного у аппарата).

• Неионные двигатели

Это электрические двигатели, также использующие нехимическую энергию для своей работы, однако работающие по другим принципам, нежели ионные. Например, фотонный двигатель, позволяющий космическому кораблю перемещаться на энергии фотонов. Гипотетически так смогут работать космические аппараты, управляемые лазерными сигналами с Земли или Луны.

К этой же категории относятся эксперименты по созданию так называемого электродинамического троса, когда спутник может выбрасывать вокруг себя длинные металлические нити с разными электрическими зарядами.

Сейчас ученые разрабатывают еще несколько гипотетических видов двигателей, которые в будущем смогут давать энергию для движения космических спутников: вакуумный двигатель, двигатель внутренних радиочастот и устройство, которое будет брать энергию от полей самых маленьких частиц, например, бозонов. Работоспособность всех этих гипотез пока не доказана с точки зрения физики.

---

Первым человеком, который еще в 1911 году публично предложил идею создания ионного двигателя, стал российский и советский ученый, пионер космонавтики Константин Циолковский. При этом первый документ, в котором упоминается электрическая тяга для движения космических объектов, был за авторством другого пионера космонавтики, американского ученого Роберта Годдарда.

Роберт Годдард

6 сентября 1906 года Годдард писал в своем дневнике, что сможет использовать энергию ионов для работы двигателей. Первые эксперименты с ионными двигателями были проведены Годдардом в Университете Кларка в 1916 году. В итоге ученый заявил, что сможет использовать их в полноценном формате только в условиях, приближенных к вакууму, тогда как в рамках тестирования их показывали при атмосферном давлении Земли.

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Горальдом Кауфманом только в 1959 году. В качестве топлива, в отличие от современных аналогичных двигателей, которые перерабатывают ионы газа ксенона, он использовал ртуть. Суборбитальные испытания двигателя прошли в 1964 году, когда в космос на ракете-разведчике был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использующее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 70-х годах США провели ряд повторных испытаний этой технологии.

Космический аппарат Sert 1

---

Принцип работы ионного двигателя

Ионные двигатели используют пучки ионов — электрически заряженных атомов или молекул — для создания тяги. Основным рабочим телом ионизации является газ, иногда ртуть. В ионизатор подается это топливо, после чего туда же запускают высокоэнергетические электроны. В этой камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. После этого в камеру вводят специальный фильтр, который притягивает к себе отрицательные электроны, тогда как положительные ионы притягиваются к ряду сеток с большой разницей электростатических потенциалов (+1090 В на внутренней против -225 В на внешней). В результате такой мощной разницы ионы начинают разгоняться по кругу, пока не выбрасываются из устройства, ускоряя движение корабля. За ними выбрасываются и электроны, которые должны обезвредить ионы и не позволить им притягиваться обратно к двигателю.

---

Обычно источниками питания для ионных двигателей являются электрические солнечные панели. Однако в местах, куда солнечный свет не попадает, например, когда Земля закрывает Солнце, спутники могут использовать ядерную энергию. «Хайтек» подробно рассказывал о такой советской программе, спутники которой — с крошечными ядерными реакторами — до сих пор находятся на орбите захоронения Земли.

На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в космосе, например, для изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Существует также несколько проектов, предполагающих использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.

Самый яркий пример использования ионных двигателей для дальних путешествий — автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера.

Dawn оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями NSTAR. Они установлены в нижней части аппарата: один вдоль оси, еще два — на передней и задней панелях. Принцип работы этих двигателей состоит в ускорении в электрическом поле ионов ксенонового топлива. Двигатели длиной в 33 см, диаметром сопла в 30 см и массой 8,9 кг разгоняют атомы до скорости в десять раз выше, чем могут это сделать современные химические двигатели. Ускорение и торможение обеспечивается за счет установленных на борту Dawn солнечных батарей и уровня подачи топлива.

Для полета Dawn было необходимо всего 3,25 мг топлива в секунду. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полет Земля — Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полет Веста — Церера — 110 кг.

Миссия Dawn стала не только одной из самых энергоэффективных в истории космонавтики, но и установила несколько рекордов скорости. 5 июня 2016 года — спустя девять лет после запуска — станция Dawn разогналась до 39 900 км/час (11,1 км/с).

Миссия Dawn

1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо. Последние несколько лет инженеры НАСА занимаются разработкой новых двигателей, рассчитанных на увеличенное количество ксенона. В этих разработках пока есть сложность, поскольку увеличение веса станции за счет топлива негативно сказывается как на скорости передвижения аппарата, так и на дальности полета.

Еще одним космическим аппаратом, который использует ионные двигатели для дальних полетов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд, на котором установлены четыре ионных двигателя IES, может менять направление полета за счет этих двигателей. Они могут поворачиваться в разные стороны, но за счет электромеханической системы, питающейся от солнечных батарей. При этом ксенон массой в 73 кг хранится в 51-литровом топливном баке: такую конфигурацию удалось получить за счет того, что этот газ в полтора раза плотнее воды, и, соответственно, занимает меньше места.

Пока космические агентства исследуют возможное применение ионных двигателей в будущем. НАСА запланировало даже установить ионный двигатель нового поколения ISS Vasimr на МКС. Однако в 2015 году отменило этот проект, заявив, что пока «МКС не является идеальной демонстрационной площадкой для работы двигателей такого типа». Дело в том, что Vasimr должен был стать первым полноценным электротермическим ракетным двигателем, который позволил бы создавать тягу, аналогичную химическим двигателям. Это позволило бы в будущем использовать его даже для запусков ракет-носителей с Земли.

НАСА пришло к решению отменить тестирование Vasimr, поскольку ученые до конца не смогли найти источник энергии, на котором бы работал этот двигатель. Самым перспективным источником энергии могла стать термоядерная установка, однако ее использование на МКС могло быть небезопасной.

Из-за этого сейчас ионные двигатели продолжают рассматриваться в основном в качестве дополнительных двигателей на различных спутниках, с помощью которых зонды смогут совершать маневры в космосе. Другим перспективным направлением для использования двигателей такого типа может стать космическая уборка. На орбите Земли с каждым годом появляется все больше космического мусора, а спутники с ионными двигателями могут стать идеальным решением этой проблемы.

Что такое электростатический двигатель? (с изображением)

Электростатический двигатель использует притяжение и отталкивание электрического заряда для выработки энергии. Он также известен как конденсаторный двигатель и является разновидностью эклектического двигателя. Электростатический двигатель чаще всего используется в микромеханических системах для создания управляющего напряжения менее 100 вольт.

Первые электростатические двигатели были разработаны Бенджамином Франклином и Эндрю Гордоном в середине 1700-х годов.Первоначально мотор использовался для питания звонков и других небольших устройств. Двигатель основан на использовании движущихся пластин, которые заряжаются либо положительно, либо отрицательно. Силы, генерирующие энергию, не изнашивают пластины, что приводит к долгосрочному и стабильному способу выработки энергии.

Электростатический двигатель можно создать из стандартных предметов домашнего обихода, и это отличный проект для научной выставки.Количество вырабатываемой энергии невелико, но стабильно, не требует расходных материалов и не содержит остаточных продуктов. Уровень выходного напряжения обычно меньше 100 вольт, и двигатель можно быстро разобрать, если потребуется.

Энергия в электростатическом двигателе создается за счет статического электричества.Чтобы создать двигатель, просто зарядите два предмета: один положительный и один отрицательный. Сделайте простой веер, прикрепив лезвия к перевернутой чашке и прикрепив основание чашки к палке, чтобы обеспечить свободное движение. Поместите положительные и отрицательные предметы близко друг к другу над вентилятором и наблюдайте, как он движется. Это электростатический двигатель в действии.

Изобретение сухих аккумуляторных батарей и проточного электричества быстро заменило электростатический двигатель в качестве опции для потребителей.Однако развитие компьютерных схем возродило использование этого типа двигателя. Эти электронные платы очень чувствительны к скачкам мощности. Электростатический двигатель создает стабильный низкий уровень энергии, который не представляет опасности для схемы.

Люди, работающие в области электроники или электротехники, обычно хорошо знакомы с электростатическим двигателем, и они часто строили этот двигатель в рамках научного проекта и могут увидеть, как эти концепции могут быть применены к другим проектам или задачам.Например, электростатическая окраска использует очень похожую концепцию, потому что поверхность заряжена отрицательно, а краска — положительно. Когда предмет проходит через малярную машину, краска высвобождается и естественным образом притягивается к поверхности. Это обеспечивает плавное и равномерное нанесение с минимальными усилиями. В конце процесса заряд нейтрализуется, позволяя материалу беспрерывно переходить на следующую стадию.

Электростатический двигатель большой мощности

Электростатический двигатель большой мощности

Ключевые слова: электростатическая сила, электростатический двигатель, электростатический привод, линейный двигатель, FPC, пленочный двигатель

---

Введение

В настоящее время в большинстве мехатронных устройств используются электромагнитные двигатели.Однако недавний прогресс мехатронных устройств требует более компактных и мощных двигателей. Чтобы удовлетворить эти требования, мы разработали несколько типов мощных электростатических двигателей. Среди этих мощных электростатических двигателей в этой статье представлены «Индукционный электростатический двигатель с импульсным приводом», ^[1] и «Многофазный электростатический привод двойного возбуждения» ^[2] .

---

Электростатический двигатель

Можно удивиться, если он узнает, что электростатический двигатель имеет более длительную историю, чем электромагнитный.Первый электростатический двигатель (Electric Bell, Gordon, 1742) был разработан в 18 веке, почти за сто лет до открытия электромагнитной силы Эрстедом ^[3] . Затем до 19 века было разработано несколько типов электростатических двигателей.

Однако эти электростатические двигатели были очень слабыми, и для работы им требовалось очень высокое напряжение. Такие характеристики препятствовали практическому использованию электростатических двигателей и заставляли людей поверить в то, что электростатические двигатели бесполезны.

Однако в конце 1980-х ситуация снова резко изменилась. Микроэлектростатические двигатели, которые были изготовлены с использованием процесса изготовления ИС, привлекли внимание многих исследователей, и с тех пор было изготовлено множество микроэлектростатических двигателей до настоящего времени ^[4,5] .

Почему исследователи микромотора предпочитают электростатический мотор, а не электромеханический? Вот две основные причины, описанные ниже:

• Электростатический двигатель (или электрод) может быть изготовлен в виде двухмерной конструкции, тогда как электромагнитный двигатель (или катушка) требует трехмерной конструкции.Следовательно, мы можем легко применить процесс производства ИС для изготовления электростатических двигателей.
• Плотность силы электростатического двигателя, по оценкам, увеличивается по мере уменьшения его размера, тогда как плотность силы электромагнитного двигателя не зависит от его размера.

Эта вторая причина приводит нас к идее, что мы можем получить очень сильный электростатический двигатель, объединив множество небольших элементов электростатического двигателя. Основываясь на этой идее, некоторые исследователи занимаются разработкой мощных электростатических двигателей, и мы этим занимаемся.Используя пленки гибких печатных схем (FPC), разработанные нами электростатические двигатели успешно регистрировали большую силу тяги, чем другие мощные электростатические двигатели.

---

Электростатический двигатель большой мощности

В следующих ссылках представлены два типа разработанных нами мощных электростатических двигателей.

---

Список литературы

[1] С. Эгава, Т. Ниино и Т. Хигучи: «Пленочные актуаторы : плоские электростатические приводы с поверхностным приводом », Proc.IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop ’91 , pp. 9-14 (1991).

[2] Т. Ниино, С. Эгава, Х. Кимура и Т. Хигучи: « Электростатическая искусственная мышца: компактные мощные линейные приводы с многослойной структурой », Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop ’94 , pp. 130-135 (1994).

[3] Институт электростатики Японии: « Справочник по электростатике (на японском языке)», Ohm co. (1981)

[4] Л.С. Фан, Ю. К. Тай и Р. С. Мюллер: « IC-Processed Electrostatic Micro-motors «, Proc. IEEE International Electron Devices Meeting , стр. 666-669 (1988)

[5] С. К. Якобсен, Р. Х. Прайс и Дж. Э. Вуд: « Колебательный двигатель: электростатический, планетарный якорь, мироактюатор «, Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop ’89 , pp. 17-24 (1989).

---

Draper получил патент на электростатические двигатели; семья в стадии разработки

Draper (официально Лаборатория Чарльза Старка Дрейпера, американская некоммерческая научно-исследовательская организация, базирующаяся в Кембридже, Массачусетс.) разрабатывает новое семейство электродвигателей и генераторов, основанных на электростатических, а не электромагнитных принципах. В основе инициативы лежит недавний патент на некоторые аспекты технологии.

Почти все современные электродвигатели используют магнетизм для создания крутящего момента. На протяжении веков инженеры знали, что силы электрических полей также можно использовать для создания двигателей, но эти так называемые электростатические двигатели были слишком слабыми и проблематичными, чтобы конкурировать со своими электромагнитными аналогами.Даже с возрождением интереса в последние несколько десятилетий к электростатическим двигателям страдают различные проблемы, такие как большой вес, низкая максимальная скорость вращения, очень большие объемы диэлектрической жидкости и источники питания, требующие очень высоких напряжений.

Однако, используя самые современные материалы, новаторский дизайн и десятилетия опыта в производстве, Draper разрабатывает новые мощные электростатические двигатели, которые, по словам Дрейпера, преодолевают барьер крутящего момента, с которым столкнулись их предшественники.

Подход

Draper к электродвигателям имеет множество преимуществ по сравнению с обычными электродвигателями, включая значительно меньший вес, более высокий КПД, более высокую удельную мощность и более низкую стоимость материалов.Новый подход Дрейпера может принести пользу широкому спектру технологий, которые теперь зависят от электродвигателей, от электромобилей до мобильных оборонных приложений, таких как дроны, и значительно расширить их диапазон и мобильность.

В наших электродвигателях используются тонкие электроды и электреты, которые снижают вес на 80% или более по сравнению с обычными электродвигателями. Это означает расширение диапазона до 40% для дронов и до 25% для электромобилей на основе наших симуляций.

—Сабрина Мансур, менеджер по развитию автомобильного бизнеса в Draper

Электреты («электричество» + «магнит») — это диэлектрические материалы с квазипостоянным электрическим зарядом или дипольной поляризацией.Электрет генерирует внутренние и внешние электрические поля и является электростатическим эквивалентом постоянного магнита. Электреты использовались в более поздних попытках разработки жизнеспособных электростатических двигателей (например, Genda и др. ).

Как описано в заявке на патент, электростатический двигатель Дрейпера включает в себя цилиндрический ротор и статор. Электроды размещены на внутренней цилиндрической поверхности статора. Электреты и / или электропроводящие электроды помещают на цилиндрический ротор, и диэлектрическая жидкость заполняет пространство между ротором и статором, чтобы предотвратить разряд электретов.Маска используется для зарядки частей электретного цилиндра или другой изогнутой поверхности.

Компания заявляет, что в ее электродвигателях не используются редкоземельные материалы, что является важным соображением в свете роста цен на эти материалы и сообщений о потенциальном запрете Китая на экспорт редкоземельных материалов.

Электромобили, беспилотные летательные аппараты, роботы и другие продукты требуют от электродвигателей постоянно увеличивающейся производительности, но ограничены весом и стоимостью материалов, необходимых для изготовления обычного двигателя — стали, медных катушек и редкоземельных магнитов.Недавно запатентованный Дрейпер подход к электродвигателям, доступный по лицензии, заменяет эти материалы тонкими, легкими и широко доступными материалами.

Ресурсы

• US20190253000A1: Электростатический двигатель

• Т. Генда, С. Танака и М. Эсаши (2003) «Мощный электростатический двигатель и генератор на электретах», ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ’03. 12 ^-я Международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным устройствам и микросистемам.Дайджест технических документов (каталожный номер 03TH8664), Бостон, Массачусетс, США, стр. 492-495, том 1, DOI: 10.1109 / SENSOR.2003.1215361

Дэн Лудуа, изобретатель нового электростатического двигателя, названный изобретателем Мура. Сотрудник

Дэн Людуа, научный сотрудник Мура-изобретателя и доцент кафедры вычислительной техники и электротехники Университета штата Вашингтон в Мэдисоне, описывает некоторые из основных научных концепций, лежащих в основе его электростатического двигателя.Также здесь можно увидеть Джастина Рида, генерального директора C-Motive Technologies, дочернего предприятия, работающего над коммерциализацией этой технологии. Ана Рамос и Джеймс Рунде

Когда Дэн Людуа рос недалеко от Белойта, штат Висконсин, он ради забавы рисовал удлинители. Будучи аспирантом, он мечтал о преобразовании энергии. «Электричество, — говорит он, — всегда было моим делом». Сегодня Людуа является научным сотрудником-изобретателем Мура и на один шаг ближе к тому, чтобы сделать мир потенциально революционным изобретением.

Присужденный Фондом Гордона и Бетти Мур, стипендиаты Moore Inventor Fellows уже второй год предоставляют свободу и поддержку наиболее многообещающим изобретателям страны. Лудуа, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Висконсин-Мэдисон, получит 825 000 долларов на финансирование исследований в течение трех лет, чтобы продемонстрировать полезность своего электростатического двигателя.

«Наш фонд предоставляет этим начинающим исследователям время и свободу для разработки идей, которые будут иметь положительное значение», — говорит Роберт Киршнер, главный программный директор по науке в Фонде Гордона и Бетти Мур.«Воспитание этих ученых-изобретателей в университетах и ​​предоставление им возможности взглянуть на внешний мир поможет их идеям оказать реальное влияние».

Доцент кафедры вычислительной техники и электротехники Дэн Лудуа был одним из пяти исследователей по всей стране, получивших звание стипендиата Moore Inventor в 2017 году. Людуа будет использовать средства, чтобы продемонстрировать полезность своего изобретения электростатического двигателя. Фонд Гордона и Бетти Мур

«С корпорацией Intel Гордон Мур изменил мир», — говорит Лудуа.«У нас есть смартфоны в руках и роботы на Марсе из-за Мура. Так что быть избранным, считаться «изобретателем Мура» — это немного сюрреалистично ».

По оценкам, 46 процентов всей вырабатываемой в мире электроэнергии используется для питания электродвигателей. Эти рабочие лошадки выполняют большую часть нашей работы по перекачиванию, нагреву, охлаждению, сверлению, прессованию, резке, шлифованию и перемещению. Но изобретение Людуа представляет собой фундаментальное изменение в том, как работают эти машины, и может стать более дешевой, устойчивой и более эффективной альтернативой.

Емкостной двигатель

Людуа работает от электростатического преобразования энергии или от силы «статического сцепления», создаваемой электрическими полями. По сравнению с обычными двигателями, которые используют магнитные поля для преобразования электричества во вращающую силу, двигатель Людуа более гибкий по конструкции, мощный и высокоэффективный. Его двигатель в ближайшем будущем может производить в три-десять раз больший крутящий момент, чем электромагнитные двигатели того же веса, и для производства не требуются редкоземельные материалы.В один прекрасный день он может служить машиной с прямым приводом для целого ряда приложений, изменяя способ проектирования инженеров ветряных турбин, электрических и гибридных электромобилей, аэрокосмических силовых установок, накопителей энергии и энергетической инфраструктуры.

С помощью Фонда исследований выпускников Висконсина (WARF) Людуа и деловой партнер Джастин Рид стали соучредителями дочерней компании под названием C-Motive Technologies. В прошлом Людуа создавал двигатели, демонстрирующие определенные основные концепции, в то время как исследователи из C-Motive Technologies сосредоточились на практических задачах, таких как разработка корпуса двигателя.Однако средства фонда Мура будут использованы в UW-Madison, чтобы продемонстрировать полезность двигателя или доказать, что электростатический двигатель Людуа может выполнять практическую работу.

С корпорацией Intel Гордон Мур изменил мир. У нас есть смартфоны в руках и роботы на Марсе из-за Мура. Так что быть избранным, считаться «изобретателем Мура» — это немного сюрреалистично.

Дэн Людуа

«В университете мы действительно хорошо умеем доказывать новые концепции, — говорит Людуа, — а промышленность действительно хороша в создании чего-то надежного и экономичного. Но посередине этих двух вещей есть своего рода пустота. На то, чтобы соединить теорию и практические гайки и болты, не так много средств. Деньги Мура позволят мне сшить эти штуки и что-то выпустить.”

Стипендия является особенной для Ludois из-за того, что она сосредоточена на изобретателях. Хотя Людуа ежедневно использует науку и технику, он в основном идентифицирует себя как изобретатель. Но изобретательство, по его словам, — это совсем не работа одного человека. «Возможно, изобретение было создано мной, но моя команда продвигает его вперед. Люди говорят, что Томас Эдисон изобрел лампочку, но это больше похоже на то, что Томас Эдисон и его команда из двенадцати человек изобрели лампочку ».

У Людуа есть еще две идеи изобретений.«Все они объединены тем, что емкость, способность накапливать электрический заряд, играет большую роль в каждом из них», — говорит он. «Меня больше всего интересует манипулирование электрическими полями, чтобы делать полезные вещи».

Фонд Гордона и Бетти Мур способствует новаторским научным открытиям, охране окружающей среды, улучшению ухода за пациентами и сохранению особого характера района залива. Узнайте больше на www.moore.org.

Их история, виды и принципы работы: Олег Ефименко, Томас Валоне, Дэвид К.Уокер: 9781935023470: Amazon.com: Книги

Д-р Олег Дмитрович Ефименко (1922-2009) был одним из самых уважаемых авторов журнала Electric Spacecraft Journal. Он предоставил ESJ обзорные копии своих книг, в том числе «Электростатические двигатели: их история, типы и принципы работы»; Электромагнитное замедление и теория относительности: новые главы классической теории полей; Причинность, электромагнитная индукция и гравитация: другой подход к теории электромагнитных и гравитационных полей; и электричество и магнетизм: введение в теорию электрических и магнитных полей .ESJ рассмотрел свои идеи о замедлении, плотности тока и различных атомных часах в предыдущих журналах. (См. ESJ 6: 37-38, 22: 38-39, 31: 6-9 и 40: 25-27.) Следующий обзор электростатических двигателей представлен как дань уважения жизненной работе серьезного исследователя. в области физических наук, которые разделяли страсть ESJ ставить под сомнение предположения, никогда не отказываясь от эмпиризма и разума. Проводя исследования электростатики в начале 1970-х годов, Ефименко обнаружил, что эта область в значительной степени заброшена.Игрушки создавались как диковинка в 1700-х годах, когда наука была слишком примитивной, чтобы воспринимать ее всерьез. Ефименко обнаружил, что письменный отчет изобилует красочными комментариями, но лишен количественного анализа. Его исследования по этой теме включали в себя изучение древних текстов, забытых журналов и музейных шкафов, где из-за непонимания хранилось множество электростатических машин. Основная причина, по которой электростатические двигатели не воспринимались всерьез, заключается в том, что для их работы требуется большое напряжение, а электростатический разряд всегда препятствует поддержанию высокого напряжения.Тем не менее, были построены некоторые электростатические двигатели, которые работают с входным напряжением, превышающим 100 кВ; другие работают с токами порядка наноампер. Один электростатический двигатель маятникового типа в университете Инсбрука, Австрия, непрерывно работал на свае Замбони в течение восьмидесяти шести лет. Другой класс электростатических двигателей — это коронирующие двигатели, разработанные В. Хольцем и Дж. К. Поггендорфом. Они заключались в основном в работе генераторов Вимшерста в обратном направлении. Комбинация ложных апелляций к авторитету и круговой аргументации не позволила уловить воображение публики, чтобы превратить эти машины во что-нибудь полезное.Карл Циперновски изобрел двигатели совершенно другого класса, известные как конденсаторные двигатели. Эти двигатели состояли из плоского вентилятора с четырьмя лопастями, вращающегося между двумя латунными отверстиями одинакового размера и формы. Еще один необычный класс электростатических двигателей — это электретные двигатели. Электреты — это постоянно заряженные диэлектрики, электрическая аналогия постоянных магнитов. А. Н. Губкин изготовил первый электретный двигатель. Он состоял из диаметрально расположенных электретов. Электретная лопатка могла свободно вращаться в диэлектрических пространствах двух диаметрально расположенных конденсаторов.Полярность конденсаторов регулировалась коммутаторами. Ефименко возлагал большие надежды на чистый, возобновляемый источник энергии, который сделает возможными электростатические двигатели. Он приложил много усилий, пытаясь использовать значительную мощность, вызванную перепадами потенциалов в атмосфере, вызванными высотой. — Electric Spacecraft Journal, выпуск 47, 30 марта 2011 г.

Это выдающаяся книга, которую нельзя пропустить всем, кто интересуется производством энергии. Это лучший источник информации и истории относительно атмосферного электричества, приводящего в действие двигатель, и различных типов электростатических двигателей, которые подходят для атмосферного преобразования энергии.Автор, профессор Олег Ефименко из Университета Западной Вирджинии, оценил потенциальный запас энергии атмосферного электричества в 200 гигаватт. Таким образом, эта книга дает толчок к появлению нового источника энергии, особенно в засушливом климате, где ее можно использовать в течение всего года. — Томас Валоне, доктор философии, физ.

Профессор Ефименко (1922-2009) был трудолюбивым, одаренным и удачливым. Он родился на Украине. Оказавшись в процессе подготовки к Второй мировой войне, он был отправлен в русскую армию и отправлен в Сибирь для обучения.Он был ранен на русско-германском фронте, избежал плена и получил медицинскую помощь у знахаря в соседней деревне. Позже его задержали и отправили в немецкий трудовой лагерь. Его независимый дух привлекал внимание и дополнительные побои со стороны охранников. Ему удалось обменять продовольственный паек с другим заключенным на книгу, написанную на русском языке о том, как говорить по-немецки. Охранники перестали его бить, как только он заговорил на их языке. Он улучшил свое положение, научившись работать на токарном станке по металлу, а остальное время проводил в лагере, обрабатывая стволы для оружия.После войны он изучал физику в Геттингенском университете, Германия (Vordiplom, 1950), где слушал лекции известных ученых того времени. Он женился и приехал в Соединенные Штаты в поисках новых возможностей. Его формальное образование было завершено в колледже Льюиса и Кларка в Портленде, штат Орегон (бакалавр, 1952 г.), и в университете штата Орегон (магистр, 1954 г. и доктор философии, 1956 г.). Олег провел всю свою карьеру на физическом факультете Университета Западной Вирджинии. Его лекции были оживлены демонстрациями в аудиториях.Самым новаторским был его круговой поток воды. Серьезная исследовательская работа Олега затрагивала как теоретические, так и экспериментальные аспекты спектроскопии, электричества и магнетизма, а также электростатики. После выхода на пенсию у него было больше времени для изучения новых тем, и он написал книги по гравитации — гравитационные поля, электромагнитное замедление и теория относительности.

Новостная статья — Компания, дочерняя компания инженерного колледжа Висконсинского университета, разработала новый электродвигатель, в котором используется электростатическая сила, а не магнетизм

Компания, дочерняя из инженерного колледжа Университета Висконсина, разработала новый электродвигатель, который использует электростатическую силу, а не магнетизм, как в обычных двигателях.

C-Motive Technologies заявляет, что их изобретение должно привести к созданию более дешевых, легких и эффективных электродвигателей. Их настольная версия двигателя не требует дорогих редкоземельных металлов, а в катушке используется более дешевый алюминий, в отличие от меди, которая используется в современных магнитных двигателях.

Соучредитель

C-Motive Дэн Лудуа сказал: «Вместо магнетизма мы используем силу, которая удерживает вашу одежду вместе, когда вы достаете ее из сушилки, — электростатическую силу.Эта техника может привести в действие все, что нужно двигаться, и к чему вы не хотите прикасаться во время движения «.

Электростатический двигатель имеет вложенные статические и вращающиеся пластины, которые немного удалены друг от друга с помощью воздушной амортизации. Как объясняет Людуа: «Нет контакта и нет обслуживания».

Идея создания двигателей, использующих электростатическую силу, восходит к 18 веку. Бенджамин Франклин и другие разработали и построили двигатели на основе этого принципа, но не смогли превратить свои конструкции в практические устройства.Развитие новых материалов и процессов машиностроения сделало электростатические двигатели более реалистичными. В частности, двигатель полагается на электронику, которая может точно управлять высоким напряжением, высокочастотным электрическим полем, и на механику жидкости, чтобы настроить воздушные подушки.

Одним из первых реальных применений новой технологии может быть генератор для ветряных турбин. C-Motive получила грант на разработку электростатического генератора от Американского национального научного фонда в 2014 году.Электрогенераторы — это, по сути, электродвигатели, работающие в обратном направлении.

Разработка электростатического двигателя началась, когда Дэн Лудуа и его соратники-основатели C-Motive еще были аспирантами Висконсинского университета. Университет поддержал их патентную заявку и предоставил начальное финансирование. Сейчас Людуа делит свое время между доцентом в университете и работой в C-Motive. Двое других соучредителей теперь являются штатными сотрудниками C-Motive Technologies, работая вместе с еще тремя штатными сотрудниками.

НАЗАД

Электростатический двигатель

Электростатический двигатель Электростатический двигатель

На этой фотографии показан готовый двигатель, сидящий на верх моего умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона, готовый к работе. В три, одна кварта, бутылки из полиэтилена высокой плотности сидят на куске из сверхвысокомолекулярного полиэтилена толщиной 3/4 дюйма. две торцевые бутылки обернуты изолентой из алюминиевой фольги и прикручены к доска с короткими отрезками стержня из нержавеющей стали 18-8 с резьбой 1 / 4-20 и орехи.Стержень на левой бутылке проходит через доску и контактирует с выходной клеммой CW. В средней бутылке три Полоски фольги размером 2 «X 6» и опираются на землю с игольчатым подшипником. из буровой штанги 1/4 дюйма. Штанга сидит в просверленном отверстии 1/4 дюйма 1/2 дюйма в доску и проходит через отверстие 1/4 дюйма в нижней части бутылка. Острие стержня упирается в углубление, сделанное на детали. из тефлонового листа 1/32 дюйма, который удерживается винтом в горловине бутылки. шапка.К каждому концу бутылки приклеена полоса алюминиевой крыши шириной 1 дюйм. мигающий, с дальним концом, согнутым под углом 90 ° и обрезанным, чтобы получилась пара острых точки. Правая бутылка сидит на короткой длине мигания. который используется для заземления.

Это фотография двигателя без вспышки (отсюда долгое время срабатывания затвора). операция. Три сектора из алюминиевой фольги на центральной бутылке размывается в серую полосу из-за быстрого вращения. Видны несколько дуг между левой щеткой и центральной бутылкой.