RU2663499C2 - Capacitive electrical machine (cem) with tensioning electrodes - Google Patents
Capacitive electrical machine (cem) with tensioning electrodes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2663499C2 RU2663499C2 RU2016148472A RU2016148472A RU2663499C2 RU 2663499 C2 RU2663499 C2 RU 2663499C2 RU 2016148472 A RU2016148472 A RU 2016148472A RU 2016148472 A RU2016148472 A RU 2016148472A RU 2663499 C2 RU2663499 C2 RU 2663499C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- capacitive
- rotor
- stator
- electric machine
- Prior art date
Links
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 8
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 claims description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 claims 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 13
- 239000010408 film Substances 0.000 description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 208000018910 keratinopathic ichthyosis Diseases 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 230000005483 Hooke's law Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/06—Influence generators
- H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)
Abstract
Description
Электрическая машина емкостная (ЭМЕ) с натяжными электродами относится к широкому классу преобразователей, предназначенных для трансформации электрической энергии в механическую и обратного преобразования и действующих за счет электростатических сил кулоновского притяжения между электрическими зарядами противоположных знаков, размещаемыми на параллельных друг другу плоских электродах, или электродах иной конфигурации.Capacitive electric machines (EMEs) with tension electrodes belong to a wide class of converters designed to convert electrical energy into mechanical and reverse converters and act due to the electrostatic forces of Coulomb attraction between electric charges of opposite signs placed on parallel flat electrodes or other electrodes configurations.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
ЭМЕ, заявленные в настоящем изобретении, могут использоваться в промышленности и технике в качестве двигателей и актуаторов, преобразующих электрическую энергию в механическую, например в робототехнике, в исполнительных механизмах электрических замков и прочих запорных устройств, и во многих других областях техники. Также ЭМЕ могут использоваться в качестве обратного преобразователя механической энергии в электрическую, в таком качестве ЭМЕ можно использовать как в качестве генератора импульсов электрического тока как высокого напряжения, так и любой другой величины, необходимой для бытовой и промышленной электротехники. В том числе заявленные электростатические микродвигатели и микрогенераторы могут применяться везде, где сейчас применяются пьезоэлектрические преобразователи, в том числе в качестве реле, управляемых напряжением, в качестве микродвигателей в сервоприводах и во многих других устройствах.The EME claimed in the present invention can be used in industry and technology as motors and actuators that convert electrical energy into mechanical energy, for example in robotics, in actuators of electric locks and other locking devices, and in many other areas of technology. Also, EMEs can be used as a inverse converter of mechanical energy into electrical energy; in this quality, EMEs can be used both as a generator of electric current pulses of both high voltage and any other value necessary for household and industrial electrical engineering. In particular, the declared electrostatic micromotors and microgenerators can be used wherever piezoelectric transducers are used now, including as voltage-controlled relays, as micromotors in servos and in many other devices.
Текущий уровень техникиCurrent state of the art
Первые электростатические преобразователи появились задолго до открытия принципа электромагнитной индукции. Известен широкий класс электрических машин, работающих на принципах электростатики, которые содержат как минимум одну пару электродов, предназначенных для накопления электрических зарядов противоположного знака, посредством которых электроды взаимодействуют друг с другом. Такое взаимодействие электродов удобнее и проще описывать через динамику их емкостных характеристик, поскольку любая пара электродов может быть рассмотрена как электрический конденсатор переменной емкости (КПЕ), емкость которого зависит от геометрии электродов, их взаимного расположения и диэлектрических характеристик среды, расположенной между электродами. Изменение любого из этих факторов приводит к изменению емкости, изменение емкости заряженных электродов приводит к изменению разности потенциалов между электродами и электрической энергии КПЕ, и может быть произведено множеством механических способов. Именно эта жесткая связь механических характеристик устройства с его электрической емкостью и с электрическим напряжением лежит в основе преобразования энергии в данном типе электрических машин, поэтому они часто называются емкостными, хотя могут встречаться и другие названия.The first electrostatic converters appeared long before the discovery of the principle of electromagnetic induction. A wide class of electrical machines operating on the principles of electrostatics is known, which contain at least one pair of electrodes designed to accumulate electric charges of the opposite sign, through which the electrodes interact with each other. Such an interaction of the electrodes is more convenient and easier to describe through the dynamics of their capacitive characteristics, since any pair of electrodes can be considered as an electric capacitor of variable capacitance (KPE), the capacitance of which depends on the geometry of the electrodes, their relative position and the dielectric characteristics of the medium located between the electrodes. A change in any of these factors leads to a change in capacitance, a change in the capacitance of charged electrodes leads to a change in the potential difference between the electrodes and the electric energy of the KPI, and can be produced in many mechanical ways. It is this rigid connection of the mechanical characteristics of the device with its electrical capacitance and with the electrical voltage that underlies the energy conversion in this type of electrical machines, therefore they are often called capacitive, although other names may occur.
Кроме этого существуют многочисленные электрические машины, также работающие за счет электростатических сил, но которые не удается описать как КПЕ. Известен генератор Ван де Граафа, в котором используется диэлектрическая лента, являющаяся ротором генератора. Принцип работы генератора заключается в индукции электрического заряда на ленте в области контакта ленты с заземленным металлическим валом (статором генератора) при создании разности потенциалов возбуждения между валом и лентой, и в последующем переносе этого заряда к токосъемной щетке, которая снимает индуцированный заряд на накопитель зарядов, причем вследствие того, что взаимная электрическая емкость диэлектрической ленты и статора при этом переносе уменьшается во много раз, разность потенциалов зарядов на накопителе по отношению к заземленному статору во много раз превышает начальную разность потенциалов возбуждения. Известна модификация генератора Ван де Граафа - пеллетрон, работающий по тому же принципу, у которого вместо диэлектрической ленты используется лента, состоящая из множества токопроводящих электродов, изолированных друг от друга и образующих цепь из чередующихся электродов (пеллет) и диэлектрической основы. Для описания настоящего изобретения и определения текущего уровня техники является важным, что: во-первых, эти пеллеты гальванически изолированы друг от друга; во-вторых, ленточную форму имеет только ротор, в то время как металлический вал (статор) не является ни лентой, ни твердой пластиной, то есть в генераторе используется только одна лента; в-третьих, эта лента имеет только естественное натяжение на валах генератора и лента движется относительно этих валов, в то время как в заявленном изобретении специально натянутые ленты или движутся вместе с каркасом, на котором они натянуты, или неподвижны. Поэтому указанные выше характеристики генератора Ван де Граафа и пеллетрона позволяют утверждать об отсутствии их релевантности к настоящему изобретению.In addition, there are numerous electric machines that also operate due to electrostatic forces, but which cannot be described as KPIs. The famous Van de Graaff generator, which uses a dielectric tape, which is the rotor of the generator. The principle of operation of the generator is to induce an electric charge on the tape in the contact area of the tape with a grounded metal shaft (generator stator) when creating a potential difference between the shaft and the tape, and in the subsequent transfer of this charge to the collector brush, which removes the induced charge on the charge storage, moreover, due to the fact that the mutual electric capacitance of the dielectric tape and the stator during this transfer decreases many times, the potential difference of the charges on the drive with respect to to a grounded stator is many times greater than the initial difference of the excitation potentials. A known modification of the Van de Graaff generator is the pelletron, which works according to the same principle, in which instead of a dielectric tape a tape is used, consisting of many conductive electrodes isolated from each other and forming a chain of alternating electrodes (pellets) and a dielectric base. To describe the present invention and determine the current level of technology, it is important that: firstly, these pellets are galvanically isolated from each other; secondly, only the rotor has a tape shape, while the metal shaft (stator) is neither a tape nor a solid plate, that is, only one tape is used in the generator; thirdly, this tape has only natural tension on the shafts of the generator and the tape moves relative to these shafts, while in the claimed invention, specially tensioned tapes either move together with the frame on which they are stretched, or are motionless. Therefore, the above characteristics of the Van de Graaff generator and pelletron allow us to state the absence of their relevance to the present invention.
Также известен широкий класс пьезоэлектрических машин, основанных на прямом и обратном пьезоэлектрическом эффекте. Во многом эти устройства могут рассматриваться как аналоги электростатических емкостных преобразователей, поскольку в основе их работы лежит такой же принцип жесткой связи геометрических характеристик и разности потенциалов противолежащих поверхностей пьезокерамических рабочих элементов. Широкое применение получили пьезоэлектрические микродвигатели, иногда называемые ультразвуковыми. По многим показателям, например по удельной мощности и энергоэффективности, эти устройства уже сейчас успешно конкурируют с электромагнитными электрическими машинами и превосходят их. Например, широкое применение они получили в системах управления объективами фотоаппаратов. К недостаткам этих машин следует отнести дорогую технологию производства и сравнительно небольшой ресурс работы, а также технологические проблемы при попытках увеличить размеры и мощность устройства.A wide class of piezoelectric machines based on the direct and inverse piezoelectric effect is also known. In many ways, these devices can be considered as analogues of electrostatic capacitive converters, since their work is based on the same principle of tight connection of geometric characteristics and potential difference of opposing surfaces of piezoceramic work elements. Piezoelectric micromotors, sometimes called ultrasonic, are widely used. In many respects, for example, in specific power and energy efficiency, these devices are already successfully competing with and surpassing electromagnetic electric machines. For example, they are widely used in camera lens control systems. The disadvantages of these machines include expensive production technology and a relatively small resource of work, as well as technological problems when trying to increase the size and power of the device.
Для емкостных преобразователей, описываемых как КПЕ, общим является то, что их емкость периодически изменяется от максимальной величины Сmax до минимальной величины Сmin и обратно. Когда ЭМЕ работает в режиме генератора, электроды КПЕ в положении Сmax заряжают некоторыми начальными зарядами возбуждения, потом емкость КПЕ уменьшают до Cmin, в результате чего энергия зарядов и создаваемая ими разность потенциалов увеличиваются, что и является целью генерации. При работе в режиме двигателя на электроды КПЕ, находящийся в положении Cmin, подают разность потенциалов, под действием электростатических сил КПЕ переходит в положение Сmax, производя при этом механическую работу.For capacitive converters, described as KPIs, it is common that their capacitance periodically changes from a maximum value of C max to a minimum value of C min and vice versa. When the EME operates in the generator mode, the KPE electrodes in the C max position are charged with some initial excitation charges, then the KPE capacitance is reduced to C min , as a result of which the charge energy and the potential difference created by them increase, which is the purpose of generation. When operating in engine mode, the KPI electrodes in the C min position are supplied with a potential difference, under the influence of electrostatic forces, the KPE goes to the C max position, while performing mechanical work.
В общем случае мощность такого преобразователя тем больше, чем больше отличаются по величине Сmax и Cmin. Поскольку Сmin технически несложно уменьшить практически до нуля, эффективность и мощность ЭМЕ будет тем больше, чем больше Сmax. Увеличение этой величины ЭМЕ является одной из основных задач для повышения мощности и других силовых характеристик ЭМЕ, что и является конечной целью заявленных в настоящем изобретении решений.In general, the power of such a converter is greater, the more they differ in magnitude of C max and C min . Since C min technically difficult to reduce to almost zero, efficiency and power Aimé will be greater, the larger C max. Increasing this EME value is one of the main tasks for increasing the power and other power characteristics of EMEs, which is the ultimate goal of the solutions claimed in the present invention.
Среди ЭМЕ можно выделить два широких класса машин, являющихся предметом настоящего изобретения: электростатические планарные актуаторы и преобразователи со сдвигом.Among EMEs, two broad classes of machines that are the subject of the present invention can be distinguished: electrostatic planar actuators and shear converters.
Данные классы ЭМЕ являются конденсаторами переменной емкости (КПЕ), построенными на базе обычного плоского конденсатора, состоящего из двух плоских электродов, наложенных друг на друга через разделяющий токопроводящие части электродов слой диэлектрика. Пусть площадь поверхности контакта электродов S, толщина слоя диэлектрика d, его диэлектрическая проницаемость еd. Емкость такого конденсатора C=e0edS/d, где е0 - электрическая постоянная, равная 8,85⋅10-12(Ф/м). Часто встречаются описания ЭМЕ, у которых слоем диэлектрика является воздушная прослойка. В силу плохой электрической прочности и малой диэлектрической проницаемости воздуха такие устройства обладают очень малой мощностью и КПД.These EME classes are variable capacitors (KPE), built on the basis of a conventional flat capacitor, consisting of two flat electrodes, superimposed on top of each other through a dielectric layer separating the conductive parts of the electrodes. Let the contact surface area of the electrodes S, the thickness of the dielectric layer d, its dielectric constant e d . The capacitance of such a capacitor is C = e 0 e d S / d, where e 0 is the electric constant equal to 8.85⋅10 -12 (F / m). Often there are descriptions of EMEs, in which the layer of dielectric is the air gap. Due to the poor electric strength and low dielectric constant of air, such devices have very low power and efficiency.
Изменение емкости плоского конденсатора возможно тремя механическими способами.Changing the capacitance of a flat capacitor is possible in three mechanical ways.
Во-первых, емкость плоского конденсатора может меняться путем изменения расстояния между пластинами d, на таком принципе построена работа электростатического планарного актуатора (ЭПА), который в английской терминологии часто называется Comb drive. ЭПА состоит из двух плоскопараллельных электродов, размещаемых параллельно друг друга на расстоянии переменной величины. Иногда одна из пластин подвешивается над второй на пружине. Изменение емкости такого устройства происходит путем изменения расстояния между пластинами в направлении, перпендикулярном пластинам. В настоящем изобретении ЭМЕ, построенные на таком принципе, называются ЭМЕ планарного типа.Firstly, the capacitance of a flat capacitor can be changed by changing the distance between the plates d, the principle of the work of the electrostatic planar actuator (EPA), which in English terminology is often called Comb drive, is based on this principle. EPA consists of two plane-parallel electrodes placed parallel to each other at a variable distance. Sometimes one of the plates is suspended above the second on a spring. The change in the capacity of such a device occurs by changing the distance between the plates in the direction perpendicular to the plates. In the present invention, EMEs built on this principle are called planar EMEs.
Во-вторых, емкость плоского конденсатора может меняться путем изменения площади поверхности контакта пластин S путем сдвига в сторону одного электрода относительно другого. В настоящем изобретении ЭМЕ, построенные на таком принципе, называются ЭМЕ со сдвигом.Secondly, the capacitance of a flat capacitor can be changed by changing the contact surface area of the plates S by shifting one electrode relative to another. In the present invention, EMEs built on this principle are called shift EMEs.
В-третьих, емкость плоского конденсатора может меняться путем изменения диэлектрической проницаемости диэлектрика еd путем замены одного диэлектрика в пространстве между пластинами на диэлектрик с другой величиной диэлектрической проницаемости. Для изменения емкости конденсатора возможна частичная замена диэлектрика между пластинами конденсатора на токопроводящий материал, при этом данный токопроводящий материал не должен иметь электрического соединения с пластинами конденсатора, по характеру и общим свойствам изменения емкости конденсатора этот вариант можно рассматривать как частный случай замены одного диэлектрика на другой, так как токопроводящий материал, помещенный между пластинами конденсатора, вследствие электростатической индукции эквивалентен диэлектрику с бесконечно большой диэлектрической проницаемостью. ЭМЕ, построенные на таком принципе, являются разновидностью ЭМЕ со сдвигом.Thirdly, the capacitance of a flat capacitor can be changed by changing the dielectric constant of the dielectric e d by replacing one dielectric in the space between the plates with a dielectric with a different dielectric constant. To change the capacitance of the capacitor, it is possible to partially replace the dielectric between the plates of the capacitor with a conductive material, while this conductive material should not be electrically connected to the plates of the capacitor, by the nature and general properties of changing the capacitance of the capacitor, this option can be considered as a special case of replacing one dielectric with another, since the conductive material placed between the plates of the capacitor, due to electrostatic induction, is equivalent to a dielectric with Extremely high dielectric constant. EMEs built on this principle are a shift EME.
Все эти способы хорошо известны и изучены и являются общим уровнем техники. При этом возможна реализация любой комбинации этих трех способов.All of these methods are well known and studied and are the general level of technology. In this case, it is possible to implement any combination of these three methods.
В настоящем изобретении для повышения мощности и силовых характеристик ЭМЕ описанных выше типов предлагается использовать электроды, выполненные в виде лент или пленок, находящихся в состоянии постоянного натяжения и зафиксированных в натянутом состоянии в конструкции ЭМЕ, или в собственном каркасе жесткости. Возможно использование натянутых проводов, что во многих случаях существенно упрощает сборку ЭМЕ.In the present invention, to increase the power and power characteristics of EMEs of the types described above, it is proposed to use electrodes made in the form of tapes or films in a constant tension state and fixed in a tensioned state in the EME structure, or in their own stiffening frame. It is possible to use tensioned wires, which in many cases greatly simplifies the assembly of EMEs.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Как было отмечено выше, для повышения мощности ЭМЕ нужно увеличивать максимальную емкость ЭМЕ Сmax. Во всех представленых выше вариантах положение Сmax достигается, когда пластины электродов находятся в состоянии максимально плотного примыкания друг к другу, поэтому первой технической задачей по повышению мощности таких ЭМЕ является изготовление электродов, поверхности которых являются как можно более гладкими и плоскими. Любое ухудшение качества поверхности взаимодействующих электродов ведет к увеличению количества и объема воздушных зазоров между поверхностями электродов в состоянии их примыкания друг к другу и, как следствие, ведет к уменьшению Сmax, а в конечном итоге к уменьшению мощности ЭМЕ. Предлагаемое техническое решение - натяжные электроды - в значительной степени решает эту задачу, поскольку натянутая пленка одновременно обладает и гладкостью, и совершенной плоской поверхностью. Механические способы обработки поверхности электродов любо не способны в принципе достичь нужной чистоты обработки, либо стоят очень дорого.As noted above, to increase the power of EMEs, it is necessary to increase the maximum capacity of EMEs C max . In all the above options, the C max position is reached when the electrode plates are in the state of maximum tight contact with each other, therefore, the first technical task to increase the power of such EMEs is the manufacture of electrodes whose surfaces are as smooth and flat as possible. Any deterioration in the surface quality of the interacting electrodes leads to an increase in the number and volume of air gaps between the surfaces of the electrodes when they are adjacent to each other and, as a result, leads to a decrease in C max , and ultimately to a decrease in the power of the EME. The proposed technical solution - tension electrodes - largely solves this problem, since the stretched film simultaneously has both smoothness and a perfect flat surface. The mechanical methods for treating the surface of the electrodes are either in principle incapable of achieving the desired purity of treatment, or are very expensive.
Также необходимо отметить, что для того, чтобы описанные выше типы ЭМЕ обладали высокой удельной мощностью (мощность, деленная на массу ЭМЕ), электроды должны быть как можно более тонкими, обладать максимально возможной поверхностью контакта и располагаться как можно ближе друг к другу. Фактически возможно использование электропроводящих и диэлектрических материалов толщиной до нескольких микрон, такие материалы (металлическая фольга и полимерные пленки) выпускаются промышленностью в широком ассортименте, соответственно максимальные расстояния между электродами могут быть уменьшены до сотни и даже десятков микрон, что позволяет получать ЭМЕ действительно большой удельной мощности.It should also be noted that in order for the types of EME described above to have a high specific power (power divided by the mass of the EME), the electrodes should be as thin as possible, have the maximum possible contact surface and be located as close to each other as possible. In fact, it is possible to use electrically conductive and dielectric materials up to several microns thick, such materials (metal foil and polymer films) are produced by the industry in a wide assortment, respectively, the maximum distance between the electrodes can be reduced to hundreds or even tens of microns, which makes it possible to obtain EMEs of really high specific power .
Однако использование таких материалов в описанных случаях приводит к серьезной технической проблеме - чем тоньше пленка, тем меньше коэффициент упругости пленки (при прочих равных условиях он прямо пропорционален толщине пленки), и тем больше упругие деформации, возникающие в пленках в процессе их электростатического взаимодействия друг с другом. Пленки под воздействием электростатических сил прилипают друг к другу, и при попытке их отделения друг от друга в процессе работы ЭМЕ в пленках возникают натяжения (упругие напряжения), приводящие к растяжению пленок, и такие растяжения у тонких пленок могут составлять десятки и сотни микрон.However, the use of such materials in the described cases leads to a serious technical problem - the thinner the film, the lower the coefficient of elasticity of the film (ceteris paribus, it is directly proportional to the thickness of the film), and the greater the elastic deformation that occurs in the films during their electrostatic interaction with friend. Films adhere to each other under the influence of electrostatic forces, and when they are separated from each other during EME operation, strains (elastic stresses) arise in the films, leading to stretching of the films, and such stretching in thin films can be tens or hundreds of microns.
Для ЭМЕ планарного типа это приводит к тому, что взаимодействующие пленки остаются в состоянии частичного или даже полного наложения контактных поверхностей друг на друга в рабочих положениях, когда такого наложения быть не должно, фактически такое остаточное прилипание означает, что реально достижимая величина Cmin будет близка к величине Сmax. Это делает невозможным работу ЭМЕ с электродами, выполненными из тонких пленок, или как минимум существенно снижает или мощность и генерируемое напряжение ЭМЕ (в режиме генератора), или мощность и силу, передаваемую внешнему механическому приводу (в режиме двигателя).For a planar EME, this leads to the fact that the interacting films remain in a state of partial or even complete overlap of contact surfaces on each other in working positions, when there should not be such an overlap, in fact, such residual adhesion means that the achievable value of C min will be close to the value of C max . This makes it impossible to work EME with electrodes made of thin films, or at least significantly reduces either the power and generated voltage of the EME (in generator mode), or the power and force transmitted to an external mechanical drive (in engine mode).
Для ЭМЕ со сдвигом это приводит к тому, что между прилипшими друг к другу пленками возникает сила трения, которая может или полностью заблокировать сдвигаемые части ЭМЕ и сделать работу ЭМЕ невозможной, или значительно уменьшить мощность и КПД ЭМЕ.For shear EMEs, this leads to the fact that a friction force arises between the films adhering to each other, which can either completely block the movable parts of the EME and make the EME impossible, or significantly reduce the power and efficiency of the EME.
Для решения этой проблемы также можно использовать натяжные электроды, которые в процессе производства ЭМЕ должны фиксироваться в своих конструктивных положениях под упругим напряжением в натянутом виде. Чем больше начальное растяжение электродов (начальное внутреннее натяжение), тем меньше последующие упругие деформации, возникающие в электродах под воздействием внешней силы, растягивающей электрод. Действительно, согласно закону Гука: F=kx, где F - упругая сила, k - коэффициент упругости, x - величина растяжения. Начальное натяжение означает, что kx0+kx=k1X, где x0 - нальное растяжение, сответствующее начальному натяжению электрода, k1 - аналог коэффициента упругости для натянутого электрода, откуда следует: k1=k(1+x0/x), то есть чем больше натяжение начального растяжения х0, тем больше ʺжесткостьʺ электрода, что, на самом деле, является достаточно очевидным фактом.To solve this problem, you can also use tension electrodes, which in the process of manufacturing EME must be fixed in their structural positions under elastic tension in a stretched form. The greater the initial tension of the electrodes (initial internal tension), the less subsequent elastic deformations that occur in the electrodes under the influence of an external force stretching the electrode. Indeed, according to Hooke's law: F = kx, where F is the elastic force, k is the coefficient of elasticity, x is the tensile value. The initial tension means that kx 0 + kx = k 1 X, where x 0 is the common tension corresponding to the initial tension of the electrode, k 1 is the analog of the coefficient of elasticity for the tensioned electrode, which implies: k 1 = k ( 1 + x 0 / x ), that is, the greater the initial tension x 0 , the greater the "rigidity" of the electrode, which, in fact, is a fairly obvious fact.
Натяжение электродов можно производить как в специальных каркасах электродов, предназначенных для этого, так и в корпусах секций электродов самыми разными способами. В результате такого технического решения становится возможным использование максимально тонких ленточных или пленочных электродов, или электродов, сделанных из тонких проводов, в конструкции ЭМЕ. Достигаемым техническим результатом этого становятся многократно увеличенные удельные мощность и сила ЭМЕ.Electrodes can be tensioned both in special electrode frames designed for this, and in the housings of electrode sections in a variety of ways. As a result of this technical solution, it becomes possible to use the most thin tape or film electrodes, or electrodes made of thin wires, in the design of the EME. Achievable technical result of this is the multiply increased specific power and power of EME.
Вариант ЭМЕ с натяжными электродами со сдвигомEME option with shear tension electrodes
Очень перспективной моделью ЭМЕ с натяжными электродами является ЭМЕ со сдвигом. Возможно объединение множества натянутых электродов в две секции плоскопараллельных электродов, одна из которых является ротором, а другая статором, каждая секция состоит из каркаса секции и набора плоскопараллельных или лент, или пленок, или проводов, натянутых в каркасе секции так, чтобы электроды располагались последовательно друг за другом. При этом между соседними электродами статора образуется щелевое пространство, ширина которого равна или близка к ширине или одного, или всех электродов ротора (если электроды ротора одинаковой ширины), а между соседними электродами ротора образуются щелевые пространства, ширина которых равна или близка к ширине или одного, или всех электродов статора (если электроды статора одинаковой ширины), и электроды ротора и статора полностью или частично размещены в этих щелевых пространствах друг друга так, чтобы те элементы каркаса ротора и статора, к которым крепятся электроды секции, были сдвинуты относительно друг друга на прямой угол или иной угол относительно оси, перпендикулярной плоскости поверхностей электродов ротора и статора, и не препятствовали сдвигу электродов ротора относительно электродов статора. Такая конструкция означает, что электроды ротора и статора натянуты перпендикулярно друг другу (возможно отклонение от прямого угла) внутри своих каркасов, силовые боковые элементы которых также перпендикулярны друг другу и не мешают скольжению электродов ротора между электродами статора. Такое объединение электродов позволяет сделать ЭМЕ со множеством работающих одновременно и синхронно электродов - сотни и тысячи электродов, размещенных компактно в ограниченном объеме, что позволяет получать многократное увеличение мощности и силовых характеристик ЭМЕ.A very promising EME model with tension electrodes is shear EME. It is possible to combine many tensioned electrodes into two sections of plane-parallel electrodes, one of which is a rotor and the other is a stator, each section consists of a section frame and a set of plane-parallel or tapes, or films, or wires stretched in the section frame so that the electrodes are arranged in series with each other after another. In this case, a gap space is formed between adjacent stator electrodes, the width of which is equal to or close to the width of one or all of the rotor electrodes (if the rotor electrodes are the same width), and gap spaces are formed between adjacent rotor electrodes, the width of which is equal to or close to the width of one , or all stator electrodes (if the stator electrodes are the same width), and the rotor and stator electrodes are completely or partially placed in these slit spaces of each other so that those elements of the rotor frame and stat The holes to which the section electrodes are attached were shifted relative to each other at a right angle or another angle relative to the axis perpendicular to the plane of the surfaces of the rotor and stator electrodes, and did not interfere with the shift of the rotor electrodes relative to the stator electrodes. This design means that the rotor and stator electrodes are stretched perpendicular to each other (deviation from a right angle is possible) inside their frames, the power side elements of which are also perpendicular to each other and do not interfere with the sliding of the rotor electrodes between the stator electrodes. Such a combination of electrodes makes it possible to make EMEs with many electrodes operating simultaneously and synchronously - hundreds and thousands of electrodes placed compactly in a limited volume, which allows one to obtain a multiple increase in the power and power characteristics of EMEs.
При этом каждый ленточный электрод может иметь сложную секториальную конструкцию, например состоять из множества токопроводящих полосок, разделенных полосками диэлектрика (конструкция, похожая на пеллеты пеллетрона), но в отличие от пеллетрона данные полоски должны объединяться в блоки единой коммутации к источнику электропитания и/или нагрузки. Такая конструкция позволяет конструировать ЭМЕ, у которых полная амплитуда колебания емкости может происходить при минимально возможных сдвигах ротора с высокой частотой. Пусть статор и ротор имеют одинаковое секториальное строение - ширина всех токопроводящих полосок и диэлектрических полосок одинакова, полоски чередуются друг за другом. Положение Сmax достигается, когда токопроводящие полоски ротора и статора находятся точно напротив друг друга, а положение Cmin достигается, когда токопроводящие полоски статора находятся точно напротив диэлектрических полосок ротора и наоборот. При одинаковом смещении ротора относительно статора у двух ЭМЕ, отличающихся только шириной полосок при прочих равных условиях, та ЭМЕ, у которой полоски тоньше, произведет большее количество рабочих циклов изменения емкости ЭМЕ от максимума до минимума, и поэтому будет обладать большей емкостью.In this case, each tape electrode can have a complex sectorial design, for example, consist of many conductive strips separated by dielectric strips (a design similar to pelletron pellets), but unlike a pelletron, these strips must be combined into units of a single switching to a power supply and / or load . This design allows you to design EMEs in which the full amplitude of the oscillation of the capacitance can occur at the minimum possible rotor shifts with a high frequency. Let the stator and rotor have the same sectorial structure - the width of all conductive strips and dielectric strips is the same, the strips alternate one after another. The position C max is reached when the conductive strips of the rotor and the stator are exactly opposite each other, and the position C min is reached when the conductive strips of the stator are exactly opposite the dielectric strips of the rotor and vice versa. With the same rotor displacement relative to the stator for two EMEs that differ only in the width of the strips, all other things being equal, the EME in which the strips are thinner will produce a larger number of operating cycles for changing the EME capacitance from maximum to minimum, and therefore will have a larger capacity.
Вариантов такого секториального строения электродов может быть очень много, например сектора могут быть не только полосками, но и иметь сложную геометрию, могут располагаться под разными углами к боковым сторонам ротора или статора, и так далее. В обобщенном определении такое строение электродов можно описать следующим образом: каждый электрод разделен на множество секторов из токопроводящего материала, чередующихся с секторами из диэлектрического материала, и сектора из токопроводящего материала могут объединяться в одну или несколько групп секторов, каждая из которых имеет возможность собственного отдельного подключения к источнику электропитания или нагрузки.There can be a lot of options for such a sectorial structure of the electrodes, for example, sectors can be not only strips, but also have complex geometry, they can be located at different angles to the sides of the rotor or stator, and so on. In a generalized definition, this structure of electrodes can be described as follows: each electrode is divided into many sectors of conductive material, alternating with sectors of dielectric material, and sectors of conductive material can be combined into one or more groups of sectors, each of which has its own separate connection to a power source or load.
Важным дополнительным положительным свойством ЭМЕ с натяжными электродами со сдвигом является то, что ротор такого ЭМЕ может не иметь коммутации к источнику электропитания или нагрузки, заряды на электродах ротора могут образовываться посредством электростатической индукции под воздействием электрических полей электродов статора.An important additional positive property of EMEs with shear tension electrodes is that the rotor of such an EME may not be switched to a power source or load, charges on the rotor electrodes can be formed by electrostatic induction under the influence of the electric fields of the stator electrodes.
Дополнительные варианты осуществления изобретенияAdditional embodiments of the invention
Поскольку существенно, что движение электродов заявленных здесь ЭМЕ, передаваемое или принимаемое от внешнего механического привода, является возвратно-поступательным, важное значение для ЭМЕ могут иметь следующие дополнительные технические решения, описанные ниже.Since it is essential that the movement of the electrodes of the EME claimed here, transmitted or received from an external mechanical drive, is reciprocating, the following additional technical solutions, described below, may be important for EME.
Во-первых, важным дополнительным решением для заявленных ЭМЕ является объединение двух или нескольких ЭМЕ последовательно друг за другом в одно устройство таким образом, чтобы статор (или ротор) каждого ЭМЕ кинематически был связан с ротором (или статором) предыдущего или следующего ЭМЕ. Такая комбинация позволяет увеличить амплитуду поступательно-возвратного движения ЭМЕ, предаваемого или получаемого от внешнего механического привода.Firstly, an important additional solution for the declared EMEs is combining two or more EMEs sequentially one after another in one device so that the stator (or rotor) of each EME is kinematically connected with the rotor (or stator) of the previous or next EME. This combination allows you to increase the amplitude of the translational-backward movement of the EME transmitted or received from an external mechanical drive.
Во-вторых, важным дополнительным решением для заявленных ЭМЕ является объединение двух или нескольких ЭМЕ в одно устройство, в котором отдельные ЭМЕ кинематически связаны и работают или по очереди, или в противофазе, или с иным сдвигом фаз относительно друг друга, то есть все объединенные ЭМЕ имеют кинематическую связь с общим механическим приводом, и в любой момент рабочего цикла ЭМЕ расстояния между поверхностями контакта одной из ЭМЕ отличаются от аналогичных расстояний другой ЭМЕ. В результате, когда одна ЭМЕ находится в положении Сmax, другая ЭМЕ может находиться в положении Сmin, или ином положении. Такое объединение ЭМЕ позволяет осуществлять непрерывную работу устройства, а также позволяет усреднять рабочие характеристики ЭМЕ, поскольку зависимость емкости ЭМЕ от расстояния между взаимодействующими электродами носит нелинейный характер.Secondly, an important additional solution for the declared EMEs is the combination of two or more EMEs in one device in which individual EMEs are kinematically coupled and operate either in turn, or in antiphase, or with a different phase shift relative to each other, that is, all combined EMEs have a kinematic connection with a common mechanical drive, and at any moment of the EME working cycle, the distances between the contact surfaces of one of the EMEs differ from similar distances of the other EME. As a result, when one EME is in the C max position, the other EME can be in the C min position, or in a different position. This combination of EMEs allows for continuous operation of the device, and also allows you to average the operating characteristics of EMEs, since the dependence of the EME capacitance on the distance between the interacting electrodes is non-linear.
В-третьих, важным дополнительным решением может быть включение в ЭМЕ упругого возвратного механизма для того, чтобы возвращать ЭМЕ в исходное состояние для начала следующего рабочего цикла. Данный возвратный упругий механизм должен обладать такой упругой силой и энергией, запасаемой во время активной фазы рабочего цикла ЭМЕ, когда происходит нужное пользователю преобразование энергии, чтобы не блокировать эту активную фазу, но быть достаточными для того, чтобы вернуть ЭМЕ в исходное состояние в начало рабочего цикла.Thirdly, an important additional solution may be the inclusion of an elastic return mechanism in the EME in order to return the EME to its original state for the start of the next working cycle. This return elastic mechanism must have such elastic force and energy stored during the active phase of the EME working cycle, when the necessary energy conversion takes place so as not to block this active phase, but be sufficient to return the EME to its original state at the beginning of the working cycle.
В-четвертых, для подавления паразитных переходных процессов, приводящих к ненужным колебаниям напряжения и тока в цепи питания или нагрузки ЭМЕ, а также для того, чтобы исключить токи, обратные токам питания или зарядки ЭМЕ, в цепь питания ЭМЕ полезно включать электрический вентиль (выпрямитель), например диод, таким образом, чтобы исключить, или сделать минимальным ток в направлении, противоположном току питания или зарядки ЭМЕ. В противном случае в электрической цепи питания или нагрузки ЭМЕ будут возникать паразитные колебания напряжения и тока, вызванные переходными динамическими процессами, как минимум уменьшающие мощность и КПД ЭМЕ.Fourth, in order to suppress stray transient processes leading to unnecessary voltage and current fluctuations in the power supply circuit or EME load, and also to eliminate currents reverse to the power supply or EME charging currents, it is useful to include an electric valve (rectifier) in the EME power circuit ), for example, a diode, in such a way as to exclude or minimize the current in the opposite direction to the supply or charging current of the EME. Otherwise, parasitic fluctuations in voltage and current will occur in the electric circuit of the power supply or the EME load, caused by transient dynamic processes, at least reducing the power and efficiency of the EME.
В-пятых, для уменьшения или полного предотвращения слипания электродов в положении Сmax, полезно на поверхности контакта электродов дополнительно размещать антиадгезионную смазку или покрытие, обладающие свойствами диэлектрика.Fifth, in order to reduce or completely prevent sticking of the electrodes in the C max position, it is useful to additionally place a release agent or coating on the electrode contact surface that has dielectric properties.
Достигаемые технические результатыTechnical Results Achieved
Достигаемыми техническими результатами решений, заявленных в настоящем изобретении, являются повышение мощности и удельной мощности и прочих силовых характеристик электростатических преобразователей - ЭМЕ с натяжными электродами.The technical results achieved by the solutions claimed in the present invention are to increase the power and specific power and other power characteristics of electrostatic converters - EMEs with tension electrodes.
Claims (9)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016148472A RU2663499C2 (en) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | Capacitive electrical machine (cem) with tensioning electrodes |
| PCT/RU2017/000901 WO2018106147A1 (en) | 2016-12-09 | 2017-12-05 | Capacitive electrical machine with tensioned electrodes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016148472A RU2663499C2 (en) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | Capacitive electrical machine (cem) with tensioning electrodes |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016148472A3 RU2016148472A3 (en) | 2018-06-09 |
| RU2016148472A RU2016148472A (en) | 2018-06-09 |
| RU2663499C2 true RU2663499C2 (en) | 2018-08-07 |
Family
ID=62492016
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016148472A RU2663499C2 (en) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | Capacitive electrical machine (cem) with tensioning electrodes |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2663499C2 (en) |
| WO (1) | WO2018106147A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2705214C1 (en) * | 2018-12-24 | 2019-11-06 | Евгений Анатольевич Обжиров | Capacitive electrical machine (cem) with galvanic decoupling |
| RU209587U1 (en) * | 2020-08-24 | 2022-03-17 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭЛЬСТАТО-2" | Capacitive-type generator with galvanic isolation and plane-parallel shift of electrodes |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU51198A1 (en) * | 1925-12-22 | 1936-11-30 | М.М. Богословский | Electrostatic machine |
| SU60935A1 (en) * | 1939-07-14 | 1941-11-30 | С.Ф. Постников | Electrostatic generator |
| US3614481A (en) * | 1969-06-16 | 1971-10-19 | Robert B Halliday | Electrostatic generator |
| SU1656647A1 (en) * | 1988-12-27 | 1991-06-15 | Л Б. Куликов | Electrostatic capacitance d c oscillator |
| RU2075154C1 (en) * | 1993-07-07 | 1997-03-10 | Борис Петрович Феоктистов | Capacitance electrostatic generator |
| RU2231207C2 (en) * | 2001-09-20 | 2004-06-20 | Данилов Сергей Иванович | Electrostatic generator |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0947042A (en) * | 1995-07-28 | 1997-02-14 | Topcon Corp | Electrostatic actuator |
| BE1011730A4 (en) * | 1998-02-05 | 1999-12-07 | Bousse Georges Albert | Generator, that produces a mechanical capacity by using the attractive force between the poles of an equal tension electrically charged condenser |
| RU2225066C2 (en) * | 2001-12-17 | 2004-02-27 | Красноярский государственный университет | Electrostatic motor (alternatives) |
| RU2471283C1 (en) * | 2011-04-28 | 2012-12-27 | Владимир Андреевич Степанец | Method of electromechanical conversion of energy and electrostatic capacitance motor on its basis |
-
2016
- 2016-12-09 RU RU2016148472A patent/RU2663499C2/en active
-
2017
- 2017-12-05 WO PCT/RU2017/000901 patent/WO2018106147A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU51198A1 (en) * | 1925-12-22 | 1936-11-30 | М.М. Богословский | Electrostatic machine |
| SU60935A1 (en) * | 1939-07-14 | 1941-11-30 | С.Ф. Постников | Electrostatic generator |
| US3614481A (en) * | 1969-06-16 | 1971-10-19 | Robert B Halliday | Electrostatic generator |
| SU1656647A1 (en) * | 1988-12-27 | 1991-06-15 | Л Б. Куликов | Electrostatic capacitance d c oscillator |
| RU2075154C1 (en) * | 1993-07-07 | 1997-03-10 | Борис Петрович Феоктистов | Capacitance electrostatic generator |
| RU2231207C2 (en) * | 2001-09-20 | 2004-06-20 | Данилов Сергей Иванович | Electrostatic generator |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2705214C1 (en) * | 2018-12-24 | 2019-11-06 | Евгений Анатольевич Обжиров | Capacitive electrical machine (cem) with galvanic decoupling |
| RU209587U1 (en) * | 2020-08-24 | 2022-03-17 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭЛЬСТАТО-2" | Capacitive-type generator with galvanic isolation and plane-parallel shift of electrodes |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2018106147A1 (en) | 2018-06-14 |
| RU2016148472A3 (en) | 2018-06-09 |
| RU2016148472A (en) | 2018-06-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2346380C1 (en) | Capacitive current generator | |
| US10644615B2 (en) | Electrostatic induction generator | |
| CN104467524B (en) | Working method of plate type linear piezoelectric motor based on in-plane mode | |
| CN108054951B (en) | A kind of energy harvesting/energy storage integrated micro-nano battery based on multi-layer structure | |
| RU2663499C2 (en) | Capacitive electrical machine (cem) with tensioning electrodes | |
| CN113241966A (en) | Rotary friction nano power generation device and method based on point discharge | |
| CN109889085A (en) | Piezo-driven ultra-precision three-degree-of-freedom planar motion platform and its excitation method | |
| CN110855177A (en) | Flexible film linear motor | |
| JP2018157663A (en) | Electromechanical converter and manufacturing method thereof | |
| CN105846714A (en) | Stepping piezoelectric drive motor | |
| CN106953540B (en) | Piezoelectric vibrator, driver and micropositioner including the piezoelectric vibrator | |
| RU2640194C1 (en) | Capacity electric machine (cem) of planar type | |
| KR20110001033A (en) | Ultrasonic Motor and Manufacturing Method Thereof | |
| CN102118118B (en) | Linear type ultrasonic micromotor | |
| CN103560694A (en) | Longitudinal-bending combined type ultrasonic motor | |
| JP5863705B2 (en) | Electrostatic transformer | |
| RU2705214C1 (en) | Capacitive electrical machine (cem) with galvanic decoupling | |
| CN117081423A (en) | Inchworm type piezoelectric motor | |
| RU2672099C2 (en) | Capacity electric machine (cme) with internal compression cells | |
| CN205666771U (en) | Step -by -step pressure electric drive motor | |
| RU209587U1 (en) | Capacitive-type generator with galvanic isolation and plane-parallel shift of electrodes | |
| CN114679083A (en) | A macro-micro linear moving device driven by a piezoelectric double-acting plate and its operation method | |
| Zhang et al. | A high performance muscle-like actuator using multi-layer electrostatic film motors | |
| RU2513030C2 (en) | Reversivble rotation electrostatic micromotor | |
| TW200412008A (en) | Ultrasonic motor of multi-layer thin-disc piezoelectric actuating type |