CN111835229A - 一种纳米发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米发动机，包括无线充电装置与直流电动机，无线充电装置包括接通有交流电的发送端线圈以及能够与发送端线圈电磁感应的接收端线圈，接收端线圈位于纳米发动机外壳内部，发送端线圈位于纳米发动机外壳的外部并且与纳米发动机外壳分离。本发明采用改进的微型直流电动机作为纳米发动机的动力部件，外部的无线充电装置在直流电动机内部的接收端线圈加上一定大小的电压，通过换向器将交流电转化为直流电并进入电枢绕组线圈中，在直流电动机内部的磁场作用下，电枢绕组线圈受到电磁力作用而转动，同时带动中心轴一同旋转，中心轴端部的旋转叶片就可以驱动纳米发动机前进。本发明纳米发动机可以持续高效地工作较长的时间。

Description

一种纳米发动机
技术领域
本发明涉及纳米机器人技术领域，尤其涉及一种纳米发动机。
背景技术
纳米级的机器人已经成为当前最热门的研究之一，纳米机器人可以代替人完成许多复杂高精度的工作。纳米机器人的出现为生命健康、环境治理等领域提供了极大的便利，在纳米机器人的发展过程中，动力驱动成为其中关键的一环。由于纳米机器人特殊的体积结构，因此，在纳米机器人运动过程中，既要为其提供足够的动能，保障它能够持续不断地进行作业，还要对动力进行控制，保障纳米机器人稳定的运动。
在纳米机器人运动过程中，纳米发动机是其最关键的一部分，用于保障纳米机器人在运动中具有足够的动能。国内外纳米发动机的驱动方面的研究主要有化学能驱动、外部场驱动、激光供能等方式。目前国外研制的微型发动机各个部位长度不超过1微米，每分钟可以达到上万的转速，能持续工作十多个小时以上，通过电场来控制纳米发动机运动，能够很好的进入人体内部工作，用于药物递送或细胞通讯。随着纳米技术的发展，纳米发动机的研发也得到进一步的加快。研发人员通过建造强力的电子电路，控制信息流动，由直流、交流电场驱动组合的技术来得到体积较小、速度较快、运行较持久的纳米发动机。纳米发动机的运动环境可以在液体或固体中，其平均速度可以达到三十纳米每小时左右，进行药物治疗、清楚病变坏死细胞等。
目前，纳米发动机的研发多采用化学能驱动的方法来制备。化学反应释放气体，将化学能转化为机械能，利用反冲原理来获取动能的原理来制备。由于多数化学反应使用的原料有毒或者生成物会造成污染，而且化学反应的条件比较苛刻，如高温、强酸强碱、点燃等条件，在纳米发动机内部难以实现。采用化学能驱动制备纳米发动机，随着反应的进行，反应物的浓度会降低，反应速率也随之下降，因此获得的动力也随之变小；伴随着反应进行，化学反应可能生成其他物质，由于反应在纳米发动机内部进行，无法对生成物和反应物进行分离，对纳米发动机反应产生影响。
因此，如何提供一种动力充足、稳定高效的纳米发动机，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中的化学能驱动制备纳米发动机的缺陷，提供一种动力充足、稳定高效的纳米发动机。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种纳米发动机，包括无线充电装置与直流电动机，所述无线充电装置包括接通有交流电的发送端线圈以及能够与所述发送端线圈电磁感应的接收端线圈，所述直流电动机包括封闭的纳米发动机外壳，所述接收端线圈位于所述纳米发动机外壳内部，所述发送端线圈位于所述纳米发动机外壳的外部并且与所述纳米发动机外壳分离，所述纳米发动机外壳的内壁两侧相对布置有N极和S极这两个磁极定子，两个所述磁极定子之间布置有电枢绕组线圈，所述电枢绕组线圈的两个端口通过换向器连接于所述接收端线圈，所述电枢绕组线圈的对称线位置固定有与所述换向器同轴布置的中心轴，所述中心轴的端部伸出于所述纳米发动机外壳外部并且固定有旋转叶片。
优选地，在上述纳米发动机中，所述纳米发动机外壳为封闭的纳米管结构。
优选地，在上述纳米发动机中，所述纳米发动机外壳的内腔高度为500nm～700nm，所述纳米发动机外壳的内腔长度为800nm～1000nm。
优选地，在上述纳米发动机中，所述纳米发动机外壳的内壁两侧通过真空磁控溅射金属的方法沉淀永磁金属以形成一对所述磁极定子。
优选地，在上述纳米发动机中，所述永磁金属为钐钴。
优选地，在上述纳米发动机中，所述电枢绕组线圈为表面溅射沉积有金属铜并通过激光蚀刻而成的纳米铁管。
优选地，在上述纳米发动机中，所述中心轴为二氧化钛纳米管。
优选地，在上述纳米发动机中，所述旋转叶片为二氧化钛转片。
优选地，在上述纳米发动机中，所述换向器包括两个表面沉淀有绝缘纤维的纳米铜片，两个所述纳米铜片相互绝缘并且分别连接于所述电枢绕组线圈的两个端口。
优选地，在上述纳米发动机中，所述中心轴的两端均伸出于所述纳米发动机外壳外部并且均固定有旋转叶片。
本发明采用改进的微型直流电动机作为纳米发动机的动力部件，外部的无线充电装置在直流电动机内部的接收端线圈加上一定大小的电压，通过换向器将交流电转化为直流电并进入电枢绕组线圈中，在直流电动机内部的磁场作用下，电枢绕组线圈受到电磁力作用而转动，同时带动中心轴一同旋转，中心轴端部的旋转叶片就可以驱动纳米发动机前进。
本发明采用无线充电技术为纳米发动机提供电能，在通电状态下，纳米发动机能源源不断地提供稳定的动能，从而可以持续高效地工作较长的时间。本发明可以通过改变无线充电电流的大小来调控纳米发动机的动力大小，控制过程简单方便。相较于化学能驱动的纳米发动机，本发明的工作时长可以成倍增长，大大提高纳米发动机的工作效率和寿命。而且，该纳米发动机可以进行循环利用，制作成本和使用成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例中的纳米发动机的直流电动机部分的外部结构示意图；
图2为本发明具体实施例中的直流电动机部分的工作原理示意图。
图1和图2中：
1-纳米发动机外壳、2-旋转叶片、3-中心轴、4-换向器、5-S极、6-N极、7-电枢绕组线圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1和图2，图1为本发明具体实施例中的纳米发动机的直流电动机部分的外部结构示意图；图2为本发明具体实施例中的直流电动机部分的工作原理示意图，图2中实线箭头代表电流方向，虚线箭头代表磁感线。
纳米发动机是一种可以将其它形式的能量转化为动能的装置，本发明即是采用无线充电技术带动直流电动机旋转的方法将电能转化为纳米发动机所需动力。
本发明提供的纳米发动机包括无线充电装置与直流电动机，无线充电装置包括接通有交流电的发送端线圈以及能够与发送端线圈电磁感应的接收端线圈，直流电动机包括封闭的纳米发动机外壳1，接收端线圈位于纳米发动机外壳1内部，发送端线圈位于纳米发动机外壳1的外部并且与纳米发动机外壳1分离，纳米发动机外壳1的内壁两侧相对布置有N极6和S极5这两个磁极定子，两个磁极定子之间布置有电枢绕组线圈7，电枢绕组线圈7优选折叠成方形结构，电枢绕组线圈7的两个端口通过换向器4连接于接收端线圈，电枢绕组线圈7的对称线位置固定有与换向器4同轴布置的中心轴3，中心轴3的端部伸出于纳米发动机外壳1外部并且固定有旋转叶片2。
本发明采用改进的微型直流电动机作为纳米发动机的动力部件，外部的无线充电装置在直流电动机内部的接收端线圈加上一定大小的电压，通过换向器4将交流电转化为直流电并进入电枢绕组线圈7中，在直流电动机内部的磁场作用下，电枢绕组线圈7受到电磁力作用而转动，同时带动中心轴3一同旋转，中心轴3端部的旋转叶片2就可以驱动纳米发动机前进。
本发明采用无线充电技术为纳米发动机提供电能，在通电状态下，纳米发动机能源源不断地提供稳定的动能，从而可以持续高效地工作较长的时间。本发明可以通过改变无线充电电流的大小来调控纳米发动机的动力大小，控制过程简单方便。相较于化学能驱动的纳米发动机，本发明的工作时长可以成倍增长，大大提高纳米发动机的工作效率和寿命。而且，该纳米发动机可以进行循环利用，制作成本和使用成本较低。
本发明纳米发动机采用的无线充电工作原理如下：在无线充电装置的发送端和接收端各置一个线圈，即发送端线圈和接收端线圈，发送端线圈上接通一定频率的交流电，由于电磁感应在接收端线圈中产生一定的电流，因此，可以将外部的电能从发送端转移到直流电动机内部的接收端。
本发明采用改进的直流电动机作为纳米发动机的动力来源。电动机工作原理是磁场对电流施加力的作用，使电动机转动。当无线充电装置通过电磁感应使得接收端线圈中产生交变电流，即在直流电动机的两个电刷端加上一定的电压。电流通过换向器4时，交变电流将会转化为直流电进入电枢绕组线圈7中，在磁场作用下，N极6和S极5两个极性下的导体管受到方向相反的电磁力，电磁力大于电磁转矩时，电动机内部的中心轴3沿着顺时针方向旋转，从而带动纳米发动机左右两侧的旋转叶片2，推动纳米发动机前进。
直流电动机结构主要由定子和转子两部分组成。工作原理：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势E。E＝BLv，其中B为磁场密度，L为导体长度，v为导体在磁场中运动的相对速度。根据右手定则来判断电势方向。直流电动机内部，在N极6和S极5两端分布一对静止磁极，产生沿圆周为正弦分布的均匀磁场。由于电磁感应无线充电供电为交变电流，在电流进入线圈端口，引入电流换向器，如图2所示，保证电枢绕组线圈7中的电流始终为同一方向。当有电流进入时，通过电枢绕组线圈7的电流与磁场相互作用产生电磁力F，由电磁力形成电磁转矩T，使电动机电枢绕组线圈顺针方向旋转，由中心轴3带动纳米发动机左右两侧旋转叶片2转动。
在直流电动机运行过程中，电枢绕组线圈7转动切割磁感线会产生一个反电动势Ea，因此通过无线充电输入的电流要克服反电动势的影响。由电压平衡方程可得Ea＝U-IaRa，加载于电枢绕组线圈两端的电压应满足U＞Ea。
本方案中的纳米发动机的制备方法如下：
Ⅰ)纳米发动机外壳1的制备。采用多孔阳极氧化铝(PAA)作为主体模板，将纳米结构基本单元组装在模板孔洞中，使用溶胶-凝胶的办法制备管径均匀的纳米管，在合适浓度的盐酸和硫酸混合溶液中分解模板，分离出性质稳定、兼容性较好的TiO2纳米封闭外壳。纳米发动机外壳1的内腔垂直高度优选为500nm～700nm，内腔长度为800nm～1000nm，进一步优选地，纳米发动机外壳1内腔垂直高度为600nm，水平长度为900nm。
Ⅱ)采用真空磁控溅射金属的方法，在纳米发动机外壳1内壁的上下两侧沉淀永磁金属，优选采用金属钐钴(SmCo)，作为发动机内部的一对静止磁极N极和S极。
Ⅲ)在液相体系中采用强还原剂KBH4对金属离子进行还原，制备一根半径约r＝24nm铁实心管，将铁实心管按长度约600nm宽度约380nm的方形折叠。在其表面溅射沉积金属铜，通过激光蚀刻得到一个电枢绕组线圈7。即，电枢绕组线圈7优选为表面溅射沉积有金属铜并通过激光蚀刻而成的纳米铁管。
Ⅳ)制备一根半径为32nm长度880nm的二氧化钛实心管，作为中心轴3，将它横向穿过纳米发动机，固定在N极和S极之间。在TiO2实心管的两端(纳米发动机外部)各安装一个四叶螺旋桨，采用二氧化钛材料制备长度100nm宽度50nm的二氧化钛转片，作为旋转叶片2。
Ⅴ)纳米发动机内部的换向器使用纳米铜片制备。采用化学还原法制作铜片纳米材料，为了得到一定面积的纳米铜片，使用修饰能力较弱的油酸等有机物作为保护剂。在铜片表面沉淀具有绝缘性能的纤维，使两个铜片相互处于绝缘状态，分别接在电枢绕组线圈7的两个端口，以形成换向器4，固定空间位置为电枢绕组线圈同中心轴旋转。
优选地，在上述纳米发动机中，纳米发动机外壳为封闭的纳米管结构。
需要说明的是，本方案中提供的纳米发动机中，可以在中心轴3的一端或两端设置有旋转叶片2，两者都能够实现驱动纳米发动机运动的功能，优选地，在上述纳米发动机中，中心轴3的两端均伸出于纳米发动机外壳1外部并且均固定有旋转叶片2，如此设置，可以使纳米发动机运动更加平稳、容易控制运动方向。
本发明有以下有益效果：
1)本发明采用改进的直流电动机带动螺旋转片转动来获得纳米发动机的动力，该类发动机可以提供足够大的动能，保证纳米发动机在工作时可以有较高的行进速度。
2)本发明采用无线充电技术为纳米发动机提供电流，在通电状态下，纳米发动机能源源不断地提供稳定的动能，纳米发动机可以持续工作较长时间。纳米发动机的动力大小可以通过改变电流大小来进行调控，控制比较简单方便。
3)相较于化学能驱动的纳米发动机，本发明的工作时长可以成倍增长，大大提高纳米发动机的工作效率。在保证输入电流电压合适的范围内，纳米发动机有较长的使用寿命，一般不会出现故障；纳米发动机可以进行循环利用，制作成本和使用成本降低。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种纳米发动机，其特征在于，包括无线充电装置与直流电动机，所述无线充电装置包括接通有交流电的发送端线圈以及能够与所述发送端线圈电磁感应的接收端线圈，所述直流电动机包括封闭的纳米发动机外壳(1)，所述接收端线圈位于所述纳米发动机外壳(1)内部，所述发送端线圈位于所述纳米发动机外壳(1)的外部并且与所述纳米发动机外壳(1)分离，所述纳米发动机外壳(1)的内壁两侧相对布置有N极(6)和S极(5)这两个磁极定子，两个所述磁极定子之间布置有电枢绕组线圈(7)，所述电枢绕组线圈(7)的两个端口通过换向器(4)连接于所述接收端线圈，所述电枢绕组线圈(7)的对称线位置固定有与所述换向器(4)同轴布置的中心轴(3)，所述中心轴(3)的端部伸出于所述纳米发动机外壳(1)外部并且固定有旋转叶片(2)。
2.根据权利要求1所述的纳米发动机，其特征在于，所述纳米发动机外壳(1)为封闭的纳米管结构。
3.根据权利要求2所述的纳米发动机，其特征在于，所述纳米发动机外壳(1)的内腔高度为500nm～700nm，所述纳米发动机外壳(1)的内腔长度为800nm～1000nm。
4.根据权利要求1所述的纳米发动机，其特征在于，所述纳米发动机外壳(1)的内壁两侧通过真空磁控溅射金属的方法沉淀永磁金属以形成一对所述磁极定子。
5.根据权利要求4所述的纳米发动机，其特征在于，所述永磁金属为钐钴。
6.根据权利要求1所述的纳米发动机，其特征在于，所述电枢绕组线圈(7)为表面溅射沉积有金属铜并通过激光蚀刻而成的纳米铁管。
7.根据权利要求1所述的纳米发动机，其特征在于，所述中心轴(3)为二氧化钛纳米管。
8.根据权利要求1所述的纳米发动机，其特征在于，所述旋转叶片(2)为二氧化钛转片。
9.根据权利要求1所述的纳米发动机，其特征在于，所述换向器(4)包括两个表面沉淀有绝缘纤维的纳米铜片，两个所述纳米铜片相互绝缘并且分别连接于所述电枢绕组线圈(7)的两个端口。
10.根据权利要求1所述的纳米发动机，其特征在于，所述中心轴(3)的两端均伸出于所述纳米发动机外壳(1)外部并且均固定有所述旋转叶片(2)。
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