DD282111A5

DD282111A5 - DIELECTRIC ENGINE

Info

Publication number: DD282111A5
Application number: DD32496089A
Authority: DD
Inventors: Guenter Fuhr; Rolf Hagedorn; Roland Glaser; Jan Gimsa
Original assignee: Univ Berlin Humboldt
Priority date: 1989-01-10
Filing date: 1989-01-10
Publication date: 1990-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft Motoren, deren Drehmoment nicht ueber magnetische Felder sondern ueber dielektrische Kraefte erzeugt wird. Anwendungsgebiete sind die Mikroelektronik und Mikromechanik. Die Rotoren bestehen aus mehreren Dielektrika, die sektor- oder scheibenfoermig angeordnet sind oder sich gegenseitig partiell oder vollstaendig umhuellen. Diese Motoren lassen sich bis zu einer Groesze von wenigen mm miniaturisieren. Sie sind ausgezeichnet durch langsame bis mittlere Drehgeschwindigkeiten, kurze Anlaufphase (ms-Bereich und darunter), extrem niedrigen Stromverbrauch, einfache Konstruktion, hohe Laufkonstanz und sind nahezu wartungsfrei. Die Rotationskennlinie (Rotation als Funktion der Feldfrequenz) kann in weiten Bereichen durch Variation der Rotordielektrika frei gewaehlt werden. Fig. 1{Motor; dielektrisch; inhomogen; miniaturisiert; Sektor; Scheibe; Schale; elektrisches Feld; Mikromechanik}The invention relates to motors whose torque is not generated by magnetic fields but by dielectric forces. Areas of application are microelectronics and micromechanics. The rotors consist of a plurality of dielectrics which are arranged sector-shaped or disk-shaped or enclose each other partially or completely. These motors can be miniaturized up to a size of a few mm. They are characterized by slow to medium rotational speeds, short start-up phase (ms range and below), extremely low power consumption, simple construction, high running constancy and are virtually maintenance-free. The rotation characteristic (rotation as a function of the field frequency) can be freely selected within wide ranges by varying the rotor dielectrics. Fig. 1 {engine; dielectric; inhomogeneous; miniaturized; Sector; Disc; Bowl; electric field; Micromechanics}

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

Anwendungsgebiet der Erfindung sind z. B. die Mikroelektronik, in der miniaturisierte dielektrische Motoren als mikromechanische Antriebs-, Steuer-, Schalt- und Sensorsysteme Anwendung finden können. Sie können jedoch auch als Miniaturmotor auf Gebieten wie der Mikrochirurgie, Chemie und Gentechnik genutzt werden.Field of the invention are z. As the microelectronics, can be used in the miniaturized dielectric motors as micromechanical drive, control, switching and sensor systems application. However, they can also be used as a miniature motor in fields such as microsurgery, chemistry and genetic engineering.

Characteristic of the known state of the art

Dielektrische Motoren sind seit langem bekannt, wurdon jedoch auf Grund gravierender Nachteile (sehr geringes Drehmoment, nicht festgelegter Drehsinn) praktisch nicht genutzt. Ihre theoretische Beschreibung geht auf Heinrich Hertz zurück (Hertz, Wied.Ann. 13118811266).Dielectric motors have long been known, but wurdon due to serious disadvantages (very low torque, non-specified direction of rotation) practically not used. Her theoretical description goes back to Heinrich Hertz (Hertz, Wied.Ann. 13118811266).

Es handelt sich dabei um Motoren, deren Rotor aus einem Dielektrikum besteht und zwischen 2 oder mehreren Elektroden gelagert ist. Die Elektroden werdon mit konstanten Spannungen angesteuert. Die Drehung der Rotoren erfolgt entwedor nach mechanischem Andrehen oder über Hilfselektroden, die *. B. eine Strömung der Umgebungslösung aos Rotors induzieren, über die der Rotor angedreht wird (QUINCKE, Wied.Ann. 5911896! 417; SECKER and SCIAI.OM, J. Appl. Physic? j9 11968) 277; SECKER and BELMONT, J.Phys.D: Appl.Phys.3 [1970] 216). Der Rotor ist in der Regel von einem gasförmigen oder flüssigen Medium umgeben oder befindet sich im Vakuum (QUINCKE, Wied.Ann. 59 (1896)417). Der Nachteil dieser Motoren besteht, neben der nicht festgelegten Drehrichtung und den notwendigen Hilfsvorrichtungen beim Start, in der schwierigen Regolung der Rotationsgeschwindigkeit, da diese vom Quadrat der Feldstärke abhängt. In jüngster Zeit wurde die extiome Miniaturisierbarkeit dieses Motortyps als Vorteil erkannt und mikromechanische Bauteile in Chipform entwickelt (GEO 101'1988| 188; US-Patent Nr.4, 740, 410), dabei kamen rotierende elektrische Felder, produziert über Mohrelektrodensysteme zur Anwendung, so daß Startvorrichtungen entfallen können.These are motors whose rotor consists of a dielectric and is mounted between 2 or more electrodes. The electrodes are driven with constant voltages. The rotation of the rotors is done either after mechanical turning or via auxiliary electrodes, the *. For example, induce a flow of the ambient solution of the rotor over which the rotor is turned on (QUINCKE, Re. 5911896! 417, SECKER and SCIAI.OM, J. Appl. Phys., 9 11968) 277; SECKER and BELMONT, J. Ph. D: Appl. Phys. 3 [1970] 216). The rotor is usually surrounded by a gaseous or liquid medium or is in a vacuum (QUINCKE, Wied.Ann. 59 (1896) 417). The disadvantage of these motors, in addition to the non-established direction of rotation and the necessary auxiliary devices at start, in the difficult Regolung the rotational speed, since this depends on the square of the field strength. Recently, the extiome miniaturization of this type of motor has been recognized as an advantage and micromechanical components have been developed in chip form (GEO 101'1988 | 188; US Pat. No. 4,740,410), using rotating electric fields produced by microelectrode systems. so that starting devices can be omitted.

Rotierende elektrische Felder werdon seit 1982 zur Untersuchung von biologischen Objekten wio Zellen verwendet (ARNOLD und ZIMMERMANN, Z.Naturforsch.37c (1982) 908), sind jedoch auch bei herkömmlichen Motoren nach dem magnetischen Induktionsprinzip gebräuchlich.Rotating electric fields werdon used since 1982 for the investigation of biological objects wio cells (ARNOLD and ZIMMERMANN, Z.Naturforsch.37c (1982) 908), but are also common with conventional motors according to the magnetic induction principle.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die kostengünstige Entwicklung eines verbesserten dielektrischen Motors der i:-> Vergleich zur bekannten Lösung erweiterte Anwendungsmöglichkeiton in der Mikroelektronik als integrales Bauelement und dor Mikromechanik eröffnet.The object of the invention is the cost-effective development of an improved dielectric motor which opens up a wider potential for application in microelectronics as an integral component and micromechanics.

Explanation of the essence of the invention

Dio Aufgabe besteht in der Entwicklung eines dielektrischen Motors mit beeinflußbarer Rotationskennlinie, der über konstanto und variable Rotationszuständo verfugt, die einfach und exakt zu regoln sind, sowie kostengünstig und universell eingesetzt werden kann. Die Anlaufzeit sollte im Millisokundenboroich und darunter liegen.Dio's task is to develop a dielectric motor with an influenceable rotation characteristic, which has constant and variable rotation states, which can be easily and accurately regoln, and can be used cost-effectively and universally. The start-up time should be in the milli-client boro and below.

Erfindungsgemäß wird dio Aufgabe gelöst, indem der Rotor in eino oder mehrere Richtungen kontinuierliche odor diskontinuierliche Übergänge zwischen verschiedenen dielektrischen Materialion aufweist bzw. komparti nentiert ist. Der Rotor kann aus symmetrischen odor asymmetrischen Sektoren bestehen, welche radial zur Rotationsachse tngoordnot sind Möglich ist auch eine Rotorkonfiguration bei der der Rotor aus symmetrischen oder asymmetrischen Schichten besteht, wolcho radial oder axial zur Rotationsachse angeordnet sind. Zwischen den Schichten und Soktoron können elektrische Loiter angeordnet werden.According to the invention, the object is achieved in that the rotor has continuous or discontinuous transitions between different dielectric material ions in one or more directions or is compartmentalized. The rotor may consist of symmetrical or asymmetric sectors which are not geared radially to the axis of rotation. It is also possible to have a rotor configuration in which the rotor consists of symmetrical or asymmetrical layers, which are arranged radially or axially to the axis of rotation. Between the layers and Soktoron electric Loiter can be arranged.

Dos weiteren sind zur Gestaltung dos Aufbaus dos dielektrischen Rotors Kombinationen von Sektoren und radialen sowio axialen Schichten möglich.Dos further combinations of sectors and radial sowio axial layers are possible for the design dos construction of the dielectric rotor.

Uio erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auch eine Kombination von homogenen und inhomogenen Diolektrika, wolcho optisch transparent und/oder doformiorbar sind.Uio solution according to the invention also allows a combination of homogeneous and inhomogeneous dielectrics, wolcho optically transparent and / or doformiorbar.

Die Rotoren werden über zirkulär polarisierte oder diskontinuierlich rotierende elektrische Felder angetrieben, dio Rotationsrichtung ist determiniert.The rotors are driven by circularly polarized or discontinuously rotating electric fields, the direction of rotation is determined.

Mit zunehmender Anzahl dor Rotordielektrika wird das Rotationsspoktrum (Rotation als Funktion an Kreisfroquenz dos externen Feldes) dos Rotors komplizierter und ist charakterisiert durch eino Vielzahl gut unterschoidbaror Zustände. Diese üborraschenden Rotationsspoktron sind von keinem anderen Motortyp bekannt.As the number of rotor dielectrics increases, the spin angular space (rotation as a function of angular field of the external field) of the rotor becomes more complicated and is characterized by a large number of well undershootable states. These supercurrent rotational spoktron are not known by any other type of motor.

Das Drehmoment des Rotors ist von seinem Radius unabhängig, d. h. kleine und groiSo Rotoron drehen unter gleichen Bedingungen gleich schnell, woraus sich seine extreme Minia'urisierbarkeit ergibt. In miniaturisierter Form liegt die Anlaufzeit dos Motors bei weniger als 1 ms bis zu wonigen ms, was seine Vorteile für mikroelektronische Anwendungen belegt. Das hior beschriebene Prinzip unterscheidet sich grundlegend vom Induktionsfeldmotor, übor die Wahl und Kombination der Rotordielektrika kann die Rotationskennlinie des Motors in weiten Bereichen frei gewählt werden.The torque of the rotor is independent of its radius, i. H. Small and large Rotoron spin at the same speed as the same conditions, resulting in its extreme miniaurability. In miniaturized form, the starting time of the motor is less than 1 ms to a few ms, which proves its advantages for microelectronic applications. The hior described principle differs fundamentally from the induction field motor, over the choice and combination of the rotor dielectrics, the rotation characteristic of the motor can be freely selected within wide ranges.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1Exemplary embodiments Example 1

Fig. 1: Rotor bestehend aus zwei schalenförmig angeordneten Dielektrika und eino mögliche Rotatio.iskennlinie. Dor Rotor (Fig.') besteht aus 2 Dielektrika 2 a, 2 b und ist von einer wenig loitfähigon Flüssigkeit 5 (Wasser, Alkohol usw.) umgobon. 'Jbor das Umgebungsmedium 5 wirkt das mittels mindestens 3 Elektroden orzeugto externe elektrische Fold. Dor Rotor ist in uekannter Weise gelagert 6,1 bezeichnet die Rotationsachse. Die Kreisfrequonz (f! dos Feidos und dio Feldstärke (in dor Regel 5 bis 100kV/m) bestimmen die Rotationsgoschwindigkeit dos Rotors. Die Kennlinie des Rotors (Rotation als Funktion der Kreisfrequenz des externen Feldes) kann über die Wahl und Kombination der Dielektrika dos Rotors und dio Umgobungslösung 5 festgelegt und verändert worden. Eino mögliche Rotationskonnlinio ist in Fig. 1 angegeben. Jedes Dielektrikum läßt sich charakterisieren über die Relaxationszeit der jeweiligen Polarisationsladungen. In diese Zeit gehon die elekrischon Eigenschaften der jeweils benachbarten, von den Feldlinien geschnittenen Dielektrika ein. Zur Beschreibung des Parametersatzos der Kurve ist im folgenden dio Dicke der Dielektrika und deren Rolaxationszeit angegeben. Parameter zu Fig. 1:Fig. 1: rotor consisting of two cup-shaped dielectrics and a possible Rotatio.iskennlinie. Dor rotor (Fig. ') Consists of 2 dielectrics 2 a, 2 b and is of a little loitfähigon liquid 5 (water, alcohol, etc.) umgobon. 'Jbor the surrounding medium 5 acts by means of at least 3 electrodes orzeugto external electrical Fold. Dor rotor is stored in a well-known manner 6.1 denotes the axis of rotation. The circular frequency (f! Dos feidos and dio field strength (usually 5 to 100 kV / m) determine the rotational speed of the rotor.) The characteristic of the rotor (rotation as a function of the angular frequency of the external field) can be determined by the choice and combination of the dielectrics of the rotor A possible rotation conjugation is indicated in Fig. 1. Each dielectric can be characterized by the relaxation time of the respective polarization charges, during which time the electrical properties of the adjacent dielectrics cut by the field lines are included The description of the parameter set of the curve is given below in the following table: the thickness of the dielectrics and their Rolaxationszeit Parameter to Fig. 1:

diinm d2inm Relaxationszoitins"¹ in d2inm relaxation zoitins " ¹

ti t2ti t2

4,8 χ 10'⁶ 2 x 1(T⁷ 1,6x10" 2,3 x 1(T³ 4,8 χ 10 ' ⁶ 2 x 1 (T ⁷ 1,6x10 "2,3 x 1 (T ³

Example 2

Fig. 2: Rotor bestehend aus dielektrischen Sektoren und eine mögliche Rotationskennlinie.Fig. 2: rotor consisting of dielectric sectors and a possible rotation characteristic.

Der Rotor besteht aus 5 Sektoren 3 a, 3 b, 3 c, 3d, 3 e sowie 3 fund ist von einer wenig leitfähigen Flüssigkeit 5 (Wasser, Alkohole usw.) umgeben. Die elektrischen Eigenschaften des Rotors und seiner Umgebung bestimmen die Rotationskennlinie. Die Drehung des Rotors kann über ein rotierendes elektrisches Feld schleiferlos von außen induziert wordsn. Das Drohmoment kann über din Feldstärke oder die Kreisfrequenz des Feldes beeinflußt werden. DieRotationskonnlinion können übor die Kombination der Sektordiolektrika festgelegt und verändert werden. Eine mögliche Kennlinie ist in Fig. 2 angegeben. Die Sektorbreiten b1 bis b6 (Fig. 2) sind im Beispiel in Anteilen des Rotorumfanges (U) wie folgt verteilt:The rotor consists of 5 sectors 3 a, 3 b, 3 c, 3d, 3 e and 3 fund is surrounded by a little conductive liquid 5 (water, alcohols, etc.). The electrical properties of the rotor and its environment determine the rotational characteristic. The rotation of the rotor can be induced by a rotating electric field grinderless from the outside wordsn. The threat torque can be influenced by the field strength or the angular frequency of the field. Rotation connectivities can be determined and changed via the combination of sector dielectrics. A possible characteristic is indicated in FIG. The sector widths b1 to b6 (FIG. 2) are distributed in the example in proportions of the rotor circumference (U) as follows:

b1 = b4 = 0,15 b2-=b5 = 0,15 b3 = b6 = 0,2b1 = b4 = 0.15 b2 = b5 = 0.15 b3 = b6 = 0.2

Die Relaxationszeiten der Dielnktrika zu Fig. 2 liegen bei:The relaxation times of the dielectrics to FIG. 2 are:

• 1 = t4 = 10 ¹S""' t2 = t5 = 10" V• 1 = t4 = 10 ¹ S "" t2 = t5 = 10 "V

Boisplol 3Boisplol 3

Fig. 3: Rotor bestehend aus axial angeordneten dielektrischen Scheiben und eine mögliche RotationskennlinieFig. 3: Rotor consisting of axially arranged dielectric disks and a possible rotation characteristic

Der Rotor (Fig. 3) besteht aus 3 axial angoordneton dieloktrischon Schichten 4a, 4b und 4c. Eine mögliche Kennlinie ist in Fig.3 angegeben. Ihr liegt der folgende Parametersatz zugrunde.The rotor (Figure 3) consists of 3 axially angulated magnetic dieloctric layers 4a, 4b and 4c. A possible characteristic is indicated in FIG. It is based on the following parameter set.

H1 = H2 = H3 ti = 10³S-' t2 = 10"⁶S"¹ t3= 10"⁷S¹ H1 = H2 = H3 ti = 10 ³ S- 't2 = 10 " ⁶ S" ¹ t3 = 10 " ⁷ S ¹

Claims

1. Dielectric? .- Mot jr consisting of a dielectric rotor in a liquid or gaseous.) Surrounding medium and electrodes, characterized in that the rotor in one or more directions has continuous transitions between different dielectric materials and / or compartmentalized, wherein the Dielectrics are arranged radially to the axis of rotation (Din symmetric or asymmetric layers (2) or radially to the axis of rotation (1) in symmetrical or asymmetric dielectric sectors (3) or axially to the axis of rotation (1) in symmetrical or asymmetrical layers (4) and that between the Layers (2) and (4) and the sectors (3) electrically conductive zones can be arranged or there is a vacuum.

2. Dielectric motor according to claim 1, characterized in that the dielectric layers (2) and (4) and / or sectors (3) in combination with the axis of rotation (1) are arranged.

3. Dielectric motor according to claim 1 and claim 2, characterized in that the dielectrics cover each other or the electrically conductive layers partially or completely.

4. Dielectric motor according to claim 1, characterized in that in the radialon layers (1), sectors (3) and axial layers (4) homogeneous or inhomogeneous dielectrics are arranged.

5. Dielectric motor according to claim 1-4, characterized in that one or more optically or for other electromagnetic waves permeable dielectrics are arranged in the rotor.

6. Dielectric motor according to claim 1-5, characterized in that the rotor is constructed of one or more deformable dielectrics.