RU2231908C2 - Electrostatic motor for operation in dense gas media - Google Patents
Electrostatic motor for operation in dense gas media Download PDFInfo
- Publication number
- RU2231908C2 RU2231908C2 RU2002122007/06A RU2002122007A RU2231908C2 RU 2231908 C2 RU2231908 C2 RU 2231908C2 RU 2002122007/06 A RU2002122007/06 A RU 2002122007/06A RU 2002122007 A RU2002122007 A RU 2002122007A RU 2231908 C2 RU2231908 C2 RU 2231908C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- axis
- rotor
- engine
- dense gas
- micro
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области разработки устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую. Предназначено главным образом для использования в нанотехнологии и решает задачу создания простого и миниатюрного устройства для получения вращающего момента в микромеханизмах. Актуальность этой задачи определяется тем, что миниатюризация является одной из основных тенденций современной техники, а упрощение устройств существенно способствует продвижению в этом направлении.The invention relates to the field of development of devices that convert electrical energy into mechanical energy. It is intended mainly for use in nanotechnology and solves the problem of creating a simple and miniature device for generating torque in micromechanisms. The relevance of this task is determined by the fact that miniaturization is one of the main trends in modern technology, and the simplification of devices significantly contributes to progress in this direction.
Задача преобразования электростатической энергии в механическую решается различными путями. Так, электростатические реактивные двигатели, рассматриваемые в настоящее время исключительно как тяговые системы для космических условий [1, 2], позволяют получить тягу или крутящий момент за счет отбрасывания частиц, разогнанных до высокой скорости. Удельная тяга этих двигателей при самых оптимальных условиях составляет не более 10 Н/м2 [3]. Возможность применения их в плотных газовых средах даже не обсуждается.The problem of converting electrostatic energy into mechanical energy is solved in various ways. So, electrostatic jet engines, currently considered exclusively as traction systems for space conditions [1, 2], allow to obtain traction or torque due to the rejection of particles dispersed to high speed. The specific thrust of these engines under the most optimal conditions is not more than 10 N / m 2 [3]. The possibility of using them in dense gas environments is not even discussed.
Предложен ряд конструкций электростатических двигателей на основе применения жидких кристаллов [4, 5]. Однако относительная сложность этих устройств ограничивает возможности их миниатюризации.A number of designs of electrostatic engines based on the use of liquid crystals have been proposed [4, 5]. However, the relative complexity of these devices limits the possibilities of miniaturization.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является предложенное в [6] решение - электростатический двигатель, содержащий ротор с остриями и систему специальным образом изогнутых противоположных по отношению к остриям электродов. Для работы двигателя необходимо, чтобы между противоположными электродами периодически возникали электрические разряды.Closest to the proposed solution in terms of technical nature and the achieved result (prototype) is the solution proposed in [6] - an electrostatic motor containing a rotor with tips and a system of specially curved electrodes opposite to the tips. For the engine to work, it is necessary that electrical discharges periodically occur between opposite electrodes.
Недостатком этого решения по сравнению с предлагаемым является его относительная сложность. Это необходимость в наличии специфических противоположных электродов (в предлагаемом противоположные электроды не нужны), необходимость выполнения заданного соотношения между расстоянием между электродами и давлением газовой среды (как известно, согласно закону Пашена условия возникновения разряда определяются главным образом произведением давления на длину промежутка). Если эти соотношения не соблюдены, то разряд будет происходить или слишком рано, или вообще не будет происходить. Очевидно также, что в отличие от предлагаемого, данный двигатель не будет работать, если острие всего одно. Требования к точности изготовления конструкции, очевидно, выше, чем в предлагаемом устройстве. Ведь необходимо, чтобы при вращении расстояния между электродами оставались постоянными. Это, в частности, затрудняет миниатюризацию.The disadvantage of this solution compared to the proposed one is its relative complexity. This is the need for specific opposite electrodes (opposite electrodes are not needed in the proposed one), the need to fulfill a predetermined ratio between the distance between the electrodes and the pressure of the gas medium (as is known, according to the Paschen law, the conditions for the appearance of a discharge are determined mainly by the product of pressure by the gap length). If these ratios are not observed, then the discharge will occur either too early or not at all. It is also obvious that, unlike the proposed one, this engine will not work if there is only one tip. The requirements for accuracy in the manufacture of the structure are obviously higher than in the proposed device. After all, it is necessary that during rotation, the distances between the electrodes remain constant. This, in particular, makes miniaturization difficult.
Задача настоящего изобретения - упрощение и миниатюризация двигателя.The present invention is the simplification and miniaturization of the engine.
Поставленная задача решается за счет использования эффекта отталкивания ротора от одноименного объемного заряда, создаваемого в плотном газе заряженными частицами, эмиттированными из микроострий (вместо микроострий возможно использование лезвий) на роторе или с их поверхности. Под микроостриями в технике обычно понимаются острия с радиусом при вершине ≤1 мкм. Преимущество использования микроострий определяется известным фактом резкого увеличения прочности материалов при снижении диаметра менее 10 мкм и возможностью существенного снижения необходимых электрических рабочих напряжений для работы двигателя.The problem is solved by using the effect of repulsion of the rotor from the space charge of the same name, created in a dense gas by charged particles emitted from micro points (instead of micro points, it is possible to use blades) on the rotor or from their surface. Micro points are usually understood in the art as points with a radius at the apex of ≤1 μm. The advantage of using micropoints is determined by the well-known fact of a sharp increase in the strength of materials with a decrease in diameter of less than 10 microns and the possibility of a significant reduction in the necessary electrical operating voltages for engine operation.
Схема устройства показана на фиг.1.The device diagram is shown in figure 1.
Где: 1 - ось и одновременно провод для подвода электрического напряжения; 2 - область объемного заряда; 3 - ротор, на котором расположены микроострия таким образом, чтобы их собственная ось симметрии (идущая вдоль оси микроострия) была перпендикулярна оси, вокруг которой может вращаться ротор и обе эти оси находились на некотором расстоянии, которое и является плечом силы, действующей на микроострие (изменяя это расстояние, можно получить желаемый крутящий момент двигателя, равный произведению силы на плечо); 4 - ограничители смещения ротора вдоль оси.Where: 1 - axis and at the same time a wire for supplying electrical voltage; 2 - region of space charge; 3 - the rotor on which the micro-tip is located so that their own axis of symmetry (running along the axis of the micro-tip) is perpendicular to the axis around which the rotor can rotate and both of these axes are at some distance, which is the shoulder of the force acting on the micro-tip ( changing this distance, you can get the desired engine torque equal to the product of the force on the shoulder); 4 - limiters of displacement of the rotor along the axis.
Нужно отметить, что ось, на которую насажен ротор, и ось симметрии микроострия представляют собой скрещивающиеся, но не пересекающиеся прямые (в последнем случае вращающего момента не будет). Кроме того, необходимо, чтобы вращающие моменты от всех микроострий были направлены в одну сторону. То есть, если смотреть вдоль оси 1, то вершины микроострий должны быть направлены все по часовой стрелке (или все против часовой стрелки) относительно оси 1, чтобы создаваемые ими моменты складывались, а не взаимно уничтожались.It should be noted that the axis on which the rotor is mounted and the axis of symmetry of the micro-tip are intersecting but not intersecting straight lines (in the latter case there will be no torque). In addition, it is necessary that the torques from all the micro points are directed in one direction. That is, if you look along axis 1, then the vertices of the micropoints should be directed all clockwise (or all counterclockwise) relative to axis 1, so that the moments created by them are added, and not mutually destroyed.
Работа устройства происходит следующим образом. На ось 1 подают электрическое напряжение, достаточное для проявления эффекта ионизации молекул окружающей среды в сильном электрическом поле в области у вершины микроострий (при + на оси) или для возникновения автоэлектронной эмиссии из микроострий (при - на оси). Оценить величину необходимого напряжения можно по формуле: U=KER, где R - радиус при вершине микроострия, Е - напряженность электрического поля, необходимая для начала автоэлектронной эмиссии или автоионизации, К - коэффициент, составляющий ~5. Проходя через плотный газ, заряженные частицы создают область объемного заряда 2. Взаимное отталкивание одноименно заряженных острия и области объемного заряда создает силу тяги, вращающую ротор 3.The operation of the device is as follows. Axis 1 is supplied with an electric voltage sufficient to manifest the effect of ionization of environmental molecules in a strong electric field in the region near the apex of the micropoints (at + on the axis) or for the occurrence of field emission from micropoints (at - on the axis). The required voltage can be estimated by the formula: U = KER, where R is the radius at the tip of the micro-tip, E is the electric field strength needed to start field emission or autoionization, and K is a factor of ~ 5. Passing through a dense gas, charged particles create a space charge region 2. Mutual repulsion of the same-charged tips and space charge region creates a traction force that rotates the rotor 3.
Несмотря на простоту конструкции, теория работы предлагаемого двигателя еще полностью не завершена. Однако некоторые ее основные положения можно изложить в следующем виде.Despite the simplicity of the design, the theory of operation of the proposed engine is not yet fully completed. However, some of its main provisions can be stated as follows.
За счет поляризации атомов и молекул газовой среды в сильном электрическом поле происходит увеличение их концентрации у поверхности микроострий. Согласно статистической механике частицы, пребывая в тепловом равновесии в поле сил, распределяются так, что плотность n частиц в точке с координатой R дается формулой:Due to the polarization of atoms and molecules of the gaseous medium in a strong electric field, their concentration increases at the surface of the micropoints. According to the statistical mechanics of the particles, being in thermal equilibrium in a field of forces, they are distributed so that the density of n particles at a point with coordinate R is given by the formula:
где n - плотность частиц в точке с координатой R, U(R) - потенциальная энергия частицы 
Силу F(R), действующую со стороны электрического поля на нейтральную частицу с поляризуемостью α и постоянным дипольным моментом р, можно определить из формулы [7]:The force F (R) acting on the side of the electric field on a neutral particle with polarizability α and constant dipole moment p can be determined from the formula [7]:
В данном случае необходимо вместо р подставить среднее значение компоненты дипольного момента частицы, параллельное напряженности электрического поля [8].In this case, it is necessary to substitute for p the average value of the component of the dipole moment of the particle parallel to the electric field strength [8].
Если устремить R к бесконечности, то n(R=∞) будет равно средней плотности газа в объеме двигателя. Тогда плотность частиц у поверхности микроострия определится из формулы:If R is directed to infinity, then n (R = ∞) will be equal to the average gas density in the engine volume. Then the particle density at the surface of the micropoint is determined from the formula:
В первом приближении для случая сферической симметрии зависимость E(R) можно представить в виде:In a first approximation, for the case of spherical symmetry, the dependence E (R) can be represented as:
где E0 - напряженность у поверхности.where E 0 is the surface tension.
Результаты расчета давления по этой формуле представлены на фиг.2 По горизонтали отложена напряженность электрического поля (В/м) у вершины микроострия, а по вертикали (вниз) - давление газа, возникающее в этой области. (Па) Пунктирная прямая показывает величину механических напряжений, возникающих в микроострие в результате воздействия электростатического поля. Видно, что при достижении напряженности поля ≅109 В/м происходит резкое повышение давления вблизи поверхности. Эмиттированные с поверхности частицы еще не ускорены электрическим полем и, двигаясь с малой скоростью, испытывают большое количество соударений с газовыми атомами. Это становится причиной образования значительного объемного заряда.The results of calculating the pressure by this formula are presented in figure 2. The horizontal shows the electric field strength (V / m) at the top of the micro-tip, and the vertical (down) shows the gas pressure that arises in this area. (Pa) The dashed straight line shows the magnitude of the mechanical stresses arising in the micro-tip as a result of exposure to an electrostatic field. It is seen that upon reaching a field strength of ≅10 9 V / m, a sharp increase in pressure near the surface occurs. Particles emitted from the surface are not yet accelerated by the electric field and, moving at low speed, experience a large number of collisions with gas atoms. This causes the formation of a significant space charge.
Пример: был изготовлен и опробован двигатель с ротором из вольфрамовой проволоки диаметром 0,1 мм, заостренной у концов путем электрополировки до радиуса при вершине ~0,5 мкм. Измерения показали, что при нормальных условиях в атмосфере, токе 1-2 мкА и питающем напряжении 5 кВ сила, действующая на одно острие, составила 10-5 Н (при измерениях ось устанавливалась горизонтально, на конец ротора подвешивался свинцовый грузик и измерялся угол отклонения ротора от вертикали).Example: an engine with a rotor made of a tungsten wire with a diameter of 0.1 mm, pointed at the ends by electropolishing to a radius at a tip of ~ 0.5 μm, was manufactured and tested. The measurements showed that under normal conditions in the atmosphere, a current of 1-2 μA and a supply voltage of 5 kV, the force acting on one tip was 10 -5 N (during measurements, the axis was set horizontally, a lead weight was suspended at the end of the rotor, and the angle of deviation of the rotor was measured from the vertical).
Расчет же реактивной силы дает почти на два порядка меньшее значение для данных условий, чем наблюдаемое. Это доказывает, что основной движущей силой здесь является отталкивание от объемного заряда, а не реактивный эффект.Calculation of the reactive force gives an almost two orders of magnitude lower value for these conditions than the observed one. This proves that the main driving force here is repulsion from the space charge, and not the reactive effect.
Характерными особенностями работы и применения устройства являются:Typical features of the operation and use of the device are:
1. В начальный момент, до того, как образовался объемный заряд в газе, наблюдается сравнительно слабое притяжение микроострий к противоположному электроду.1. At the initial moment, before the space charge is formed in the gas, a relatively weak attraction of the micropoints to the opposite electrode is observed.
2. При откачке воздуха форвакуумным насосом до давлений 10-2-10-3 Торр сила, действующая на острие, снижается до <10-6 Н, хотя ток и возрастает на порядок.2. When air is evacuated by a foreline pump to pressures of 10 -2 -10 -3 Torr, the force acting on the tip decreases to <10 -6 N, although the current increases by an order of magnitude.
3. Вместо микроострий возможно использование лезвий.3. Instead of micro points, the use of blades is possible.
4. Для питания двигателя перспективными являются ядерные батареи, создающие относительно большое напряжение при небольшом токе.4. Nuclear batteries that create a relatively high voltage at low current are promising for powering the engine.
5. При остановке ротора двигатель не повреждается.5. When the rotor stops, the engine is not damaged.
6. При изменении полярности напряжения на роторе параметры двигателя меняются незначительно и вращение происходит в ту же сторону.6. When the polarity of the voltage on the rotor changes, the motor parameters change slightly and rotation occurs in the same direction.
7. Одно из возможных применений двигателя - для приведения во вращение микровентилятора.7. One of the possible applications of the engine is to drive the micro-fan into rotation.
8. Ось, на которую насажен ротор, может сама вращаться.8. The axis on which the rotor is mounted can itself rotate.
9. В отличие от прототипа двигатель работоспособен, даже если имеется лишь один электрод - микроострие.9. Unlike the prototype, the engine is efficient, even if there is only one electrode - a micro tip.
10. В отличие от прототипа противоположные электроды для работы устройства не являются необходимыми. Двигатель работает и без них.10. Unlike the prototype, opposite electrodes for the operation of the device are not necessary. The engine runs without them.
11. Вращающий момент двигателя равен произведению силы, действующей на микроострие на длину плеча (расстояние между скрещивающимися прямыми - осью микроострия и осью вращения).11. The engine torque is equal to the product of the force acting on the micro-tip by the length of the shoulder (the distance between the intersecting straight lines - the axis of the micro-tip and the axis of rotation).
Источники информацииSources of information
1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели, М., Наука, 1975, 180 с.1. Grishin S.D., Leskov L.V., Kozlov N.P. Electric rocket engines, M., Nauka, 1975, 180 p.
2. Морозов А.И., Шубин А.П. Космические электрореактивные двигатели, М., 3нание, 1975, 64 с.2. Morozov A.I., Shubin A.P. Cosmic electroreactive engines, M., 3nanie, 1975, 64 p.
3. Романовский М.К. Электрореактивные движители, М., Изд. МИФИ, 1979, 80 с.3. Romanovsky M.K. Electroactive propulsion, M., Ed. MEPhI, 1979, 80 pp.
4. Электростатический двигатель, H 02 N 1/08, А1 №1452427.4. Electrostatic engine, H 02 N 1/08, A1 No. 1452427.
5. Электростатический двигатель, H 02 N 1/08, А1 №1589987.5. Electrostatic engine, H 02 N 1/08, A1 No. 1589987.
6. Электростатический двигатель, H 02 N 1/08, №864472.6. Electrostatic engine, H 02 N 1/08, No. 864472.
7. Калашников С.Г. Электричество, М., Наука, 1985 г., 576 с.7. Kalashnikov S.G. Electricity, M., Science, 1985, 576 p.
8. Шимони К. Физическая электроника, М., Энергия, 1977 г., 650 с.8. Shimoni K. Physical Electronics, M., Energy, 1977, 650 pp.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002122007/06A RU2231908C2 (en) | 2002-08-12 | 2002-08-12 | Electrostatic motor for operation in dense gas media |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002122007/06A RU2231908C2 (en) | 2002-08-12 | 2002-08-12 | Electrostatic motor for operation in dense gas media |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002122007A RU2002122007A (en) | 2004-04-10 |
| RU2231908C2 true RU2231908C2 (en) | 2004-06-27 |
Family
ID=32845968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002122007/06A RU2231908C2 (en) | 2002-08-12 | 2002-08-12 | Electrostatic motor for operation in dense gas media |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2231908C2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4223241A (en) * | 1978-08-28 | 1980-09-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Electrostatic charge generator |
| FR2658060A1 (en) * | 1990-02-15 | 1991-08-16 | Melitta Haushaltsprodukte | FILTER HOLDER FOR A COFFEE MACHINE OR A TEAPER PROVIDED WITH A SAFETY DEVICE AGAINST AN UNDESIRED FLOW OF THE LIQUID. |
| FR2658961A1 (en) * | 1990-02-23 | 1991-08-30 | Asulab Sa | Electrostatic micromotor |
| SU1589987A1 (en) * | 1988-07-01 | 1994-12-30 | А.П. Вертинский | Electrostatic motor |
| SU1452427A1 (en) * | 1986-05-05 | 1994-12-30 | П.А. Вертинский | Electrostatic motor |
-
2002
- 2002-08-12 RU RU2002122007/06A patent/RU2231908C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4223241A (en) * | 1978-08-28 | 1980-09-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Electrostatic charge generator |
| SU1452427A1 (en) * | 1986-05-05 | 1994-12-30 | П.А. Вертинский | Electrostatic motor |
| SU1589987A1 (en) * | 1988-07-01 | 1994-12-30 | А.П. Вертинский | Electrostatic motor |
| FR2658060A1 (en) * | 1990-02-15 | 1991-08-16 | Melitta Haushaltsprodukte | FILTER HOLDER FOR A COFFEE MACHINE OR A TEAPER PROVIDED WITH A SAFETY DEVICE AGAINST AN UNDESIRED FLOW OF THE LIQUID. |
| FR2658961A1 (en) * | 1990-02-23 | 1991-08-30 | Asulab Sa | Electrostatic micromotor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhu et al. | Triboelectric-generator-driven pulse electrodeposition for micropatterning | |
| He et al. | Analysis and experiment of magnetic excitation cantilever-type piezoelectric energy harvesters for rotational motion | |
| US20040161332A1 (en) | Positioning and motion control by electrons, Ions, and neutrals in electric fields | |
| US7379286B2 (en) | Quantum vacuum energy extraction | |
| Lozano et al. | Nanoengineered thrusters for the next giant leap in space exploration | |
| US10330090B2 (en) | Generating electrospray from a ferrofluid | |
| Ko et al. | Curved flap array-based triboelectric self-powered sensor for omnidirectional monitoring of wind speed and direction | |
| Velásquez-García et al. | A micro-fabricated linear array of electrospray emitters for thruster applications | |
| CN101381005A (en) | Multi-stage ion jet device and method | |
| US7494326B2 (en) | Micro ion pump | |
| JP2700991B2 (en) | Electrostatic microactuator | |
| CN107612418A (en) | Automobile tire Non-Linear Vibration TRT based on centrifugal forces affect | |
| RU2231908C2 (en) | Electrostatic motor for operation in dense gas media | |
| CN112134488B (en) | A multi-waveform signal generator and method based on friction nano-power generation | |
| US11511891B2 (en) | System and method for generating forces using asymmetrical electrostatic pressure | |
| US20030206807A1 (en) | Electrohydrodynamic conduction pump | |
| Zhang et al. | Unlocking multidirectional and broadband wind energy harvesting with triboelectric nanogenerator and vortex-induced vibration of sphere | |
| Mazzoldi et al. | Electromechanical behavior of carbon nanotube sheets in electrochemical actuators | |
| Rasmussen et al. | A wind tunnel investigation of the effect of an external, vertical electric field on the shape of electrically uncharged rain drops | |
| Zhou et al. | Effect of dynamic permittivity in low-pressure environment on performance of surface dielectric barrier discharge ion wind thruster | |
| US20240068454A1 (en) | Rotational ionic engine with toroidal counter electrode | |
| US12283421B2 (en) | Methods and apparatuses for producing ultra-strong magnetic fields, and propulsion systems and methods utilizing planetary magnetic fields | |
| Leng et al. | Electrohydrodynamic thrust with no combustion emissions and noises in a centimeter-scale point-to-grid configuration | |
| Paeva et al. | Rotation of particles trapped in the sheath of a radio-frequency capacitively coupled plasma | |
| Nygaard | ``Electric Wind''Gas Discharge Anemometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080813 |