RU2640194C1

RU2640194C1 - Capacity electric machine (cem) of planar type

Info

Publication number: RU2640194C1
Application number: RU2016148473A
Authority: RU
Inventors: Евгений Анатольевич Обжиров
Original assignee: Евгений Анатольевич Обжиров
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2017-12-27
Also published as: WO2018106148A1

Abstract

FIELD: electricity.SUBSTANCE: machine provides simultaneous movement of all the rotor electrodes between the stator electrodes. CEM electrodes of a plane-parallel design perform pendular oscillations. Both versions use electrodes made in the form of tapes or films in a state of constant tension and fixed in such a state in the CEM design, which allows placing a larger number of interacting plane-parallel electrodes in a limited volume.EFFECT: increased power and improved power properties.19 cl, 3 dwg

Description

Электрическая машина емкостная (ЭМЕ) планарного типа 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.A planar-type electric capacitive machine (EME) belongs to a wide class of converters designed to transform electric energy into mechanical and reverse transformation, and acting due to the electrostatic forces of Coulomb attraction between electric charges of opposite signs placed on parallel flat electrodes.

Промышленная применимость.Industrial 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 перспективно использование ЭМЕ 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 EMEs 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. The use of EMEs as a inverse converter of mechanical energy into electrical energy is also promising; 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 техники.Current 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. Кроме этого существуют многочисленные электрические машины, также работающие за счет электростатических сил, но которые не удается описать как КПЕ, например генератор Ван де Граафа или его модифицированная версия - пеллетрон.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. In addition, there are numerous electric machines that also work due to electrostatic forces, but which cannot be described as KPIs, for example, the Van de Graaff generator or its modified version - pelletron.

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 C_max до минимальной величины C_min и обратно. Когда ЭМЕ работает в режиме генератора, электроды КПЕ в положении C_max заряжают некоторыми начальными зарядами возбуждения, потом емкость КПЕ уменьшают до C_min, 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 C_min, подают разность потенциалов, под действием электростатических сил КПЕ переходит в положение C_max, 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 KPI 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 switches to the C _max position, while performing mechanical work.

В общем случае мощность такого преобразователя тем больше, чем больше отличаются по величине C_max и C_min. Поскольку C_min технически несложно уменьшить практически до нуля, эффективность и мощность ЭМЕ будет тем больше, чем больше C_max. 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 the greater, the more they differ in magnitude of C _max and C _min . Since C _{min is} technically easy to reduce to almost zero, the efficiency and power of the EME will be the greater, the more 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.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Известно устройство, называемое электростатическим актуатором (в английской терминологии часто встречается наименование Comb drive). Известен электростатический планарный актуатор (ЭПА), который 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. Данное устройство является ближайшим аналогом заявленного изобретения.A device known as an electrostatic actuator is known (in English terminology the name Comb drive is often found). Known electrostatic planar actuator (EPA), which 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. A change in the capacity of such a device occurs by changing the distance between the plates. This device is the closest analogue of the claimed invention.

Рассмотрим ЭПА, состоящий из двух одинаковых электродов: металлических плоских пластин с площадью поверхности S, покрытых ровным слоем одинакового диэлектрика, имеющего толщину d/2 и диэлектрическую проницаемость е_d. Одна из пластин может двигаться в направлении, перпендикулярном плоскости поверхности пластин. C_max такого ЭПА будет в положении, когда металлические пластины находятся в состоянии плотного примыкания друг к другу через разделяющие их слои диэлектрика, при этом C_max=e₀e_dS/d, где е₀ - электрическая постоянная, равная 8,85⋅10^-12 (Ф/м). Как видно, C_max ЭПА прямо пропорциональна площади электродов S, поэтому естественным решением для увеличения C_max и мощности ЭПА будет максимально возможное увеличение площади взаимодействующих электродов. Очевидным решением является создание множества таких пар электродов, размещенных компактно рядом друг с другом. В настоящем изобретении заявлены два варианта такого устройства. Общим у этих изобретений является то, что в обоих вариантах ЭМЕ взаимодействие осуществляется между плоскопараллельными поверхностями соседних электродов в направлении, перпендикулярном этим поверхностям, в этом же направлении происходит движение этих электродов относительно друг друга, при этом существенно, что эти электроды в одном из положений ЭМЕ находятся в состоянии достаточно плотного примыкания друг к другу и в данном положении взаимная электрическая емкость этих электродов имеет максимальное значение. Поэтому заявленные изобретения называются ЭМЕ планарного типа.Consider an EPA consisting of two identical electrodes: metal flat plates with a surface area S, covered with an even layer of the same dielectric having a thickness d / 2 and a dielectric constant e _d . One of the plates can move in a direction perpendicular to the plane of the surface of the plates. C _{max of} such an EPA will be in a position when the metal plates are in a state of close contact with each other through the dielectric layers separating them, while C _max = e ₀ e _d S / d, where e ₀ is the electric constant equal to 8.85⋅ 10 ^-12 (f / m). As you can see, C _max EPA is directly proportional to the area of electrodes S, so the maximum possible increase in the area of interacting electrodes will be a natural solution to increase C _max and power of EPA. The obvious solution is to create many such pairs of electrodes placed compactly next to each other. The present invention claims two variants of such a device. A common feature of these inventions is that in both EME versions, the interaction is between the plane-parallel surfaces of adjacent electrodes in a direction perpendicular to these surfaces, these electrodes move relative to each other in the same direction, and it is essential that these electrodes are in one of the EME positions are in a state of sufficiently close contact with each other and in this position, the mutual electric capacitance of these electrodes has a maximum value. Therefore, the claimed invention is called EME planar type.

Также необходимо отметить, что оба варианта подразумевают обобщение своих технических решений на случаи, когда плоскости электродов могут быть не полностью параллельны, или такая параллельность может не выполняться в определенных положениях ЭМЕ. Такие варианты исполнения ЭМЕ в рамках заявленных изобретений должны рассматриваться как частные случаи заявленных изобретений. Также сами электроды в общем случае могут быть выполнены не только в форме пластин, а иметь достаточно произвольную форму. Существенным признаком, по которому такие варианты должны рассматриваться как частные случаи заявленных изобретений, является наличие у каждого электрода ЭМЕ не менее двух гладких участков, расположенных на противоположных поверхностях электродов (у крайних электродов ЭМЕ это может быть один участок), называемых поверхностями контакта, которые имеют возможность для плотного примыкания к аналогичным поверхностям контакта соседних электродов ЭМЕ таким образом, чтобы между токопроводящими материалами этих электродов вдоль всей поверхности контакта был расположен слой диэлектрика; при этом при отделении двух таких электродов друг от друга в процессе работы ЭМЕ между данными поверхностями контакта электродов образуется щелевое пространство равномерной толщины. В таком определении данные поверхности контакта электродов по своему функциональному назначению будут полными аналогами описанных выше плоскопараллельных пластин. Например, электроды могут иметь форму одинаковых полусфер, вставляемых друг в друга, а в общем случае это могут быть самые разные варианты для формы электродов. Также не обязательно, чтобы токопроводящие поверхности электродов были полностью покрыты диэлектриком, существенно, чтобы при наложении друг на друга поверхностей контакта соседних электродов между токопроводящими частями электродов всегда был сплошной слой диэлектрика, например, диэлектрик может размещаться на поверхности только одного из примыкающих друг к другу электродов, возможны иные варианты. Также возможно наличие в ЭМЕ электродов, которые в процессе работы ЭМЕ не подключаются к источнику электрического питания или нагрузки, электрические заряды на поверхности таких электродов могут образовываться за счет электростатической индукции и взаимодействовать с другими зарядами, поэтому возможны такие ЭМЕ, у которых только два электрода ЭМЕ имеют возможность подключения к источнику электрического питания и/или электрической нагрузки, не смотря на то, что общее количество электродов значительно больше.It should also be noted that both options imply a generalization of their technical solutions to cases where the electrode planes may not be completely parallel, or such parallelism may not be performed in certain positions of the EME. Such EME embodiments within the scope of the claimed inventions should be considered as special cases of the claimed inventions. Also, the electrodes themselves in the general case can be made not only in the form of plates, but have a fairly arbitrary shape. An essential feature by which such options should be considered as special cases of the claimed inventions is the presence of at least two smooth sections located on opposite surfaces of the electrodes on each EME electrode (at the extreme EME electrodes this can be one section), called contact surfaces, which have the possibility for close contact with similar contact surfaces of adjacent EME electrodes so that between the conductive materials of these electrodes along the entire the contact layer was a dielectric layer; in this case, when two such electrodes are separated from each other during EME operation, a gap of uniform thickness is formed between these contact surfaces of the electrodes. In this definition, the data on the contact surface of the electrodes in their functional purpose will be complete analogs of the plane-parallel plates described above. For example, the electrodes can be in the form of identical hemispheres inserted into each other, and in the general case these can be very different options for the shape of the electrodes. It is also not necessary that the conductive surfaces of the electrodes are completely coated with a dielectric, it is essential that when overlapping contact surfaces of adjacent electrodes between the conductive parts of the electrodes there is always a continuous layer of dielectric, for example, a dielectric can be placed on the surface of only one of the adjacent electrodes , other options are possible. It is also possible that there are electrodes in the EME that are not connected to the electric power supply or load during the EME operation, electrical charges on the surface of such electrodes can be formed due to electrostatic induction and interact with other charges, so EMEs with only two EME electrodes are possible have the ability to connect to an electric power source and / or electrical load, despite the fact that the total number of electrodes is much larger.

Вариант ЭМЕ планарного типа с ротором и статором.Variant of EME planar type with rotor and stator.

Одним из заявленных решений является объединение множества плоскопараллельных электродов в две секции, которые выполнены таким образом, чтобы электроды каждой секции были параллельны друг другу и отстояли друг от друга на одинаковом и фиксированном неизменяемом расстоянии, образовывая между соседними электродами одной секции пустые щелевые пространства одинаковой ширины. В оптимальном варианте каждый электрод представляет собой достаточно тонкую пластину прямоугольной формы постоянной толщины, сделанную из токопроводящего материала и покрытую с обеих сторон равномерным тонким слоем диэлектрика. Электроды каждой секции жестко зафиксированы в каркасе своей секции к специальным силовым боковым элементам каркаса и не могут двигаться относительно друг друга, поэтому расстояние между ними постоянно. Оптимальным вариантом такого каркаса является параллелепипед, у которого открыты две противоположные грани, а другие четыре грани образованы двумя основаниями каркаса, представляющими собой жесткие прямоугольные пластины, наложенные с внешней стороны на два крайних электрода секции, и двумя торцами - силовыми боковыми элементами каркаса, представляющими собой жесткие боковые пластины, соединенные с ребрами оснований под прямым углом. Основаниями каркаса могут служить крайние электроды секции, если их жесткость это позволяет, или основания каркаса могут быть наложены на крайние электроды секции. Вместо пластин можно использовать конструкцию лестничного типа, состоящую из двух параллельных боковых ребер, соединенных планками, перпендикулярными этим ребрам, каждая из которых предназначена для крепления к одной из сторон одного из электродов секции, или является частью электрода, а также возможны иные варианты. Кроме оснований каждая секция для придания каркасу большей жесткости может содержать дополнительные силовые элементы, подобные основаниям секции, размещаемые параллельно электродам внутри секции. Все электроды секции располагаются параллельно основаниям и перпендикулярно торцам каркаса на одинаковом расстоянии друг от друга и жестко прикреплены к торцам каркаса. В таком виде каждая секция представляет собой аналог стеллажа, щелевые пространства между электродами каждой секции являются открытыми с двух противоположных открытых торцов секции, а два других торца являются торцами каркаса секции.One of the claimed solutions is the combination of many plane-parallel electrodes into two sections, which are designed so that the electrodes of each section are parallel to each other and spaced at the same and fixed unchanged distance, forming empty gap spaces of the same width between adjacent electrodes of the same section. In an optimal embodiment, each electrode is a fairly thin rectangular-shaped plate of constant thickness, made of conductive material and coated on both sides with an even thin layer of dielectric. The electrodes of each section are rigidly fixed in the frame of their section to the special power side elements of the frame and cannot move relative to each other, so the distance between them is constant. The best option for such a framework is a parallelepiped, in which two opposite faces are open, and the other four faces are formed by two base of the frame, which are rigid rectangular plates superimposed on the outer side of the two extreme electrodes of the section, and two ends - power side elements of the frame, representing rigid side plates connected to the edges of the bases at a right angle. The base electrodes can serve as the extreme electrodes of the section, if their rigidity allows it, or the base of the frame can be superimposed on the extreme electrodes of the section. Instead of plates, you can use a ladder-type structure consisting of two parallel side ribs connected by strips perpendicular to these ribs, each of which is designed to be attached to one side of one of the electrodes of the section, or is part of the electrode, and other options are also possible. In addition to the bases, each section to give the frame more rigidity may contain additional strength elements, similar to the bases of the section, placed parallel to the electrodes inside the section. All electrodes of the section are located parallel to the bases and perpendicular to the ends of the frame at the same distance from each other and are rigidly attached to the ends of the frame. In this form, each section is an analog of the rack, the gap spaces between the electrodes of each section are open from two opposite open ends of the section, and the other two ends are the ends of the frame of the section.

Такая конструкция необходима для свободного доступа в щелевые пространства между электродами секции, чтобы две секции можно было объединить в единое устройство, разместив электроды одной секции в щелевых пространствах между электродами другой секции, так, чтобы в собранном виде в ЭМЕ электроды каждой секции чередовались друг за другом и могли свободно перемещаться в щелевых пространствах между соседними электродами другой секции, а силовые боковые элементы каркаса каждой секций были размещены с открытых боковых торцов другой секции или были наложены на эти открытые боковые торцы, не пересекаясь друг с другом и не мешая движению электродов. Для этого в собранном ЭМЕ секции должны быть повернуты относительно друг друга в ЭМЕ на некоторый угол относительно оси, перпендикулярной плоскостям поверхностей электродов. Оптимальным является прямой угол поворота, то есть секции должны быть ориентированы перпендикулярно друг другу и вставлены друг в друга. Такую вставку следует осуществлять при сборке ЭМЕ. Если конструкция каркаса секции не соответствует описанной выше, то такое объединение секций или не возможно, или силовые боковые элементы, упираясь друг в друга и мешая движению друг друга, не позволят осуществлять свободное движение электродов внутри щелевых пространств.This design is necessary for free access to the gap spaces between the electrodes of the section, so that the two sections can be combined into a single device, placing the electrodes of one section in the gap spaces between the electrodes of the other section, so that when assembled in the EME, the electrodes of each section alternate one after another and could freely move in slotted spaces between adjacent electrodes of another section, and the power side elements of the frame of each section were placed from the open side ends of the other section and whether they were superimposed on these open side ends without intersecting with each other and without interfering with the movement of the electrodes. To do this, in the assembled EME sections must be rotated relative to each other in the EME at a certain angle relative to the axis perpendicular to the planes of the surfaces of the electrodes. The right angle of rotation is optimal, that is, the sections should be oriented perpendicular to each other and inserted into each other. Such an insert should be made when assembling the EME. If the design of the section frame does not correspond to that described above, then such a combination of sections is either not possible or the power side elements abutting against each other and interfering with the movement of each other will not allow free movement of the electrodes inside the gap spaces.

В общем случае вариантов каркаса и, в частности, силовых боковых элементов каркаса может быть очень много. Общими у всех этих вариантов должна быть общая существенная обобщенная характеристика: у каркаса жесткости должны быть открыты два противоположных торца каркаса секции. То есть электроды каждой секции должны быть зафиксированы внутри каркаса своей секции путем крепления к боковым элементам каркаса так, чтобы поверхности контакта электродов каждой секции были разделены щелевыми пространствами постоянной ширины, и эти щелевые пространства между электродами каждой секции оставались полностью или частично открытыми для доступа как минимум с двух боковых сторон щелевого пространства, называемых "открытые" стороны, а крепления электродов к боковым элементам каркаса секции располагались со стороны других боковых сторон щелевого пространства, называемых "закрытые" стороны; при этом в собранном виде в ЭМЕ каждая секция является вставленной в другую секцию таким образом, чтобы электроды ротора были расположены в щелевых пространствах между электродами статора, а электроды статора были расположены в щелевых пространствах между электродами ротора, за исключением крайних электродов ЭМЕ, при этом "закрытые" стороны щелевых пространств между электродами ротора располагаются со стороны "открытых" сторон щелевых пространств между электродами статора, а "закрытые" стороны щелевых пространств между электродами статора располагаются со стороны "открытых" щелевых пространств между электродами ротора так, чтобы электроды ротора имели возможность одновременно двигаться внутри щелевых пространств электродов статора в направлении нормалей к поверхностям контакта электродов, а крепления электродов к корпусам своих секций не пересекались и не накладывались друг на друга и не препятствовали этому движению.In the general case, there can be a lot of frame options and, in particular, power side frame elements. All these options should have in common a common essential generalized characteristic: two opposite ends of the section frame must be open for the stiffening frame. That is, the electrodes of each section should be fixed inside the frame of their section by attaching to the side elements of the frame so that the contact surfaces of the electrodes of each section are separated by slotted spaces of constant width, and these slotted spaces between the electrodes of each section remained fully or partially open for access at least on the two sides of the slot space, called the "open" side, and the attachment of the electrodes to the side elements of the frame section were located on the other side the lateral sides of the slit space, called the "closed" side; while assembled in the EME, each section is inserted into another section so that the rotor electrodes are located in the gap spaces between the stator electrodes, and the stator electrodes are located in the gap spaces between the rotor electrodes, with the exception of the extreme EME electrodes, while the closed "sides of the gap spaces between the rotor electrodes are located on the side of the" open "sides of the gap spaces between the stator electrodes, and the" closed "sides of the gap spaces between the stator electrodes the torus are located on the side of the “open” gap spaces between the rotor electrodes so that the rotor electrodes can simultaneously move inside the gap spaces of the stator electrodes in the direction of the normals to the contact surfaces of the electrodes, and the electrode fastenings to the housings of their sections do not overlap and overlap each other and did not impede this movement.

В результате такого объединения секций мы получим конденсатор переменной емкости (КПЕ), являющийся базовым элементом ЭМЕ. Подчеркнем еще раз, что принципиальным для ЭМЕ является такое совмещение секций, чтобы торцы каждой секции или иные силовые боковые элементы каркаса, к которым крепятся электроды, не пересекались и не накладывались друг на друга и в конечном итоге не мешали электродам одной секции двигаться в щелевых пространствах между электродами другой секции. В описанном выше оптимальном варианте для этого закрытые торцы каркаса одной секции должны располагаться со стороны открытых торцов другой секции и наоборот, при этом, если электроды и основания каркаса представляют собой одинаковые прямоугольные пластины, эти прямоугольники одной секции оказываются повернутыми на прямой угол к прямоугольникам другой секции относительно оси, перпендикулярной плоскости пластин. Если одна из этих секций содержит N одинаковых электродов, другая секция может содержать или N-1, или N, или N+1 электродов. Такое устройство уже перестает быть прямым аналогом ЭПА, поскольку заряды на всех электродах (кроме двух крайних) взаимодействуют с зарядами на двух соседних электродах, между которыми электроды расположены, а не с одним как у ЭПА. У ЭПА вся энергия электростатического поля сосредоточена в пространстве между парой его электродов, а у описанного выше устройства данное поле носит более сложный характер, необходимо учитывать эффекты электростатической индукции.As a result of such a combination of sections, we get a variable capacitor (KPE), which is the basic element of the EME. We emphasize once again that the combination of sections is essential for EME so that the ends of each section or other power side elements of the frame to which the electrodes are attached do not intersect and overlap each other and ultimately do not interfere with the electrodes of one section to move in slotted spaces between the electrodes of another section. In the optimal variant described above, for this, the closed ends of the frame of one section should be located on the side of the open ends of the other section and vice versa, in this case, if the electrodes and the bases of the frame are the same rectangular plates, these rectangles of one section are turned at right angles to the rectangles of the other section relative to the axis perpendicular to the plane of the plates. If one of these sections contains N identical electrodes, the other section may contain either N-1, or N, or N + 1 electrodes. Such a device already ceases to be a direct analogue of EPA, since the charges on all electrodes (except the two extreme ones) interact with charges on two adjacent electrodes, between which the electrodes are located, and not with one like that of an EPA. For EPA, all the energy of the electrostatic field is concentrated in the space between the pair of its electrodes, and for the device described above this field is more complex, it is necessary to take into account the effects of electrostatic induction.

Пусть одна из этих секций будет неподвижна (статор) и состоит из N плоскопараллельных электродов, а другая (ротор) состоит из N-1 таких же электродов и имеет возможность двигаться так, чтобы электроды ротора двигались одновременно в щелевых пространствах статора. На фиг. 1 и фиг. 2 представлены три вертикальных разреза, сделанных посередине ЭМЕ, плоскость каждого разреза проходит посередине ЭМЕ между боковыми сторонами каркаса ротора параллельно им и перпендикулярно боковым сторонам каркаса статора. На каждой фиг. представлены три разных положения одной и той же ЭМЕ (N=3) для описанного выше оптимального варианта с электродами, имеющими форму прямоугольных пластин. Все электроды ротора и статора являются одинаковыми прямоугольными пластинами, состоят из токопроводящего слоя, покрытого с двух строи слоем диэлектрика одинаковой толщины; электроды ротора (1) могут двигаться в щелевом пространстве между двумя соседними электродами статора (2). Разрезы сделаны вдоль открытых торцов каркаса статора и закрытых торцов каркаса ротора, поэтому на фигурах мы видим короткие стороны электродов ротора и длинные стороны электродов статора. Также на фиг. 1 и 2 показаны основания каркаса статора (3), наложенные на крайние электроды статора, и боковые стороны каркаса статора (4). Поскольку боковых сторон каркаса ротора не видно на представленных разрезах, боковые силовые элементы каркаса ротора не показаны, они аналогичны боковым сторонам каркаса статора (4), а основаниями каркаса ротора являются сами электроды ротора (1), что является вполне допустимым. Электроды ротора могут перемещаться из одного крайнего положения плотного примыкания к одному из соседних электродов статора в другое крайнее положение примыкания к другому соседнему электроду статора (эти положения показаны на двух нижних разрезах на фиг. 1 и фиг. 2), проходя через положение, когда электроды ротора находятся точно посередине между соседними электродами статора (это положение показано на верхнем разрезе на фиг. 1 и фиг. 2).Let one of these sections be stationary (stator) and consist of N plane-parallel electrodes, and the other (rotor) consist of N-1 of the same electrodes and have the ability to move so that the rotor electrodes move simultaneously in the slotted spaces of the stator. In FIG. 1 and FIG. Figure 2 shows three vertical sections made in the middle of the EME; the plane of each section passes in the middle of the EME between the sides of the rotor frame parallel to them and perpendicular to the sides of the stator frame. In each FIG. three different positions of the same EME (N = 3) are presented for the optimal variant described above with electrodes having the shape of rectangular plates. All the electrodes of the rotor and stator are the same rectangular plates, consist of a conductive layer coated with two layers of a dielectric layer of the same thickness; the rotor electrodes (1) can move in the slit space between two adjacent stator electrodes (2). The cuts were made along the open ends of the stator frame and the closed ends of the rotor frame, so in the figures we see the short sides of the rotor electrodes and the long sides of the stator electrodes. Also in FIG. 1 and 2 show the base of the stator frame (3) superimposed on the extreme electrodes of the stator, and the sides of the stator frame (4). Since the lateral sides of the rotor carcass are not visible in the sections shown, the lateral power elements of the rotor carcass are not shown, they are similar to the sides of the stator carcass (4), and the rotor electrodes themselves (1) are the bases of the rotor carcass, which is quite acceptable. The rotor electrodes can be moved from one extreme position of the close contact to one of the adjacent stator electrodes to the other extreme position of contact to the other adjacent stator electrode (these positions are shown in the two lower sections in Fig. 1 and Fig. 2), passing through the position when the electrodes the rotors are located exactly in the middle between adjacent stator electrodes (this position is shown in the upper section in Fig. 1 and Fig. 2).

Кроме зависимости от места расположения электродов ротора между электродами статора емкость КПЕ ЭМЕ будет зависеть от способа и порядка подключения электродов ротора и статора к источнику разности потенциалов или нагрузки. Таких способов коммутации электродов может быть множество, в данном изобретении предлагаются два способа.In addition to the location of the rotor electrodes between the stator electrodes, the capacitance of the KPI EME will depend on the method and procedure for connecting the rotor and stator electrodes to the source of the potential difference or load. There can be many such methods for switching electrodes. Two methods are proposed in this invention.

Первый способ коммутации: полярность электродов ротора противоположна полярности электродов статора, то есть электроды статора гальванически связаны друг с другом или могут одновременно подключаться к одинаковому полюсу источника напряжения; электроды ротора гальванически связаны друг с другом или могут одновременно подключаться к одинаковому полюсу источника напряжения, противоположного полюсу статора, при этом электроды ротора не имеют гальванической связи с электродами статора. То есть каждая секция является единым электродом. Для наглядности этот способ коммутации проиллюстрирован на фиг. 1, где полярность электродов указана знаками "+" и "-". Емкость такого КПЕ ЭМЕ будет иметь два максимума C_max в двух крайних положениях электродов ротора (нижние разрезы на фиг. 1), когда они примыкают к одному из своих соседних электродов статора, и будет иметь один минимум C_min, расположенный точно посередине между соседними электродами статора (верхний разрез на фиг. 1). Такой способ коммутации хорошо подходит ЭМЕ для работы в режиме генератора и плохо подходит для работы в режиме двигателя, поскольку электростатические поля соседних электродов статора будут ослаблять друг друга (то же самое для электродов ротора), а точка C_min, будет "мертвой точкой" такого двигателя, когда силы притяжения двух соседних электродов статора, действующие на электрод ротора, расположенный между ними, будут полностью компенсировать друг друга.The first switching method: the polarity of the rotor electrodes is opposite to the polarity of the stator electrodes, that is, the stator electrodes are galvanically connected to each other or can simultaneously be connected to the same pole of the voltage source; the rotor electrodes are galvanically connected to each other or can simultaneously be connected to the same pole of the voltage source opposite the stator pole, while the rotor electrodes are not galvanically connected to the stator electrodes. That is, each section is a single electrode. For clarity, this switching method is illustrated in FIG. 1, where the polarity of the electrodes is indicated by the signs "+" and "-". The capacitance of such a CPE EME will have two maxima C _max at the two extreme positions of the rotor electrodes (lower cuts in Fig. 1) when they are adjacent to one of their adjacent stator electrodes and will have one minimum C _min located exactly in the middle between adjacent electrodes stator (upper section in Fig. 1). This switching method is well suited for EME operation in generator mode and is poorly suited for operation in motor mode, since the electrostatic fields of adjacent stator electrodes will weaken each other (the same for rotor electrodes), and the point C _min will be the “dead point” of this engine when the attractive forces of two adjacent stator electrodes acting on the rotor electrode located between them will completely compensate each other.

Второй способ коммутации: полярность электродов статора и ротора чередуется - за одинаковой положительной или отрицательной полярностью двух соседних электродов ротора и статора, следующих друг за другом, следует одинаковая противоположная полярность следующих двух соседних электродов ротора и статора, то есть два соседних электрода ротора и статора гальванически связаны друг с другом или могут одновременно подключаться к одинаковому полюсу источника напряжения, следующие за ними два соседних электрода ротора и статора гальванически связаны друг с другом или могут одновременно подключаться к одинаковому полюсу источника напряжения, противоположному полюсу предыдущей пары, и не имеют гальванического контакта с предыдущей парой. И так далее, полярность электродов КПЕ последовательно меняется на противоположную через каждые два электрода статора и ротора. Такой КПЕ имеет положение C_min, когда соседние электроды ротора и статора, имеющие одинаковую полярность, приведены в положение плотного примыкания друг к другу, и положение C_max, когда соседние электроды ротора и статора, имеющие противоположную полярность, приведены в состояние плотного примыкания друг к другу. Для наглядности этот способ коммутации проиллюстрирован на фиг. 2, где полярность электродов указана знаками "+" и "-", при этом левый разрез является положением C_min, правый разрез является положением C_max, а верхний разрез является промежуточным положением с емкостью C* (C_min<C*<C_max). При подаче напряжения на электроды КПЕ указанной выше полярности в положении _Cmin электроды ротора притягиваются соседними электродами статора, имеющими противоположную полярность, КПЕ переходит в положение C_max. После завершения этого движения электроды КПЕ могут быть переключены таким образом, чтобы новое положение КПЕ снова стало C_min. Для этого нужно изменить полярности коммутации или всех электродов статора, или всех электродов ротора на противоположные, после чего при наличии на электродах разности потенциалов ЭМЕ совершит обратное перемещение электродов, завершив полный цикл возвратно-поступательного движения. Похожим образом возможна работа ЭМЕ в режиме генератора, когда электроды КПЕ перемещаются с помощью внешнего механического привода из положения C_max в положение C_min, после чего происходит переключение электродов, аналогичное переключению в режиме двигателя.The second way of switching: the polarity of the stator and rotor electrodes alternates - for the same positive or negative polarity of two adjacent rotor and stator electrodes following each other, the opposite polarity of the next two adjacent rotor and stator electrodes follows, that is, two adjacent rotor and stator electrodes galvanically are connected to each other or can simultaneously be connected to the same pole of the voltage source, the two neighboring electrodes of the rotor and stator following them galvanically and are connected to each other or can simultaneously be connected to the same pole of the voltage source, opposite the pole of the previous pair, and do not have galvanic contact with the previous pair. And so on, the polarity of the KPI electrodes is successively reversed every two electrodes of the stator and rotor. Such a KPI has a position C _min when adjacent rotor and stator electrodes having the same polarity are brought into close contact with each other, and a C _max position when adjacent rotor and stator electrodes having opposite polarity are brought into tight contact to a friend. For clarity, this switching method is illustrated in FIG. 2, where the polarity of the electrodes is indicated by the signs "+" and "-", while the left cut is the position C _min , the right cut is the position C _max , and the upper cut is an intermediate position with the capacitance C * (C _min <C * <C _max ) When voltage is applied to the _KPI electrodes of the above polarity in the _Cmin position, the _rotor electrodes are attracted by adjacent stator electrodes having opposite polarity, the KPI goes to the C _max position. After this movement is completed, the KPI electrodes can be switched so that the new KPI position again becomes C _min . To do this, you need to change the switching polarity of either all the stator electrodes or all rotor electrodes to the opposite, after which, if there is a potential difference on the electrodes, the EME will reverse the electrodes, completing the full cycle of the reciprocating motion. In a similar way, EME can operate in generator mode, when the KPI electrodes are moved using an external mechanical drive from the C _max position to the C _min position, after which the electrodes switch over, similar to switching in engine mode.

Вариант ЭМЕ планарного типа с маятниковым ходом.Variant of EME of planar type with a pendulum stroke.

Другим вариантом ЭМЕ планарного типа является устройство, представленное на фиг. 3, где показаны вертикальные разрезы одного и того же ЭМЕ в трех различных положениях. В базовом оптимальном варианте заявленное изобретение состоит из некоторого множества прямоугольных плоскопараллельных пластин - электродов (1), сделанных из токопроводящего материала, покрытого равномерным слоем диэлектрика, пластины кинематически связаны с двумя элементами каркаса, верхним (2) и нижним (3), и размещаются между ними так, чтобы образовывать пакет параллельных пластин, размещенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Плоскость каждого разреза проходит по середине ЭМЕ перпендикулярно поверхности пластин электродов. На фиг. 3 электроды покрыты с обеих сторон ровным слоем диэлектрика, а элементы каркаса являются двумя параллельными жесткими пластинами или брусками. На верхнем разрезе показано одно из основных положений ЭМЕ, когда электроды расположены вертикально и перпендикулярны обоим элементам каркаса, в таком положении расстояния между плоскостями электродов имеют максимальное значение. Существенным для ЭМЕ является то, что крепления электродов к элементам каркаса не являются жесткими, это могут быть шарнирные соединения (4), или гибкие соединения, или возможны иные варианты. В результате электроды могут отклоняться от вертикального положения в обе стороны. Если верхний элемент каркаса закреплен, то нижний элемент каркаса вместе с электродами может совершать колебательные движения, подобные движению раскачивающегося маятника. Амплитуда такого движения ограничена двумя крайними положениями, в которых электроды находятся в состоянии плотного примыкания друг к другу, оба эти положения показаны на двух нижних разрезах на фиг. 3, и характеризуются предельным углом отклонения от вертикали α_max. Пусть D - расстояние между электродами в вертикальном положении, d - общая толщина электродов с учетом толщины диэлектрических слоев, а α - угол отклонения электродов от вертикали. Тогда расстояние между поверхностями соседних электродов x будет равно: x=(D+d)cos(α)-d, а косинус угла максимально возможного отклонения α_max, когда x=0, будет равен: cos(α_max)=d/(d+D). Поворот электродов на угол, превышающий угол α_max, возможен только при соответствующих деформациях электродов. Полученное нами устройство представляет собой КПЕ, у которого емкость зависит от угла α.Another embodiment of a planar type EME is the device of FIG. 3, which shows vertical sections of the same EME in three different positions. In the basic optimal embodiment, the claimed invention consists of a number of rectangular plane-parallel plates - electrodes (1) made of a conductive material coated with a uniform dielectric layer, the plates are kinematically connected with two frame elements, the upper (2) and lower (3), and are placed between them so as to form a stack of parallel plates placed at the same distance from each other. The plane of each section runs in the middle of the EME perpendicular to the surface of the electrode plates. In FIG. 3 electrodes are coated on both sides with an even layer of dielectric, and the frame elements are two parallel rigid plates or bars. The upper section shows one of the basic provisions of the EME, when the electrodes are located vertically and perpendicular to both elements of the frame, in this position the distances between the planes of the electrodes have a maximum value. It is essential for EME that the fastening of the electrodes to the frame elements is not rigid, it can be swivel joints (4), or flexible joints, or other options are possible. As a result, the electrodes can deviate from the vertical position in both directions. If the upper frame element is fixed, then the lower frame element together with the electrodes can oscillate, similar to the movement of a swinging pendulum. The amplitude of this movement is limited by two extreme positions in which the electrodes are in a state of close contact with each other, both of these positions are shown in the two lower sections in FIG. 3, and are characterized by the maximum angle of deviation from the vertical α _max . Let D be the distance between the electrodes in a vertical position, d be the total thickness of the electrodes taking into account the thickness of the dielectric layers, and α be the angle of deviation of the electrodes from the vertical. Then the distance between the surfaces of adjacent electrodes x will be equal to: x = (D + d) cos (α) -d, and the cosine of the angle of the maximum possible deviation α _max , when x = 0, will be equal to: cos (α _max ) = d / ( d + D). The rotation of the electrodes by an angle exceeding the angle α _max is possible only with the corresponding deformations of the electrodes. The device we obtained is a KPI, in which the capacity depends on the angle α.

Для такой ЭМЕ оптимальным способом подключения электродов к полюсам источника напряжения или нагрузки будет такая коммутация, когда электроды противоположной полярности чередуются друг с другом. Это позволяет объединить электроды-пластины в две секции электродов, электроды одной секции размещаются между двумя соседними электродами другой секции, при этом электроды одной секции подключаются к одному полюсу источника напряжения или нагрузки, а электроды другой секции в этот момент подключаются к противоположному полюсу. Для наглядности данный способ коммутации проиллюстрирован на верхнем разрезе на фиг. 3, где полярность электродов указана знаками "+" и "-". При этом положение C_max находится в точке α=α_max (два нижних разреза на фиг. 3), а положение C_min находится в точке α=0 (верхний разрез на фиг. 3).For such an EME, the optimal way to connect the electrodes to the poles of a voltage or load source is to switch when the electrodes of opposite polarity alternate with each other. This allows you to combine plate electrodes into two sections of electrodes, the electrodes of one section are placed between two adjacent electrodes of another section, while the electrodes of one section are connected to one pole of a voltage or load source, and the electrodes of the other section at this moment are connected to the opposite pole. For clarity, this switching method is illustrated in the upper section in FIG. 3, where the polarity of the electrodes is indicated by the signs "+" and "-". In this case, the position C _max is located at the point α = α _max (two lower cuts in Fig. 3), and the position C _min is located at the point α = 0 (the upper cut in Fig. 3).

Такая ЭМЕ может работать стандартным образом в качестве генератора. Для использования в качестве двигателя необходимо учесть, что точка C_min будет "мертвой точкой", поэтому амплитуда движения электродов ЭМЕ в режиме двигателя должна быть ограничена от α_max до некоторой величины α₁>0. Поэтому желательно использовать как минимум две ЭМЕ, кинематически связанные друг с другом и работающие в противофазе: одна ЭМЕ совершает работу, переходя из положения C(α₁) в положение C_max, одновременно перемещая другую ЭМЕ, находящуюся в этот момент в неработающем состоянии, из положения C_max в положение C(α₁), после чего первая ЭМЕ переходит в нерабочее состояние, а вторая совершает работу, одновременно перемещая первую ЭМЕ в исходное состояние.Such an EME can operate in a standard way as a generator. To be used as an engine, it is necessary to take into account that the point C _min will be a dead center, therefore, the amplitude of the EME electrodes in the engine mode should be limited from α _max to a certain value α ₁ > 0. Therefore, it is desirable to use at least two EMEs kinematically connected to each other and working in antiphase: one EME does the job, moving from position C (α ₁ ) to position C _max , while moving the other EME, which is inoperative at this moment, from position C _max to position C (α ₁ ), after which the first EME goes into an idle state, and the second does the work, while moving the first EME to its original state.

Описанная выше ЭМЕ является оптимальным базовым вариантом. Существует огромное количество вариаций данной ЭМЕ, например: может быть множество различных вариантов осуществления для верхнего и нижнего элементов каркаса; не все электроды могут быть строго параллельны друг другу, или электроды могут содержать непараллельные участки; электроды ЭМЕ не обязательно должны размещаться вертикально в точке C_min; возможна произвольная ориентация всех элементов ЭМЕ; возможно использование в ЭМЕ дополнительных элементов каркаса, ограничивающих и направляющих движение электродов и других элементов каркаса. Однако общим для всех таких решений будет следующее существенное техническое решение, заявленное в настоящем изобретении: ЭМЕ состоит из электродов, представляющих собой плоские пластины или имеющие фрагменты с плоскими поверхностями контакта, предназначенными для наложения на аналогичные плоские поверхности контакта соседних электродов, и содержит как минимум два элемента каркаса, называемых элементами вращения, каждый из которых имеет соединения со всеми электродами ЭМЕ, такие, что в любом положении ЭМЕ поверхности контакта соседних электродов находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом соединения электродов к элементам вращения и электроды выполнены таким образом, чтобы электроды могли одновременно изменять свой угол наклона к обоим элементам вращения, и при таком изменении угла наклона происходит изменение расстояния между поверхностями контакта соседних электродов от некоторого максимального расстояния до нулевого или близкого к нулю расстояния, когда соседние электроды находятся в положении примыкания их поверхностей контакта друг к другу.The EME described above is the best basic option. There are a huge number of variations of this EME, for example: there can be many different embodiments for the upper and lower frame elements; not all electrodes can be strictly parallel to each other, or electrodes may contain non-parallel sections; EME electrodes need not be placed vertically at C _min ; arbitrary orientation of all EME elements is possible; it is possible to use in the EME additional elements of the frame, limiting and directing the movement of the electrodes and other elements of the frame. However, common to all such solutions will be the following significant technical solution claimed in the present invention: EME consists of electrodes, which are flat plates or having fragments with flat contact surfaces, intended to be applied to similar flat contact surfaces of adjacent electrodes, and contains at least two frame element, called rotation elements, each of which has connections to all EME electrodes, such that in any position of the EME the contact surface is adjacent their electrodes are at the same distance from each other, while the connections of the electrodes to the rotation elements and the electrodes are made so that the electrodes can simultaneously change their angle of inclination to both rotation elements, and with such a change in the angle of inclination, the distance between the contact surfaces of adjacent electrodes from a certain maximum distance to zero or close to zero distance when adjacent electrodes are in the position of abutment of their contact surfaces to each other .

Как уже было отмечено, если закрепить верхний элемент вращения, например, в корпусе ЭМЕ, а нижний элемент вращения привести в движение, он вместе с электродами будет совершать колебания из стороны в сторону, полностью аналогичные колебаниям маятника (фиг. 3), при этом поверхности контакта соседних электродов всегда параллельны друг другу. Поэтому данная ЭМЕ называется ЭМЕ планарного типа с маятниковым ходом. Траектория каждой точки нижнего элемента вращения является сектором окружности, радиус которой равен длине электродов или близок к ней. Такой характер движения оказывается полезным для создания кинематической связи с внешним механическим приводом, совершающим круговые движения.As already noted, if you fix the upper rotation element, for example, in the EME housing, and set the lower rotation element in motion, it together with the electrodes will oscillate from side to side, completely similar to the oscillations of the pendulum (Fig. 3), while the contacts of adjacent electrodes are always parallel to each other. Therefore, this EME is called a planar EME with a pendulum stroke. The trajectory of each point of the lower rotation element is a sector of a circle whose radius is equal to or close to the length of the electrodes. This nature of the movement is useful for creating a kinematic connection with an external mechanical drive that performs circular movements.

Дополнительный способ осуществления изобретения, повышающий удельную мощность заявленных технических решений.An additional method of carrying out the invention, increasing the specific power of the claimed technical solutions.

С помощью описанных выше технических решений возможно получение ЭМЕ со множеством электродов, одновременно взаимодействующих друг с другом. Достигаемым техническим результатом этого являются во много раз увеличенные мощность и силовые характеристики ЭМЕ.Using the technical solutions described above, it is possible to obtain EMEs with many electrodes that simultaneously interact with each other. Achievable technical result of this are many times increased power and power characteristics of EME.

Чтобы такие ЭМЕ обладали при этом 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.In order for such EMEs to have a high specific power (power divided by the mass of EMEs), 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 заявленных технических решениях 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. В результате взаимодействующие пленки остаются в состоянии частичного или даже полного наложения контактных поверхностей друг на друга в положении C_min, когда такого наложения быть не должно, фактически такое остаточное прилипание означает, что реально достижимая величина C_min будет близка к величине C_max. 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). Однако для этой проблемы имеется простое техническое решение: 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=kх, где F - упругая сила, k - коэффициент упругости, x - величина растяжения. Начальное натяжение означает, что kx₀+kx=k₁x, где x₀ - начальное растяжение, соответствующее начальному натяжению электрода, _k1 - аналог коэффициента упругости для натянутого электрода, откуда следует: k₁=k(₁+x₀/x), то есть чем больше натяжение начальное растяжение х₀, тем больше "жесткость" электрода, что, на самом деле, является достаточно очевидным фактом.However, the use of such materials in the claimed technical solutions 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 a 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. As a result, the interacting films remain in a state of partial or even complete overlap of the contact surfaces on each other in the C _min position, when this should not be, 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). However, for this problem, there is a simple technical solution: use tension electrodes, which during the production of EME must be fixed in their design 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 initial tension corresponding to the initial tension of the electrode, _k1 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 "stiffness" 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. 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 such a technical solution, it becomes possible to use the most thin tape or film electrodes. Achievable technical result of this is the multiply increased specific power and power of EME.

Дополнительные варианты осуществления изобретения.Additional embodiments of the invention.

Поскольку существенно, что движение электродов заявленных здесь ЭМЕ, передаваемое или принимаемое от внешнего механического привода, является возвратным (поступательным или касательным по окружности), 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 return (translational or tangent around the circumference), 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 крайний электрод или статор каждого ЭМЕ кинематически был связан с крайним электродом или с ротором 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 in series with each other in one device so that the end electrode or stator of each EME is kinematically connected to the end electrode or to the rotor 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 C_max, другая ЭМЕ может находится в положении C_min, 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 another 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. В-пятых, для уменьшения или полного предотвращения слипания электродов в положении C_max, полезно на поверхности контакта электродов дополнительно размещать антиадгезионную смазку или покрытие, обладающие свойствами диэлектрикаFourth, 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 direction opposite 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. Fifth, in order to reduce or completely prevent the adhesion 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 результаты.Achievable technical results.

Достигаемыми техническими результатами решений, заявленных в настоящем изобретении, являются повышение мощности и удельной мощности и прочих силовых характеристик электростатических преобразователей - ЭМЕ планарного типа.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 - planar EME.

Описание чертежей.Description of the drawings.

Для наглядности заявленные изобретения проиллюстрированы тремя фигурами. На фиг. 1 и фиг. 2 представлена ЭМЕ планарного типа с ротором и статором. На каждой фигуре ЭМЕ показано в трех разных положениях. Все электроды ротора и статора являются одинаковыми прямоугольными пластинами, состоят из токопроводящего слоя, покрытого с двух сторон слоем диэлектрика одинаковой толщины; электроды ротора (1) могут двигаться в щелевом пространстве между двумя соседними электродами статора (2). На фиг. 1 и 2 показаны основания каркаса статора (3), наложенные на крайние электроды статора, и боковые стороны каркаса статора (4). Поскольку боковых сторон каркаса ротора не видно на представленных разрезах, боковые силовые элементы каркаса ротора не показаны, они аналогичны боковым сторонам каркаса статора (4), а основаниями каркаса ротора являются сами электроды ротора (1). ЭМЕ на фиг. 1 и фиг. 2 отличаются способом коммутации электродов к источнику напряжения или электрической нагрузки. Полярность электродов указана знаками "+" и "-" (варианты, когда полярности всех электродов одновременно меняются на противоположные, полностью эквивалентен представленным на фигурах). На фиг. 1 представлена ЭМЕ планарного типа с ротором и статором с такой коммутацией электродов, когда электроды ротора имеют одинаковую полярность, и электроды статора имеют одинаковую полярность, противоположную полярности ротора. Для такого ЭМЕ верхний разрез является положением C_min, а два нижних разреза положением C_max.For clarity, the claimed invention is illustrated by three figures. In FIG. 1 and FIG. 2 shows a planar EME with a rotor and a stator. In each figure, EMEs are shown in three different positions. All electrodes of the rotor and stator are the same rectangular plates, consist of a conductive layer coated on both sides with a dielectric layer of the same thickness; the rotor electrodes (1) can move in the slit space between two adjacent stator electrodes (2). In FIG. 1 and 2 show the base of the stator frame (3) superimposed on the extreme electrodes of the stator, and the sides of the stator frame (4). Since the lateral sides of the rotor carcass are not visible in the presented sections, the lateral power elements of the rotor carcass are not shown, they are similar to the sides of the stator carcass (4), and the rotor electrodes themselves are the bases of the rotor carcass (1). EME in FIG. 1 and FIG. 2 differ in the way the electrodes are switched to a voltage or electrical load. The polarity of the electrodes is indicated by the signs "+" and "-" (options, when the polarities of all the electrodes are simultaneously reversed, is completely equivalent to those shown in the figures). In FIG. 1 shows a planar-type EME with a rotor and a stator with such electrode switching when the rotor electrodes have the same polarity and the stator electrodes have the same polarity opposite to the rotor polarity. For such an EME, the upper cut is the position C _min , and the two lower cuts are the position C _max .

На фиг. 2 представлена такая же ЭМЕ планарного типа с ротором и статором, как и на фиг. 1, но с другой коммутацией электродов, когда электроды ротора и статора попарно имеют одинаковую полярность, то есть за двумя соседними электродами статора и ротора, имеющими одинаковую полярность, следует другая пара соседних электродов статора и ротора, имеющих противоположную полярность, и так далее. Для такого ЭМЕ нижний левый разрез является положением C_min, нижний правый разрез является положением С_max, а верхний разрез является промежуточным положением.In FIG. 2 shows the same planar-type EME with rotor and stator as in FIG. 1, but with a different electrode switching, when the rotor and stator electrodes in pairs have the same polarity, that is, two adjacent stator and rotor electrodes having the same polarity, another pair of adjacent stator and rotor electrodes having the opposite polarity follows, and so on. For such an EME, the lower left section is the C _min position, the lower right section is the C _max position, and the upper section is the intermediate position.

На фиг. 3 представлена ЭМЕ планарного типа с маятниковым ходом. Показаны вертикальные разрезы одного и того же ЭМЕ в трех различных положениях. ЭМЕ состоит из некоторого множества прямоугольных плоскопараллельных пластин - электродов (1), сделанных из токопроводящего материала, покрытого равномерным слоем диэлектрика, пластины кинематически связаны посредством шарнирных соединений (4) с двумя элементами каркаса, верхним (2) и нижним (3), и размещаются между ними так, чтобы образовывать пакет параллельных пластин, размещенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Плоскость каждого разреза проходит по середине ЭМЕ перпендикулярно поверхности пластин электродов. Элементы каркаса являются двумя параллельными жесткими пластинами. На верхнем разрезе показано положение ЭМЕ C_min, когда электроды расположены вертикально и перпендикулярны обоим элементам каркаса, в таком положении расстояния между плоскостями электродов имеют максимальное значение, на нижних разрезах показаны два симметричных положения ЭМЕ C_max, когда электроды отклоняются от вертикального начального положения на максимально возможный угол α_max.In FIG. 3 shows a planar-type EME with a pendulum stroke. Shown are vertical sections of the same EME in three different positions. An EME consists of a number of rectangular plane-parallel plates - electrodes (1) made of a conductive material coated with a uniform dielectric layer, the plates are kinematically connected via articulated joints (4) with two frame elements, the upper (2) and lower (3), and are placed between them so as to form a stack of parallel plates placed at the same distance from each other. The plane of each section runs in the middle of the EME perpendicular to the surface of the electrode plates. The frame elements are two parallel rigid plates. The upper section shows the position of the EME C _min , when the electrodes are vertically and perpendicular to both elements of the frame, in this position the distances between the planes of the electrodes are at their maximum value, the lower sections show two symmetrical positions of the EME C _max , when the electrodes deviate from the vertical initial position by the maximum possible angle α _max .

Claims

1. An electric machine of capacitive planar type, consisting of electrodes, or made of conductive material, or made of conductive material, fully or partially coated with a layer of dielectric material, each of which is either a flat plate or other body, the surface of which contains at least one smooth section called the contact surface and which has the ability to adjoin to a similar contact surface of another adjacent electrode in such a way that a dielectric layer was located between the conductive materials of these electrodes along the entire contact surface, with at least two electrodes being able to connect to an electric power source and / or an electrical load; characterized in that the electrodes are assembled in two sections of electrodes, one of which is a rotor and the other is a stator, each of which additionally contains a stiffening frame or has at least two lateral frame power elements; and the electrodes of each section are arranged sequentially one after another and fixed inside the frame of their section by attaching to the side elements of the frame so that the contact surfaces of the electrodes of each section are separated by slotted spaces of constant width and these slotted spaces between the electrodes of each section remain fully or partially open for access at least from two sides of the slot space, called the "open" sides, and the fastening of the electrodes to the side elements of the frame section rasp Laga from other sides of the slit space, called "closed" side; in this case, in assembled form, each section is inserted into another section so that the rotor electrodes are located in the gap spaces between the stator electrodes, and the stator electrodes are located in the gap spaces between the rotor electrodes, with the exception of the extreme electrodes, while the "closed" sides the gap spaces between the rotor electrodes are located on the side of the "open" sides of the gap spaces between the stator electrodes, and the "closed" sides of the gap spaces between the stator electrodes are They are located on the side of the “open” gap spaces between the rotor electrodes so that the rotor electrodes can simultaneously move inside the gap spaces of the stator electrodes in the direction of the normals to the contact surfaces of the electrodes, and the electrode fastenings to the housings of their sections do not overlap or overlap and do not overlap obstructed this movement.

2. The planar-type electric capacitive machine according to claim 1, characterized in that at least one of the electrodes is made in the form of a flexible tape or flexible film, which are in a state of constant tension and are fixed in tension or in the structure of the capacitive electric machine, or inside the body of its section, or in its own frame of rigidity.

3. The planar-type electric capacitive machine according to claim 1, characterized in that the circuit for connecting the electrodes to the positive and negative poles of the electric power source or electric load in at least one of the phases is made in such a way that the polarity of the rotor electrodes is opposite to the polarity of the stator electrodes.

4. The planar-type electric capacitive machine according to claim 1, characterized in that the circuit for connecting the electrodes to the positive and negative poles of the electric power source or electric load in at least one of the phases is made in such a way that the polarity of the stator and rotor electrodes alternates as follows: the same positive or negative polarity of two adjacent rotor and stator electrodes following each other is followed by the same opposite polarity of the next two neighboring electrodes ektrodov rotor and stator.

5. An electric capacitive machine of planar type according to claim 1, characterized in that the electrodes are made in the form of plane-parallel rectangles coated with a uniform dielectric layer, the opposite sides of which are attached to two opposite sides of their sections.

6. The electric machine is capacitive planar type according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that it consists of several capacitive electric planar type machines, connected sequentially one after another in one device so that the extreme electrode or stator of each electric planar machine is kinematically connected to the extreme electrode or to the previous or next rotor.

7. The electric machine is capacitive planar type according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that it consists of several capacitive electric machines of planar type, combined into one device, in which individual electric capacitive machines are kinematically coupled and operate either in turn, or in antiphase, or with a different phase shift relative to each other, there are all electric capacitive machines have a kinematic connection with a common mechanical drive, and at any moment of the working cycle of the combined electric capacitive machines, the distances between the contact surfaces of one of the electric machines are mkostnyh differ from similar distances of another capacitive electric machine.

8. The electric machine is capacitive planar type according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that it further comprises an elastic return mechanism kinematically connecting the rotor and the stator to each other in such a way as to ensure the return of the rotor to its original state inside the working cycle.

9. The electric machine is capacitive planar type according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that it further comprises at least one electric valve or rectifier included in the circuit for supplying electric power to the electrodes in such a way as to minimize or make impossible the current in the direction opposite to the current of the power source.

10. The electric machine is capacitive planar type according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that at least one electrode on the contact surface further comprises a release agent lubricant or coating having dielectric properties.

11. Planar-type electric capacitive machine, consisting of electrodes, or made of conductive material, or made of conductive material, fully or partially covered with a layer of dielectric material, each of which is either a flat plate or other body, the surface of which contains at least one smooth section, called the contact surface, and which has the ability to adjoin to a similar contact surface of another adjacent electrode in such a way that between the conductive materials of said electrodes along the entire contact surface of the dielectric layer was located, while at least two electrodes have the ability to connect to a source of electrical power and / or electrical loads; characterized in that it consists of electrodes, which are flat plates or bodies having fragments with flat contact surfaces intended to be applied to similar flat contact surfaces of adjacent electrodes, and contains at least two frame elements, called rotation elements, each of which has connections with all electrodes, such that in any position of the electric machine, the capacitive contact surface of adjacent electrodes are at the same distance from each other, while the electrodes to the rotation elements and the electrodes are made in such a way that the electrodes can simultaneously change their angle of inclination to both rotation elements, and with such a change in the angle of inclination, the distance between the contact surfaces of adjacent electrodes changes from a certain maximum distance to zero or close to zero, when adjacent electrodes are in the abutting position of their contact surfaces to each other.

12. An electric capacitive machine of planar type according to claim 11, characterized in that at least one of the electrodes is made in the form of a flexible tape or a flexible film stretched inside the body of its section or stretched on its own frame.

13. An electric capacitive machine of planar type according to claim 11, characterized in that the electrodes are made in the form of plane-parallel rectangles of the same thickness, coated with a uniform dielectric layer.

14. An electric capacitive machine of planar type according to claim 11, characterized in that the circuit for connecting the electrodes to the positive and negative poles of an electric power source or electric load in at least one of the phases is made in such a way that the polarity of the electrodes alternates: behind an electrode with one polarity followed by an electrode of opposite polarity.

15. The electric machine is capacitive planar type according to any one of paragraphs. 11-14, characterized in that it consists of several planar-type electric capacitive machines, connected in series one after another in one device so that the movable part of each electric capacitive machine is kinematically connected with the fixed part of the previous or next.

16. The electric machine is capacitive planar type according to any one of paragraphs. 11-14, characterized in that it consists of several capacitive electric machines of planar type, combined into one device, in which individual capacitive electric machines are kinematically coupled and operate either in turn, or in antiphase, or with a different phase shift relative to each other, there are all combined electric capacitive machines that have a kinematic connection with a common mechanical drive, and at any moment of the working cycle, the distances between the contact surfaces of one of the capacitive electric machines differ from the analog Other distances.

17. Electric capacitive machine of planar type according to any one of paragraphs. 11-14, characterized in that it further comprises an elastic return mechanism kinematically connecting the movable and stationary parts to each other in such a way as to ensure the return of the capacitive electric machine to its original state inside the duty cycle.

18. The electric machine is capacitive planar type according to any one of paragraphs. 11-14, characterized in that it further comprises at least one electric valve or rectifier included in the circuit for supplying electric power to the electrodes in such a way as to minimize or make impossible the current in the direction opposite to the current of the power source.

19. Electric machine capacitive planar type according to any one of paragraphs. 11-14, characterized in that at least one electrode on the contact surface further comprises a release lubricant or coating having dielectric properties.