DD282111A5 - Dielektrischer motor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Motoren, deren Drehmoment nicht ueber magnetische Felder sondern ueber dielektrische Kraefte erzeugt wird. Anwendungsgebiete sind die Mikroelektronik und Mikromechanik. Die Rotoren bestehen aus mehreren Dielektrika, die sektor- oder scheibenfoermig angeordnet sind oder sich gegenseitig partiell oder vollstaendig umhuellen. Diese Motoren lassen sich bis zu einer Groesze von wenigen mm miniaturisieren. Sie sind ausgezeichnet durch langsame bis mittlere Drehgeschwindigkeiten, kurze Anlaufphase (ms-Bereich und darunter), extrem niedrigen Stromverbrauch, einfache Konstruktion, hohe Laufkonstanz und sind nahezu wartungsfrei. Die Rotationskennlinie (Rotation als Funktion der Feldfrequenz) kann in weiten Bereichen durch Variation der Rotordielektrika frei gewaehlt werden. Fig. 1{Motor; dielektrisch; inhomogen; miniaturisiert; Sektor; Scheibe; Schale; elektrisches Feld; Mikromechanik}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Anwendungsgebiet der Erfindung sind z. B. die Mikroelektronik, in der miniaturisierte dielektrische Motoren als mikromechanische Antriebs-, Steuer-, Schalt- und Sensorsysteme Anwendung finden können. Sie können jedoch auch als Miniaturmotor auf Gebieten wie der Mikrochirurgie, Chemie und Gentechnik genutzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Dielektrische Motoren sind seit langem bekannt, wurdon jedoch auf Grund gravierender Nachteile (sehr geringes Drehmoment, nicht festgelegter Drehsinn) praktisch nicht genutzt. Ihre theoretische Beschreibung geht auf Heinrich Hertz zurück (Hertz, Wied.Ann. 13118811266).

Es handelt sich dabei um Motoren, deren Rotor aus einem Dielektrikum besteht und zwischen 2 oder mehreren Elektroden gelagert ist. Die Elektroden werdon mit konstanten Spannungen angesteuert. Die Drehung der Rotoren erfolgt entwedor nach mechanischem Andrehen oder über Hilfselektroden, die *. B. eine Strömung der Umgebungslösung aos Rotors induzieren, über die der Rotor angedreht wird (QUINCKE, Wied.Ann. 5911896! 417; SECKER and SCIAI.OM, J. Appl. Physic? j9 11968) 277; SECKER and BELMONT, J.Phys.D: Appl.Phys.3 [1970] 216). Der Rotor ist in der Regel von einem gasförmigen oder flüssigen Medium umgeben oder befindet sich im Vakuum (QUINCKE, Wied.Ann. 59 (1896)417). Der Nachteil dieser Motoren besteht, neben der nicht festgelegten Drehrichtung und den notwendigen Hilfsvorrichtungen beim Start, in der schwierigen Regolung der Rotationsgeschwindigkeit, da diese vom Quadrat der Feldstärke abhängt. In jüngster Zeit wurde die extiome Miniaturisierbarkeit dieses Motortyps als Vorteil erkannt und mikromechanische Bauteile in Chipform entwickelt (GEO 101'1988| 188; US-Patent Nr.4, 740, 410), dabei kamen rotierende elektrische Felder, produziert über Mohrelektrodensysteme zur Anwendung, so daß Startvorrichtungen entfallen können.

Rotierende elektrische Felder werdon seit 1982 zur Untersuchung von biologischen Objekten wio Zellen verwendet (ARNOLD und ZIMMERMANN, Z.Naturforsch.37c (1982) 908), sind jedoch auch bei herkömmlichen Motoren nach dem magnetischen Induktionsprinzip gebräuchlich.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die kostengünstige Entwicklung eines verbesserten dielektrischen Motors der i:-> Vergleich zur bekannten Lösung erweiterte Anwendungsmöglichkeiton in der Mikroelektronik als integrales Bauelement und dor Mikromechanik eröffnet.

Darlegung dos Wesens der Erfindung

Dio Aufgabe besteht in der Entwicklung eines dielektrischen Motors mit beeinflußbarer Rotationskennlinie, der über konstanto und variable Rotationszuständo verfugt, die einfach und exakt zu regoln sind, sowie kostengünstig und universell eingesetzt werden kann. Die Anlaufzeit sollte im Millisokundenboroich und darunter liegen.

Erfindungsgemäß wird dio Aufgabe gelöst, indem der Rotor in eino oder mehrere Richtungen kontinuierliche odor diskontinuierliche Übergänge zwischen verschiedenen dielektrischen Materialion aufweist bzw. komparti nentiert ist. Der Rotor kann aus symmetrischen odor asymmetrischen Sektoren bestehen, welche radial zur Rotationsachse tngoordnot sind Möglich ist auch eine Rotorkonfiguration bei der der Rotor aus symmetrischen oder asymmetrischen Schichten besteht, wolcho radial oder axial zur Rotationsachse angeordnet sind. Zwischen den Schichten und Soktoron können elektrische Loiter angeordnet werden.

Dos weiteren sind zur Gestaltung dos Aufbaus dos dielektrischen Rotors Kombinationen von Sektoren und radialen sowio axialen Schichten möglich.

Uio erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auch eine Kombination von homogenen und inhomogenen Diolektrika, wolcho optisch transparent und/oder doformiorbar sind.

Die Rotoren werden über zirkulär polarisierte oder diskontinuierlich rotierende elektrische Felder angetrieben, dio Rotationsrichtung ist determiniert.

Mit zunehmender Anzahl dor Rotordielektrika wird das Rotationsspoktrum (Rotation als Funktion an Kreisfroquenz dos externen Feldes) dos Rotors komplizierter und ist charakterisiert durch eino Vielzahl gut unterschoidbaror Zustände. Diese üborraschenden Rotationsspoktron sind von keinem anderen Motortyp bekannt.

Das Drehmoment des Rotors ist von seinem Radius unabhängig, d. h. kleine und groiSo Rotoron drehen unter gleichen Bedingungen gleich schnell, woraus sich seine extreme Minia'urisierbarkeit ergibt. In miniaturisierter Form liegt die Anlaufzeit dos Motors bei weniger als 1 ms bis zu wonigen ms, was seine Vorteile für mikroelektronische Anwendungen belegt. Das hior beschriebene Prinzip unterscheidet sich grundlegend vom Induktionsfeldmotor, übor die Wahl und Kombination der Rotordielektrika kann die Rotationskennlinie des Motors in weiten Bereichen frei gewählt werden.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Fig. 1: Rotor bestehend aus zwei schalenförmig angeordneten Dielektrika und eino mögliche Rotatio.iskennlinie. Dor Rotor (Fig.') besteht aus 2 Dielektrika 2 a, 2 b und ist von einer wenig loitfähigon Flüssigkeit 5 (Wasser, Alkohol usw.) umgobon. 'Jbor das Umgebungsmedium 5 wirkt das mittels mindestens 3 Elektroden orzeugto externe elektrische Fold. Dor Rotor ist in uekannter Weise gelagert 6,1 bezeichnet die Rotationsachse. Die Kreisfrequonz (f! dos Feidos und dio Feldstärke (in dor Regel 5 bis 100kV/m) bestimmen die Rotationsgoschwindigkeit dos Rotors. Die Kennlinie des Rotors (Rotation als Funktion der Kreisfrequenz des externen Feldes) kann über die Wahl und Kombination der Dielektrika dos Rotors und dio Umgobungslösung 5 festgelegt und verändert worden. Eino mögliche Rotationskonnlinio ist in Fig. 1 angegeben. Jedes Dielektrikum läßt sich charakterisieren über die Relaxationszeit der jeweiligen Polarisationsladungen. In diese Zeit gehon die elekrischon Eigenschaften der jeweils benachbarten, von den Feldlinien geschnittenen Dielektrika ein. Zur Beschreibung des Parametersatzos der Kurve ist im folgenden dio Dicke der Dielektrika und deren Rolaxationszeit angegeben. Parameter zu Fig. 1:

diinm d2inm Relaxationszoitins"¹

ti t2

4,8 χ 10'⁶ 2 x 1(T⁷ 1,6x10" 2,3 x 1(T³

Beispiel 2

Fig. 2: Rotor bestehend aus dielektrischen Sektoren und eine mögliche Rotationskennlinie.

Der Rotor besteht aus 5 Sektoren 3 a, 3 b, 3 c, 3d, 3 e sowie 3 fund ist von einer wenig leitfähigen Flüssigkeit 5 (Wasser, Alkohole usw.) umgeben. Die elektrischen Eigenschaften des Rotors und seiner Umgebung bestimmen die Rotationskennlinie. Die Drehung des Rotors kann über ein rotierendes elektrisches Feld schleiferlos von außen induziert wordsn. Das Drohmoment kann über din Feldstärke oder die Kreisfrequenz des Feldes beeinflußt werden. DieRotationskonnlinion können übor die Kombination der Sektordiolektrika festgelegt und verändert werden. Eine mögliche Kennlinie ist in Fig. 2 angegeben. Die Sektorbreiten b1 bis b6 (Fig. 2) sind im Beispiel in Anteilen des Rotorumfanges (U) wie folgt verteilt:

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

Die Relaxationszeiten der Dielnktrika zu Fig. 2 liegen bei:

• 1 = t4 = 10 ¹S""' t2 = t5 = 10" V

Boisplol 3

Fig. 3: Rotor bestehend aus axial angeordneten dielektrischen Scheiben und eine mögliche Rotationskennlinie

Der Rotor (Fig. 3) besteht aus 3 axial angoordneton dieloktrischon Schichten 4a, 4b und 4c. Eine mögliche Kennlinie ist in Fig.3 angegeben. Ihr liegt der folgende Parametersatz zugrunde.

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

Claims (6)

1. Dielektrisch?.- Mot jr bestehend aus einem dielektrischen Rotor in einem flüssigen oder gasförmige.) Umgebungsmedium und Elektroden, gekennzeichnet dadurch, daß der Rotor in eine oder mehrere Richtungen kontinuierliche Übergänge zwischen verschiedenen dielektrischen Materialien aufweist und/oder kompartimentiert ist, wobei die Dielektrika radial zur Rotationsachse (Din symmetrischen oder asymmetrischen Schichten (2) oder radial zur Rotationsachse (1) in symmetrischen oder asymmetrischen dielektrischen Sektoren (3) oder axial zur Rotationsachse (1) in symmetrischen oder asymmetrischen Schichten (4) angeordnet sind und das zwischen den Schichten (2) und (4) und den Sektoren (3) elektrisch leitende Zonen angeordnet werden können oder sich ein Vakuum befindet.

2. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten (2) und (4) und/oder Sektoren (3) in Kombination zur Rotationsachse (1) angeordnet sind.

3. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrika einander oder die elektrisch leitenden Schichten partiell oder vollständig bedecken.

4. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den radialon Schichten (1), Sektoren (3) und axialen Schichten (4) homogene oder inhomogene Dielektrika angeordnet sind.

5. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotor ein oder mehrere optisch oder für andere elektromagnetische Wellen durchlässige Dielektrika angeordnet sind.

6. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus einem oder mehreren deformierbaren Dielektrika aufgebaut ist.