Электростатический двигатель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электростатический двигатель

Р.Р. Мамутов, М.К. Боромбаев ЫГУ им. К. Тыныстанова

Аннотация

В данной работе приведены результаты исследований коронного разряда на электростатическом двигателе. Изучены частота вращения ротора и статические и мощностные характеристики разряда. Оценён КПД двигателя.

Введение

Принцип действия диэлектрического (электростатического) двигателя основан на так называемом кулоновском взаимодействии электрических зарядов и поляризации диэлектриков в электрическом поле. Образовавшиеся в воздухе положительные ионы отталкиваются от положительного электрода статора, устремляются к отрицательно заряжённой поверхности диэлектрического ротора и оседают, закрепляются на ней. То же самое происходит и с отрицательными зарядами около отрицательного электрода. В результате имеем под положительным электродом закрепившиеся на поверхности ротора положительные ионы, а под отрицательным - отрицательные. Между электродами статора и ротора возникают кулоновские силы отталкивания F, которые и приводят ротор во вращение. Через некоторое время после того, как ротор начал вращаться, часть его поверхности с положительными ионами оказывается под отрицательным электродом, а другая часть - под положительным. Происходит перезаряд поверхности. Силы отталкивания продолжают действовать на ротор. При работе электростатического двигателя вырабатывается озон [1].

В [2] показано что электростатический двигатель работает на основе коронного разряда. Отметим, что если электростатический двигатель работает на переменном токе тогда между ротором и статором может и возникать и барьерный разряд [3].

В данной работе изучается коронный разряд атмосферного давления на электростатическом двигателе при постоянном напряжении. Определены частоты вращения ротора. Исследованы статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) разряда и КПД двигателя.

1. Экспериментальная установка и методы измерений

Ротор сверху покрыт тонкой диэлектрической плёнкой и с внешней стороны установлены два или более электродов, рис.1.а). Устройство представляет собой простейший конденсатор, ёмкость которого тем больше, чем тоньше диэлектрическая плёнка. Двигатель работает как на переменном, так и на постоянном токе. Вид сверху устройства показан на рис.1.б.

а) б)

Рис.1. Коронный разряд на электростатическом двигателе: а) 1 - диэлектрическая плёнка, 2 - электроды, 3 - ротор. б) вид сверху: 1 - металлический цилиндр, 2 - диэлектрик, 3 - разряд.

Частота вращения ротора определяется следующим образом: на ротор устанавливается зеркальце, которое отражает лучи от источника света на фотоэлемент. На фотоэлементе вырабатывается ЭДС, фиксируемое на осциллографе и таким образом зная время развёртки осциллографа определяется частота вращения ротора.

Электрическая схема регистрации осциллограмм приведена на рис.2.

Осциллограммы тока I(t) и напряжения U(t) регистрируются синхронно на двулучевом осциллографе С1-83. Кривые тока и напряжения на электростатическом двигателе имеют пульсирующий вид. Интервалы времени на осциллограммах, соответствующие началам возрастания токов разбиваются на 50-60 одинаковых зон.

Рис.2. Электрическая схема измерений. Т1 - лабораторный автотрансформатор РН, Т2 - ТГ1020КУ-2 - высоковольтный трансформатор, D - диодный мост, R_ш - 492 Ом, Кd = R1/R2 = 840 - коэффициент делителя напряжения, Д - электростатический двигатель.

По известным максимумам напряжений проводится калибровка напряжения по оси ординат, затем определяется цена одного деления, с её учётом составляется шкала напряжения. Мгновенные значения тока и напряжения пересчитывались по формулам:

I(t) = U_осц(t) / R_ш , U_осц(t) - напряжение, регистрируемое осциллографом на шунте;

U(t) = (( R1 + R2 ) / R2)U_2осц(t) - напряжение, регистрируемое осциллографом на R2.

Снятые типичные осциллограммы тока и напряжения I(t) и U(t)показаны на рис.3., соответственно.

Рис.3. Осциллограмма тока I(t) и напряженияU(t,) при Uэф=14,3кВ (при вращении ротора и (при принудительной остановке ротора).

Обработка осциллограмм I(t) и U(t):

Из осциллограмм тока I(t) и напряжения U(t) вычисляются следующие величины:

Средний ток : Iср = ;

Эффективные значения тока: Iэф = ()^1/2;

Эффективные значения напряжения: Uэф = ()^1/2;

Полная мощность: N = Iэф Uэф;

Активная мощность: Wакт = ;

Реактивная мощность: Np = .

При вычислениях интеграл заменяется суммой, например: Iср = .

разряд ротор электростатический двигатель

2. Результаты и анализ измерений:

2.1 Частота вращения ротора

При подаче достаточно высокого напряжения разряд с электродов идёт на поверхность, при этом на плёнку оседают заряды. Заряды на поверхности плёнки имеют тот же знак, что и данный электрод. Поэтому между электродами и зарядами возникают кулоновские силы отталкивания, которые приводят во вращение ротор. Чем больше напряжение питания, тем больше величина тока и тем больше скорость вращения ротора (цилиндра) [4].

На рис.4. представлена зависимость частоты автовращения ротора от приложенного напряжения. Из графика видна практически линейная зависимость частоты от напряжения. При увеличении напряжения увеличивается количество осевших на диэлектрик ротора зарядов, что приводит к росту кулоновского взаимодействия и соответственно увеличению частоты вращения ротора. Это с одной стороны, с другой стороны, с увеличением напряжения увеличивается действие электрического ветра, которое должно уменьшать частоту вращения ротора [2], поэтому этот вопрос остаётся открытым.

Рис. 4. Зависимость частоты вращения диэлектрика от приложенного напряжения.

Из осциллограмм тока и напряжения, как при автовращении, так и при принудительной остановке ротора видно, что ток разряда идёт при нарастании напряжения, и практически равен нулю, когда пик пульсации напряжения достигает максимального значения (см. рис.3 и 4). Для объяснения этого явления нужно будет питать установку высоко стабилизированным (постоянным) и сильно пульсирующим напряжением, и выяснить будет ли ток при постоянном напряжении, и будет ли значение тока больше при питании сильно пульсирующем напряжении.

2.2 Статические характеристики разряда

ВАХ данной установки при автовращении и принудительной остановке ротора показана на рис. 5. Видно, что ток при автовращении ротора при Uэф = 14,3кВ примерно в 4 раза больше тока, чем при его принудительной становке. Значение тока I_полн при автовращении ротора, определяется как сумма значений поверхностного тока I_пов и тока конвекции I_кон. Поверхностный ток I_пов диэлектрика на роторе связан с образованием проводящей плёнки на его поверхности, которая обусловлена оседанием молекулярных и ионных зарядов газовой среды. Ток конвекции I_кон представляет собой перенос заряда в единицу времени движущимся диэлектриком на роторе.

Рис. 5. ВАХ коронного разряда на электростатическом двигателе при постоянном напряжении

Таким образом, при принудительной остановке ротора, ток конвекции I_кон равен нулю, и остаётся только поверхностный ток I_пов. Разность токов при автовращении и принудительной остановке ротора определит ток конвекции I_{кон :} I_кон = I_полн - I_пов.

Значения I_кон при различных выходных напряжениях занесены в таблицу №1.

Таблица №1

Также при работе было выявлено, что с увеличением напряжения форма её деформируется, т.е. возникает значительная переменная составляющая. Возможно, это возникает из-за того, что разряд, растягиваясь по поверхности диэлектрика против вращения ротора, переполяризовывает диэлектрик и возникает запирающее поле, которое ведёт к уменьшению напряжения; или это связано с тем, что электростатический двигатель, являющийся также и простейшим конденсатором, при больших токах разряда перестаёт быть дополнительным емкостным фильтром.

2.3 Мощностные характеристики разряда

Значения мощностей разряда приведены на рис. 6. и 7.

Из рис. 6, 7 видно, что помимо активной мощности есть присутствие значительной реактивной, хотя питание идет достаточно сглаженным постоянным напряжением. Это связано с присутствием переменной составляющей напряжения.

Рис. 6. Зависимость мощностей коронного разряда от приложенного напряжения при автовращении ротора.

Рис. 7. Зависимость мощностей коронного разряда от приложенного напряжения при принудительной остановке ротора.

2.4 КПД двигателя

Важнейшей характеристикой электростатического двигателя является его КПД.

Ротор двигателя разгоняется до тех пор, пока электростатические силы и силы трения в подшипниках и трения о воздух не уравновесятся [2]. При малых изменениях частоты вращения ротора, сопротивлением о воздух можно пренебречь. Тогда, фиксируя малые изменения частоты вращения ротора, после того как ротор разгонится до максимального значения и разряд выключается, за некоторый промежуток времени Дt, можно вычислить мощность на валу:

W_вал=;

где m - масса ротора (60 г); R - радиус цилиндра ротора (3,75 см); Дн - изменение частоты вращения ротора.

По ней находим КПД двигателя (рис. 9): з=.

Рис.9. Зависимость КПД двигателя от приложенного напряжения.

Из рисунка видно, что КПД имеет тенденцию к насыщению, однако ее поведение не совсем понятно и требует дальнейшего исследования.

Выводы

1. Определена частота ротора, при автовращении.

2. По осциллограммам тока и напряжения рассчитана ВАХ коронного разряда на электростатическом двигателе; полный, поверхностный и конвекционный токи; активная, полная и реактивная мощности.

3. Определен и рассчитан КПД электростатического двигателя.

Литература

1. Пасынков В., Окунев Ю. Что же изобретено? // Техника молодёжи, №12, 1983, с.42.

2. Токарев А.В., Юданов В.А. Электростатический двигатель. -Бишкек: КРСУ, 2003, -с .7.

3. Боромбаев М.К., Мамутов Р.Р., Адырбеков А.Т. Электростатический двигатель при постоянном напряжении. Образование через науку. Материалы международного научно-технического симпозиума. Т.1. -Бишкек: КТУ. 2004, -с. 277-280.

4. Журавлев О.А., Шепеленко А.А. Однородный поверхностный разряд в воздухе атмосферного давления. / Тезисы докладов VII конференции по физике газового разряда. - Самара: СГАУ, -1994, -с.78-79.

Размещено на Allbest.ru