Электромеханизм микроструктурный нитевидный

Электромеханизм микроструктурный нитевидный

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электромеханики, а по конструктивно-технологической принадлежности - к микроструктурным устройствам, содержащим гибкие и деформируемые элементы. На базе него могут быть построены электроприводы линейного перемещения в беспрецедентно широкой шкале размеров и тяговых усилий начиная от микромощных прецизионных приводов адаптивной оптики и заканчивая силовыми исполнительными механизмами, сопоставимыми по удельным энергетическим показателям и тяговым характеристикам с гидравлическими и пневматическими агрегатами. Возможно также решение задачи обратного электромеханического преобразования - механической работы при линейном перемещении в электрическую энергию.

В связи с тем, что все выявленные технические средства того же назначения характеризуются совокупностью признаков, коренным образом отличающейся от существенных признаков предмета изобретения, а сходные совокупности существенных признаков присущи техническим средствам другого назначения, изобретение сформулировано как не имеющее прямых аналогов. Приведенная ниже характеристика уровня техники проведена по первой группе выявленных технических средств, т.е. функциональным аналогам, поскольку рассмотрение конструктивных особенностей устройств аналогичного назначения и связанных с ними недостатков (в особенности, ограничений функциональных возможностей) необходимы для раскрытия комплексной технической задачи, решаемой данным изобретением, и характеристики всех технических результатов, получаемых при его осуществлении.

Функциональные и в то же время структурные аналоги, по-видимому, могут быть выявлены в живой природе, поскольку структура и принцип действия предложенного устройства во многом подобны структуре и сократительной активности молекул белка миозина в поперечно-полосатой мускулатуре животных. Разработка таких, на этом основании, биоморфных устройств может, в свою очередь, оказать революционизирующее влияние на дальнейшее развитие робототехники, выражающееся в стирании внешних граней и различий функциональных возможностей между манипуляторами роботов и конечностями живых организмов в шкале размеров и мощностей, начиная от муравья и заканчивая слоном.

Известно, что у традиционных электроприводов, построенных на эффектах электромагнитной индукции и электромагнитного силового взаимодействия при относительном движении проводников с током во внешнем магнитном поле, по мере уменьшения единичной мощности и занимаемого объема эффективность резко падает, а технологические проблемы возрастают в такой степени, что их реализация в микроструктурной шкале размеров элементов (лежащих, главным образом, в интервале от 10^-7 до 10^-4 м) с целью использования в составе микроэлектромеханических систем (МЭМС) даже серьезно не рассматривается. Здесь на первый план выдвигаются значительно более технологичные при микроминиатюрных размерах электроприводы, построенные на электростатических взаимодействиях, у которых, напротив, эффективность, находящаяся в обратной зависимости от отношения объем/поверхность, по мере миниатюризации возрастает. Конструктивно они представляют собой конденсаторы переменной емкости с подвижной или гибкой обкладкой, такие, например, как гибкое адаптивное зеркало для быстродействующих устройств автофокусировки лазерно-оптических систем [1], зеркальный электрод которого выполнен в виде тонкой металлической (или металлизированной) мембраны с электростатическим приводом.

Характеризовать это устройство как электропривод линейного перемещения можно только с поправкой на то, что его приводимое кинематическое звено и механическая нагрузка представляют собой одно целое и он не предназначен, таким образом, для совершения внешней работы. Кроме того, известно, что потенциальные возможности любых электростатических приводов в энергетическом отношении существенно уступают возможностям электродинамических в силу физических ограничений на плотность связанной с электрическим полем энергии в рабочем зазоре у первых. Эти ограничения определяются электрической прочностью реальных сред, заполняющих рабочий зазор, которая не позволяет довести напряженность поля в нем до величины порядка 3×10⁸ В/м, при которой удельная энергия электрического поля сравняется с типичной для электродинамических взаимодействий величиной удельной энергии в рабочем зазоре, связанной с магнитным полем [2]. С другой стороны, известно, что электростатические приводы вне конкуренции с электродинамическими по своей экономичности, поскольку для отработки статических усилий они не требуют постоянного пропускания тока.

Известно также, что даже, опираясь на электродинамические взаимодействия, современное состояние электромеханики не позволяет строить столь же простые и эффективные силовые электроприводы линейного перемещения, как электроприводы вращения, представленные множеством вариантов самых разнообразных электродвигателей. Доминирующее положение в этой области техники продолжают занимать гидравлические и пневматические агрегаты, несмотря на множество связанных с ними проблем при эксплуатации, поскольку сопоставление их по всему комплексу технических и экономических показателей с электродвигателями, снабженными механическими передачами типа реечной, "винт-гайка" и т.п., чаще оказывается в пользу первых [3].

Наиболее близким в функциональном отношении аналогом является пьезоэлектрический привод, выполненный на базе пьезоэлектрического материала. Главное отличие состоит в том, что пьезоэлектрический материал является типичным веществом, а в данном случае как сам электромеханизм, так и его основная структурная единица подпадают под характеристические признаки объектов-устройств. С другой стороны, очевидно, что переход на уровень микроструктур начинает стирать грани между веществом и устройством, которые окончательно должны исчезнуть на наноструктурном уровне, т.е. при атомной шкале размеров элементов. Поэтому представляется, что между этими группами объектов гораздо больше общего, чем различного, тем более что основную структурную единицу объекта изобретения правомерно рассматривать именно как обладающий аномально высоким пьезоэлектрическим модулем функциональный аналог или микроструктурную физическую модель пьезоэлектрического материала, а содержащий его электромеханизм является не только функциональным, но в определенном смысле и структурным аналогом наиболее типичным образом построенного пьезоэлектрического привода линейного перемещения. В этой связи характерные особенности известных пьезоэлектрических материалов и выполненных на их основе приводов целесообразно рассмотреть более детально.

К пьезоэлектрическим материалам, как известно, относятся анизотропные в электрическом отношении диэлектрики (с естественной электрической анизотропией, присущей монокристаллам, или с искусственной анизотропией, создаваемой у поликристаллических тел путем термообработки в электрическом поле - поляризации), которым свойственны прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты, проявляющиеся в изменении электрической индукции под действием механического напряжения и деформации под действием электрического поля. Обратному пьезоэлектрическому эффекту подобен свойственный значительно более широкому классу диэлектриков эффект электрострикции, состоящий в сокращении их размеров под действием электрического поля. Однако по порядку своей величины он значительно слабее первого, поэтому в электроприводах практически не используется.

Основным параметром, определяющим потенциальные возможности приводов, построенных на основе пьезоэлектрических материалов, является их пьезоэлектрический модуль, равный частной производной от деформации по напряженности приложенного электрического поля [4]. Значения этого параметра у реальных материалов таковы, что получение достаточной для практических целей величины линейного перемещения, как правило, требует создания пьезоэлектрических приводов периодической структуры, составленных из множества одинаковых пьезоэлементов, собранных в стянутый в осевом направлении пакет [5].

Функциональные возможности этой относительно дорогой, хрупкой и массивной конструкции таковы, что применение подобных пьезоэлектрических приводов, как правило, не выходит за рамки кинематических приводов точной механики и адаптивной оптики, причем, если подобный привод реализован в составе МЭМС, то он зачастую и является ее наиболее крупным элементом, определяющим массогабаритные показатели системы в целом. Постановка задачи создания на этой основе силовых исполнительных механизмов, сопоставимых по удельным энергетическим показателям с гидравлическими и пневматическими агрегатами, лишена смысла не только по причине отсутствия материалов с достаточно высоким для этой цели пьезоэлектрическим модулем, но и в связи с рассмотренными выше физическими ограничениями плотности энергии, связанной с электрическим полем - первопричиной обратного пьезоэлектрического эффекта. Кроме того, поскольку для построения пьезоэлектрических приводов по своим параметрам в настоящее время подходят только сегнетопьезокерамики - материалы с искусственной поляризацией, заметно подверженные старению, внешним температурным влияниям и обладающие гистерезисом - стабильность параметров пьезоэлектрических приводов и их точность в ряде случаев оказываются недостаточными даже для некоторых наиболее ответственных применений, не требующих высокого уровня энергии.

Главный вывод из рассмотрения пьезоэлектрических материалов и приводов заключается в том, что в технике уже имеются прецедент и положительный опыт решения проблемы электромеханического преобразования в два этапа - первоначально на микроуровне (в данном случае атомно-молекулярном) в универсальной структурной единице (в данном случае веществе-пьезоэлектрике) с последующей индивидуализацией на макроуровне в конечном изделии - электромеханизме. В этом смысле представленное изобретение смыкается с пьезоэлектрическими материалами и приводами, однако решаемая изобретением техническая задача не может быть сведена к простому усовершенствованию таковых и преодолению части присущих им недостатков.

Задача решается в значительно более широкой постановке и состоит в том, чтобы преодолеть вышеуказанные недостатки и ограничения не только этих, но и других известных типов электромеханизмов, включая и такой, как невозможность единым и унифицированным конструктивно-технологическим решением перекрыть шкалу геометрических размеров и уровней энергий электроприводов линейного перемещения, отстоящих на несколько порядков.

Технические результаты, которые могут быть получены при такой постановке задачи, решаемой изобретением, разделяются, таким образом, на столько же групп, скольким типам исполнительных механизмов данное изобретение может дать если не более эффективную, то хотя бы эквивалентную замену. Всех их можно обобщить, констатировав факт получения технических средств, обладающих подобной широтой функциональных возможностей, впервые. Кроме того, известно, что до настоящего времени ни один из исполнительных механизмов, в т.ч. с первичной энергией неэлектрической природы, не может обеспечить приближение к шкале размеров и функциональных возможностей, присущих мускулам живых организмов. С другой стороны, ряд отраслей техники, в первую очередь робототехника, испытывают в такого рода искусственных мускулах острую потребность. Осуществление же данного изобретения, имеющего для этого необходимые и достаточные потенциальные возможности, открывает реальные перспективы их создания и практического применения.

Поставленная задача решается средствами получивших развитие в последние годы микроструктурных технологий, поскольку именно они обеспечивают реальную (а не потенциальную, как на современном уровне развития нанотехнологий) возможность получения искусственной среды с наперед заданными свойствами - соответствующей микроструктуры, подобной по полезным свойствам определенному классу реальных веществ, но свободной от присущих этим веществам вредных (применительно к поставленной задаче) свойств и ограничений, связанным с их химической природой и технологией получения. Естественно, что микроструктура, моделирующая собой некоторое вещество, а не другое устройство, должна допускать возможность, подобно веществу, деления ее, при изготовлении конечного изделия, на части заданной величины, каждая из которых будет обладать всем комплексом полезных свойств, присущих целому. Отсюда следует, что такая микроструктура должна иметь подобно кристаллам периодическое строение, в котором периоду кристаллической решетки, с которым расположены повторяющиеся комбинации атомов в кристалле, соответствует период расположения секций, каждая из которых является минимальным неделимым звеном микроструктуры, сохраняющим все свойства целого.

Главное из этих свойств - изменение размеров под электрическим воздействием, подобно пьезоэлектрическим материалам - назовем пьезоэлектрической активностью с целью различения с пьезоэлектрическим эффектом, присущим только определенным веществам. Из приведенного ранее определения параметр "пьезоэлектрический модуль" сохраняет свой физический смысл и для пьезоэлектрической активности. Поскольку микроструктура представляет собой сборочную единицу, для деталей которой могут быть выбраны материалы с необходимыми свойствами, ее можно выполнить свободной от хрупкости и малой прочности на растяжение, что присуще всем без исключения пьезоэлектрическим материалам - веществам. Поэтому, согласно изобретению, для нее выбрана нитевидная форма, имея в виду, что под нитью в механике понимается кинематическое звено, гибкое по отношению ко всем видам деформаций, кроме растяжения. Очевидно, что замена хрупкого пакета, составленного из множества пьезоэлементов, на гибкую нить с длиной, соответствующей заданному количеству секций, улучшает на несколько порядков массогабаритные показатели электромеханизмов, что существенно для МЭМС. С другой стороны, при создании силовых электроприводов имеется возможность формировать из подобных нитей пучки подобно тому, как в мускулах отдельные волокна собраны в единую мышечную ткань.

В связи с этим, предметом изобретения является электромеханизм микроструктурный нитевидный (ЭМН), устроенный таким образом, что в нем, как основная структурная единица, содержится периодическая микроструктура нитевидная (ПМН) - носитель пьезоэлектрической активности. С другой стороны, ПМН является объектом одного вида и назначения с ЭМН, поскольку совпадает с ним не только по совокупности признаков, общих для всех без исключения исполнений ЭМН, но и по техническим результатам, находящимся в причинно-следственной связи с этими признаками. Выделение ПМН путем присвоения ей специального наименования позволяет, оставаясь в рамках одного независимого пункта формулы, показать, как дополнительный признак, важную в производственно-технологическом аспекте условную грань, отделяющую универсальную основу от специализированного изделия, подобно тому, как это имеет место в функциональных аналогах - пьезоэлектрических приводах, выполненных на основе пьезоэлектрических материалов. Основу ПМН составляют по меньшей мере два одноосно ориентированных взаимно электрически изолированных гибких непрерывных электрода, обладающих электрической проводимостью по меньшей мере в осевом направлении, которые через равные интервалы длины (периодически) перехвачены жестко фиксирующими их взаиморасположение специальными микроструктурными функциональными элементами - интерцепторами (intercept /англ./ - перехватывать, задерживать, отделять...).

Если бы не наличие интерцепторов, признак принадлежности которых к микроструктурам является существенным, не было бы никаких оснований для позиционирования ПМН и соответственно ЭМН среди микроструктур, поскольку геометрические размеры, относящиеся к другим их элементам, легко распознаваемы без использования оптического микроскопа. С другой стороны, понятно, что пропорциональное увеличение этих размеров вместе с сопрягаемыми с ними размерами электродов до сколь угодно больших значений ничего качественно не меняет в физических свойствах данных структур. Однако здесь имеет место ситуация, противоположная той, которая является первопричиной непригодности в МЭМС традиционных для электромеханики устройств (без учета технологических ограничений), физические свойства которых также качественно не меняются при уменьшении размеров их активных частей до сколь угодно малых значений.

Теоретический анализ показывает, что увеличение порядка характеристических размеров элементов ЭМН (в первую очередь, интерцепторов), с выходом за условные пределы микроструктурной шкалы, не менее негативно сказывается на его удельных энергетических показателях, чем уменьшение порядка характеристических размеров, например, обычного электродвигателя, до попадания в микроструктурную шкалу.

ЭМН, таким образом, подобно большинству других структур, где происходит преобразование энергий (в данном случае - электрической в механическую), имеет технически обоснованные пределы линейных геометрических размеров, оказывающих влияние на удельные (по отношению к массе и объему) значения энергетических показателей через соотношение объем/поверхность. Особенностью ЭМН является то, что для него оптимальны минимальные (на практике - ограниченные технологическими возможностями) поперечные размеры. Это, однако, не ограничивает функциональные возможности ЭМН, поскольку любой наперед заданный уровень выходной энергии может быть обеспечен выбором его достаточной суммарной длины, а требуемое соотношение силы и перемещения - тем, как эта длина распределена по отрезкам ПМН, параллельно работающим на общую нагрузку. Технический результат очевиден - существенно более высокая надежность, чем у моноблочных электромеханизмов, и отсутствующая у них устойчивость к частичному повреждению активных частей.

Полная осевая длина интерцепторов выбрана на заданную величину меньшей периода их размещения вдоль оси ПМН, что является необходимым условием сокращения осевой длины последней при работе ЭМН. Поскольку отрезок ПМН, ограниченный двумя интерцепторами, представляет собой секцию, то ясно, что его резервная длина не может быть меньше, чем предельное перемещение, совершаемое в пределах одной секции.

Интерцепторы скреплены с электродами только средней частью своей осевой длины, а по обе стороны от нее симметрично расположены по меньшей мере по два микроструктурных образования (индуктора), выполненных из материала с повышенными, по отношению к окружающей среде, эффективными значениями диэлектрической проницаемости (ε) и/или магнитной проницаемости (μ). Поскольку присущее ПМН свойство пьезоэлектрической активности реализуется через акты электромеханического преобразования, совершаемые в каждой ее секции, на нее правомерно распространить принятую в электромеханике терминологию и именовать активные части структуры, где сконцентрирована энергия действующего силового поля (или полей), и через которые замыкаются соответствующие силовые линии, индукторами. Новым является то, что известные типы электромеханических преобразователей бывают или электродинамического типа, где действует магнитное поле и индуктор выполнен из материала с высоким μ, или электростатического типа, где действует электрическое поле и индуктор выполнен из материала с высоким ε, а здесь впервые представлена микроструктура, являющаяся преобразователем комбинированного (компаундного) типа, эффективно соединяющего возможности первых двух. Такого рода техническое средство также относится к числу впервые полученных.

Техническая задача, решенная благодаря введению индукторов в микроструктуру, содержащую гибкие электроды, состоит в создании анизотропии в электрическом и/или магнитном отношении среды, заполняющей пространство, окружающее электроды. Если бы это пространство было изотропно (при отсутствии индукторов или совпадении их ε и/или μ с соответствующими параметрами окружающей среды), то ПМН сохранила бы пьезоэлектрическую активность, но значение пьезоэлектрического модуля было бы весьма невелико, поскольку все изменение емкости и/или индуктивности электродов, которым определяется величина изгибающей силы - производной от энергии, связанной с электрическим и/или магнитным полем, по направлению изгиба электродов определялось бы только изменением их формы. Если же изгиб электродов происходит в анизотропной среде, то появляется другая, значительно более существенная составляющая изменения их емкости и/или индуктивности, которая связана с перемещением электродов при изгибе в область пространства с повышенными значениями ε, μ. Естественно, что характер анизотропии зависит от конфигурации индукторов и их расположения относительно электродов. Необходимые условия выполняются, когда индукторы выполнены касающимися по меньшей мере половины от общего числа электродов вблизи мест их крепления криволинейными цилиндрическими поверхностями, соответствующими единому заданному профилю клиновидных зазоров между индуктором и касающимися его электродами.

В тех случаях, когда основным требованием к электромеханизму являются максимальная точность позиционирования (как, например, в прецизионных приводах адаптивной оптики), целесообразно по меньшей мере два электрода ПМН выполнять в виде плоского в поперечном сечении монометаллического или биметаллического микропровода, гибкого и прочного, с минимальным значением температурного коэффициента линейного расширения, например из железоникелевого сплава (инвара), или содержащего прочный сердечник, плакированный электропроводной оболочкой. Монометаллические электроды с относительно низкой электропроводностью рекомендуются для электростатических ЭМН (потенциальные электроды), для других же режимов работы целесообразно применение биметаллических (токовых) электродов, в которых сердечник, например, из того же инвара плакирован алюминием, медью или серебром.

Когда точность позиционирования - не главное, но пределы линейного перемещения и/или уровень мощности таковы, что требуется относительно большая суммарная длина ПМН (количество секций измеряется сотнями и тысячами), то целесообразно по меньшей мере два электрода ПМН выполнять в виде плоского в поперечном сечении моноволокна из диэлектрика, гибкого и прочного, с минимальным значением температурного коэффициента линейного расширения, например из ароматического полиамида (арамида), покрытого тонкой, по отношению к толщине волокна, пленкой из металла. Использование более сложных электродов описанной структуры обеспечивает значительно более высокий уровень надежности благодаря их способности к самовосстановлению при электрических пробоях. Механизм самовосстановления аналогичен тому, который имеет место в металлопленочных конденсаторах: металлопокрытие в области пробоя испаряется, а основа сохраняется, и все качественные показатели остаются на приемлемом уровне. Однако очевидно, что если основной режим работы электромеханизма электродинамический, требующий пропускания через электроды сильных токов, то такая структура оказывается неэффективной по причине низкой токонесущей способности тонкой металлической пленки и больших потерь на Джоулево тепло.

В последнем случае целесообразно еще более усложнить структуру электродов, выполнив по меньшей мере два из них в виде плоского в поперечном сечении кабеля, содержащего ряд параллельно уложенных и взаимно электрически изолированных моно- или биметаллических микропроводов, гибких, прочных и обладающих достаточной электропроводностью, например бериллиевых, молибденовых или танталовых, которые скреплены между собой в поперечном направлении и/или расположены на гибкой диэлектрической подложке.

Такая структура электродов позволяет мультиплицировать потокосцепление по отношению к току, пропускаемому через микропровод, за счет их последовательного соединения в кабеле. Что же касается материала этих микропроводов, несущих не только электрическую, но и механическую нагрузку, то очевидно, что обладающие хорошей электропроводностью и относительно недорогие медь и алюминий для этих применений недопустимо мягки и пластичны, а обладающие хорошими механическими свойствами сплавы существенно уступают им по электропроводности. Поэтому целесообразен выбор металлов из вышеприведенного ряда, причем бериллий представляет интерес для электромеханизмов, работающих в условиях низких температур, а тантал - для вариантов таковых с изоляцией на электродах в связи с присущим его пятиокиси высоким значением ε. Электроды в виде плоского кабеля представляют также интерес для ЭМН других режимов работы по причине возможности получения в них требуемого сочетания электрических и механических свойств.

Следующая группа уточнений совокупности существенных признаков изобретения характеризует ПМН в поперечном сечении независимо от того, каким из трех описанных способов реализованы ее электроды. Этих уточнений, по числу преимущественных режимов работы соответствующего ЭМН, три: электростатического (основные силовые взаимодействия по закону Кулона), электродинамического (основные силовые взаимодействия - по закону Ампера) и компаундного, при котором кулоновские и амперовские взаимодействия используются одновременно и независимо (например, первые - для установки исходной позиции, а вторые - для совершения рабочего перемещения). Для первых двух режимов оговаривается преимущественный тип работы, поскольку другие тоже возможны, но менее эффективны. Это связано с тем, что, несмотря на обратимость законов Кулона и Ампера в отношении знака силовых взаимодействий между электродами, несущими электрические потенциалы и параллельные токи (взаимного притяжения или отталкивания), очевидно, что более эффективно использовать взаимное притяжение электродов с противоположными потенциалами и взаимное отталкивание электродов с токами противоположных направлений, иными словами, взаимодействия, которые можно именовать биполярными. В обратных случаях имеют место униполярные взаимодействия, работа на которых, как показывает анализ, тем эффективнее (при прочих равных условиях), чем меньше порядок характеристических размеров элементов ПМН в микроструктурной шкале.

Таким образом, в зависимости от того, притяжение и/или отталкивание электродов соответствуют преимущественному режиму работы ЭМН, необходимо предусмотреть три варианта их укладки в ПМН - свободную, плотную и комбинированную, которые характеризуются так:

- электроды ПМН свободно уложены в один слой вокруг внутренней полости в ее поперечном сечении, а индукторы расположены внутри этой полости с касанием всех электродов;

- электроды ПМН плотно уложены в два слоя в ее поперечном сечении, а индукторы расположены снаружи ПМН с касанием всех электродов;

- плотно уложенные в два слоя электроды ПМН сгруппированы в пары, свободно уложенные, в свою очередь, вокруг внутренней полости в ее поперечном сечении, а индукторы расположены внутри этой полости с касанием половины электродов.

Заключительная группа уточняющих признаков характеризует наиболее важные конструктивные особенности ЭМН, по которым фактически пролегает грань между ним как специализированным изделием и ПМН как универсальным полуфабрикатом. Если все вышеизложенное касалось того, как ПМН, обладающая в латентной форме всеми качествами, делающими ее объектом одного вида и назначения с ЭМН, построена, то ниже характеризуется то, как она адаптирована под конкретные технические требования на ЭМН, в котором соответствующие качества ПМН переведены в явную, причем строго определенную форму. Поскольку, в зависимости от преимущественного режима работы, все ЭМН делятся на три группы, то и соответствующих признаков тоже три.

В частности, ЭМН, предназначенный преимущественно для электростатического режима работы, целесообразно выполнять содержащим по меньшей мере один отрезок ПМН заданной длины с первым из вышеуказанных вариантов укладки электродов в ее поперечном сечении. Этот отрезок (отрезки) закреплен с одной стороны неподвижно, а с другой связан с приводимым кинематическим звеном механической нагрузки. Электроды отрезка (отрезков) ПМН электрически соединены между собой и подключены к источнику электрической энергии по схеме, обеспечивающей подачу на чередующиеся в поперечном сечении электроды противоположных потенциалов и/или пропускание через них токов одного направления.

ЭМН, предназначенный преимущественно для электродинамического режима работы, целесообразно выполнять содержащим по меньшей мере один отрезок ПМН заданной длины с вторым из вышеуказанных вариантов укладки электродов. Механическое закрепление и соединение концов отрезка (отрезков) аналогично предыдущему варианту. Электрическое соединение электродов и подключение к источнику энергии - по другой схеме, а именно обеспечивающей пропускание через электроды разных слоев токов противоположных направлений и/или подачу на них потенциалов одного знака.

ЭМН с наиболее широкими функциональными возможностями, допускающий, в частности, компаундный режим работы, целесообразно выполнять содержащим по меньшей мере два отрезка ПМН заданной длины с третьим из вышеуказанных вариантов укладки электродов. Они должны быть собраны по меньшей мере в один пучок из соприкасающихся своими боковыми поверхностями отрезков, смежные из которых взаимно повернуты вокруг собственной оси на половину углового шага расположения в них пар электродов. Пучок (пучки) с одной стороны закреплен неподвижно, а с другой соединен с приводимым кинематическим звеном механической нагрузки. Электроды пучка (пучков) электрически соединены между собой и подключены к источнику электрической энергии по схеме, обеспечивающей подачу на относящиеся к разным отрезкам электроды, касающиеся общих индукторов, противоположных потенциалов и/или пропускание через них токов одного направления, а через пары плотно уложенных в два слоя электродов, относящихся к одному отрезку и касающихся разных индукторов - пропускание токов противоположных направлений и/или подачу на них потенциалов одного знака.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1-9 иллюстрируют примеры конкретного выполнения ПМН, характеризующихся первой группой описанных выше признаков, фиг.10-20 - примеры конкретного выполнения ЭМН, характеризующихся второй группой признаков, а фиг.20-24 поясняют принципы их работы. Линии-выноски позиций не имеют окончаний, если позиция соответствует сборочной единице, оканчиваются точками, если позиция соответствует детали, и стрелками, если позиция указывает на место.

Пример ПМН, предназначенной для построения электростатических ЭМН с двумя парами полюсов, изображен на фиг.1 -3: вид сбоку участка из трех секций с разрезом по одной секции и два поперечных сечения обозначенными на фиг.1 плоскостями. Фиг.4-6 и фиг.7-9 аналогичным образом иллюстрируют примеры ПМН, предназначенных для построения ЭМН электродинамического режима работы и многофункциональных ЭМН с двумя парами полюсов на пучке плотно уложенных отрезков ПМН, допускающих компаундный режим работы соответственно.

На фиг.10-12 изображен пример конструкции электростатического ЭМН, построенного на одном отрезке ПМН по фиг.1-3: вид сбоку с частичным продольным разрезом по концевым элементам (фиг.10) и два вынесенных поперечных сечения, проходящих по зонам технологических разрезов электродов, соответствующих парам полюсов ЭМН (фиг.11, 12). Фиг.13, 14 показывают пример электродинамического ЭМН, построенного на одном отрезке ПМН по фиг.4-6: виды с частичными разрезами в плане и сбоку соответственно.

Пример многофункционального ЭМН, построенного на пучке из 37 плотно уложенных отрезков ПМН по фиг.7-9, изображен на фиг.15-20:

продольные разрезы, показывающие укладку отрезков ПМН в нечетных и четных слоях пучка (фиг.15, 16 соответственно), и поперечные разрезы активной области по интерцепторам и между ними (фиг.17, 18 соответственно). Схема соединения электродов, представленная на этих фигурах, обеспечивает электростатический режим работы ЭМН. Принципиальные схемы соединения электродов между собой и с источниками электрической энергии, обеспечивающие электродинамический и компаундный режимы работы, изображены на фиг.19, 20 соответственно.

На примере удаленной от краев пучка элементарной ячейки четырехполюсного многофункционального ЭМН, выделенной и обозначенной на фиг.18, проиллюстрирована работа ЭМН при подаче на него электрической энергии в виде разности потенциалов между группами электродов, соответствующими парам его полюсов: расположение электродов, картина силовых линий электрического поля и эпюра действующих на электроды сил на моменты до и после отработки ЭМН линейного перемещения (фиг.21, 22 и фиг.23, 24 соответственно). Нижние половины интерцепторов на фиг.22 и 24, симметричные верхним, условно не показаны, а на их месте изображены эпюры действующих сил, уравновешенных на фиг.24 противодействием механической нагрузки.

Ключевыми моментами успешного осуществления настоящего изобретения являются адекватный решаемой задаче выбор места размещения и структуры электроизоляционного материала, обеспечивающего взаимную электрическую изоляцию электродов ПМН, а также выбор материалов интерцепторов, в особенности в части индукторов.

Приведенный на фиг.1-3 простейший пример демонстрирует соответственно простейшие из возможных вариантов выбора: гибкие электроды 1-4 выполнены из неизолированных металлических микропроводов плоского поперечного сечения, а их взаимная электрическая изоляция обеспечивается материалами интерцепторов 5. Последние, в свою очередь, состоят из стяжек 6, выполненных из прочного термопластичного материала с высокими показателями температурной и временной стабильности размеров, например, из группы поликарбонатов или модифицированных полиформальдегидов, и пар индукторов 7, выполненных, например, из конденсаторной сегнетокерамики с ε˜8000. Индукторы представляют собой полые внутри усеченные пирамидки миниатюрных размеров с криволинейными гранями, примерная конфигурация которых ясна из продольного разреза на фиг.1, поперечного на фиг.2 и вида в плане на фиг.3. С целью уменьшения неоднородностей электрического поля, ребра и вершины индукторов целесообразно скруглять (детальнее на фиг.21-24).

Термопластичность материала стяжек обеспечивает автоматизированное проведение сборочных операций без крайне нежелательных для микроструктурных технологий операций склеивания: индукторы, при сборке интерцепторов, под импульсным нагревом с натягом посажены на базирующие их относительно стяжек пирамидальные выступы 8, соответствующие по форме внутренним полостям в индукторах, а предварительно собранные интерцепторы, при сборке ПМН, закреплены на электродах с помощью отгибки выступающих из стяжек лепестков 9, например, путем их пропускания между нагретыми роликами.

Альтернативным вариантом выполнения индукторов, предназначенных для концентрирования электрического поля (именуемых далее электроактивными индукторами) является их изготовление из электропроводного материала, в частности металла или металлокерамического композита, например, спеченного алюминиевого порошка (САП). Электропроводный материал в электростатическом поле, как известно, ведет себя подобно диэлектрику с бесконечно большим значением ε, что делает этот вариант не противоречащим сформулированному выше признаку выполнения индукторов из материала с повышенными, по отношению к окружающей среде, эффективными значениями диэлектрической и/или магнитной проницаемости. Подобные индукторы могут быть покрыты снаружи тонкой эл