Полупроводниковый пьезоэлектрический свч-двигатель

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим двигателям, и может быть использовано в наземных и водных транспортных средствах, летательных аппаратах и космической технике. Сущность изобретения состоит в следующем. Полупроводниковый пьезоэлектрический СВЧ-двигатель содержит закрепленные в корпусе с диэлектрическими окнами одним из концов якорь в виде стержневого пьезоэлемента с установленным на его свободном конце цилиндрическим металлическим резонатором и лавинно-пролетный диод СВЧ, полупроводниковый активный слой которого находится в центре резонирующей полости. В процессе работы пьезоэлемент и лавинно-пролетный диод СВЧ подключаются к источнику питания постоянного напряжения через резистор с переменным сопротивлением так, что они составляют релаксационный генератор, и тяга двигателя осуществляется периодическим действием на резонатор электрического поля электромагнитной волны, возбуждаемой в резонирующей полости лавинно-пролетным диодом СВЧ, а управление двигателем сводится к простому изменению величины сопротивления упомянутого резистора. Технический результат состоит в том, что предлагаемый двигатель характеризуется малыми массой и габаритами, а также отсутствием каких-либо вращающихся и движущихся относительно корпуса частей и обеспечением прямого преобразования электрической энергии в механическую. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим двигателям, и может быть использовано в наземных и водных транспортных средствах, летательных аппаратах и космической технике.

Известны двигатели, работающие на различных физических принципах, - тепловые, реактивные, электрические [1], пьезоэлектрические, волновые [2].

Недостаток тепловых и реактивных двигателей заключается в необходимости использования рабочего тела для создания тяги, а недостатком известных электрических, пьезоэлектрических и волновых двигателей является то, что для преобразования их энергии в энергию поступательного движения объектов в пространстве необходимо применение сложных механизмов.

Известен также пьезоэлектрический волновой двигатель [3], состоящий из пьезоэлемента и струны, резонансное взаимодействие которых в возбужденном состоянии приводит к созданию тяги.

Недостаток этого двигателя заключается в его низком коэффициенте полезного действия из-за того, что для возбуждения струны тратится часть механической энергии пьезоэлемента, запасенной в результате обратного пьезоэффекта и ограниченности движения пьезоэлемента с грузом в пространстве из-за конечности размеров струны.

Задачей изобретения является создание двигателя, отличающегося тем, что его тяга осуществляется периодическим действием электрического поля электромагнитной волны, возбуждаемой полупроводниковым диодом СВЧ, на резонатор, непосредственно соединенный с одним из электродов пьезоэлемента.

Поставленная задача решается тем, что полупроводниковый пьезоэлектрический СВЧ-двигатель (фиг.1) содержит закрепленные в корпусе с диэлектрическими окнами одним из концов якорь в виде стержневого пьезоэлемента с установленным на его свободном конце цилиндрическим металлическим резонатором и лавинно-пролетный диод СВЧ, полупроводниковый активный слой которого находится в центре резонирующей полости.

Геометрические размеры резонатора должны обеспечивать условия, чтобы возбуждаемая диодом СВЧ электромагнитная волна достигала стенок резонатора и отражалась от них в момент максимального значения величины напряженности ее электрического поля. Одно из этих условий выполняется, когда расстояние между стенками резонатора равно удвоенной длине волны (фиг.2). Для цилиндрического резонатора это расстояние соответствует его внутреннему диаметру. Длина электромагнитной волны определяется по формуле λ=c/f, где с - скорость света в вакууме, равная 3•10⁸ м/с, и f - частота волны, зависящая от характеристик диода СВЧ.

Пьезоэлемент и лавинно-пролетный диод СВЧ подключаются к источнику питания через резистор с переменным сопротивлением по схеме релаксационного генератора (фиг.3).

На фиг. 1 изображен полупроводниковый пьезоэлектрический СВЧ-двигатель, разрез, где 1 - корпус, 2 - пьезоэлемент, 3 - лавинно-пролетный диод СВЧ, 4 - полупроводниковый активный слой диода, 5 - резонирующая полость, 6 - резонатор, 7 - диэлектрическое окно.

На фиг. 2 изображена электромагнитная волна в полости, ограниченной стенками электрически заряженного резонатора, где 1 - резонатор, 2 -электромагнитная волна.

На фиг. 3 изображена электрическая принципиальная схема полупроводникового пьезоэлектрического СВЧ-двигателя, где VD1 - лавинно-пролетный диод СВЧ, BQ1 - пьезоэлемент, R1 - переменный резистор.

Способ работы полупроводникового пьезоэлектрического СВЧ-двигателя заключается в следующем. После включения питания емкость пьезоэлемента и резонатор, непосредственно соединенный с одним из электродов пьезоэлемента, начинают заряжаться. Вместе с этим вследствие обратного пьезоэффекта происходит деформация сжатия пьезоэлемента. Так как пьезоэлемент и диод СВЧ подключены параллельно, то при достижении величины электрического напряжения на электродах пьезоэлемента, равной величине напряжения пробоя диода, емкость пьезоэлемента разряжается через диод. Во время этого в полупроводниковом активном слое диода возникают сверхвысокочастотные колебания электрического тока, которые возбуждают в пространстве резонирующей полости электромагнитную волну. В это же время освобождается запасенная в пьезоэлементе механическая энергия деформации, которая стремится к перемещению обоих концов пьезоэлемента. Один из них непосредственно соединен с резонатором и тормозится электрическим полем электромагнитной волны, так как на нем имеется остаточный электрический заряд. Из-за этого центр масс пьезоэлемента и самого двигателя получают механическое ускорение в направлении силы действия F электрического поля электромагнитной волны на заряженный резонатор, прямо пропорциональной напряженности Е электрического поля электромагнитной волны и электрическому заряду q на резонаторе и равной F=qE. После падения напряжения на диоде до определенной величины он закрывается и емкость пьезоэлемента начинает заряжаться снова. Этот процесс повторяется и полупроводниковое пьезоэлектрическое устройство получает направленное высокочастотное механическое ускорение, создающее его тягу.

Тяговые характеристики предлагаемого двигателя определяются частотой его работы, которая зависит от сопротивления резистора, через который поступает электрическое питание на пьезоэлемент и диод СВЧ. В связи с этим управление двигателем сводится к простому изменению величины сопротивления этого резистора.

Размеры двигателя при использовании в нем известных пьезоэлементов и лавинно-пролетного диода СВЧ, излучающего электромагнитные волны с частотой около 60 ГГц, могут составить не более 14•14•18 мм, а его вес - не более 10 г. Миниатюрность двигателя, отсутствие каких-либо вращающихся и движущихся относительно корпуса деталей, прямое преобразование в нем электрической энергии в высокочастотную поступательную механическую энергию делают его привлекательным для использовании в различных областях техники.

ЛИТЕРАТУРА 1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа. 1989.

2. Вибрационные преобразователи движения. Л.: Машиностроение. 1984.

3 Александров В.А. Эффект транспортирования на струне. // Датчики и системы. 2001. 6.

Формула изобретения

Полупроводниковый пьезоэлектрический СВЧ-двигатель, отличающийся тем, что он содержит закрепленные в корпусе с диэлектрическими окнами одним из концов якорь в виде стержневого пьезоэлемента с установленным на его свободном конце цилиндрическим металлическим резонатором и лавинно-пролетный диод СВЧ, полупроводниковый активный слой которого находится в центре резонирующей полости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3