可用于移动车辆和旋转飞轮的静电悬浮装置制造方法

可用于移动车辆和旋转飞轮的静电悬浮装置制造方法
【专利摘要】可用于移动车辆和旋转飞轮的静电悬浮装置利用两带电平行板之间的静电力作静电悬浮，原理极为简单初看起来很好实现，但至今还没有静电悬浮列车。究其原因是：1、原理上讲的是静电平衡条件下带电平行板之间电场力，而实际车辆是移动的，当一块带电板接近另一块带电板时，都要受对方电场力的影响而使内部电荷发生重新分布，这里是动平衡，若不采取措施，动平衡电场力与静电平衡电场力面目全非，2、静电场力比较弱，要采取措施才能满足悬浮列车的要求，3、移动中同性电荷不易获得和维持。本发明用陶瓷基集成平板电极解决动平衡与静电平衡差别；用移动电极充电法、范德格拉夫静电发生器注入法、高速带电粒子束注入法，解决移动车辆及路基电极的充电和维持；使静电悬浮走向实用。
【专利说明】可用于移动车辆和旋转飞轮的静电悬浮装置
[0001]【技术领域】利用两块带异性电荷的平行板之间有吸引力，我们先固定其中一板，通过改变电荷量，使相互吸引力正好抵消另一板(含附着物)的重力，达到另一板无依托地悬浮于其下方，称为吸顶式静电悬浮。反之，利用两块带同性电荷的平行板之间有排斥力，我们把其中一板经绝缘固定在地面，依靠相互排斥力正好抵消重力的办法，使另一板(含附着物)无依托地悬浮于上方，称为托底式静电悬浮。与磁悬浮一样，静电悬浮也可以应用于交通运输和悬浮飞轮。本发明属于机械、电力、交通运输【技术领域】。
[0002]技术背景上述吸顶式静电悬浮、托底式静电悬浮原理极为简单，但建立在静电平衡条件下，也就是说平行板内电荷相对静止，而实际应用时上下电极要作移动的，电极内电荷因此而发生迅速移动，这里是动平衡，动平衡电场力与静电平衡电场力面目全非。另外静电场力比较弱，若不作相应处理，很难实现悬浮列车的要求。
[0003]一些小型静电悬浮飞轮获得成功是因为其动态电场趋近静电平衡时的状态。
[0004]本发明是杨金玉发明“兆瓦级低速飞轮储能装置”(200910219473.X)的延续。属于悬浮超大型飞轮，之所以能在现有条件下实现巨大储能，靠的是扩大飞轮半径降低转速。其动态电场也趋近静电平衡时的状态。但只有吸顶式静电悬浮而没有托底式静电悬浮。托底式难度要大于吸顶式，因为同性电荷不好获得。
[0005]
【发明内容】
静电悬浮原理极为简单，初看起来很好实现，但至今还没有静电悬浮列车。原因是原理上讲的是静电平衡条件下带电平行板之间电场力，而实际车辆是移动的，电极内电荷也不会呆着不动，当一块带电板接近另一块带电板时，都要受对方电场力的影响而使内部电荷发生重新分布，这里是动平衡，与静电平衡完全不一样。我们的发明采取多种措施，使总的动态电场趋近静电平衡时的状态，从而实现真正的可用于移动车辆和旋转飞轮的静电悬浮。详细
【发明内容】
结合附图加以说明。

【专利附图】

【附图说明】
[0006]图1为“无限大”均匀带电平行板电场分布图；
[0007]图2为有凹槽的陶瓷平板上金属电极及介质材料覆盖图
[0008]图中I为陶瓷平板，2为金属电极，3为介质材料；
[0009]图3为车辆下分裂电极示意图
[0010]图中4为车辆，5为车底分裂电极，6为路基上的分裂电极；
[0011]图4为静电悬浮车辆加电原理示意图
[0012]图5为旋转飞轮的静电悬浮原理示意图
[0013]图中12为飞轮，13为底座，在12底部平面安装上陶瓷基集成平板电极15，在正对15下方安装下陶瓷基集成平板电极16。制造时已考虑12与15、13与16之间的电气绝缘。在15、16分别加注足量同性电荷，便成为托底式静电悬浮。图中14为飞轮顶盖，在其底部平面安装电极17，电极17与顶盖14之间电气绝缘、也与底座13之间电气绝缘。同时在飞轮12顶部安装平板电极18 (若飞轮12顶部是金属，经精加工磨平，可作电极用)，只要在17、18之间加上直流高压，便成为吸顶式静电悬浮。
[0014]先引用物理教科书上关于“无限大”均匀带电平行板电场分布的结论:图1中“无限大”两板分别带等量面电荷密度σρ Q2，各单板分别产生如图所示电场E1 = σ:/2 ε 0>E2 = σ J2 ε ^,图1a为带等量异性电荷,此时两平行板间合成电场相加E^E2 = σ / ε ^(该电场使两带电板靠近)，平行板外合成电场相减为零；图1b为带等量同性电荷，此时两平行板间合成电场相减为零，平行板外合成电场相加EfE2 = σ / ε ^ (该电场使两带电板远离)。如果其中一板面积为S,则两者的斥力或吸力可以用F = qE = S σ i σ 2/2 ε Q = S σ 2/2 ε。计笪
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[0015]我们知道空气的击穿强度约3X106v/m，据此可算出不发生空气击穿，每平米平板可携带最大面电荷密度σ m，目卩E = ο J B0 = 3X 106v/m,得σ m = 2.65X l(T5c/m2。就依此电荷密度代入 F = S σ 2/2 ε 0 = I X (2.65 X 1(Γ5) 2/2 X 8.85 X 1(Γ12 = 0.396 X 12N = 4kgf,即每平米只有4公斤浮力，显然太小。因此必需加大电荷密度，但要采用绝缘介质材料包裹电极，防止发生向空气放电而泄漏电荷。图2示出金属电极2附着在有凹槽的陶瓷平板I上，其表面涂覆一层无机的或有机的介质材料3，只在凹槽底留有没有覆盖介质材料的缝隙，裸露出金属，可作为向电极注入电荷的通道。这样做的原由，是考虑到电荷趋肤效应，凹陷处的面电荷密度要小于平面处，可保证缝隙处带电的裸露金属不发生向空气放电。如需要还可用硅、陶瓷半导体封堵缝隙，利用半导体与金属接触时会产生一个阻挡层，该阻挡层有单向导电特性(作注入电荷用)，反方向阻挡层起介质作用。
[0016]参考日本某磁悬浮试验车的数据(车宽2.6m,长8.6m,总重18t，折算成每平米浮力18t/2.6mX 8.6m = 0.814t/m2)。如果用静电悬浮,算算需要多少电荷可产生相等浮力。还用F = S σ 2/2 ε ^ ε ^ = 0.814t/m2求σ，式中相对介电系数ε r是考虑到电极是用平板陶瓷作支撑的，陶瓷的约5.5，那么需要增加电荷(5.5X841kgf/4kgf)1/2 = 10.747倍，即σ = 2.65Xl(T5c/m2X 10.747 = 2.848Xl(T4c/m2。虽说该电荷密度已远超空气击穿强度，但只要用绝缘材料包裹电极(现有的无机有机介质材料都能满足要求)，就不会发生向空气放电。
[0017]上面讨论的是静电平衡时的状态，而实际应用中两板要作相对平移或旋转的。当一块带电板接近另一块带电板时，都要受对方电场力的影响而使内部电荷发生重新分布。比如带同性电荷的车辆往前开，车底所带电荷将对路基上“无限大”平板电极内的同性电荷产生排斥力作用，促使路基上“无限大”平板电极内的同性电荷远离车辆，造成路基上“无限大”平板电极与车底对应的局部电极无电荷，即无浮力！为了限制电荷流动对浮力的影响，我们采用分裂电极方案，最简单的如图3所示，沿车辆前进垂直方向把“无限大”平板电极分裂成互相独立的窄条，各窄条间用二极管连接，二极管的单向导电性质限制电荷流向，如图4所示。这样接法的目的:当列车前进时，车头下方的电荷将受到路基上同性电荷排斥，有向后流的傾向，但遇二极管反向阻拦，只能在小范围内流动，路基上情况类似。但充电电荷却能沿二极管正方向顺利注入。如果上下两电极都带负电荷，所有二极管都反接。有需要时，可进一步把电极分裂成小方块，形成与液晶中各象素的类似布局。这样，电荷就被分隔、限制在有限空间内流动，使总的动态电场趋近静电平衡时的状态。也就是把理论上要求的“无限大”均匀带电平行板，分裂成无数个紧邻的小带电平板，再利用二极管只让电荷单向流动及二极管压降与直流高压相比可以忽略，让注入电荷后各分裂平板电极的电位基本一致，即所有分裂电极的面电荷密度都相等。就微观而言，小分裂平板电极使电荷被均匀分隔、限制在有限空间内流动，就宏观而言，由无数个紧邻的小带电平板组成的大带电平行板具有非常接近“无限大”均匀带电平行板的性能，使总的动态电场趋近静电平衡时的状态。
[0018]具体实施方法
[0019]用真空镀膜和制作半导体集成电路相结合的工艺，直接在平板陶瓷基板上制作出图案形状固定、相互独立但又紧邻的金属分裂平板电极，该图案形状可以是窄条形、方块形或扇面形；各分裂平板电极之间按前后次序用单向导电的二极管连结，即A板电荷只能流向B板，B板电荷只能流向C板，C板电荷只能流向D板(见图4);在留下必要的与另一块陶瓷基集成平板电极的电气接口之后，再在表面蒸镀一层绝缘介质和保护膜；用于车辆底的上集成平板电极与用于路基的下集成平板电极的图案形状基本上相同，只在尺寸上稍作微小调整，避免上下图案完全重合；整条路基都用上述陶瓷基集成平板电极重复拼接铺设而成，最后作板间电气连接和连接处绝缘保护处理；有时还需要图2所示有凹槽的陶瓷平板做基板，利用凹陷处的面电荷密度要小于平面处的优势作注入电荷入口，可保证缝隙处带电的裸露金属不发生向空气放电，如需要还可用硅、陶瓷半导体封堵缝隙，利用半导体与金属接触时会产生一个阻挡层，该阻挡层有单向导电特性，作注入电荷用，反方向阻挡层起介质作用。
[0020]如何在移动中向陶瓷基集成平板电极注入大量电荷？有三种方案:一、移动电极充电法，二、范德格拉夫(Van de Graaff)静电发生器注入法，三、高速带电粒子束注入法。
[0021]移动电极充电法，其原理是把需要注入电荷的电极当作平行板电容的一极，再平行移入另一平板电极使构成电容C，同时直流高压U向该电容C充当，然后断电并移去刚刚移入的平板电极，这样需要注入电荷的电极就保留了所充电荷Q = CU。图4为圆弧型移动电极充电器，其圆弧型移动电极9由旋转轴带动，周期性接近和离开圆弧型固定电极电极10，10与9构成电容，11为充电电源，其一极与9固定连接，另一极与10作滑动连接，自动完成电源的有序充电或断电，他们与二极管一起共同完成向车底的分裂电极5充电,其注入电荷的原理是相同的，区别在于这里是先完成向电极10注入电荷，然后经二极管转移电荷至分裂电极5，再向前转移电荷，直到车底所有电极都充满电荷。图4圆弧型移动电极充电器只不过是原理性的，实际上要把整个装置密封在高压仓内，充入几个大气压的空气或绝缘强度高的氟里昂电负性气体，提高气体的绝缘强度，两电极边缘要做成圆角消除边缘效应，电极要作老练处理并镀银等提高火花电压，也可考虑用表面阳极氧化的铝做电极，理论上Al2O3的介电强度有70000kv/mm。对于路基上分裂电极也用圆弧型移动电极充电器充电，此时把圆弧型移动电极充电器安装在路基旁，隔一定距离安装一个，也用沿二极管正向逐个连接分裂电极6，直至所有电极都充满电荷。
[0022]范德格拉夫静电发生器(请参考有关资料，这里从略)注入法，从范德格拉夫静电发生器的外层球壳引出注入电荷，与移动电极充电法一样，先把电荷转移至分裂电极5,再沿二极管正向转移电荷，直到车底所有电极都充满电荷。为提高电荷密度，也需要把整个装置密封在高压仓内，充入几个大气压的空气或绝缘强度高的氟里昂电负性气体。
[0023]高速带电粒子束注入法，已开发出大功率的电子束、离子束发生器，都有控制输出功率的功能，使用时把带电粒子束对准需要注入电荷的电极就行，很方便。不过高速带电粒子束包含巨大能量会使注入电荷的电极发热甚至损伤，要采取防护措施。
[0024]需要说明，由于采取了有效防护措施，电极上的电荷泄漏是很小的，即前面经过车辆所充电荷绝大部分将保留下来，后车只需稍作补充电，就可补足电荷，继续“悬浮运行”。补充注入电荷的多少，由直流高压高低来调控，一般直流高压一定，补充注入后总电荷也一定。当然也可以车来加电、车走断电。相比之下，超导磁悬浮车的维持继续“悬浮运行”的能耗非常巨大。
[0025]现在讨论旋转飞轮的静电悬浮:见图5，我们把图1a安置在飞轮顶，使形成吸顶式静电悬浮；把图1b安置在飞轮底，使形成托底式静电悬浮；由于旋转飞轮与平移车辆的运动方式的不同带来电场分布的不同:
[0026]①旋转飞轮顶部比较符合“无限大”平行板条件，带等量异性电荷，两平行板间合成电场相加，而平行板外合成电场相减为零，所以防范两平行板之间的放电成为关键，可采取抽真空、电极镀银镀铍、电极老练处理等提高击穿强度措施；对顶部加注等量异性电荷特别简单，只要通过旋转接触环连接直流高压就行。
[0027]②旋转飞轮底部，带等量同性电荷，两平行板间合成电场相减为零，故此处勿需防范放电，电极上也不必覆盖介质材料(边缘需要)。平行板外合成电场相加为E= σ/ ε。必须用绝缘材料包裹电极。需要说明:移动车辆与旋转飞轮底部的电场是不同的，车辆移走后，路基电极上部，因失去等量同性电荷的电场抵消，合成电场不为零而是E= σ /2 ε。必须防范放电。如何向电极充电办法有二:一、通过旋转接触环连接直流高压，二、“高速带电粒子束注入法”对其实施电荷注入。
[0028]下面讨论本发明的优势和可能的应用前景
[0029]1、节能:从以下三方面分析
[0030]①由于车辆或飞轮处于悬浮状态，前行或旋转阻力只有空气阻力，该阻力远低于在地面行驶阻力，而且旋转飞轮还可装在真空环境中运行，阻力更小。
[0031]②当采取有效措施之后，平板电极上所带电荷的泄漏将会很小，只要及时补足就能维持正常悬浮运转，而且为补足泄漏所消耗能量很小，也就是说，为维持正常“静电悬浮运转”的维持能耗，比维持“磁悬浮运转”的能耗要小得多。
[0032]③如果在地铁或城市轨道车中实施本专利，还可采用静电悬浮飞轮储能技术，把到站停车、中途刹车等减速能量转化成增加飞轮转速的动能储存起来，稍后用于重新起动车辆。
[0033]2、基建成本低:
[0034]①静电悬浮是建立在大面积平板电极基础上的，因此我们大量使用产量大工艺成熟的平板陶瓷作基板，并在其上依统一的模本用真空镀膜等工艺批量生产陶瓷基集成平板电极，量大工艺成熟成本自然低；可以用铺地板一样的工艺拼铺路基电极，也是低成本。
[0035]②静电悬浮的浮力大小与电极面积成正比，虽然总浮力大，但单位面积平均值不大，落实到对地基的压强也不大，因此对路基承压处理要求大为降低，比如要求每平米浮力3.6吨(相当于浮起一米见方、半米高的钢铁)，换算成对地基的压强为0.36kgf/cm2 =35.3kpa，有关资料显示陕西黄土的承压能力为200kpa，即使不经处理也能满足承压要求。
[0036]③基建成本中包含供电、控制系统，由于静电悬浮比磁悬浮省电、好控制，也能降不少费用。
[0037]3、运行平稳好维护:从静电悬浮原理可见，在静电悬浮列车载重不变的情况下，只要保持极板上电荷不变(即保持充电用的直流高压不变)就能保持浮力不变，也就是保持列车底与路基的间距不变，而且原理上浮力与间距成反比，象弹簧一样，有自动调节列车底与路基的间距的功效，列车运行自然平稳。列车悬浮在空中运行与地面没有复杂机械联系，控制系统也不复杂，好维护。
[0038]动力驱动系统与应用领域有关:用于静电悬浮铁路列车、地铁、城市轨道车可采用直线电机驱动，既能驱动列车又能控制车厢左右方位。用于静电悬浮飞轮，其驱动力有电机、水轮机、汽轮机。用于真空隧道货运，由于隧道上下左右都是有支撑的实体，我们把四壁都利用起来:底层建立托底式静电悬浮；顶部建立吸顶式静电悬浮；左右侧也建立托底式静电悬浮，这里静电力的作用不是向上托起车辆，而是利用侧向排斥力阻止车辆靠近隧道壁，保证车辆始终处在四壁都悬空状况下运行而不碰壁。再利用抽气造成列车两头压力差推动列车运行。
【权利要求】
1.一种可用于移动车辆和旋转飞轮的静电悬浮装置，由上、下陶瓷基集成平板电极，移动电极充电法，范德格拉夫静电发生器注入法，高速带电粒子束发生器注入法，动力系统，控制系统构成: 其中，上、下陶瓷基集成平板电极:用真空镀膜和制作半导体集成电路相结合的工艺，直接在平板陶瓷基板上制作出图案形状固定、相互独立但又紧邻的金属分裂平板电极，该图案形状可以是窄条形、方块形或扇面形；各分裂平板电极之间按前后次序用单向导电的二极管连结，即A板电荷只能流向B板，B板电荷只能流向C板，C板电荷只能流向D板；在留下必要的与另一块陶瓷基集成平板电极的电气接口之后，再在表面蒸镀一层绝缘介质和保护膜；安装于悬浮车底、悬浮飞轮底的上陶瓷基集成平板电极与安装于悬浮车路基、悬浮飞轮底基的下陶瓷基集成平板电极的图案形状基本上相同，只在尺寸上稍作微小调整，避免上下图案完全重合；整条路基都用上述陶瓷基集成平板电极重复拼接铺设而成，最后作板间电气连接和连接处绝缘保护处理；有时还需要图2所示有凹槽的陶瓷平板做基板，利用凹陷处的面电荷密度要小于平面处的优势作注入电荷入口，可保证缝隙处带电的裸露金属不发生向空气放电，如需要还可用硅、陶瓷半导体封堵缝隙，利用半导体与金属接触时会产生一个阻挡层，该阻挡层有单向导电特性，作注入电荷用，反方向阻挡层起介质作用；把理论上要求的“无限大”均匀带电平行板，分裂成无数个紧邻的小带电平板，再利用二极管只让电荷单向流动及二极管压降与直流高压相比可以忽略，让注入电荷后各分裂平板电极的电位基本一致，即所有分裂电极的面电荷密度都相等；就微观而言，小分裂平板电极使电荷被均匀分隔、限制在有限空间内流动，就宏观而言，由无数个紧邻的小带电平板组成的大带电平行板具有非常接近“无限大”均匀带电平行板的性能，使总的动态电场趋近静电平衡时的状态； 其中，移动电极充电法:其原理是把需要注入电荷的电极当作平行板电容的一极，再平行移入另一平板电极使构成电容C，同时直流高压U向该电容C充当，然后断电并移去刚刚移入的平板电极，这样需要注入电荷的电极就保留了所充电荷Q = CU ;图4为圆弧型移动电极充电器，其圆弧型移动电极9由旋转轴带动，周期性接近和离开圆弧型固定电极电极10，11为充电电源，其一极与9固定连接，另一极与10作滑动连接，自动完成电源的有序充电或断电，他们与二极管一起共同完成向车底的分裂电极5充电；要把整个装置密封在高压仓内，充入几个大气压的空气或绝缘强度高的氟里昂电负性气体，提高气体的绝缘强度，两电极边缘要做成圆角消除边缘效应，电极要作老练处理并镀银提高火花电压，也可考虑用表面阳极氧化的铝做电极，理论上Al2O3的介电强度有70000kv/mm ； 其中，范德格拉夫静电发生器注入法:从范德格拉夫静电发生器的外层球壳引出注入电荷，与移动电极充电法一样，先把电荷转移至分裂电极5,再沿二极管正向转移电荷,直到车底所有电极都充满电荷；为提高电荷密度，也需要把整个装置密封在高压仓内，充入几个大气压的空气或绝缘强度高的氟里昂I电负性气体； 其中，高速带电粒子束发生器注入法:市面上已开发出大功率的电子束、离子束发生器，都有控制输出功率的功能，使用时把带电粒子束对准需要注入电荷的电极就行，很方便；不过高速带电粒子束包含巨大能量会使注入电荷的电极发热甚至损伤，要采取防护措施； 其中，动力系统:对于用作悬浮铁路列车、地铁、城市轨道车，可采用直线电机驱动，既能驱动列车又能控制车厢左右方位；对于用作真空隧道货运，由于隧道上下左右都是有支撑的实体，我们把四壁都利用起来，底层建立托底式静电悬浮，顶部建立吸顶式静电悬浮，左右侧也建立托底式静电悬浮，这里静电力的作用不是向上托起车辆，而是利用侧向排斥力阻止车辆靠近隧道壁，保证车辆始终处在四壁都悬空状况下运行而不碰壁，再利用抽气造成列车两头压力差推动列车运行；对于用作悬浮旋转飞轮，顶部采用吸顶式静电悬浮，为防范两平行板之间的放电成为关键，可采取抽真空、电极镀银镀铍、电极老练处理μ提高击穿强度措施，飞轮底部采用托底式静电悬浮，驱动飞轮旋转动力有电机、水轮机、汽轮机；其中，控制系统:根据所要求的浮力确定需要向电极注入的电荷量，要求的电荷量越大，陶瓷基集成平板电极的防电荷泄漏绝缘等级越高，而注入电荷的多少是由充电器的直流高压来确定的，调控直流高压就能调控注入电荷的多少，即调控浮力大小。
【文档编号】B60L13/04GK104149646SQ201310177539
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年5月15日 优先权日:2013年5月15日
【发明者】杨金玉 申请人:杨金玉