[发明专利]可用于移动车辆和旋转飞轮的静电悬浮装置

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。

主权项

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。