ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С УМНОЖЕНИЕМ ЗАРЯДОВ Российский патент 2003 года по МПК H02N1/08 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к электростатическим индукционным генераторам с умножением зарядов, и может найти применение в технике высоких напряжений.

Известен электростатический емкостный генератор постоянного тока (авт. свид. СССР 1656647, опубл. 15.06.91), содержащий ротор и статор из секторных пластин, образующих конденсатор переменной емкости, а также источник постоянного тока. Генератор соединен с нагрузкой и с источником постоянного тока через диоды, использование которых приводит к уменьшению мощности, потребляемой от источника постоянного тока.

Недостатком данного устройства являются потери мощности, связанные с источником постоянного тока, наличие которого необходимо для обеспечения процесса получения электроэнергии. Кроме того, наличие источника постоянного тока накладывает ограничение на величину напряжения на нагрузке.

Известен электростатический генератор Вимшерста (А.А.Эйхенвальд. Электричество, издание седьмое. М.-Л.: ГТТИ, 1932, с.92-95). Он состоит из двух эбонитовых дисков (роторов), свободно насаженных на горизонтальную ось, механического привода, осуществляющего в противоположных направлениях вращение двух роторов, на которых равномерно расположены проводящие сегменты, двух пар контактных щеток, коммутирующих диаметрально противоположные сегменты каждого из роторов, собирающих электродов, установленных в местах максимальной плотности зарядов. Принцип действия генератора заключается в разделении зарядов за счет явления электростатической индукции.

Известно, что размещение изолированного проводящего тела в области электростатического поля, источником которого может быть другое заряженное тело, приводит к разделению зарядов на поверхности проводящего тела. Причем на поверхности проводящего тела, обращенного к источнику электростатического поля, индуцируется заряд противоположного источнику знака, а на удаленной поверхности - заряд того же знака, что и заряд источника поля. При обеспечении условий отвода наведенного заряда проводящее тело приобретает избыточный заряд, знак которого является противоположным по отношению к источнику электростатического поля. Такими условиями могут быть, в частности, коммутация проводящего тела в присутствии источника поля с другим проводящим телом, емкостью, заземлением и др. При этом проводящее тело приобретает избыточный заряд в момент разрыва контакта с коммутируемым телом.

Данный механизм разделения зарядов использован в электростатическом генераторе Вимшерста. При вращении роторов происходит периодическая коммутация парой контактных щеток диаметрально противоположных сегментов каждого из роторов. Источником электростатического поля служат сегменты противоположного ротора, расположенные в окрестности контактных щеток. Замыкание контактными щетками диаметрально противоположных сегментов обеспечивает процесс разделения зарядов. При размыкании контактных щеток сегменты приобретают заряды, равные по величине и обратные по знаку. Последовательная коммутация контактными щетками диаметрально противоположных сегментов, осуществляемая при вращении роторов в противоположные стороны, приводит к тому, что одна половина сегментов каждого из роторов приобретает заряд положительного знака, а другая - отрицательного. Процесс умножения зарядов обеспечивается совместным влиянием расположенных на двух половинах ротора разноименно заряженных сегментов на коммутируемые контактными щетками сегменты противоположного ротора. Величина напряжения генератора ограничивается токами утечки, определяемыми состоянием поверхности ротора, материалом и др.

Недостатком устройства являются потери мощности механического привода на преодоление силы трения, возникающей вследствие наличия контактных щеток, величина которой может существенно превышать электрическую мощность, вырабатываемую генератором.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения потерь энергии на трение, что, в свою очередь, приводит к уменьшению потребляемой мощности механического привода.

Для достижения указанного технического результата в электростатический индукционный генератор с умножением зарядов, состоящий из двух роторов, вращение которых осуществляется в противоположные стороны относительно общей оси, вместо контактных щеток для разделения и умножения зарядов используют электрические вентили. На роторах равномерно расположены проводящие сегменты, причем количество сегментов противоположных роторов отличается, по меньшей мере, на один сегмент. Проводящие сегменты каждого ротора однообразно скоммутированы в соответствующих общих точках через электрические вентили, полярность подключения которых противоположна для каждого из роторов, общие точки подключают к общей шине. Относительная частота вращения противоположных роторов обеспечивает превышение скорости приращения заряда на сегментах ротора над токами утечки электрических вентилей. Для накопления электрической энергии между общими точками коммутации электрических вентилей и общей шиной могут подключаться конденсаторы, параллельно которым подключается электрическая нагрузка.

Как вариант, в аналогичном генераторе, если соотношение числа проводящих сегментов противоположных роторов является целым, не равным единице, числом, то это позволяет уменьшить количество электрических вентилей ротора с меньшим числом сегментов. В этом случае проводящие сегменты ротора с меньшим количеством сегментов коммутируются в общей точке и подключаются к общей шине через электрический вентиль, полярность подключения которого является противоположной по отношению к электрическим вентилям ротора с большим числом сегментов. Проводящие сегменты ротора с большим числом сегментов через электрические вентили подключаются к общей шине. Для накопления электрической энергии между точками коммутации электрических вентилей ротора с большим числом сегментов и общей шиной, а также между выводом электрического вентиля ротора с меньшим числом сегментов и общей шиной, могут подключаться конденсаторы, параллельно которым подключается электрическая нагрузка.

Увеличение мощности возможно за счет параллельного соединения генераторов. Электростатические генераторы с идентичной конструктивной и электрической схемой подключаются параллельно в точках выводов накопительных конденсаторов одинаковой полярности и в точках коммутации с общей шиной, а подключение электрической нагрузки осуществляют между потенциальными выводами накопительных конденсаторов либо между одним из потенциальных выводов конденсаторов и общей шиной.

Если электростатические генераторы (или параллельные сборки идентичных электростатических генераторов) отличаются полярностью подключения электрических вентилей, то для увеличения мощности разнополярные генераторы (либо сборки) коммутируют в точке подключения общей шины. Подключение электрической нагрузки осуществляют между потенциальными выводами каждой пары накопительных конденсаторов либо между одним из потенциальных выводов какого-либо из накопительных конденсаторов и общей шиной. Коммутация выводов одинаковой полярности накопительных конденсаторов позволяет увеличить ток нагрузки. В этом случае подключение электрической нагрузки осуществляется между потенциальными выводами накопительных конденсаторов и общей шиной либо между одним из потенциальных выводов и общей шиной.

Отличительными признаками предлагаемого генератора от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является наличие электрических вентилей, обеспечивающих процесс разделения и умножения зарядов.

Благодаря наличию этих признаков при работе генератора отсутствует трение, вызываемое контактными щетками, в результате чего снижаются затраты потребляемой мощности механического привода.

Предлагаемый электростатический индукционный генератор с умножением зарядов иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.

На фиг. 1 изображена электрическая схема простейшего варианта электростатического генератора.

На фиг. 2 - электрическая схема электростатического генератора с целым, не равным единице, соотношением количества сегментов противоположных роторов.

На фиг.3 - то же, с произвольным соотношением количества сегментов противоположных роторов.

На фиг.4 - электрическая схема подключения антисимметричных генераторов.

В простейшем варианте электростатический генератор (фиг.1) состоит из двух роторов, взаимное вращение которых осуществляется относительно общей оси. Вращение роторов осуществляется в противоположные стороны. Как частный случай, один из роторов может быть неподвижным. Один из роторов состоит из двух диаметрально расположенных сегментов 2, скоммутированных в одной точке через электрические вентили 3, причем полярность электрических вентилей 3 является одинаковой в местах коммутации с сегментами и в точке общей коммутации 1. Точка общей коммутации 1 соединяется с общей шиной 5 напрямую либо через накопительный конденсатор 4, емкость которого определяется мощностью нагрузки. Второй ротор состоит из сегмента 6, коммутируемого через электрический вентиль 7 с общей шиной 5 напрямую либо через накопительный конденсатор 8. Полярность подключения вентиля 7 к сегменту 6 является обратной по отношению к полярности подключения вентилей 3 к сегментам 2 противоположного ротора. Подключение нагрузки (не показано) может осуществляться к накопительным конденсаторам 4 и/или 8.

Устройство работает следующим образом. Наличие на каком-либо из сегментов избыточного заряда вызывает индуцирование заряда противоположного знака на остальных сегментах. Величина индуцированного заряда определяется внешней емкостью сегмента и потенциалом электростатического поля в данной пространственной области, создаваемым источником этого потенциала - избыточным зарядом. В случае, когда полярность подключения электрического вентиля к сегменту обеспечивает отвод от сегмента заряда того же знака, что у источника потенциала, вызвавшего индукцию, поверхность сегмента приобретает избыточный заряд противоположного источнику знака. При отсутствии у электрического вентиля токов утечки уменьшение потенциала внешнего источника, например, вследствие увеличения расстояния между источником и сегментом не приводит к изменению величины индуцированного заряда на поверхности сегмента. Увеличение потенциала внешнего источника, например, вследствие уменьшения расстояния между источником и сегментом, приводит к возрастанию величины индуцированного заряда на поверхности сегмента.

При взаимном вращении роторов происходит относительное периодическое относительное перемещение сегментов 2 и 6. Если на поверхности сегмента 6 образуется избыточный отрицательный заряд, то поверхность сегментов 2 противоположного ротора вследствие электростатической индукции приобретает избыточный положительный заряд при отводе отрицательного заряда с поверхности сегментов 2 электрическими вентилями 3. Положительные выводы электрических вентилей 3 соединены с сегментами 2, а отрицательные выводы подключены в общей точке 1, коммутируемой с общей шиной 5 напрямую либо через накопительный конденсатор 5. Величина заряда на поверхности сегментов 2 зависит от распределения потенциала электрического поля, которое определяется в данном случае величиной заряда на поверхности сегмента 6. Уменьшение расстояния между одним из сегментов 2 и сегментом 6 эквивалентно перемещению сегмента 2 в область более высокого потенциала и приводит к увеличению заряда на поверхности сегмента 2, который достигает максимальной величины при минимальном расстоянии между сегментами 2 и 6. Аналогичный процесс увеличения заряда происходит на поверхности диаметрально противоположного сегмента 2 при его сближении с сегментом 6 в процессе вращения роторов. До того момента, пока модуль потенциала электрического поля, определяемый совместным влиянием сегментов 2, в области размещения сегмента 6 не превышает его собственного потенциала, величина избыточного заряда на сегменте 6 не изменяется. Превышение модуля потенциала электрического поля, определяемого совместным влиянием сегментов 2, потенциала, определяемого сегментом 6 в области его размещения, приводит к увеличению избыточного отрицательного заряда на поверхности сегмента 6 и отводу соответствующей величины положительного заряда через электрический вентиль 7. Увеличение заряда сегмента 6 приводит к увеличению соответствующего ему потенциала в окружающей пространственной области. Это вызывает увеличение индуцированного заряда на поверхностях сегментов 2 противоположного ротора, вращение которого приводит к очередному увеличению заряда на поверхности сегмента 6 и т.д.

Очевидно, что для обеспечения умножения заряда количество сегментов одного из роторов должно быть больше, по крайней мере, на один сегмент, чем количество сегментов другого ротора. При этом, если ротор с меньшим количеством сегментов оказывает локальное воздействие на сегменты противоположного ротора, то влияние последних на ротор с меньшим количеством сегментов оказывается интегральным. Минимальное количество "локальных" сегментов - 1, "интегральных" - 2. Форма роторов, на которых размещаются сегменты, при этом может быть любой: дисковой, цилиндрической, сферической и т.д.

Наличие токов утечки электрических вентилей 3 и 7 определяет минимальную относительную частоту вращения роторов, выбираемую из условия превышения скорости приращения зарядов на сегментах ротора над токами утечки электрических вентилей. Для уменьшения относительной частоты вращения роторов является целесообразным увеличение количества сегментов роторов и их поверхностной емкости (например, за счет увеличения геометрических размеров сегментов).

Вариант электростатического генератора с целым, не равным единице, соотношением количества сегментов противоположных роторов изображен на фиг.2. Электростатический генератор состоит из двух роторов, на которых расположены проводящие сегменты 9 и 14. Сегменты 9 скоммутированы через электрические вентили 10 в общей точке 15. Полярность подключения вентилей 10 одинакова для всех сегментов 9. Общая точка 15 коммутируется с общей шиной 17 напрямую либо через накопительный конденсатор 11. Сегменты 14 противоположного ротора коммутируются через проводник в общей точке 16, которая соединяется через электрический вентиль 12 к общей шине 17 напрямую либо через накопительный конденсатор 13. Полярность подключения электрического вентиля 12 является обратной по отношению к полярности подключения электрических вентилей 10 противоположного ротора. Коммутация сегментов 14 в общей точке 16 через проводник (без использования электрических вентилей) является возможной в случае, когда изменение потенциала, вызванного относительным вращением сегментов 9 противоположного ротора, происходит синхронно на всех сегментах 14. Это имеет место, когда количество сегментов, скоммутированных в общей точке через электрические вентили в целое число, кроме единицы, превышает количество сегментов, скоммутированных в общей точке посредством проводника. На фиг. 2, например, количество сегментов 9 превышает в 2 раза количество сегментов 14 противоположного ротора.

В случае, когда отношение числа сегментов противоположных роторов является произвольным числом кроме единицы, коммутация сегментов обоих роторов в общей точке осуществляется через электрические вентили. Вариант электростатического генератора с произвольным отношением числа сегментов противоположных роторов представлен на фиг.3. На одном роторе расположены 3 сегмента 18, скоммутированные в общей точке 25 через электрические вентили 19. На другом роторе расположены 2 сегмента 22, скоммутированные в общей точке 24 через электрические вентили 23. Общие точки 25 и 24 роторов подключены к общей шине 21 через накопительные конденсаторы 20 и 26 соответственно.

Увеличение выходной мощности электростатического генератора возможно за счет увеличения количества сегментов, их поверхностной емкости (геометрических размеров), параллельного и антипараллельного подключения генераторов.

При параллельном подключении могут быть использованы симметричные генераторы (т.е. генераторы с идентичной конструкцией и электрической схемой) с близкими параметрами, поскольку различие параметров (например, емкости сегментов) приводит к потерям выходной мощности за счет замыкания ее части в параллельном контуре, образованного генераторами. Генераторы могут устанавливаться на одной оси, относительно которой происходит синхронное вращение роторов в противоположных направлениях, причем направление вращения идентичных роторов одинаково. Установка генераторов на разных осях позволяет устранить различие электрических параметров генераторов, что может быть достигнуто за счет независимой подстройки частот относительного вращения противоположных роторов каждого из генераторов. Электрическое подключение генераторов осуществляется в общих точках соответствующих роторов.

При антипараллельном подключении используются антисимметричные генераторы, т.е. генераторы (либо параллельные сборки генераторов) с идентичной конструкцией, но с антисимметричным подключением электрических вентилей на соответствующих роторах (фиг.4). В качестве примера на фиг.4 приведена электрическая схема антипараллельного подключения двух антисимметричных генераторов с целым, не равным единице, числом соотношения количества сегментов на противоположных роторах (фиг.2). Сегменты 29 и 33 конструктивно одинаковых роторов коммутируются в общих точках 27 и 28 через электрические вентили 30 и 34 соответственно. Схемное различие роторов заключается в полярности подключения вентилей 30 и 34, которая обеспечивает избыточный положительный заряд на сегментах 29 и избыточный отрицательный заряд на сегментах 33. Общие точки 27 и 28 подключаются к общей шине 32 через накопительные конденсаторы 31 и 35 соответственно. Сегменты 36 и 39 противоположных роторов подключаются к общей шине 32 через электрические вентили 37 и 40 и накопительные конденсаторы 38 и 41, соответственно.

Генераторы могут быть смонтированы как на общей оси, так и на независимых осях. При независимом отборе мощности на нагрузку, осуществляемом от накопительных конденсаторов 31, 35, 38, 41, электрические параметры генераторов могут быть различными. При этом нагрузка может подключаться между общими точками коммутации электрических вентилей 27 и 28; между одной из точек коммутации электрических вентилей (27 или 27) и общей шиной 32; между точками 42 и 43 подключения накопительных конденсаторов 38 и 41; между одной из точек (42 или 43) подключения накопительных конденсаторов (38 или 41) и общей шиной 32.

Максимальная мощность на нагрузке при антипараллельном подключении генераторов может быть получена при коммутации выводов одинаковой полярности 28, 38 и 27, 32 накопительных конденсаторов 35, 38 и 31, 41 соответственно. Подключение нагрузки при этом производится к соответствующим точкам коммутации выводов 28, 38 и 27, 32. Максимальное значение мощности на нагрузке достигается при одинаковых электрических параметрах генераторов, что может быть достигнуто за счет независимой подстройки относительных частот вращения противоположных роторов.

Использование для разделения и умножения зарядов электрических вентилей позволяет полностью исключить потери мощности на трение, которые имеют место при использовании контактных щеток.

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к электростатическим индукционным генераторам с умножением зарядов. Техническим результатом является снижение потерь энергии на трение и уменьшение потребляемой мощности. Электростатический индукционный генератор с умножением зарядов состоит из двух роторов, вращение которых осуществляется в противоположные стороны относительно общей оси, в котором для разделения и умножения зарядов используют электрические вентили. На роторах равномерно расположены проводящие сегменты, причем количество сегментов противоположных роторов отличается, по меньшей мере, на один сегмент. Проводящие сегменты каждого ротора однообразно скоммутированы в соответствующих общих точках через электрические вентили, полярность подключения которых противоположна для каждого из роторов, общие точки подключают к общей шине. Относительная частота вращения противоположных роторов обеспечивает превышение скорости приращения заряда на сегментах ротора над токами утечки электрических вентилей. Для накопления электрической энергии между общими точками коммутации электрических вентилей и общей шиной могут подключаться конденсаторы, параллельно которым подключается электрическая нагрузка. Как вариант, в генераторе соотношение числа проводящих сегментов противоположных роторов является целым, не равным единице, числом. Использование для разделения и умножения зарядов электрических вентилей позволяет полностью исключить потери мощшности на трение. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электростатический индукционный генератор с умножением зарядов, состоящий из двух роторов, вращающихся в противоположных направлениях вокруг совместной оси, проводящих сегментов, равномерно размещенных на поверхности роторов, отличающийся тем, что количество сегментов противоположных роторов отличается, по меньшей мере, на один сегмент, сегменты каждого ротора однообразно скоммутированы в соответствующих общих точках через электрические вентили, полярность подключения электрических вентилей противоположна для каждого из роторов, общие точки подключаются к общей шине, а относительная частота вращения противоположных роторов обеспечивает превышение скорости приращения заряда на сегментах ротора над токами утечки электрических вентилей. 2. Электростатический индукционный генератор по п.1, отличающийся тем, что между общими точками коммутации электрических вентилей и общей шиной подключены накопительные конденсаторы, к которым подключается электрическая нагрузка. 3. Электростатический индукционный генератор с умножением зарядов, состоящий из двух роторов, вращающихся в противоположных направлениях вокруг совместной оси, проводящих сегментов, равномерно размещенных на поверхности роторов, отличающийся тем, что соотношение числа сегментов противоположных роторов является целым, не равным единице, числом, сегменты ротора с большим количеством сегментов однообразно скоммутированы в общей точке через электрические вентили, сегменты ротора с меньшим количеством сегментов скоммутированы через электрический проводник в своей общей точке, которая через электрический вентиль подключается к общей шине, полярность подключения вентиля является обратной по отношению к полярности подключения вентилей ротора с большим количеством сегментов, а относительная частота вращения противоположных роторов обеспечивает превышение скорости приращения заряда на сегментах ротора над токами утечки электрических вентилей. 4. Электростатический индукционный генератор по п.3, отличающийся тем, что между общей точкой коммутации электрических вентилей ротора с большим количеством сегментов и общей шиной, а также между электрическим вентилем, подключенным к сегментам противоположного ротора, подключены накопительные конденсаторы, к которым подключается электрическая нагрузка.