СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2009 года по МПК H02J17/00 

Устройство относится к области электротехники, в частности к способу и устройству для передачи электроэнергии.

Известен способ передачи электроэнергии, включающий генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии таким образом, что высокочастотные электромагнитные колебания, генерированные в высокочастотном резонансном трансформаторе, усиливают по напряжению до 0,5-100 миллионов вольт в четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального волновода и естественной емкости на конце линии путем подачи на вход четвертьволновой линии электромагнитных колебаний от высокочастотного резонансного трансформатора с частотой f₀=1-1000 кГц, синхронизированной с периодом времени Т₀ движения волны напряжения от входа спирального волновода до естественной емкости и возврата отраженной волны по входу в спиральный волновод T_k=2Н/u=1/2f₀, где Н - длина четвертьволновой линии, u - скорость движения электромагнитной волны вдоль оси волновода, накапливают электрическую энергию в естественной емкости, а проводящий канал формируют путем эмиссии стримеров и создания потока электромагнитного излучения с конца игольчатого формирователя проводящего канала на резонансной частоте f₀=1-1000 кГц при напряжении 0,5-100 миллионов вольт путем соединения естественной емкости четвертьволновой линии с игольчатым проводящим формирователем канала.

Известное устройство для передачи электрической энергии содержит источник электрической энергии, преобразователь частоты, передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и приемника энергии, и проводящий канал между ними. Передающий трансформатор с частотой f₀=1-1000 кГц соединен с четвертьволновой резонансной линией, выполненной из спирального волновода с длиной Н=u/4f₀, где u - скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси волновода, естественной емкости на конце линии с напряжением 0,5-100 MB, емкость соединена с игольчатым проводящим формирователем проводящего канала, который ориентирован на приемник нагрузки потребителя (Патент РФ №2310964. Способ и устройство для передачи электрической энергии. / Стребков Д.С. // БИ. 2007. №32).

Недостатком известного способа и устройства является необходимость использования преобразователя частоты, передающего и приемного резонансного высокочастотного трансформатора.

Другим недостатком известного способа и устройства являются большие энергетические затраты на генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение генерирующего контура, повышение эффективности и снижение энергетических затрат на генерирование электромагнитных волн, а также повышение передаваемой мощности электроэнергии.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в способе передачи электроэнергии, включающем генерирование высоковольтных высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу электрической энергии по однопроводным линиям или однолинейным проводящим каналам в режиме резонанса напряжений или резонанса токов, высокочастотные электромагнитные колебания создают путем воздействия магнитного поля постоянных магнитов на уединенную емкость в виде изолированного проводящего тела путем вращения этой емкости в магнитном поле постоянных магнитов в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции, и присоединяют уединенную емкость к токосъемному электроду, усиливают по напряжению и току высокочастотные электромагнитные колебания в спиральном волноводе путем подачи на вход спирального волновода электромагнитных колебаний от токосъемного электрода через воздушный зазор к приемному электроду внешней ветви спирального волновода и воздействию на спиральный волновод магнитным полем постоянных магнитов, присоединяют внутреннею ветвь спирального волновода к передающему электроду и передают электроэнергию от электрода через воздушный промежуток к сферическому приемному электроду коммутатора и от коммутатора через однопроводную линию к приемнику потребителя электроэнергии.

Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом устройстве для передачи электрической энергии, содержащем источник электрической энергии, выполненный в виде механизма вращения вала, на котором закреплено изолирующее приспособление крепления уединенной емкости, уединенная емкость расположена в полюсном пространстве источника магнитного поля постоянных магнитов, в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции, к центру вращения уединенной емкости присоединен токосъемный передающий электрод, направленный через воздушный зазор на приемный электрод внешней ветви спирального волновода, спиральный волновод установлен в межполюсном пространстве источников магнитного поля постоянных магнитов, к внутренней ветви спирального волновода присоединен передающий электрод, направленный к сферическому приемному электроду коммутатора, соединенного через однопроводную линию с приемником нагрузки потребителя электроэнергии.

В одном из вариантов устройства для передачи электрической энергии уединенная емкость выполнена в виде диска размером 0,1-5 м.

В другом варианте устройства уединенная емкость выполнена в виде тороида размером 0,1-5 м.

Еще в одном варианте устройства уединенная емкость выполнена в виде сферы размером 0,1-5 м.

Еще в одном из вариантов устройства уединенная емкость выполнена в виде цилиндра размером 0,1-5 м.

В одном из вариантов устройства передающий электрод спирального волновода выполнен в виде трубки диаметром 0,005 м и длиной 0,01 м.

Еще в одном из вариантов устройства передающий электрод уединенной емкости выполнен в виде трубки диаметром 0,005 м и длиной 0,01 м.

В другом варианте устройства к передающему электроду спирального волновода в виде трубки через изолятор присоединен активный элемент, например магнетрон или маломощный полупроводниковый лазер.

В варианте устройства к передающему электроду уединенной емкости в виде трубки, через изолятор присоединен активный элемент, например магнетрон или маломощный полупроводниковый лазер.

Сущность предлагаемого способа и устройства для передачи электрической энергии поясняется на фиг.1, фиг.2, где на фиг.1 представлена общая схема способа и устройства для передачи электрической энергии с использованием изолированной уединенной емкости из проводящего материала в виде источника электроэнергии и спирального волновода для усиления потенциала и формирования проводящего канала, а также источников магнитного поля постоянных магнитов для возбуждения высокочастотных электромагнитных колебаний на поверхности уединенной емкости и усиления потенциала в спиральном волноводе, на фиг.2 представлена общая схема устройства для передачи электрической энергии с использованием активного элемента, прикрепленного к передающему электроду в виде трубки.

На фиг.1 механическая энергия вращения, создаваемая источником вращения 1, передается на вал отбора мощности 2 с закрепленным на валу изолирующем приспособлением 3 крепления уединенной емкости 4. Поверхность уединенной емкости расположена в полюсном пространстве источника магнитного поля постоянного магнита 5. В точке центра вращения уединенной емкости прикреплен токосъемный передающий электрод 7, который проходит через полость 6 источника магнитного поля. Токосъемный передающий электрод направлен через воздушный зазор 8 в сторону приемного электрода 9 внешней ветви 11 спирального волновода 12. Спиральный волновод установлен в межполюсном пространстве источников магнитного поля постоянных магнитов 10, 14.

К центральной ветви спирального волновода присоединен передающий электрод 15, который проходит через полость 13 источника магнитного поля 14 и ориентирован через воздушный промежуток 16 в направлении сферического приемного электрода 17 коммутатора 18, который присоединен через однопроводную линию 19 к приемнику нагрузки 20 потребителя электроэнергии.

На фиг.2 представлен передающий трубчатый электрод из проводящего материала 26. Трубчатый электрод присоединен через электрический изолятор 24 к окошку 23 активного элемента 21, который заключен в экранирующий корпус 22. К началу трубки прикреплена контактная втулка 25, которая присоединяется в точке 27 к центральной ветви спирального волновода через шину 28.

Способ передачи электроэнергии реализуется следующим образом. При воздействии магнитного поля на уединенную емкость 4 на уединенной емкости генерируются высокочастотные электромагнитные колебания с амплитудами напряжений и токов прямо пропорциональных секториальной скорости V_s геометрических точек поверхности вращения уединенной емкости (V_s=uR, где u - орбитальная скорость точки, R - радиус вращения точки), что создает концентрический градиент напряжения, емкостных реактивных токов и токов смещения в пространстве, окружающем поверхность уединенной емкости, которая возрастает от центра вращения к краю поверхности уединенной емкости. Изменяя расстояние воздушного зазора между токосъемным электродом 7 и приемным электродом 9 внешней ветви спирального волновода 11, подбираем частоту резонанса напряжений в спиральном волноводе 11. Передача электроэнергии от электрода 15 к сферическому приемному электроду 17 коммутатора 18 осуществляют с помощью емкостных реактивных токов и токов смещения в пространстве, окружающем электрод, по проводящему каналу 16, образуемому стримерами в режиме резонанса напряжений, при согласовании частот коммутатора 18 с резонансными частотами передатчика 1-13 и приемника 19 нагрузки потребителя электроэнергии.

Пример выполнения способа и устройства передачи электроэнергии.

Источник вращения 1 на фиг.1 имеет номинальную мощность 1 кВА, количество оборотов 50 с^-1. Уединенная емкость, выполненная из медной пластины толщиной 0,005 м в виде диска диаметром 0,5 м, крепится с помощью изолирующего приспособления 3 крепления к валу отбора мощности 2. При вращении уединенной емкости в полюсном пространстве источника магнитного поля 5 с площадью поверхности полюса S_п=0,6 м² и индукцией магнитного поля В=3·10^-4 Тл на токосъемном передающем электроде 6 генерируются высокочастотные электромагнитные колебания с номинальной частотой f_н=100 МГц. Энергия передается от токосъемного передающего электрода 7 через воздушный зазор 8 на приемный электрод 9 внешней ветви 10 спирального волновода в виде искрового разряда электрического тока силой до 1 А. Спиральный волновод 12 выполнен из медной ленты длиной 1000 м, толщиной 0,001 м и шириной 0,05 м, с изоляцией между витков 0,001 м. Изменяя зазор между токосъемным электродом 7 и приемным электродом 9, получают частоту резонанса уединенной емкости и спирального волновода при непрерывном искровом разряде в воздушном зазоре 8 между передающим электродом 7 и приемным электродом 9. Особенностью спирального волновода, расположенного в меж полюсном пространстве постоянных магнитов, является его способность работать в режиме резонанса напряжений или резонанса токов, накачивая электромагнитную энергию с последующим освобождением запасенной энергии. По существу резонансная система 4-15 представляет аналог лазера, работающего в диапазоне частот 10 КГц-100 МГц при максимально возможной мощности. Накачка электромагнитной энергии в спиральном волноводе происходит следующим образом. При подаче электроэнергии от токосъемного передающего электрода 7 на приемный электрод 9 внешней ветви 11 спирального волновода с частотой электромагнитных колебаний от 10 кГц до 100 МГц спиральный волновод 12 становится спиральным резонатором в режиме резонанса напряжений. Изменяя зазор между токосъемным электродом 7 и приемным электродом 9, получают непрерывный искровой разряд в зазоре и режим резонанса токов в спиральном резонаторе за счет электрической и магнитной энергии резонансной системы, образуемой уединенной емкостью и спиральным волноводом.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к передаче электроэнергии. Технический результат состоит в упрощении генерирующего контура, повышении эффективности и снижении энергетических затрат на генерирование электромагнитных волн, а также в повышении передаваемой мощности электроэнергии за счет выполнения источника электрической энергии в виде механизма вращения вала и закрепления спирального волновода в межполюсном пространстве источников магнитного поля. Высокочастотные электромагнитные колебания создают путем воздействия магнитного поля постоянных магнитов на уединенную емкость в виде изолированного проводящего тела путем вращения этой емкости в магнитном поле постоянных магнитов и присоединяют уединенную емкость к токосъемному электроду. Усиливают по напряжению и току высокочастотные электромагнитные колебания в спиральном волноводе путем подачи на вход спирального волновода электромагнитных колебаний от токосъемного электрода через воздушный зазор к приемному электроду внешней ветви спирального волновода и воздействию на спиральный волновод магнитным полем постоянных магнитов. Присоединяют внутреннюю ветвь спирального волновода к передающему электроду и передают электроэнергию от электрода через воздушный промежуток к сферическому приемному электроду коммутатора и от коммутатора через однопроводную линию к приемнику потребителя электроэнергии. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ передачи электроэнергии, включающий высокочастотные электромагнитные колебания, генерированные в высокочастотном резонансном трансформаторе, усиленные по напряжению до 0,5-100 миллионов вольт в четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального волновода и проводящего канала, сформированного путем эмиссии стримеров и создания потока электромагнитного излучения с конца игольчатого формирователя проводящего канала на резонансной частоте, отличающийся тем, что высокочастотные электромагнитные колебания создают путем воздействия магнитного поля постоянных магнитов на уединенную емкость в виде изолированного проводящего тела, путем вращения этой емкости в магнитном поле постоянных магнитов и присоединяют уединенную емкость к токосъемному передающему электроду в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции, усиливают по напряжению и току высокочастотные электромагнитные колебания в спиральном волноводе путем подачи на вход спирального волновода электромагнитных колебаний от токосъемного передающего электрода через воздушный промежуток к приемному электроду внешней ветви спирального волновода и воздействию на спиральный волновод магнитным полем постоянных магнитов, присоединяют внутреннюю ветвь спирального волновода к передающему электроду и передают электроэнергию от передающего электрода через воздушный промежуток к сферическому приемному электроду коммутатора и от коммутатора передают через однопроводную линию к приемнику нагрузки потребителя электроэнергии.

2. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее источник электрической энергии и передающий трансформатор с частотой fo=1-1000 кГц, соединенный с четвертьволновой резонансной линией, выполненной из спирального волновода и естественной емкости на конце линии с напряжением 0,5-100 MB, емкость соединена с игольчатым проводящим формирователем проводящего канала, который ориентирован на приемник нагрузки потребителя, отличающееся тем, что источник электрической энергии выполнен в виде механизма вращения вала, на котором закреплено изолирующее приспособление крепления уединенной емкости, соединенной через воздушный зазор с источником магнитного поля постоянных магнитов, в плоскости перпендикулярной вектору магнитной индукции, к центру вращения уединенной емкости присоединен токосъемный передающий электрод, направленный через воздушный зазор на приемный электрод внешней ветви спирального волновода, спиральный волновод закреплен в межполюсном пространстве источников магнитного поля постоянных магнитов, к внутренней ветви спирального волновода присоединен передающий электрод, направленный через воздушный промежуток к сферическому приемному электроду коммутатора, соединенного через однопроводную линию с приемником нагрузки потребителя электроэнергии.

3. Устройство для передачи электрической энергии по п.2, отличающееся тем, что уединенная емкость выполнена в виде диска размером 0,1-5 м.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что уединенная емкость выполнена в виде тороида размером 0,1-5 м.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что уединенная емкость выполнена в виде сферы размером 0,1-5 м.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что уединенная емкость выполнена в виде цилиндра размером 0,1-5 м.

7. Устройство для передачи электрической энергии по п.2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что передающий электрод спирального волновода выполнен в виде трубки диаметром 0,005 м и длиной 0,01 м.

8. Устройство по п.2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что передающий электрод уединенной емкости выполнен в виде трубки диаметром 0,005 м и длиной 0,01 м.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что к передающему электроду спирального волновода в виде трубки через изолятор присоединен активный элемент, например магнетрон или маломощный полупроводниковый лазер.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что к передающему электроду уединенной емкости в виде трубки через изолятор присоединен активный элемент, например магнетрон или маломощный полупроводниковый лазер.