СПОСОБ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ЭЛЕКТРОПОЛЕВОЙ ДВИЖИТЕЛЬ НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2017 года по МПК H02N1/00 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к способам и устройствам электромеханического преобразования электрической энергии в механическую, и может найти широкое применение в промышленности, транспорте, бытовой технике, воздухоплавании, космонавтике и других областях человеческой деятельности, заменить существующие неэкономичные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и электрические машины электромагнитной индукции.

Наиболее широкое применение в качестве средств производства механической энергии в современной технике приобрели ДВС, использующие сжигание углеводородного топлива, и индукционные машины, т.е. машины, в которых электродвижущая сила возникает в результате процесса электромагнитной индукции, занявшие практически монопольное положение в электромашиностроении (см. Ландсберг Г.С. (ред.). Элементарный учебник физики. Т. 2. 13-е изд. - М.: Физматлит, 2008. С.361, 410).

Основные недостатки ДВС - низкий КПД, менее 60% у лучших образцов и загрязнение окружающей среды при сжигании топлива. Недостатки индукционных машин (способа и устройств) состоят в технологической сложности способа, в значительной материалоемкости и дороговизне устройств для его реализации, ограничениях допустимого рабочего напряжения (не выше 6 кВ) по условию электрического пробоя изоляции обмоток машин, критичности магнитных свойств материалов к температуре и вибрациям. Кроме того, индукционный электромагнитный способ энергозатратен, поскольку для создания электромагнитных полей по обмоткам индуктивных электрических машин и преобразователей пропускают значительные токи. Вследствие высоких омических потерь энергии в индуктивных обмотках таких машин, а также вследствие потерь электрической энергии на создание электромагнитного поля и потреблении ими значительной реактивной мощности (до 20-30% от полной мощности машины) эффективность электромеханического преобразования энергии в индуктивных электрических машинах недостаточно высока. Так, у наиболее распространенных индуктивных электрических машин средней мощности КПД не превышает 70-75%.

Поэтому остается по-прежнему актуальным поиск экологически чистых способов построения двигателей с более высоким КПД.

Известен способ обратимого электромеханического преобразования электрической энергии в механическую энергию, основанный на явлениях электростатической индукции, и емкостные генераторы и электрические машины на их основе (см. Тэнэсеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике. - М.: Энергия, 1980. С.174-184; Губкин А.Н. Электреты. - М.: Наука, 1978. С.177-179).

Недостатком способа является несовершенство известных устройств и низкая выходная мощность, поэтому способ в основном применяется в качестве генераторов высокого напряжения, например, в копировальной технике.

Известен способ преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, в котором в емкостной электрической машине преобразуют энергию электрического поля ротора, являющегося гетероэлектретом, и вращающегося электрического поля, образуемого путем подачи на неподвижные обкладки статора высоковольтных потенциалов от многофазного полупроводникового высоковольтного коммутатора, во вращательное движение ротора. Развитие способа состоит в том, что зазор электрической машины вакуумируют или заполняют инертным газом с высокой диэлектрической проницаемостью, а скорость и момент ротора регулируют путем изменения частоты, амплитуды и фазы напряжения на статорных неподвижных обкладках конденсаторов (см. «Способ электромеханического преобразования энергии (варианты)», патент РФ №2182398, МПК⁷ H04N 1/10, 1998 г., а также Губкин А.Н. Электреты. - М.: Наука, 1978. С.179, рис.89).

В связи с тем, что в устройствах, реализующих предложенный способ, практически отсутствуют тепловые потери, а удельная сила взаимодействия электрических зарядов на несколько порядков выше отнесенной к массе устройства силы электромагнитного взаимодействия, используемой в индуктивных электрических машинах, то и эффективность их значительно выше.

Недостатком способа является потеря энергии на организацию вращающегося электрического поля и сложность устройства.

Наиболее близким к предлагаемому способу является выбранный в качестве прототипа способ преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, в котором преобразуют энергию электрического поля тела, являющегося моноэлектретом, для чего размещают его между незаряженными обкладками электрического конденсатора, затем заряжают этот конденсатор и задают частоту качания тела изменением частоты перезарядки обкладок конденсатора. Развитие способа состоит в том, что силу взаимодействия заряженных обкладок конденсатора с подвижным телом регулируют изменением величины заряда обкладок (см. «Способ электромеханического преобразования энергии (варианты)», патент РФ №2182398, МПК⁷ H04N 1/10, 1998 г.).

Недостатком способа является потеря энергии на перезарядку задающего конденсатора и на организацию соответствующих коммутационных операций. Поэтому коэффициент полезного действия этого способа недостаточно высок. К недостаткам можно отнести и относительную сложность устройства, заключающуюся в необходимости использования статора, относительно которого совершается заданное перемещение подвижной части устройства - ротора или тела линейного перемещения.

Задачей изобретения является существенное повышение коэффициента полезного действия и мощности движителя, использующего электростатические силы взаимодействия заряженных тел, упрощение его конструкции и расширение функциональных возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что энергию электрического поля, действующего между механически связанными между собой заряженными подвижными обкладками электрического конденсатора, преобразуют в механическую энергию их взаимного вращательного или поступательного движения, для чего указанные обкладки располагают в диэлектрической среде и разворачивают друг относительно друга таким образом, чтобы образующаяся при этом между обкладками результирующая сила электростатического взаимодействия была ориентирована в направлении требуемого их перемещения.

Сущность изобретения состоит в том, что для электромеханического преобразования энергии совместно используют ряд хорошо известных в электротехнике явлений и эффектов, в том числе явления электростатического (кулоновского) взаимодействия электрических зарядов, электростатической индукции, эффект взаимодействия проводника с электрическим полем и свойства электрического поля системы плоских электродов, образованного в неоднородной диэлектрической среде (см. Ландсберг Г.С. (ред.). Элементарный учебник физики. Т. 2. 13-е изд. - М.: Физматлит, 2008. С.24-31, 40-41, 44-45, 68-74, 91-93; Тэнэсеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике. - М.: Энергия, 1980. с.13-15, 50-57, Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. 10-е изд. - М.: Лань, 2008. С.73-80; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1967. С.578-581, 587-592, 602-605).

Как известно, согласно закону Кулона заряды противоположного знака притягиваются, а одного знака - отталкиваются. Силовые линии исходного электрического поля искажаются внесенным в поле проводником так, что они всегда перпендикулярны поверхности проводника. Они начинаются и заканчиваются на зарядах, которые полностью располагаются на поверхности проводника и имеют физический смысл силы, приложенной к зарядам, и через эти заряды к поверхности проводника. При этом электростатические силы в обычном плоском конденсаторе имеют не зависящий от расстояния между пластинами стационарный, а поле однородный характер, с силовыми линиями, перпендикулярными плоскостям пластин (за исключением краевых эффектов).

Исходная идея изобретения состоит в развороте пластин плоского конденсатора из начального параллельного положения на некоторый угол. При этом получаем неравномерное убывающее поле, силовые линии которого замыкаются между равноотстоящими от вершины угла разворота пластин точками по искривленной траектории, но, тем не менее, остаются перпендикулярными к поверхностям пластин в этих точках. Назовем эту систему плоских проводников, характерную переменным (расходящимся) расстоянием между пластинами, «конденсаторным диполем» или «раскрывающимся конденсатором». Поскольку общий вектор приложенной к каждой пластине силы формируется силовыми линиями на поверхности пластин, то, таким образом, в системе заряженных обкладок (пластин) конденсатора имеем некоторую результирующую силу, направленную по биссектрисе угла между пластинами конденсатора, т.е. получаем универсальный безопорный (в обычном понимании этого слова) электрополевой движитель, преобразующий энергию электрического поля в энергию механического движения. Закрепив указанные пластины или комбинацию их пар на рабочем объекте (теле), которое необходимо вращать или перемещать в пространстве, совершаем требуемую полезную работу.

Недостатками такого устройства является незначительная мощность, ограниченная значением напряжения пробоя между ближайшими точками пластин конденсаторного диполя, поскольку большая часть заряда в силу действия кулоновских сил окажется стянутой в эту область.

Для повышения мощности и эффективности движителя в конструкции устройства с помощью эффекта преломления силовых линий электрического поля на границе между диэлектриками с различной диэлектрической проницаемостью решается задача создания характерного для конденсаторов максимально однородного поля с равномерной плотностью распределения заряда пластин. При этом используется не менее двух таких переходов, располагаемых таким образом, чтобы преломленные силовые линии были направлены под острым углом или перпендикулярно к пластинам конденсатора. Если силовые линии перпендикулярны пластинам, то в качестве заряженных пластин конденсатора можно использовать электреты. Другим возможным способом создания равномерной плотности распределения заряда и однородного поля пластин является разбиение поверхности пластин на отдельные изолированные одинаково заряженные участки.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ получения механической энергии отличается иной, более эффективной и более экономичной технологией преобразования энергии электрического поля в механическую энергию, осуществляемого путем электростатического взаимодействия заряженных обкладок между собой, без применения статора и без затрат энергии на перезарядку обкладок и коммутационных потерь. При необходимости реверс двигателя осуществляется путем формирования на обкладках зарядов одного знака или использования самостоятельного блока обратного хода.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг.1-5 показаны примеры работы устройства, реализующего предлагаемый способ преобразования энергии, которая заключается в следующем.

Электрическое поле, энергию которого преобразуют в механическую, действует между разноименно заряженными пластинами (обкладками) 1 и 2 конденсатора, закрепленными на диэлектрических опорах 3 подвижного рабочего тела, на которое или посредством которого необходимо осуществлять требуемое силовое воздействие. Пластины 1 и 2 посредством диэлектрических опор 3 зафиксированы между собой под углом α₁. Пространство между пластинами заполнено диэлектриком с максимально высокой диэлектрической прочностью и минимальной диэлектрической проницаемостью (это может быть вакуум или иной диэлектрик в любом агрегатном состоянии), поскольку диэлектрическая среда, не являющаяся вакуумом, уменьшает силу взаимодействия находящихся в них зарядов (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1974. С.356-359).

Для формирования на поверхности пластин 1, 2 максимально однородного электрического поля, силовые линии действующего между пластинами 1 и 2 поля, преломленные на поверхности диэлектрической призмы 4, направляются к пластинам 1, 2 конденсаторного диполя под прямыми или острыми углами α₂ и α₃ (см. фиг.2).

Для изоляции устройства от воздействия внешних полей (например, поля Земли) и исключения (купирования) нежелательных излучений с внешних нерабочих поверхностей пластин, в устройстве применено частичное или полное экранирование пластин конденсаторного диполя экранами 5, как это показано на фиг.3-5.

Будучи заряженными, элементарные участки пластин конденсаторного диполя притягиваются (или отталкиваются при одноименных зарядах) друг к другу с силой f_1,2, результирующая векторной суммы которых в проекции на срединную линию устройства дает линейную составляющую f_л:

где f=|f₁|+|f₂| - алгебраическая сумма модулей сил f₁ и f₂.

Проинтегрировав указанные электростатические силы по всем пластинам, получаем приложенную к конденсаторному диполю результирующую силу F_p, которая может быть использована для выполнения полезной работы (см. фиг.1).

В устройстве обеспечивается возможность реверса движителя путем формирования одноименных зарядов на оппозитных пластинах или с помощью отдельных реверсных групп обкладок, что более предпочтительно, поскольку не нарушает общую электрическую нейтральность устройства и не требует перезарядки основных обкладок устройства. Возможен также механический разворот конденсаторного диполя в нужном направлении.

Необходимую силу взаимодействия заряженных обкладок регулируют изменением величины их заряда любым известным методом, например, от источника регулируемого высокого напряжения (на чертежах не показан).

Рассмотрим численный пример работы устройства. Пусть пластины размещены в вакууме, разведены на угол α₁=60° и имеют площадь каждой по 1 м², а образуемое ими поле с помощью диэлектрической призмы сделано однородным. Для оценки нижней границы действующих в устройстве сил, вклад диэлектрической призмы в повышение результирующей электростатической силы учитывать не будем. В этом случае при оценке можно использовать соотношения для плоского конденсатора (см. Ландсберг Г.С. (ред.). Элементарный учебник физики. Т. 2. 13-е изд. - М.: Физматлит, 2008. С.91-92):

где:

F - суммарная сила, действующая между обкладками,

q - заряд каждой обкладки,

σ - поверхностная плотность заряда обкладки,

ε_o - электрическая постоянная,

Е - напряженность поля между обкладками, Е=σ/S_o,

S - площадь обкладки.

Подставляя заданные значения, приняв Е=90 кВ/мм (для сравнения: напряжение пробоя органических диэлектриков, применяемых в конденсаторостроении, например, полипропилена (ε=2,1) составляет 140-200 кВ/мм, фторопласта (ε=2,0) составляет 150-200 кВ/мм, ПВДФ (поливинилиденфторида) - 600-800 кВ/мм при ε=10-12 - см.: Ханин С.Д. и др. Пассивные радиокомпоненты. Часть 1. Электрические конденсаторы. - СПб.: Северо-Западный заочный политехнический институт, 1998. С.60-67), получим F=3654 кГ. Откуда вычислим линейную, рабочую составляющую: F_p=F⋅sin(0,5⋅α₁)=1827 кГ.

Использование предлагаемого способа преобразования электрической энергии в механическую дает, по сравнению с существующими способами, следующий технический результат:

позволяет радикально упростить конструкцию электрических двигателей;

экономичнее и эффективнее по сравнению с существующими способами, обладает более высоким коэффициентом полезного действия и гораздо более высокой мощностью, а также лучшими удельными характеристиками, чем известные электростатические и емкостные двигатели;

является экологически чистым способом производства механической энергии.

Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку предлагаемый способ состоит из совместного действия давно известных и широко применяемых в электротехнике и радиоэлектронике явлений электростатического (кулоновского) взаимодействия электрических зарядов, электростатической индукции, эффекта взаимодействия проводника с электрическим полем и свойств электрического поля системы плоских электродов, образованного в неоднородной диэлектрической среде, а также не требует использования каких-либо неизвестных современной промышленности средств, материалов или элементов. В том числе упомянутые электреты промышленно выпускаются уже более 50 лет (см. Губкин А.Н. Электреты. - М.: Наука, 1978. - 192 с.).

Способ электромеханического преобразования энергии и электрополевой движитель на его основе относятся к электромашиностроению, в частности к способам и устройствам электромеханического преобразования электрической энергии в механическую и могут найти широкое применение в промышленности, транспорте, бытовой технике, воздухоплавании, космонавтике и других областях человеческой деятельности, заменить существующие неэкономичные двигатели внутреннего сгорания и электрические машины электромагнитной индукции. Согласно изобретению преобразуют энергию электрического поля, действующего между механически связанными между собой заряженными подвижными обкладками электрического конденсатора, в механическую энергию их взаимного вращательного или поступательного движения, для чего указанные обкладки располагают в диэлектрической среде и разворачивают друг относительно друга таким образом, чтобы образующаяся при этом между обкладками результирующая сила электростатического взаимодействия была ориентирована в направлении требуемого их перемещения. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия и упрощение процесса преобразования энергии электрического поля в механическую энергию. Способ экологически чист. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ электромеханического преобразования энергии путем взаимодействия тел, являющихся источником электрического поля, отличающийся тем, что преобразуют энергию электрического поля, действующего между механически связанными между собой заряженными подвижными обкладками электрического конденсатора, в механическую энергию их взаимного вращательного или поступательного движения, для чего указанные обкладки располагают в диэлектрической среде и разворачивают друг относительно друга таким образом, чтобы образующаяся при этом между обкладками результирующая сила электростатического взаимодействия была ориентирована в направлении требуемого их перемещения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что силу взаимодействия обкладок регулируют изменением величины их заряда.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что все или некоторые обкладки являются моноэлектретами или выполнены из отдельных одинаково заряженных изолированных проводящих участков.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что внешние нерабочие поверхности обкладок частично или полностью экранируют от окружающей среды, а однородности действующего между заряженными обкладками электрического поля на рабочей поверхности обкладок достигают преломлением силовых линий этого поля при пропускании их через слои диэлектрика с различной диэлектрической проницаемостью.

5. Электрополевой движитель, содержащий механически связанные между собой обкладки электрического конденсатора, отличающийся тем, что указанные обкладки подвижны и расположены в диэлектрической среде под углом друг относительно друга.

6. Движитель по п.5, отличающийся тем, что обеспечена возможность регулирования величины заряда обкладок, например, подключением обкладок к источнику регулируемого напряжения.

7. Движитель по п.5, отличающийся тем, что все или некоторые обкладки являются моноэлектретами или выполнены из отдельных одинаково заряженных изолированных проводящих участков.

8. Движитель по любому из пп. 5-7, отличающийся тем, что внешние нерабочие поверхности обкладок частично или полностью экранированы от окружающей среды, а между рабочими поверхностями обкладок размещены слои диэлектрика с различной диэлектрической проницаемостью, величина которой, количество и наклоны слоев диэлектрика подобраны таким образом, что силовые линии электрического поля между обкладками после преломления на границах слоев диэлектрика направлены на обкладки под острым или прямым углом.