ЭЛЕКТРОПОЛЕВОЙ ДВИЖИТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК H02N1/08 H02N13/00 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности, к устройствам электромеханического преобразования энергии 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. Т2. 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).

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

Известен способ электромеханического преобразования энергии путем взаимного перемещения тел, являющихся источником электрического поля, отличающийся тем, что преобразуют энергию электрического поля, действующего между неподвижными одноименно заряженными телами и механически связанными между собой одноименно заряженными подвижными телами, в механическую энергию поступательного или вращательного перемещения подвижных тел относительно неподвижных, для чего их располагают одни над другими с зазором, таким образом, чтобы электрическое поле между указанными взаимодействующими телами было максимально однородным, а приложенная к подвижным телам сила и напряженность этого поля была направлена под острым углом к направлению их движения (см. «Способ электромеханического преобразования энергии и электростатический емкостной двигатель на его основе», патент РФ №2471283, МПК⁷ H02N 1/00, H02N 11/00, 2011 г.).

Недостатком способа является сложность устройства, связанная с наличием статора и необходимостью организации вращения ротора в условиях вакуума.

Наиболее близким к предлагаемому способу является, выбранный в качестве прототипа, способ преобразования энергии 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 (см. «Способ электромеханического преобразования энергии и электрополевой движитель на его основе», патент РФ №2629846, МПК⁷ H02N 1/00,2011 г.).

Недостатком способа являются потери энергии, связанные с образованием в устройстве обратных сил и практическим ограничением возможности разведения обкладок движителя между собой острым углом.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия и упрощение конструкции движителя.

Поставленная задача достигается тем, что в электрополевом движителе, содержащем расположенные в диэлектрической среде механически связанные между собой развернутые друг относительно друга на угол подвижные обкладки электрического конденсатора, одна из обкладок выполнена таким образом, что часть ее поверхности равномерно охватывает внешнюю нерабочую поверхность другой.

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 заряженных плоских электродов, образованного в диэлектрической среде (см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т2. 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; Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учебник для вузов. Том 3. - 4-е изд. / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. - С-Пб.: Питер, 2004. с. 51-52, рис. 24.11.).

В качестве примера технических аналогов, преобразующих энергию электростатического поля в энергию механической работы, а также в энергию электрического тока, с использованием особым образом ориентированных электростатических сил и полей, можно привести устройства по патентам РФ: №2185526, №2225066, №2458451, №2471283, №2471284, №2629846.

В настоящем техническом предложении, также как во всяком двигателе и движителе, преобразуется энергия. А именно, энергия электростатического поля - в энергию механической работы. Энергия электростатического поля в понимании современной квантовой физики представляет собой электродинамическую энергию потока квантов электрического поля, действующего между заряженными частицами.

Природа электродинамики более понятна с учетом физики квантового электростатического взаимодействия заряженных частиц (кулоновских, пондеромоторных сил), осуществляемого посредством испускания и поглощения фотонов электромагнитного поля, имеющих энергию и импульс: «В классической электродинамике взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через поле: заряд создает поле, которое действует на другие заряды. В квантовой теории взаимодействие электромагнитного поля и заряженной частицы выглядит как испускание и поглощение частицей фотонов, а взаимодействие между заряженными частицами является результатом их обмена фотонами: каждый из электронов испускает фотоны (кванты переносящего взаимодействие электромагнитного поля), которые затем поглощаются другими электронами» (Статья «Квантовая теория поля» // Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор A.M. Прохоров. 1983.; И.В. Савельев. Курс общей физики. Т. 3. - М.: Лань. 2008. с. 239-240). Например, с начала прошлого века известно и практически измерено давление света, являющегося разновидностью электромагнитного излучения, образующегося вследствие наличия у его фотонов (квантов) импульса.

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 криволинейной траектории, но, тем не менее, остаются перпендикулярными к поверхностям пластин в этих точках. 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 (работающий в любой окружающей среде) электрополевой движитель, преобразующий энергию электростатического 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. Для исключения образования в устройстве сил, обратных основной, одна из обкладок выполнена и установлена таким образом, что часть ее поверхности равномерно охватывает внешнюю нерабочую поверхность другой. Это техническое решение не только исключает образование сил на внешней стороне движителя, но и позволяет наиболее эффективно использовать энергию заряда пластин, разводя их на оптимальный для этой цели угол в 180°.

Для повышения мощности и эффективности движителя, ограниченной значением напряжения пробоя между ближайшими точками пластин конденсаторного диполя, к которым в силу действия кулоновских сил окажется стянутой большая часть заряда, в конструкции устройства 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 аналогами и прототипом показывает, что предлагаемое устройство для получения механической энергии отличается иной, более эффективной и более экономичной технологией преобразования энергии электрического поля в механическую энергию, осуществляемого путем наиболее оптимального электростатического взаимодействия заряженных обкладок между собой, без образования обратных сил, без применения статора и без затрат энергии на перезарядку обкладок и коммутационных потерь.

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

На рисунках фиг. 1-3 показаны примеры работы устройства, реализующего задачу преобразования энергии, которая заключается в следующем.

Электростатическое 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 в общем случае под углом а. Пространство между пластинами заполнено диэлектриком 4 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 изоляции устройства от воздействия внешних полей (например, поля Земли) оно стандартно экранируется, а для нейтрализации сил нежелательных излучений полей зарядов с внешних нерабочих поверхностей пластин, в устройстве применена компенсация излучения с внешней поверхности одной из пластин встречным излучением другой пластины, как это показано пунктирными линиями на фиг. 1, 2.

Будучи заряженными, элементарные участки пластин движителя притягиваются друг к другу с силой f_1,2, результирующая векторной суммы которых в проекции на срединную линию устройства дает результирующую силу f_p (см. фиг. 2):

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

Соответственно, при α=180°, f_p=f₁+f₂.

Проинтегрировав указанные электростатические силы по всей поверхности пластин, получаем приложенную к движителю результирующую силу F_p (см. фиг. 1, 2), способную выполнять работу.

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

Таким образом, при развороте пластин на любой угол от 0° до 180° (острый, прямой, тупой), в устройстве возникает неуравновешенная результирующая сила, которую выставляют в требуемом направлении и используют для выполнения полезной работы по перемещению, вращению физических тел или силовому на них воздействию.

Оценим эту силу количественно.

В теории известны расчеты электростатического поля для двух проводящих заряженных плоскостей, сходящихся под углом (см., например, Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учебник для вузов. Том 3. - 4-е изд. / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. - С-Пб.: Питер, 2004. с. 51-52, рис. 24.11.). Линии равной напряженности (силовые линии) этого поля представляют собой окружности, проведенные из вершины двугранного угла, образованного плоскостями, на которых располагаются заряженные проводящие плоскости. А величина напряженности Е является функцией разности потенциалов U и длины силовой линии между электродами:

где, α - угол между плоскостями [рад];

r - радиус силовой линии.

С учетом формул связи напряженности Е, плотности о заряда и силы F на площади S, а также действующей на поверхности пластины движителя шириной h и длиной (r_к - r₀) силы F_1,2 в условиях вакуума (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М: Наука, 1974. с. 357, 358):

σ=ε_o⋅Е,

отсюда, для элемента dS=h⋅dr поверхности, получаем силу dF:

Тогда, сила F_1,2 действующая на каждую пластину, с учетом формулы (2), равна:

Равнодействующая же сила F_p при этом, с учетом формулы (1), составит:

Рассмотрим численный пример работы устройства.

Пусть пластины прямоугольной формы размером 10 мм × 1000 мм размещены в вакууме, разведены по углу на 180°, расстояние между большими сторонами пластин составляет 2 мм и на пластины подано напряжение U=1 MB, что примерно в 3 раза меньше пробивного для вакуума в данной конструкции.

Используя формулу (6):

F_p=ε_o⋅U²⋅h⋅sin (0,5⋅α)⋅(1/r_o-1/r_к)/α²,

учитывая, что синус 0,5⋅180° равен 1,

а значения параметров в настоящем случае: r_o=1 мм, r_к=11 мм, h=1000 мм, то, подставляя данные устройства, получим: F_p=82 кГ.

Теоретические и расчетные положения изобретения подтверждены экспериментально (см. приложение).

Использование предлагаемого устройства преобразования электрической энергии в механическую дает, по сравнению с прототипом, следующий технический результат:

позволяет существенно упростить конструкцию движителя, позволяет разводить пластины конденсатора движителя на наиболее оптимальный угол в 180°;

экономичнее и эффективнее использует заряд пластин движителя, обладает более высоким коэффициентом полезного действия;

более технологично в производстве, легко реализуемо современными средствами литографии (см. фиг. 3).

Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку конструкция предлагаемого устройства предполагает использование в производстве давно известных и широко применяемых технологий электротехники и микроэлектроники, 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).

Изобретение относится к электротехнике, к устройствам электромеханического преобразования энергии и могут найти применение в промышленности, транспорте, бытовой технике, воздухоплавании, космонавтике и других областях человеческой деятельности, заменить существующие неэкономичные двигатели внутреннего сгорания и электрические машины электромагнитной индукции. Техническим результатом является повышение кпд и упрощение конструкции. В электрополевом движителе, содержащем расположенные в диэлектрической среде механически связанные между собой развернутые друг относительно друга на угол подвижные обкладки электрического конденсатора. Одна из обкладок выполнена таким образом, что часть ее поверхности равномерно охватывает внешнюю нерабочую поверхность другой. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрополевой движитель, содержащий расположенные в диэлектрической среде механически связанные между собой развернутые друг относительно друга на угол подвижные обкладки электрического конденсатора, отличающийся тем, что одна из обкладок выполнена таким образом, что часть ее поверхности равномерно охватывает внешнюю нерабочую поверхность другой.

2. Движитель по п. 1, отличающийся тем, что обеспечена возможность регулирования величины заряда обкладок, например, подключением обкладок к источнику регулируемого напряжения.

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

4. Движитель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что его обкладки экранированы от окружающей среды.