Изобретение относится к электромеханике, а именно к области обратимого электромеханического преобразования электрической энергии в механическую энергию, и наоборот.

Предполагается взаимное перемещение тел, одно из которых или оба обладают электрическим полем и способностью накапливать электрические заряды, а также силовое взаимодействие этих электрически заряженных тел при условии, что хотя бы одно из них или оба тела имеют одну и более степеней свободы.

Предусматривается регулирование силы механического взаимодействия и скорости движения за счет изменения величины электрического заряда и диэлектрической проницаемости среды, в которой происходит это взаимодействие. Рассмотрены варианты технического решения для поступательного и вращательного движения ротора электромеханического преобразователя, в частности, с использованием в качестве источника электрического поля электретных материалов.

Предложенные способы обеспечивают пониженное потребление тока и улучшенную энергетику. Предоставлена возможность осуществления режима циркуляции электрических зарядов по фазным обкладкам многофазной электрической машины, то есть режима наивысшей экономии электроэнергии при ее минимальном нагреве. Изобретение относится к электромеханике, конкретнее к способам и устройствам обратимого электромеханического преобразования электрической энергии в механическую энергию и механической энергии в электрическую, и может найти широкое применение в промышленности, транспорте, бытовой технике и других областях человеческой деятельности, особенно в электромобилях, взамен неэкономичных индуктивных электрических машин.

Известен и нашел широчайшее применение, практически во всех областях техники, способ обратимого электромеханического преобразования энергии электрической энергии в механическую энергию и механической энергии в электрическую энергию , основанный на явлениях электромагнитной индукции и самоиндукции, а также явлении силового взаимодействия электромагнитных полей, путем силового взаимодействия электромагнитных полей, либо магнитных полей постоянных магнитов с электромагнитными полями токового контура аналог - см.

Все известные электрические индуктивные машины и преобразователи реализуют именно этот способ и работают в обратимых режимах как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Без известного способа электромеханического преобразования энергии и индуктивных электрических машин и преобразователей, работающих на основе данного способа, немыслима современная цивилизация.

Электроэнергетика получение электроэнергии , бытовая и промышленная электротехника, электротранспорт и многие другие технологии базируются на использовании данного известного, открытого М. Фарадеем более лет назад, способа электромеханического преобразования энергии и индуктивных электрических машин на его основе. Недостатки известных аналогов способа и устройств состоят в технологической сложности реализации способа, в значительной материалоемкости и дороговизне устройств для его реализации индуктивных электрических машин , 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, известный электромеханический способ энергозатратен, поскольку для создания электромагнитных полей по обмоткам индуктивных электрических машин и преобразователей пропускают значительные электрические токи.

Известен способ обратимого электромеханического преобразования электрической энергии в механическую энергию и механической энергии в электрическую энергию, основанный на явлениях электростатической индукции разделения и наведения электрических зарядов , электрострикции, пироэлектричества и сегнетоэлектричества, и электромеханические преобразователи и емкостные электрические машины на их основе кн.

Бертинова "Специальные электрические машины", M. Данный способ в принципе позволяет улучшить эффективность электромеханического преобразования электрической энергии, поскольку силовое взаимодействие электрических полей через тела, их образующие, в миллионы раз более сильное, чем силовое взаимодействие электро магнитных полей, при одинаковых затратах электроэнергии на их создание и одинаковой массе.

Однако исторически, вследствие несовершенства устройств этих машин и используемых в них материалов, способ применяется в основном в обратимом генераторном режиме например, в высоковольтных электростатических генераторах Ван-де-Граафа , а в прямом преобразовании электрической энергии в механическую данный способ пока нашел применение только в маломощных пьезоэлектрических и электрострикционных двигателях там же, с. Широко известны явление силового взаимодействия электрических зарядов и закон Кулона, устанавливающий количественные характеристики этого силового взаимодействия.

Многочисленными экспериментами подтверждено, что силы взаимодействия электрических зарядов огромны, так, например, электрические заряды по 1 Кл на расстоянии 1 м действуют друг на друга притягиваются разноименные и отталкиваются одноименные заряды с силой 9 10 9 Ньютон! Калашникова "Электричество", учебник для университетов М.: Главная проблема использования данных электрических сил для электромеханического преобразования энергии состоит в создании и удержании электрических зарядов и электрических диполей во взаимодействующих телах.

Кроме этого, уже известен способ преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора см.

К недостаткам известного технического решения относится невозможность получения механической энергии из энергии электрического поля и ненадежность контактно-щеточного узла.

Это резко ограничивает срок безотказной работы такого электромеханического устройства из-за износа щеток , а также допустимую скорость вращения электретов генератора. С другой стороны, механическая коммутация высоковольтных напряжений с пластин конденсатора а иначе генератор крайне маломощный и пригоден только как датчик оборотов приведет к электрической дуге в месте токосъема и перегреву мест контакта вала генератора со щетками.

Все перечисленные существенные недостатки прототипа останутся и при попытке практически использовать данное устройство в двигательном режиме.

Способ и устройство для создания магнитного поля, локализованного в нанометровой области пространства

Наше изобретение способ выгодно отличается от данного прототипа надежностью реализуемых на его основе бесконтактных электромеханических электретных устройств, а также рядом новых свойств таких новых устройств, приведенных в тексте описания изобретения. Задачей изобретений является повышение надежности, экономичности и расширение области применения способа электромеханического преобразования энергии. В случае его внедрения предлагаемых способов и практической реализации в промышленных масштабах можно существенно улучшить энергетику электромеханических преобразователей, поскольку при меньших электрических токах возможно получение значительно более высокого кпд, в частности, за счет минимизации тепловых потерь и отсутствия потерь на гистерезис, особенно с техническим усовершенствованием электретов, электроизоляторов и конденсаторов.

Задача заявленного способа решается за счет того, что в способе преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, 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. В способе преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, преобразуют энергию электрического поля тела, являющегося моноэлектретом, и конденсатора в механическую энергию однонаправленного механического движения моноэлектрета в направлении к противоположно заряженной обкладке конденсатора путем внесения электрета в предварительно разряженный конденсатор и размещения вблизи от одной из обкладок, и электрической зарядки обкладок конденсатора, причем выполняют удаленную обкладку конденсатора с отверстием для обеспечения вылета моноэлектрета.

Развитие способа состоит в том, что скорость вылета моноэлектрета регулируют величиной электрического заряда на обкладках конденсатора, а также в том, что повышают скорость вылета электрета путем подключения к обкладкам конденсатора дополнительных предварительно заряженных импульсных высоковольтных конденсаторов, а в момент вылета электрета за пределы конденсатора его пластины разряжают или перезаряжают.

В способе преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, преобразуют энергию электрического поля заряженного конденсатора в механическую энергию возвратно-поступательного движения металлического тела путем электрической перезарядки металлического тела в момент касания им одной из заряженных обкладок конденсатора с последующим электрическим отталкиванием от нее, движением к противоположной обкладке конденсатора, заряженной противоположным знаком, повторной электрической перезарядки тела и отталкиванием его от этой обкладки, причем полярность зарядов на обкладках электрического конденсатора не изменяют, а лишь восполняют заряд по мере переноса зарядов телом.

В способе преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, создают в емкостной электрической машине вращающееся электрическое поле путем пространственного сдвига неподвижных обкладок и подачи на обкладки высоковольтных потенциалов с соответствующим временным сдвигом от многофазного полупроводникового высоковольтного коммутатора, а цилиндрический ротор машины выполняют диэлектрическим, с размещением на нем соответствующих вторых подвижных обкладок, электрически соединенных между собой.

Развитие способа состоит в том, что зазор электрической машины вакуумируют или заполняют инертным газом с высокой диэлектрической проницаемостью. Развитие способа также состоит в том, что регулируют скорость и момент ротора путем изменения частоты, и амплитуды, и фазы напряжения на статорных неподвижных обкладках конденсаторов.

В способе преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, преобразуют энергию бегущего электрического поля статора в механическую энергию поступательного движения тела из моноэлектрета, при этом обкладки конденсатора присоединяют к n-фазному преобразователю и последовательно перемещают заряды по обкладкам таким образом, чтобы под телом постоянно находилась заряженная обкладка конденсатора.

Сущность электромеханического преобразования энергии электрического поля в кинетическую механическую энергию поступательного движения электрически заряженного тела состоит в Кулоновском силовом взаимодействии электрических зарядов обкладок конденсатора с электрическим полем электрета или с несимметрично размещенным по длине расстояния между обкладками конденсатора электрическим диполем и внесенного в электрическое поле конденсатора иного тела, например металлического ротора.

Сущность электромеханического преобразования электрической энергии вращающегося электрического поля в зазоре электрической машины в механическую энергию вращения ротора состоит в концентрации силовых электрических линий между обкладками конденсаторов статора и с возникновением при этом электрического момента, вращающего ротор синхронно с частотой вращения электрического поля. В связи с тем, что отнесенная к массе сила взаимодействия электрических зарядов на несколько порядков выше отнесенной к массе силы электромагнитного взаимодействия, используемой в индуктивных электрических машинах, а также в связи с практическим отсутствием Джоулевых тепловых потерь в предложенных способе и устройствах, эффективность последних значительно выше, чем известных.

Реализация нового способа и устройств на их основе менее материалоемкая, в таких преобразователях не требуется реактивная индуктивная мощность, поэтому возникает дополнительный эффект экономии электроэнергии при одновременном повышении кпд. Реализация на практике данного способа и устройств позволит, в частности, создать эффективный экономичный электромобиль, высокомоментные электроприводы, перспективные для применения в промышленности.

Примеры осуществления изобретения способа и устройств на его основе показаны на фиг. Перечень элементов устройств 1. Подвижное тело-источник электрического поля моноэлектрет или другой потенциальный носитель накопитель электрического заряда. Неподвижный накопитель электрических зарядов - рабочий электрический конденсатор. Электрическая нагрузка в генераторном режиме или источник электрических зарядов в двигательном режиме. Источник электроэнергии, например аккумуляторная батарея или многофазная сеть переменного тока фиг.

Полупроводниковый преобразователь частоты с регулированием амплитуды и частоты выходного напряжения; - схема управления. Вращение поля достигают в двигательном режиме, достигают посредством многофазных пространственно сдвинутых обкладок цилиндрических конденсаторов, содержащих неподвижные обкладки на статоре, и путем подвода на них многофазных высоковольтных напряжений, а подвижный электретный ротор осуществляет преобразование энергии этих полей в механическую энергию или электроэнергию в зависимости от режима электрической машины.

В этом же устройстве раскрыты способ и устройство циркуляции зарядов по фазным обкладкам статорных конденсаторов, обеспечивающих режим наивысшей экономии электроэнергии в двигательном режиме.

Отметим дополнительное достоинство многофазных емкостных электрических машин с полупроводниковыми преобразователями, которое состоит в циркуляции перетекании электрических зарядов по обкладкам конденсаторов, то есть в практическом сохранении суммарного электрического заряда, что делает такие машины чрезвычайно экономичными по сравнению с широко применяемыми индуктивными электрическими машинами.

Устройство работоспособно как при работе от стандартной сети переменного тока, так и в автономном режиме, например, от бортовой аккумуляторной батареи.

Способ принудительной циркуляции токов в многофазных индуктивных электрических машинах запатентован в а. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ фиг. Однонаправленное ускоренное движение электрета фиг. По существу, это устройство позволяет преобразовать энергию электрического поля в механическую энергию движения электрета. Действительно, по мере заряда левой пластины конденсатора 2, ближайшей к первоначально неподвижному электрету 1, возрастает сила электрического отталкивания одноименных электрических зарядов, после компенсации силы трения электрет начнет удаляться от пластины к пластине , причем при высокой скорости нарастания заряда на этой пластине, реализуемой импульсным конденсатором 7, возникает скачкообразный вылет электрета 1 через сквозное отверстие в противоположной пластине конденсатора Естественно, ускорение и скорость вылета зависят от соотношения между массой тела и электрическими силами отталкивания одноименных зарядов электрета и пластины Поэтому для наибольшей эффективности такого выстрела необходимо перезарядить или хотя бы разрядить пластины конденсатора 2 в момент пролета электрета 1 через отверстие для предотвращения гашения его скорости вследствие электрического притяжения пластиной Этот режим реализует переключатель 8 в функции положения электрета относительно пластины Простейший способ возвратно-поступательного колебания ротора-проводника в электрическом поле плоского конденсатора фиг.

Вначале подвижный металлический шар 1 начинает периодические возвратно-поступательные колебания между пластинами и плоского конденсатора, заряжаемого от высоковольтного источника 6. В момент касания шара 1 он перезаряжается и сила отталкивания направляет его к противоположной пластине конденсатора.

Период колебания такого маятника зависит от соотношения массы и заряда шара 1, с одной стороны, и, с другой стороны, сил электрического отталкивания этих тел и расстояния между пластинами конденсатора 2. Линейная электретно-емкостная электрическая машина фиг. Устройство реализует способ в обратимых режимах и обладает высокими энергетическими показателями.

Устройство работает следующим образом: После подачи высокого напряжения на левую пластину конденсатора одноименного с электретом знака через коммутатор 8 от высоковольтного конденсатора 7, предварительно заряженного через повышающий преобразователь напряжения 9 от источника электроэнергии 6 например, от бортовой аккумуляторной батареи , электретный поршень начинает отталкиваться от данной пластины под действием Кулоновской электрической силы и приближается к противоположной пластине конденсатора , заряженной противоположным электрическим знаком.

В определенный момент времени, определяемый системой управления коммутатора 8, конденсатор 2 перезаряжают путем переключения выходов коммутатора 8 и электретный поршень начинает возврат к пластине Вследствие высоких удельных сил отталкивания - притяжения электрически заряженных пластин и электрета при малых потребляемых первичных токах от бортового источника электроэнергии - данное устройство позволяет получить более высокие энергетические показатели по сравнению с линейными индуктивными машинами, поэтому устройство может найти широкое применение в электромобилях нового поколения взамен индуктивных электрических машин.

Действительно, в случае принудительного возвратно-поступательного движения ротора 1 через шток 13 и кривошип на чертеже не показан на пластинах конденсатора 2 будет наводиться электродвижущая сила, пропорциональная скорости перемещения электрета и его напряженности, с частотой, пропорциональной частоте колебаний ротора.

В этом случае переключатель 8 и блок 9 работают в режиме выпрямителя, а ток генерации с низковольтного выхода блока 9 заряжает аккумуляторную батарею 6, которая выполняет в данном случае функцию электрической нагрузки 4. Вращение электретного ротора в электрическом поле статора и циркуляция электрических зарядов по фазам статорных конденсаторов фиг. В автономном варианте наиболее применимом, например, в электромобилях нового поколения многофазный преобразователь частоты 9 выполнен в виде инвертора инвертором , преобразующего постоянное напряжение аккумуляторной батареи 12 вольт в соответствующее регулируемое по амплитуде и частоте трехфазное напряжение.

Емкостной ток статорных конденсаторов, потребляемый из сети 6, можно существенно снизить путем циркуляции электрических зарядов с фазы на фазу при переходе напряжения или тока данной фазы через нуль. Для этой цели в коммутаторе 8 существуют полностью управляемые быстродействующие вентили-ключи К1-К6.

В момент перекачки заряда пластины ключ К1 размыкают от сети 6, но замыкают ключ К4. Сигнал на такое переключение вырабатывает нуль-орган, входящий в состав схемы управления коммутатором вместе с датчиками тока и напряжения Тогда ключами К1-К3 остается лишь компенсировать Джоулевые тепловые потери электрической машины.

Регулирование скорости ротора осуществляют изменением частоты и амплитуды выходного напряжения с блока 8 в функции датчика скорости На обкладка ,2,3 статорных конденсаторов наводится электродвижущая сила, пропорциональная скорости вращения ротора 1, которая в случае превышения амплитуды сетевого напряжения через коммутатор 8 инвертирует генераторный электроток в сеть 6. Естественно, возможен и автономный генераторный режим получения электроэнергии от такой машины, тогда вместо электросети 6 должна быть включена электрическая нагрузка 4, частота индуктированного многофазного напряжения будет пропорциональна скорости вращения электрета, а коммутатор 8 может выполнять роль демодулятора и выпрямителя.

Электрическая машина

В связи с высокой напряженностью электрического поля существующих электретов порядка тысяч вольт на метр и миллиметровыми рабочими вакуумированными зазорами между ротором и статором такой емкостной генератор является высоковольтным преобразователем энергии, следовательно, легким и экономичным, поскольку в его конструкции отсутствует дорогой и тяжелый магнитопровод, нет индуктивных обмоток, а тепловые потери при малых токах снижаются квадратично. Линейный монорельсовый электротранспорт с электретной левитацией фиг.

По существу, это устройство есть обращенная электрическая машина с внешним моноэлектретным ротором 1 и многофазным статором с размещенными на нем n-обкладками конденсаторов 2, уложенных через электроизолятор 3 на монорельс не показан , к которым через проходные электроизоляторы 14 подводят многофазное высоковольтное напряжение регулируемой амплитуды и частоты от полупроводникового преобразователя 9.

Для создания левитации вагона с полезным грузом, жестко соединенного сверху ротора - электрета 1 вагон на фиг. Для предотвращения повреждения пластин конденсаторов 2 и электретных прокладок 17 сверху их покрывают специальным диэлектрическим покрытием Естественно, размеры и свойства электретов 1 и 17 и пластин конденсаторов 2-n выбираются из требуемой грузоподъемности электретного ротора 1.

Экономия потребляемой от источника 6 электроэнергии достигается, как и в устройстве фиг. Для придания устойчивости ротору 1 и его наилучшей центровки относительно монорельса ротору придают П-образный вид, обхватывающий монорельс, и обклеивают их встречно расположенные поверхности тоже моноэлектретами одноименных знаков, что обеспечивает в целом как осевую, так и радиальную центровку ротора относительно статорной полосы 2 и монорельса.

Расчеты показывают, что даже современные электретные материалы позволяют обеспечить грузоподъемность платформы весом несколько тонн вообще без подвода внешней электроэнергии, что намного эффективнее транспорта на магнитной подвеске. Для этого на электретной платформе-роторе 1 нужно разместить ветроприемные устройства, например паруса, которые и приведут ротор 1 в движение.

Движущийся ротор 1 своим мощным электрическим полем наведет индуцирует электродвижущую силу и электрические заряды на обкладках конденсаторов статора 2, которые он пересекает в своем движении и которые через преобразователи 8, 9 поступят в электрическую нагрузку 4 частным случаем нагрузки может служить и мощная аккумуляторная батарея 6.

Способ преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, отличающийся тем, что 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.

Способ преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, отличающийся тем, что преобразуют энергию электрического поля тела, являющегося моноэлектретом, и конденсатора в механическую энергию однонаправленного механического движения моноэлектрета в направлении к противоположно заряженной обкладке конденсатора путем внесения моноэлектрета в предварительно разряженный конденсатор и размещения вблизи одной из обкладок и электрической зарядки обкладок конденсатора, причем выполняют удаленную обкладку конденсатора с отверстием для обеспечения вылета электрета.

Способ преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, отличающийся тем, что преобразуют энергию электрического поля заряженного конденсатора в механическую энергию возвратно-поступательного движения металлического тела путем электрической перезарядки металлического тела в момент касания им одной из заряженных обкладок конденсатора с последующим электрическим отталкиванием от нее, движением к противоположной обкладке конденсатора, заряженной противоположным знаком, повторной электрической перезарядки тела и отталкиванием его от этой обкладки, причем полярность зарядов на обкладках электрического конденсатора не изменяют, а лишь восполняют заряд по мере переноса зарядов телом.

Способ преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, отличающийся тем, что создают в емкостной электрической машине вращающееся электрическое поле путем пространственного сдвига неподвижных обкладок и подачи на обкладки высоковольтных потенциалов с соответствующим временным сдвигом от многофазного полупроводникового высоковольтного коммутатора, а цилиндрический ротор машины выполняют диэлектрическим с размещением на нем соответствующих вторых подвижных обкладок, электрически соединенных между собой.

Способ преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора, отличающийся тем, что преобразуют энергию бегущего электрического поля статора в механическую энергию поступательного движения тела из моноэлектрета, при этом обкладки конденсатора присоединяют к n-фазному преобразователю и последовательно перемещают заряды по обкладкам таким образом, чтобы под телом постоянно находилась заряженная обкладка конденсатора.

Способ электромеханического преобразования энергии варианты. Изобретение относится к средствам питания электронных систем. Изобретение относится к преобразованию энергии и может быть использовано в энергетике при преобразовании энергии туннелированных электронов в электроэнергию.

Протонный генератор - черкашина п. Изобретение относится к электростатическим генераторам. Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для аналогового физико-математического моделирования линейных, нелинейных и нелинейно-параметрических электрических машин. Изобретение относится к области получения электрической энергии, в частности к источникам питания постоянного напряжения. Изобретение относится к ветроустановке и может быть использовано для электроснабжения малоэнергоемких объектов.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и позволяет повысить производительность процесса получения статистического электричества. Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к электростатическим индукционным генераторам с умножением зарядов.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах генерирования электрической энергии высокого напряжения, преимущественно в импульсном режиме. Изобретение относится к устройствам и служит для получения вращения или перемещения тел из диэлектрика в электрическом поле. Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, и может быть реализовано в качестве мобильного источника электричества для электромобилей и другого электротранспорта, а также в качестве стационарного источника статического электричества и электроэнергии, может быть использовано в промышленности.

Изобретение относится к устройствам, преобразующим электрическую энергию в механическую, в частности микромеханизмах. Изобретение относится к области электротехники, а именно к емкостным электрическим машинам. Изобретение относится к электромеханическим преобразователям для преобразования энергии поступательного движения ветрового потока. Изобретение относится к области приборостроения, в частности к микроэлектронике.

Изобретение относится к электротехнике, к электростатическим электрогенераторам тока ЭЭГТ.

Смотрите также: