Способ электромеханического преобразования энергии и электростатический емкостный двигатель на его основе
Изобретение относится к электротехнике, к электромеханическому преобразованию электрической энергии в механическую и может найти широкое применение в промышленности, транспорте, бытовой технике. 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. 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. Техническим результатом является повышение мощности электростатического двигателя и расширение его функциональных возможностей. Способ экологически чист. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
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 и других областях человеческой деятельности, взамен существующих неэкономичных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и электрических машин 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).
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.).
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 перезарядку задающих конденсаторов и на организацию соответствующих коммутационных операций. Поэтому коэффициент полезного действия этого способа недостаточно высок.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является, выбранный в качестве прототипа, электростатический двигатель, содержащий тело вращения из диэлектрика, расположенное на оси, относительно тела вращения установлены прямые электрические электроды с размерами не больше радиуса тела вращения, при этом каждый электрод перпендикулярен радиусу тела вращения, составляет с касательной к окружности угол α и расположен над диэлектриком с зазором. В другом варианте линейного движителя, электростатический двигатель содержит тело перемещения из диэлектрика, относительно которого установлены прямые металлические электроды, при этом каждый электрод расположен в плоскости параллельно телу перемещения и наклонен к нему под углом α, с зазором, в сторону, противоположную направлению движения. Направление перемещения меняют наклоном прямых электродов в противоположную сторону (см. «Электростатический двигатель (варианты)», патент РФ №2225066, МПК7 H02N 1/00, 2001 г.).
В устройстве-прототипе реализован способ электромеханического преобразования энергии электрического поля тел, являющихся их источником, во взаимное перемещение этих тел, а именно, энергии электрического поля элементарных диполей диэлектрика и заряженных электродов в вынужденное движение диполей диэлектрика относительно неподвижных электродов. Техническим результатом изобретения является создание устройства, позволяющего получить устойчивое вращение или перемещение тел из диэлектрика в неоднородном поле за счет электростатических сил, а также регулировать влияние этих сил на скорость и направление движения тел из диэлектрика. В данном устройстве прямыми электродами создается неоднородное электрическое поле, под влиянием которого, путем поляризации диэлектрика тела вращения или перемещения, индуцируются электрические связанные заряды (диполи), на которые действует электростатическая сила, заставляющая вращать (перемещать) подвижное тело, так как возникшие заряды, оставаясь неподвижными относительно диэлектрика, увлекают за собой и диэлектрик и само подвижное тело.
Недостатком изобретения является незначительная мощность двигателя, поэтому его автор предлагает использование устройства для демонстрации действия электростатических сил по курсу электротехники и в практических целях как двигатель небольшой мощности. К недостаткам можно отнести и сложность реверса двигателя, осуществляемого механически, изменением направления наклона электродов.
Задачей изобретения является существенное повышение мощности двигателя, использующего электростатические силы взаимодействия заряженных тел, и расширение его функциональных возможностей.
Поставленная задача достигается тем, что энергию электрического поля, действующего между неподвижными одноименно заряженными телами и механически связанными между собой одноименно заряженными подвижными телами, преобразуют 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.
Сущность изобретения состоит в том, что для электромеханического преобразования энергии совместно используют два, хорошо известных в электротехнике эффекта (приема). Первый - явление электростатического (кулоновского) взаимодействия электрических зарядов. Второй - действие и свойства электрического поля конденсатора, образованного параллельно расположенными плоскими электропроводящими пластинами (см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т.2. 13-е изд. - М.: Физматлит, 2008. с.24-31, 40-41, 44-45, 91-93; Тэнэсеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике. - М.: Энергия, 1980. с.13-15, 50-57; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1967. с.578).
Согласно закону Кулона, заряды противоположного знака притягиваются, а одного знака - отталкиваются. При этом эти силы в конденсаторе имеют не зависящий от расстояния между пластинами стационарный, а поле - однородный характер, с силовыми линиями, перпендикулярными плоскостям пластин (за исключением краевых эффектов). В устройстве решается задача создания как раз такого однородного, характерного для конденсаторов поля. Для этого создается равномерная поверхностная плотность распределения заряда пластин путем использования электретов или разбиением электродов на отдельные, одинаково заряженные полосы, а поверхности взаимодействующих электродов ориентируются параллельно друг другу.
Работа прототипа основана на известном эффекте движения диполя в сторону источника неоднородного электрического поля (например, см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т.2. 13-е изд. - М.: Физматлит, 2008. с.33-34, 88-91; Савельев И.В. Курс общей физики. -СПб.: Лань, 2008. с.28-34). 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 взаимодействия монозарядов между собой, а не монозарядов с диполями, имеющего гораздо (на несколько порядков) меньшую силу притяжения. При этом реверс двигателя осуществляется более просто, путем формирования на электродах зарядов одного знака или использования самостоятельного блока обратного хода.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна" и "изобретательский уровень".
На фиг.1-3 показаны примеры работы устройства, реализующего предлагаемый способ преобразования энергии, которая заключается в следующем.
Электрическое поле, энергию которого преобразуют в механическую, действует между одноименно заряженными электродами 1, размещенными в неподвижном диэлектрическом статоре 2 и одноименно заряженными электродами 3, размещенными в диэлектрическом подвижном теле 4. Обе группы электродов наклонены под острыми углами α1 и α2 к поверхности подвижного тела 4 и плоскости зазора 5 между статором 2 и подвижным телом 4, но наклонены в разные стороны. Углы α1 и α2 подбирают из условия максимизации действующей на электродах 3 подвижного тела 4 силы. Шаг размещения электродов и их высота у различных групп выбирается такая, чтобы выдерживалось стабильное среднее расстояние между взаимодействующими электродами для исключения рывков в движении подвижного тела 4 двигателя.
Для формирования максимально однородного электрического поля, электроды 1, 3 выполняются из моноэлектретов или составляются из одинаково заряженных отдельных токопроводящих плоских пластин 6, разделенных тонким слоем диэлектрика 7 (фиг.2), в противном случае, использования металлической монопластины, большая часть заряда сместится к зазору и вместо однородного поля пластины конденсатора получается неоднородное поле заряженного стержня.
В зависимости от требуемых задач, устройство исполняется в варианте линейного движителя (фиг.1) или двигателя вращения (фиг.3) с одним или несколькими рядами подвижных и неподвижных электродов, максимально заполняющих рабочее пространство устройства для оптимизации удельных мощностных характеристик двигателя.
Будучи заряженными, оппозитно расположенные электроды подвижных и неподвижных (статорных) групп притягиваются (или отталкиваются при одноименных зарядах) друг к другу с силой f, проекция которой на поверхность подвижного тела дает линейную (тангенцальную) составляющую fл, сумма которых по всем электродам образует общую силу Fл, которая может быть использована для выполнения полезной работы (фиг.1).
В устройстве обеспечивается возможность реверса двигателя путем формирования одноименных зарядов на оппозитных электродах или с помощью отдельных реверсных групп электродов, что более предпочтительно, поскольку не нарушает общую электрическую нейтральность устройства и не требует перезарядки основных электродов устройства.
Необходимую силу взаимодействия заряженных электродов регулируют изменением величины их заряда любым известным методом, например, от источника регулируемого высокого напряжения (на рисунках не показан).
Все электроды изолированы друг от друга и других элементов устройства для исключения перетекания зарядов и образования вихревых токов. При увеличении силы взаимодействия электродов путем наращивания их заряда, необходимо исключать возможность пробоя в пространстве между ними, например, удаляя из него воздух (вакуумируя) или заполняя иной газообразной или жидкостной диэлектрической средой с высокой диэлектрической прочностью и низкой диэлектрической проницаемостью, поскольку газообразная и жидкостная среда уменьшает силу взаимодействия находящихся в них зарядов (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1974. с.356-359).
Рассмотрим численный пример работы устройства. Пусть электроды имеют наклон в 45° и имеют общую площадь каждой группы по 0,785 м2, а образуемое ими поле однородно. В этом случае, при оценке действующих сил 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 электродами,
q - заряд каждого электрода,
σ - поверхностная плотность заряда электрода,
ε0 - электрическая постоянная,
Е - напряженность поля между электродами, Е=σ/ε0,
S - площадь электродов каждой группы.
Подставляя заданные значения, приняв Е=30 кВ/см (напряжение пробоя воздуха 33 кВ/см - см. Губкин А.Н. Электреты. - М.: Наука, 1978, с.79), получим F=3,2 кГ. Откуда вычислим линейную, рабочую составляющую: Fл=F·cos 45°=2,3 кГ.
Вакуумируя устройство, получаем возможность значительно увеличить напряженность поля, примерно в 100 раз, и, соответственно, рабочее усилие до величины, порядка 23 Т. Или при двигателе вращения с радиусом ротора 0,25 м получаем момент в 5,75 Т·м.
Использование предлагаемого способа преобразования электрической энергии в механическую дает, по сравнению с существующими способами, следующий технический результат:
позволяет упростить конструкцию электрических двигателей;
экономичнее и эффективнее по сравнению с существующими способами, обладает более высоким коэффициентом полезного действия и гораздо более высокой мощностью и 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 эффекта (приема) электростатического (кулоновского) взаимодействия электрических зарядов и свойств однородного электрического поля конденсатора, образованного параллельно расположенными плоскими электропроводящими пластинами, 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.).
1. 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.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что силу взаимодействия заряженных тел регулируют изменением величины их заряда.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что все или некоторые заряженные тела являются моноэлектретами.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пространство между заряженными телами вакуумируют или заполняют иной газообразной или жидкостной диэлектрической средой с максимально высокой диэлектрической прочностью и минимально низкой диэлектрической проницаемостью.
5. Электростатический емкостный двигатель, содержащий электроды статора, размещенные под острым углом к поверхности расположенного с зазором и возможностью поступательного или вращательного перемещения относительно статора подвижного тела и наклоном вдоль направления его движения, отличающийся тем, что подвижное тело также состоит из электродов, размещенных под острым углом к поверхности подвижного тела, но с противоположным относительно электродов статора наклоном, причем электроды выполнены в виде набора разделенных диэлектриком токопроводящих плоских пластин, расположенных параллельно ближнему к зазору краю электрода.
6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что обеспечена возможность регулирования величины заряда электродов, например, подключением электродов к источнику регулируемого напряжения.
7. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что все или некоторые электроды являются моноэлектретами.
8. Двигатель по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что пространство между электродами вакуумировано или заполнено иной газообразной или жидкостной диэлектрической средой с максимально высокой диэлектрической прочностью и минимально низкой диэлектрической проницаемостью.
