ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ELECTROSTATIC GENERATOR OF HIGH VOLTAGE

Электростатический генератор высокого напряжения (ЭГВН) относится к устройствам, предназначенным для генерации высокого напряжения или высоковольтных электрических разрядов, и может использоваться в самых широких областях техники. Например, ЭГВН может служить для генерации импульсов тока высокого напряжения в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Текущий уровень техники
Принцип генерации высокого напряжения на электродах электрического конденсатора переменной емкости (ЭКПЕ) путем его предварительной зарядки некоторыми начальными зарядами (зарядами возбуждения) и последующим изменением его емкости посредством механического воздействия на составные части конденсатора известен давно и подробно описан (см. [1], [2]). Как правило, такие устройства называются электростатическими или емкостными преобразователями (электрическими машинами). Среди данных устройств можно выделить широкий класс преобразователей, в которых изменение взаимной емкости электродов происходит путем механического перемещения электродов относительно друг друга, в результате чего между электродами или их частями, заряженными противоположными зарядами, увеличивается расстояние, что приводит к уменьшению взаимной емкости электродов. Все это является хорошо известным общим уровнем техники. Общим уязвимым местом таких устройств является высокий риск электрического пробоя между электродами ЭКПЕ в процессе работы, приводящий к выводу устройства из строя. В настоящем изобретении предложено техническое решение, которое позволяет во много раз повысить порог наступления пробоя или полностью устранить возможность его возникновения. В конечном итоге это позволяет генерировать значительно более высокое напряжение, вплоть до неограниченных значений.
Раскрытие изобретения
d
d
Существует множество различных вариантов реализации зависимости емкости конденсатора от взаимного расположения его составных частей. Например, простейшим таким вариантом является ЭКПЕ, состоящий из двух плоских электродов, разделенных достаточно тонким слоем диэлектрика и в начальный момент времени плотно (через разделяющий их диэлектрик) примыкающих друг к другу, при этом один из электродов (или оба) могут двигаться в направлении, перпендикулярном плоскости электродов, удаляясь друг от друга. По мере увеличения расстояния между электродами, емкость такого конденсатора будет быстро уменьшаться. Пусть S - площадь электродов, d - толщина разделяющего электроды диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью, равной ε. Пластины могут двигаться относительно друг друга в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, при этом образовавшееся пространство между слоями диэлектрика шириной х заполняется веществом с относительной диэлектрической проницаемостью ε (таким веществом может быть воздух, специальная газовая смесь или жидкий диэлектрик, например конденсаторное масло). В таком виде данное устройство является электрическим конденсатором переменной емкости, величина которой зависит от x (см. [2]):
0
-12
где ε - электрическая постоянная, равная 8,85·10 Ф/м.
0
0
d
При х=0, мы получаем начальную емкость устройства С=εεS/d.
0
Если придать электродам такого ЭКПЕ начальный заряд возбуждения, подключив его на некоторое время к внешнему источнику постоянного напряжения U, потом отсоединить от источника начального напряжения и начать раздвигать электроды, то напряжение на электродах ЭКПЕ будет равно:
0
d
x
U(x)=U(1+(ε/ε)(x/d)).
N
х
d
Для того чтобы увеличить напряжение в N, необходимо раздвинуть электроды ЭКПЕ на расстояние: x=(N-1) (ε/ε) d.
d
х
d
х
При этом напряжение на ЭКПЕ, которое увеличивается на несколько порядков, может существенно превысить напряжение пробоя между электродами ЭКПЕ и устройство может выйти из строя. Напряжение пробоя U*(x) между электродами ЭКПЕ зависит от электрической прочности диэлектрика Е, его ширины d, электрической прочности вещества, заполняющего пространство между электродами ЭКПЕ Е, и ширины х согласно формуле: U*(x)=d E+х Е. Условие отсутствия пробоя электродов ЭКПЕ будет выглядеть следующим образом:
0
При этом стандартные правила электротехники требуют, чтобы напряжение на ЭКПЕ U(x) всегда было меньше половины напряжения пробоя U*(x). Если диэлектриком, заполняющим пространство между электродами ЭКПЕ, является воздух, электрическая прочность которого составляет около 2 МВ/м, условие пробоя (*) при раздвижении электродов ЭКПЕ наступает очень быстро, не позволяя получать действительно высокое напряжение на электродах ЭКПЕ. В качестве примера рассмотрим ЭГВН, состоящий из пары плоских электродов, разделенных слоем конденсаторной бумаги марки КОН-2 толщиной 4 микрометра, пропитанной конденсаторным маслом, относительная диэлектрическая проницаемость которой составляет примерно 3,5 единицы, а электрическая прочность около 30 МВ/м. Начальное напряжение U на электродах возьмем равным 12 вольтам. Тогда из условия (*) легко можно получить следующее значение для предельного расстояния х, на которое можно раздвинуть электроды ЭКПЕ до наступления пробоя: х=12,7 мкм. Максимальное напряжение до наступления пробоя, достигаемое таким устройством, при этом составит чуть больше 145 вольт, что является пределом для данного ЭГВН.
Для повышения эффективности устройства, уменьшения его размеров и повышения удельной мощности можно использовать специально размещаемый в пространстве между раздвигаемыми электродами диэлектрик с достаточно высокой электрической прочностью, как минимум большей, чем электрическая прочность воздуха. В качестве такого диэлектрика можно использовать или газообразный диэлектрик (например, элегаз), или жидкий диэлектрик (например, конденсаторное или трансформаторное масло), или специальную вставку из твердого диэлектрика (например, выполненную из любого диэлектрического полимера). Наиболее перспективным является использование жидких диэлектриков. Для этого желательно поместить ЭГВН в герметичную оболочку, полностью заполненную жидким диэлектриком, так что при любом положении электродов ЭКПЕ все внутреннее пространство между электродами ЭКПЕ было бы всегда полностью заполнено данным диэлектриком. Например, в качестве такого диэлектрика может использоваться конденсаторное масло, электрическая прочность которого составляет 20-30 МВ/м (диэлектрическая проницаемость равна 2,2). Для описанного выше ЭГВН, использование в качестве диэлектрика конденсаторного масла, полностью заполняющего пространство между электродами ЭКПЕ при любом их положении  относительно друг друга, приводит к тому, что условие работы ЭГВН без пробоя (*) при начальном напряжении 12В выполняется всегда, рост напряжения между электродами ЭКПЕ практически не ограничен. Например, для достижения напряжения 120 кВ, достаточно раздвинуть электроды описанного выше ЭКПЕ на 2,5 см. Напряжение пробоя при таком расстоянии между электродами составит не менее 500 кВ, что является более чем достаточным запасом прочности.
Таким образом, представленное в настоящем изобретении техническое решение, заключающееся в дополнительном использовании диэлектрика с достаточно высокой электрической прочностью, специально размещаемого между раздвигаемыми электродами или частями электродов ЭКПЕ, емкость которого зависит от расстояния между электродами или частями электродов ЭКПЕ, отличается предельной простотой и компактностью и позволяет достигать максимальной эффективности ЭГВН. Причем, в случае использования жидкого или газообразного диэлектрика, во многих случаях такое заполнение образующегося пространства между электродами необходимым диэлектрическим материалом будет происходить автоматически в силу естественной текучести используемого диэлектрического материала.
Для вставок из твердого диэлектрика можно предусмотреть использование специальной кинематической связи с электродами ЭКПЕ, которая будет автоматически приводить в движение данный твердый диэлектрик и вводить его в образующееся пространство между электродами при их отдалении друг от друга, и наоборот, выводить твердый диэлектрик из этого пространства, когда электроды ЭКПЕ движутся в обратном направлении. Вариантов осуществления такой кинематической связи очень много. Также в ЭКПЕ можно использовать любую комбинацию из газообразных, жидких и твердых диэлектрических материалов, описанных выше.
Достигаемые технические результаты.
Во-первых, заявленное техническое решение позволяет значительно увеличить рабочее напряжение, которое при прочих равных условиях способен создавать ЭГВН.
Во-вторых, заявленное техническое решение позволяет повысить надежность ЭГВН и повысить порог (предельное напряжение) электрического пробоя, который может произойти между эго составными частями в процессе эксплуатации ЭГВН.
Дополнительные варианты осуществления изобретения.
Для повышения надежности и эффективности процесса придания ЭКПЕ заряда возбуждения от источника зарядов ЭГВН может дополнительно содержать усилитель энергии и напряжения заряда. Например, таким устройством может быть катушка индуктивности, включаемая в цепь зарядки электродов ЭКПЕ зарядом возбуждения и накапливающая электромагнитную энергию, пропорциональную величине ее индуктивности. Кроме этого, цепь зарядки может содержать электрический вентиль, коммутируемый таким образом, чтобы исключить или сделать минимально возможным электрический ток в направлении, обратном току зарядки электродов ЭКПЕ зарядом возбуждения. Также для формирования более устойчивого и равномерного электрического импульса между электродами ЭКПЕ в цепь коммутации электродов ЭКПЕ с электродами свечи зажигания можно включать индуктивный элемент (например, катушку индуктивности), который будет сглаживать фронт электрического импульса и увеличивать его временной интервал.
Источники информации
1. Копылов И.П. Электрические машины: учебник для бакалавров / под ред. И.П. Копылова - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2912. - 675 с. - Серия: Бакалавр.
2. Фейнман Ричард Ф., Лейтон Роберт Б., Сэндс Мэтью. Фейнмановские лекции по физике. Вып.5: Электричество и магнетизм: Учебное пособие. Пер. с англ. / Под ред. Я.А. Смородинского. Изд. 5-е. М.: Издательство ЛКИ, 2010. - 304 с.