СПОСОБ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
METHOD OF ELECTROMECHANICAL CONVERSION OF POWER

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 потребления 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).
Недостатками способа являются несовершенство известных устройств и низкая выходная мощность, поэтому способ, в основном, применяется в качестве генераторов высокого напряжения, например, в копировальной технике.
7
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, МПК 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 задающего конденсатора и на организацию соответствующих коммутационных операций. Поэтому коэффициент полезного действия этого способа недостаточно высок.
Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия и упрощение процесса преобразования энергии электрического поля в механическую энергию.
Поставленная задача достигается тем, что, поместив в электрическое поле неподвижного (закрепленного на корпусе устройства) заряда два механически связанных между собой одноименно заряженных подвижных тела и поочередно экранируя их от действия поля неподвижного заряда, преобразуют энергию электрического поля системы зарядов в механическую энергию возвратно-поступательного движения подвижных тел, которая может быть использована для выполнения полезной работы. При этом обеспечивается возможность линейного возвратно-поступательного хода экранируемых тел внутри электростатических экранов, механически связанных с неподвижным телом, которые при экранировании перемещают поперек направления действующего между неподвижным и экранируемым подвижным телом электрического поля.
Сущность изобретения состоит в том, что для преобразования энергии совместно используют два известных с давних времен электрических эффекта (приема). Первый - явление электростатического (кулоновского) взаимодействия электрических зарядов и электростатической индукции. Второй - экран (клетка, цилиндр) Фарадея, позволяющий создавать (экранировать) в потоке электрического поля зону, свободную от действия поля (см. Ландсберг Г.С. (ред.). Элементарный учебник физики. Т2. 13-е изд. - М.: Физматлит, 2008. С.24-31, 40-41, 44-48, 71-74, 462; Тэнэсеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике. - М.: Энергия, 1980. С.13-15, Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1967. С.578.).
Согласно эффекту электростатической индукции заряд, помещенный внутри замкнутой проводящей оболочки, вызывает образование индуцированных зарядов, противоположного знака на внутренней и одноименного на внешней поверхности оболочки-экрана. При этом внешнее поле не проникает внутрь тела экрана и поэтому взаимодействует не с зарядом, размещенным внутри пространства экрана, и не с зарядом, индуцированным на внутренней поверхности, а с поверхностным зарядом, находящимся на внешней стороне оболочки-экрана.
Заметим также, что само по себе перемещение экрана перпендикулярно силовым линиям электростатического поля никак не влияет на величину заряда, образующего это поле, и не требует выполнения работы (см. Ландсберг Г.С. (ред.). Элементарный учебник физики. Т2. 13-е изд. - М.: Физматлит, 2008. С.48-58).
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ получения механической энергии отличается иной, более простой и более экономичной технологией преобразования энергии электрического поля в механическую энергию, осуществляемого путем периодического экранирования элементов-источников электрического поля двигателя, без более сложной и затратной операции перезарядки конденсатора и применения соответствующей коммутационной аппаратуры.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна" и "изобретательский уровень".
На рисунке показан пример работы устройства, реализующего предлагаемый способ преобразования энергии, которая заключается в следующем.
Электрическое поле, энергию которого преобразуют в механическую, действует между неподвижным заряженным телом 1 и двумя механически связанными одноименно заряженными подвижными телами 2. Подвижные заряженные тела 2 поочередно экранируют от неподвижного тела электростатическими экранами 3, при этом обеспечивается возможность линейного возвратно-поступательного хода экранируемых тел внутри экранов 3, которые при экранировании перемещают по неподвижным направляющим 4 поперек направления действующего между неподвижным телом 1 и экранируемым подвижным телом 2 электрического поля.
В приведенном варианте подвижные заряженные тела 2 жестко связаны тягой 5, перемещающейся в неподвижных направляющих 6, которые также являются ограничителями рабочего хода связанных тягой 5 подвижных заряженных тел 2.
Экраны 3, являющиеся проводящей поверхностью, достаточной для практически полного экранирования каждого из подвижных заряженных тел 2 от создаваемого неподвижным заряженным телом 1 поля, перемещают перпендикулярно силовым линиям поля, то полностью открывая подвижные тела 2 для силовых линий поля, то полностью экранируя их действие. Экран 3 имеет соответствующий вырез 7, минимально достаточный для свободного (без трения) линейного возвратно-поступательного перемещения в нем тяги 5 и подвижного заряженного тела 2.
В положении полностью открытого подвижного заряженного тела между ним и неподвижным заряженным телом действует кулоновская сила притяжения (отталкивания, при противоположных зарядах), под действием которой подвижное заряженное тело перемещается из дальнего положения в ближнее (или наоборот), одновременно притягивая другое подвижное заряженное тело, движущееся оппозитно внутри своего экрана. При этом поле неподвижного заряженного тела внутрь экрана не проникает и взаимодействует только с индуцированными зарядами, находящимися на внешней проводящей поверхности экрана, а сила этого взаимодействия с одной стороны прикладывается к корпусу экрана и соответствующим неподвижным направляющим, с другой - к опоре неподвижного заряженного тела и таким образом парируется корпусом устройства. Рабочий ход подвижных заряженных тел ограничивается неподвижными направляющими, в которых перемещается тяга связанных подвижных заряженных тел.
В следующем цикле открывается закрытое и закрывается открытое подвижное заряженное тело с зеркальным повторением процесса противоположного направления.
Необходимую силу взаимодействия заряженных тел регулируют изменением величины их заряда любым известным методом, например от источника регулируемого высокого напряжения (на рисунке не показан). При этом все или некоторые заряженные тела могут изготавливаться из моноэлектретов.
Все заряженные тела изолированы друг от друга и других элементов устройства. Для увеличения силы взаимодействия этих тел 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.
Рассмотрим численный пример работы устройства. Пусть заряженные тела представляют собой плоские круглые электроды диаметром 1 м и имеют рабочий ход значительно меньшей длины. В этом случае при оценке действующих сил можно использовать соотношения для плоского конденсатора (см. Ландсберг Г.С. (ред.). Элементарный учебник физики. Т2. 13-е изд. - М.: Физматлит, 2008. С.91-92):
где:
F - сила, действующая между электродами,
q - заряд каждого электрода,
σ - поверхностная плотность заряда электрода,
o
ε - электрическая постоянная,
o
Е - напряженность поля между электродами, Е=σ/ε,
S - площадь каждого электрода.
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.
Вакуумируя устройство, получаем возможность значительно увеличить напряженность поля, примерно в 100 раз, и, соответственно, рабочее усилие до величины порядка 32 Т.
Использование предлагаемого способа преобразования электрической энергии в механическую дает по сравнению с существующими способами следующий технический результат:
позволяет упростить конструкцию электрических двигателей;
экономичнее по сравнению с существующими способами, обладает более высоким коэффициентом полезного действия;
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 приемов кулоновского взаимодействия зарядов, электростатической индукции и экранирования проводника от действия внешнего поля, 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.).