電場集電裝置的製作方法

2023-05-28 08:07:11 2

專利名稱：電場集電裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於發電、配電和輸電設備領域中的發電裝置，其編號為13-01，它是利用帶有半導體二極體的線圈在電場中運動而產生電勢差來獲得電能的發電裝置，適用於機械能轉化為直流電能等方面，同時也適用於較少的、不穩定的機械能轉化為直流電能方面。
現有的機械能轉化為直流電能裝置，通常採用磁場能來實現機械能轉化為交流電能，再通過換向器或半導體整流設備來獲得直流電。如果利用換向器作整流設備，因其利用轉動來達到換向目的，同時其位置受到空間的限制，因此造成其結構複雜、價格昂貴、工作可靠性差；如果利用半導體作整流設備，因半導體二極體的PN結反向擊穿電壓和濾波裝置中電容極板間擊穿電壓皆不大，則難以實現即要求工作可靠性好，又要求製造成本低的目的。
本發明的目的是提供一種不採用磁場能而採用電場能作原始能量，並用其把機械能直接轉化為直流電能的裝置。它不但能高效地把機械能轉化為電能，而且也給外負載提供一種可靠的、穩定的直流電源，同時，與其它直流電源裝置相比，還可以達到減少工藝、降低成本的目的。
本發明的特徵是利用線圈中導體的離電子在受到電場力的作用下向各自受力方向移動，實現線圈中導體的離電子分離，同時也利用起著逆止閥作用的半導體二極體來使離電子沿著規定方向作有序的分離。當線圈導體受到內腔電場力作用時，導體中因受其影響而形成的內部電場則由零迅速上升，最後與內腔電場平衡；當線圈置於內腔電場並轉動時，線圈導體中的內部電場與內腔電場之間的平衡就遭到破壞，促使導體中的離電子在半導體二極體作用下源源不斷地沿著各自集電環的方向有序地輸送，即在兩個集電環上分別集居著正電荷和負電荷，因此在兩個集電環間就形成了輸出電場，即電勢差。其值可根據E=V/D(其中E為電場強度；V為電勢差；D為兩電勢之間的距離)式導出集電環間的電勢差，經推導得v=μo×εoεγ×N×(E-Ep)×R×(k×n)/π×τ其中v為集電環間的電勢差；μo為機械能利用係數；εoεγ為線圈間電介質的電介常數；N為線圈匝數；E為線圈導體處的內腔電場強度；EP為半導體二極體PN結的電場強度；R為線圈導體中移動正負電荷中心之間的平均距離；k為電容器組極對數；n為轉子的轉速(轉/秒)；π為圓周率；τ為離電子移動時間利用係數；從式中和試驗情況可知其可以從下列幾個方面來獲得理想的輸出功率。
1、增加本發明電場集電裝置線圈導體處的內腔電場強度；(1)、由於電場強度與單位電荷量成正比，而單位電荷量對加在電容上的電壓成正比。因此，升高電容器組極板間的電壓可增加單位面積的電荷量，但極板間的電壓不可大於電容的額定電壓。同時根據電偶極子的電場強度E=Pe/(4Or3)(3COS2+1)]]>(其中Pe為電偶極子的電距；r為電偶極子至測試點的距離；θ為測試點和電偶極子中心點所連接的線與電偶極子之間的夾角；其它同上)和場強疊加原理，可採用增加電容器中極板對數和極板間採用鐵電體、非鐵電體等兩種電介常數相差較大的電介質材料且間隔放置於電容器的極板間，使正(負)電偶極子電距遠大於負(正)電偶極子電距，見電容器電偶電距分解示意圖如圖5所示，其達到增加線圈導體處的內腔電場強度的目的；(2)、由於
(其中q為極板上的電荷量；其它同上)和
為極板間的距離；其它同上)，因此，減少線圈到電容器中極板的距離和縮小電容器中極板間的距離
，皆可增加線圈導體處的內腔電場強度；(3)、在等勢體上，電荷面密度和曲率半徑成反比，即曲率半徑愈小(或曲率愈大)，電荷面密度愈大。利用這規律，可以根據電容器極板距線圈的遠近，製造成不同曲率半徑和粗糙度的同極極板，這樣可使電容器組中同一種電荷重新進行分布，達到增加線圈導體處的內腔電場強度的目的；(4)、由於電容器極板上總的電荷量q與極板的面積成正比，因此，增加極板的面積，也就是說增加了電容器固定架的直徑，也可增加線圈導體處的內腔電場強度；2、增加線圈導體中的旋轉電場強度；(1)、提高電場集電裝置的轉子轉速，可加大線圈導體中的旋轉電場強度，同時，也提高了離電子移動時間的利用係數。在轉速一定的條件下用下列方法可達到增加線圈導體中的旋轉電場強度的目的；①用1中的方法來增加線圈導體處的內腔電場強度；②加大線圈的寬度(或轉子半徑)，即可增加正負電荷中心的平均直徑；③在線圈間加入鐵電體等電介常數高的電介質材料；④增加電場集電裝置內腔的電容器組極對數，其中每極對數皆包括正向電容器和負向電容器等結構；(2)、在線圈半導體二極體之間的導線上接入一根擴大集電量的線板，即加大了半導體二極體PN結間導體受到內腔電場作用的面積，其不但起到增加正負電荷中心間的平均直徑作用，而且也增大了單位時間內通過半導體二極體PN結的平均電荷量，同時，也提高了離電子移動時間的利用係數；①增加轉子的長度，即增加了線板的長度，也就是說增加了線板受到內腔電場作用的面積；
②增加轉子線板的寬度可增加線板受到內腔電場作用的面積；(3)、採用PN結處電場強度比較小的半導體二極體，即採用正嚮導通電壓較小的半導體二極體；3、增加線圈的匝數，可提高集電環間的電勢差；4、降低轉子與定子之間的摩擦力(或摩擦係數)，可提高機械能利用係數；5、由於i=V/(R內+R外)，A=i×R外，其中i為電流；V為電勢差；R內為電場集電裝置內阻；R外為外電路的總電阻；A為輸出功率。因此，要想獲得在一定電勢差的情況下輸出較大的功率，可採用降低電場集電裝置中線圈內阻R內來實現，對於本發明來說，主要的內阻R內是半導體二極體中PN結的導通電阻，根據半導體二極體中PN結的導通特性得當線圈的旋轉電場強度等於半導體二極體反向工作峰值電壓在PN結處所形成的電場強度時，則導通電阻值最小。因此，在運行中，儘量使旋轉電場強度接近於或等於半導體二極體反向工作峰值電壓在PN結處所形成的電場強度。同時，也採用PN結面積較大的半導體二極體。
據本發明的特徵，可根據發電裝置型號規格，製造出實用型的電場集電裝置，此裝置比磁式直流發電裝置工藝簡單，製造成本低，同時，工作性能可靠，可適用於使用直流電的各種場合。
下面將結合試驗模型的特例附圖對本發明作進一步詳細的說明本試驗模型的特例是以定子為電容器組，轉子為線圈，並電容器組只選擇一極對的電容器組，即該電容器組有正向電容器和負向電容器等結構組成的電場集電裝置。


圖1是本發明一種具體結構的縱向剖面示意圖；圖2是本發明一種具體結構的橫向剖面示意圖；圖3是本發明一種具體結構中轉子線圈展開示意圖；圖4是本發明一種具體結構中電容器內部剖面示意圖；圖5是本發明一種具體結構中正(負)電容器電偶電距分解示意圖。
參照圖1、圖2，該裝置由定子(Ⅰ)、轉子(Ⅱ)和集電環(Ⅲ)等組成。
定子(Ⅰ)是由兩個弧形電容器(1)和固定架(2)組成，電容器(1)不同於普通電容器，其區別在於該電容器的電介質是由電介常數相差較大的鐵電體材料(3)和非鐵電體材料(4)等兩種電介質材料組成，這兩種電介質材料分別與電容器的極板(5)間隔放置，且電容器中每塊同一極性的極板(5)的曲率半徑和粗糙度都不相同，其結構示意圖如圖4所示，這種電容器的作用在於當電容器組(1)接上相應電源時，內腔線圈導體上(6)、(8)能獲得較大的內腔電場強度；轉子(Ⅱ)是由線圈、電介質材料(9)和軸承(10)等組成，其結構示意圖如圖1、圖2所示，線圈包括漆包導線(6)、半導體二極體(7)、漆包線板(8)等結構組成，線圈展開示意圖如圖3所示，半導體二極體(7)是起著逆止閥作用的大電流低導通電壓的兩個半導體二極體(7)，這兩個半導體二極體(7)相互對稱的連接在線圈中每圈漆包導線(6)上；漆包線板(8)與漆包導線(6)相互導通，它接於兩個半導體二極體(7)之間，並接成與漆包導線(6)相互垂直，漆包線板(8)主要起著擴大集電量的作用；線圈周圍允填著鐵電體等電介常數高的電介質材料(9)，其作用主要是提高線圈導體中的內部電場強度，從而達到提高旋轉電場強度的目的。當外力拖動轉子(Ⅱ)轉動時，導體(6)、(8)中可獲得較大的旋轉電場強度，同時，也增加線圈導體中離電子的分離量；集電環(Ⅲ)布置於轉子(Ⅱ)的兩端，集電環(Ⅲ)還裝有電刷(11)等零配件，它們的作用在於把電場集電裝置發出的電能輸送給外負載；電場集電裝置的其它結構與交流發電裝置相似。
在試驗模型的特例電場集電裝置的電容器組(1)中極板(5)上相應接入直流電源的極性，則在該裝置內腔便形成內腔電場，處在內腔中的線圈漆包導線(6)和漆包線板(8)將受到內腔電場力的作用，使線圈中漆包導線(6)和漆包線板(8)上的離電子分離，在線圈導體中逐步形成與該裝置內腔電場方向相反的內部電場，當線圈導體中的內部電場與內腔電場平衡時，線圈中導體(6)、(8)的總電場強度為零，說明漆包導線(6)和漆包線板(8)上的離電子不再分離。當電場集電裝置的轉子(Ⅱ)在外力作用下轉動時，由於線圈導體中的內部電場方向始終保持與內腔電場方向相反，因此，在轉子(Ⅱ)轉動過程中，線圈導體中的內部電場與內腔電場的平衡就遭到破壞，線圈導體中的內部電場強度就小於平衡時的內部電場強度，說明線圈中導體(6)、(8)的總電場強度不為零，同時，這個值總是沿著一個方向運動，現叫其為旋轉電場。若旋轉電場的方向與半導體二極體(7)中PN結的電場方向相同，則增加了半導體二極體(7)中PN結的電場強度，阻止線圈漆包導線(6)和漆包線板(8)的離電子通過，即集電環(Ⅲ)間的電勢差為零或很小；若旋轉電場方向與半導體二極體(7)中PN結的電場方向相反，則旋轉電場強度就削弱了半導體二極體(7)中PN結的電場強度，甚至超過半導體二極體(7)中PN結的電場強度，當旋轉電場強度大於半導體二極體(7)中PN結的電場強度時，線圈中的漆包導線(6)和漆包線板(8)的離電子就能較順利地穿過半導體二極體(7)中PN結，使其離電子分離，加之，半導體二極體(7)中PN結具有單向導通性，即它在線圈中起到逆止閥作用，則避免了導體(6)、(8)上分離後的離電子在轉子(Ⅱ)轉動過程中重新結合。它隨著轉子(Ⅱ)的不斷轉動，則源源不斷地在轉子(Ⅱ)的兩端集電環(Ⅲ)上分別集居著正向電荷和負向電荷，遂漸加大集電環(Ⅲ)間的輸出電場強度，直至旋轉電場與輸出電場平衡。當與外電路聯接時，用戶負載則可以獲得比較穩定地輸出功率。
權利要求
1.一種不採用磁場能而採用電場能作原始能量來把機械能轉化為直流電能的電場集電裝置，本發明的特徵是利用線圈中導體的離電子受到電場力的作用下沿著各自方向移動，同時也利用起著逆止閥作用的半導體二極體來達到導體離電子沿著規定方向有序的分離，其分離後兩瑞集電環上的電勢差V可用v=μo×εoεγ×N×(E-EP)×R×(k×n)/π×τ計算出其值，並從上式中可知獲得理想輸出功率的方法；
2.按權利要求1規定的電場集電裝置，其特徵是半導體二極體為大電流低電壓並且PN結的電場強度較小的PN結管；
3.按權利要求1規定的電場集電裝置，其特徵是導體是由漆包導線(6)和漆包線板(8)構成，並其互相導通和垂直；
4.按權利要求1規定的電場集電裝置，其特徵是電容器中採用鐵電體、非鐵電體等兩種電介常數相差較大的電介質材料並間隔放置於極板間，同時在電容器中同一極性極板上採用不同曲率半徑和不同的粗造度的極板；
5.按權利要求1規定的電場集電裝置，其特徵是線圈採用有導線、半導體二極體、線板等零配件組成；
6.按權利要求1規定的電場集電裝置，其特徵是線圈周圍充填著鐵電體等較大電介常數的電介質材料；
7.按權利要求1規定的電場集電裝置，其特徵是在線圈中同一側的半導體二極體可做成多極引出線的半導體集合體；
8.按權利要求1規定的電場集電裝置，其特徵是線圈線可做成半導體的集合線。
全文摘要
本發明提供一種採用電場能作原始能量,並用此把機械能轉化為直流電能的電場集電裝置,其屬於發電、配電、輸電設備領域,適用於機械能轉化為直流電能方面。當帶有半導體二極體的線圈(導體)在電場中且平行電場方向旋轉時,線圈中導體的離電子在受到電場力作用下,沿著各自受力方向移動和線圈導體上的半導體二極體具有單向導通性,促使線圈中導體的離電子沿著規定的方向移動,在集電環上便形成了電勢差。
文檔編號H02N1/00GK1231540SQ9810716
公開日1999年10月13日 申請日期1998年4月3日 優先權日1998年4月3日
發明者莫福榮 申請人:莫福榮