Процесс преобразования энергии в электрических машинах
Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели . Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели — для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.
В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции — паровой турбиной, на гидроэлектростанции — водяной турбиной.
Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.
Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.
Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразования энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со своими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Индуктор создает в машине магнитное поле . В обмотке якоря индуцируется э. д. с. и возникает электрический ток. При взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.
Об осуществлении в электрической машине энергопреобразовательного процесса
Из основных электроэнергетических теорем Пуанкаре и Баркгаузена вытекают следующие положения:
1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии возможно только в том случае, если электрическая энергия является энергией переменного электрического тока;
2) для осуществления процесса такого энергопреобразования необходимо, чтобы в системе электрических контуров, предназначаемых для этой цели, была либо изменяющаяся электрическая индуктивность, либо изменяющаяся электрическая емкость,
3) для осуществления преобразования энергии переменного электрического тока в энергию постоянного электрического тока, необходимо, чтобы в предназначаемой для этой цели системе электрических контуров имелось изменяющееся электрическое сопротивление.
Из первого положения следует, что механическая энергия может преобразоваться в электрической машине только в энергию переменного электрического тока или обратно.
Кажущееся противоречие этого утверждения с фактом существования электрических машин постоянного тока разрешается тем, что в «машине постоянного тока» мы имеем двустадийное преобразование энергии.
Так, в случае электромашинного генератора постоянного тока мы имеем машину, в которой механическая энергия преобразуется в энергию переменного тока, а эта последняя, вследствие наличия особого устройства, представляющего собой «изменяющееся электрическое сопротивление», преобразуется в энергию постоянного тока.
В случае электромашинного двигателя процесс идет, очевидно, в обратном направлении: подводимая к электромашинному двигателю энергия постоянного электрического тока преобразуется посредством упомянутого изменяющегося сопротивления в энергию переменного электрического тока, а последняя — в энергию механическую.
Роль упомянутого изменяющегося электрического сопротивления выполняет «скользящий электрический контакт», который в обычной «коллекторной машине постоянного тока» состоит из «электромашинной щетки» и «электромашинного коллектора», а в «униполярной электрической машине постоянного тока» из «электромашинной щетки» и «электромашинных контактных колец».
Так как для создания в электрической машине процесса энергопреобразования необходимо наличие в ней или «изменяющейся электрической индуктивности», или «изменяющейся электрической емкости», то электрическую машину можно выполнить либо на принципе электромагнитной индукции, либо на принципе электрической индукции. В первом случае получаем «индуктивную машину», во втором — «емкостную машину».
Емкостные машины не имеют пока практического значения. Применяемые в промышленности, на транспорте и в быту электрические машины представляют собой индуктивные машины, за которыми на практике укоренилось краткое наименование «электрическая машина», являющееся, по существу, более широким понятием.
Принцип действия электрического генератора.
Простейшим электрическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис. 1, а). В этом генераторе виток 1 представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3.
Рис. 1. Принципиальные схемы простейших генератора (а) и электродвигателя (б)
При вращении витка с некоторой частотой вращения n его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Ф и в каждом проводнике индуцируется э. д. с. е. При принятом на рис. 1, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно правилу правой руки направлена от нас, а э. д. с. в проводнике, расположенном под северным полюсом, — к нам.
Если подключить к обмотке якоря приемник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электрический ток I. В проводниках обмотки якоря ток I будет направлен так же, как и э. д. с. е.
Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле приходится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). При прохождении тока i по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый проводник действует электромагнитная сила F.
При указанном на рис. 1, а направлении тока согласно правилу левой руки на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная влево, а на проводник, расположенный под северным полюсом, — сила F, направленная вправо. Указанные силы создают совместно электромагнитный момент М, направленный по часовой стрелке.
Из рассмотрения рис. 1, а видно, что электромагнитный момент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, направлен в сторону, противоположную вращению проводников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора.
Для того чтобы предотвратить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент Мвн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электромагнитного момента М, созданного током нагрузки генератора.
Следовательно, для продолжения нормальной работы генератора к нему необходимо подводить извне механическую энергию — вращать его якорь каким-либо двигателем 5.
При отсутствии нагрузки (при разомкнутой внешней цепи генератора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе.
При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Рэл, увеличиваются ток I, проходящий по проводникам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механическая мощность Рмх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.
Таким образом, чем больше электрической энергии потребляется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного генератора, тем больше механической энергии забирает он от вращающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.
Из рассмотренных выше условий работы электрического генератора следует, что характерным для него является:
1. совпадение по направлению тока i и э. д. с. в проводниках обмотки якоря. Это указывает на то, что машина отдает электрическую энергию;
2. возникновение электромагнитного тормозного момента М, направленного против вращения якоря. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.
Принцип действия электрического двигателя.
Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток 1 (рис. 1,б), расположенный на якоре 3, который вращается в магнитном поле полюсов 2. Проводники витка образуют обмотку якоря.
Если подключить виток к источнику электрической энергии, например к электрической сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток I. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы F.
При указанном на рис. 1, б направлении тока на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом,— сила F, направленная влево. В результате совместного действия этих сил создается электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой n . Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством 7 (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приводить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент Мвн, создаваемый этим устройством, будет направлен против электромагнитного момента М.
Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, работающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направление которой определяется но правилу правой руки. Следовательно, при указанном на рис. 1, б направлении вращение э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Из рис. 1, б видно, что э. д. с. е, индуцированные в каждом проводнике, направлены против тока i, т. е. они препятствуют его прохождению по проводникам.
Для того чтобы ток i продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель продолжал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напряжение U, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. Е, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходимо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.
При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, приложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внешнего источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.
При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электродвигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдаваемой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает автоматически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.
Из рассмотренных выше условий работы электрического двигателя следует, что характерным для него является:
1. совпадение по направлению электромагнитного момента М и частоты вращения n. Это характеризует отдачу машиной механической энергии;
2. возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с., направленной против тока i и внешнего напряжения U. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.
Принцип обратимости электрических машин
Рассматривая принцип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего.
Процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнитных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током.
Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.
Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электродвигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин . Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.
Рис. 2. Направление э. д. с. Е, тока I, частоты вращения якоря n и электромагнитного момента М при работе электрической машины постоянного тока в двигательном (а) и генераторном (б) режимах
Для выяснения этого положения рассмотрим работу электрической машины постоянного тока при различных условиях. Если внешнее напряжение U больше суммарной э. д. с. E. во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток I будет проходить в указанном на рис. 2, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую.
Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения U, то ток I в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 2, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электромагнитного момента М, который будет направлен против частоты вращения n . Совпадение по направлению э. д. с. Е и тока I означает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление тормозного электромагнитного момента М говорит о том, что она должна потреблять извне механическую энергию.
Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводниках обмотки якоря, становится больше напряжения сети U, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при E < U машина работает двигателем, при E >U — генератором.
Перевод электрической машины из двигательного режима в генераторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение U источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. E в обмотке якоря.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
RU2182398C2 — Способ электромеханического преобразования энергии (варианты) — Google Patents
Publication number RU2182398C2 RU2182398C2 RU98122340A RU98122340A RU2182398C2 RU 2182398 C2 RU2182398 C2 RU 2182398C2 RU 98122340 A RU98122340 A RU 98122340A RU 98122340 A RU98122340 A RU 98122340A RU 2182398 C2 RU2182398 C2 RU 2182398C2 Authority RU Russia Prior art keywords plates capacitor electric electric field energy Prior art date 1998-12-04 Application number RU98122340A Other languages English ( en ) Other versions RU98122340A ( ru Inventor В.Д. Дудышев С.Ю. Завьялов Original Assignee Дудышев Валерий Дмитриевич Завьялов Станислав Юрьевич Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 1998-12-04 Filing date 1998-12-04 Publication date 2002-05-10 1998-12-04 Application filed by Дудышев Валерий Дмитриевич, Завьялов Станислав Юрьевич filed Critical Дудышев Валерий Дмитриевич 1998-12-04 Priority to RU98122340A priority Critical patent/RU2182398C2/ru 2001-08-27 Publication of RU98122340A publication Critical patent/RU98122340A/ru 2002-05-10 Application granted granted Critical 2002-05-10 Publication of RU2182398C2 publication Critical patent/RU2182398C2/ru
Links
Images
Abstract
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, т.е. режима наивысшей экономии электроэнергии при ее минимальном нагреве. 5 с. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Description
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. Электротехнический справочник. М., 1980 г.)
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 150 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. Вследствие высоких теплоэлектрических Джоулевых 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, например при наиболее распространенных мощностях машин от 5 до 40 кВт кпд индуктивных электрических машин не превышает 70-75%.
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. А.И. Бертинова «Специальные электрические машины», M., 1982 г).
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.352).
Широко известны явление силового взаимодействия электрических зарядов и закон Кулона, устанавливающий количественные характеристики этого силового взаимодействия. (Физический Энциклопедический Словарь. M., 1984 г., с.334).
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! (кн. С.Г. Калашникова «Электричество», учебник для университетов) М.: «Наука», 1985 г., с.17).
Главная проблема использования данных электрических сил для электромеханического преобразования энергии состоит в создании и удержании электрических зарядов и электрических диполей во взаимодействующих телах.
Предпосылкой к созданию настоящего изобретения явился значительный прогресс в конце 20 века в области электроизоляторов, диэлектриков, бестоковых источников электрического поля /электретов/ и бесконтактных регулируемых высоковольтных преобразователей напряжения (информация о электретах см. кн. Лущейкина Г.А. «Полимерные электреты», M., 1976 г., о высоковольтных бесконтактных преобразователях напряжения — см., кн. «Высокочастотные транзисторные преобразователи» Авторы: Э.М. Ромаш и др. М., 1988 г.)
Кроме этого, уже известен способ преобразования энергии путем перемещения тела, являющегося источником электрического поля, относительно обкладок конденсатора (см. пат. Японии JP 2-219478).
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.
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.1-6.
Перечень элементов устройств
1. Подвижное тело-источник электрического поля (моноэлектрет) или другой потенциальный носитель (накопитель) электрического заряда. На фиг.2 позицией 1-1 обозначено отверстие для вылета электрета 1, а на фиг.4 позицией 1-2 обозначена упрочняющая основа электрета — металлическая часть поршня электромобиля нового поколения, на основе данной линейной электретной машины.
2. Неподвижный накопитель электрических зарядов — рабочий электрический конденсатор. На фиг.1 — это поверхность; на фиг.2, 3; — обкладки плоских конденсаторов; на фиг. 5 — обкладки трех цилиндрических конденсаторов (2-1; 2-2; 2-3); на фиг.6 -множество n-плоских пластин конденсаторов.
3. Электроизолирующая прокладка.
4. Электрическая нагрузка (в генераторном режиме) или источник электрических зарядов в двигательном режиме.
5. Заземление.
6. Источник электроэнергии, например аккумуляторная батарея или многофазная сеть переменного тока (фиг.5, 6).
7. Накопительный импульсный конденсатор.
8. Быстродействующий переключатель — коммутатор (циркулятор зарядов).
На фиг.5 он показан подробнее для 3-фазного варианта: состоит из 6 полностью управляемых быстродействующих ключей к1-к6, схемы управления 8-1, включающей измеритель фазового сдвига тока и напряжения, нуль-орган, датчик мгновенного тока 8-2 и датчик напряжения 8-3.
9. Полупроводниковый преобразователь частоты с регулированием амплитуды и частоты выходного напряжения; 9-1 — схема управления.
На фиг.4 он двухфазный, на фиг.5, 6 многофазный.
10. Вакуумированная рабочая камера электромеханического преобразователя.
11. Корпус рабочей камеры.
12. Герметизирующие прокладки.
13. Шток поршня (ротора возвратно-поступательной электромашины).
14. Проходные электроизоляторы.
15. Вал вращающейся электрической машины.
16. Датчик скорости (вращения, передвижения) ротора 1.
17. Электретные вставки.
18. Защитное диэлектрическое покрытие.
Перечень устройств для реализации способа, показанных на фиг.1-6.
На фиг.1 показан простейший вариант реализации нашего способа для получения электроэнергии путем перемещения источника электрического поля (моноэлектрета) относительно первоначально незаряженной поверхности. На фиг. 2 проиллюстрирован простым устройством вариант способа преобразования энергии электрического поля в механическую энергию (кинетическую) поступательного однонаправленного ускоренного движения электрета.
На фиг. 3 показан простейший электромеханический маятник, преобразующий энергию электрического поля пластин заряженного конденсатора в возвратно-поступательные движения подвешенного металлического груза, показано то же устройство с ротором в виде металлического цилиндра. На фиг.4 показан вариант осуществления способа в устройстве регулируемой линейной электретной машины возвратно-поступательного действия, работающей в обратимых режимах.
На фиг. 5 показано устройство, реализующее новый обратимый способ преобразования электромеханической энергии для случая вращающегося электрического поля и вращения в нем электретного ротора. 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, т.е. 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.
Примечание: Способ принудительной циркуляции токов в многофазных индуктивных электрических машинах запатентован в а.с. СССР 1372464; 1389634.
На фиг. 6 показан монорельсовый многофазный линейный электретно-конденсаторный двигатель, позволяющий осуществить эффективное передвижение ее электретного ротора, жестко соединенного с вагоном-тележкой для груза и пассажиров, и одновременно его левитацию относительно сегментно-электретного монорельса.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ (фиг.1-6)
Получение электроэнергии (фиг.1)
Простейший электромеханический преобразователь (фиг.1) наглядно реализует предложенный способ и работает следующим образом: при движении электрета 1 относительно токопроводящей плоскости 2 в последней наводится электрическая электродвижущая сила, величина которой пропорциональна скорости движения электрета, напряженности его электрического поля, а также площади этой плоскости, поэтому в нагрузке 4 в эти моменты времени будет протекать ток знакопостоянный при одном направлении движения электрета 1 и знакопеременный при его возвратно-поступательном движении, в результате излишек электрических зарядов уйдет по цепи нагрузки в заземление 5.
Однонаправленное ускоренное движение электрета (фиг.2)
Вариант однонаправленного ускоренного вылета электрета 1 из плоского конденсатора 2 при зарядке его пластин приведен на фиг.2. По существу, это устройство позволяет преобразовать энергию электрического поля в механическую энергию движения электрета. Действительно, по мере заряда левой пластины 2-1 конденсатора 2, ближайшей к первоначально неподвижному электрету 1, возрастает сила электрического отталкивания одноименных электрических зарядов, после компенсации силы трения электрет начнет удаляться от пластины 2-1 к пластине 2-2, причем при высокой скорости нарастания заряда на этой пластине, реализуемой импульсным конденсатором 7, возникает скачкообразный вылет электрета 1 через сквозное отверстие 1-1 в противоположной пластине конденсатора 2-2. Естественно, ускорение и скорость вылета зависят от соотношения между массой тела и электрическими силами отталкивания одноименных зарядов электрета и пластины 2-1. Поэтому для наибольшей эффективности такого выстрела необходимо перезарядить или хотя бы разрядить пластины конденсатора 2 в момент пролета электрета 1 через отверстие 1-1 для предотвращения гашения его скорости вследствие электрического притяжения пластиной 2-2. Этот режим реализует переключатель 8 в функции положения электрета относительно пластины 2-2.
Простейший способ возвратно-поступательного колебания ротора-проводника в электрическом поле плоского конденсатора (фиг.3)
Данное устройство осуществляет электромеханическое преобразование энергии электрических полей конденсатора 2 и наведенного заряда на подвижном шаре 1 из электрета в механическую энергию колебаний шара из электрета 1.
Вначале подвижный металлический шар 1 начинает периодические возвратно-поступательные колебания между пластинами 2-1 и 2-2 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.4)
Состав устройства (фиг.4) приведен выше (перечень обозначений элементов).
Устройство реализует способ в обратимых режимах и обладает высокими энергетическими показателями. Устройство работает следующим образом:
а) двигательный режим
В исходном положении электретный ротор 1, запрессованный на упрочняющую основу 1-2, вначале устанавливают в одном из крайних положений рабочей камеры 10, например в крайнем левом положении. После подачи высокого напряжения на левую пластину конденсатора 2-1 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 2-2, 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 2-1.
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.
б) генераторный режим
Устройство позволяет получить электроэнергию вследствие электромеханического преобразования механической энергии движущегося источника электрического поля относительно накопителя зарядов — конденсатора.
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.5).
На фиг.5, показано устройство оригинального электропривода, позволяющее реализовать способ в обратимых режимах при вращении ротора 1 в трехфазном электрическом поле, образованном пространственно сдвинутыми статорными конденсаторами 2, причем коммутатор 8 обеспечивает непрерывную циркуляцию электрических зарядов по фазным обкладкам конденсаторов 2, что снижает потребление электроэнергии из сети 6. 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.
Устройство работает следующим образом:
а) двигательный режим
При подаче трехфазного переменного напряжения от высоковольтной сети, например 6 кВ, на пространственно сдвинутые обкладки статорных конденсаторов 2, укрепленных на электроизоляторах 3, в зазоре 10 создают регулируемое вращающееся электрическое поле, которое постепенно с нарастанием частоты вращения поля увлекает за собой электретный ротор 1 синхронно с частотой вращения вектора электрического поля под действием Кулоновского силового взаимодействия гетероэлектретного ротора и соответствующей заряженной обкладки конденсатора. 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 2-1 ключ К1 размыкают от сети 6, но замыкают ключ К4. Сигнал на такое переключение вырабатывает нуль-орган, входящий в состав схемы управления коммутатором 8-1 вместе с датчиками тока 8-2 и напряжения 8-3. Тогда ключами К1-К3 остается лишь компенсировать Джоулевые тепловые потери электрической машины. В результате кпд такой машины приближается к 100%.
Регулирование скорости ротора осуществляют изменением частоты и амплитуды выходного напряжения с блока 8 в функции датчика скорости 16.
б) генераторный режим
В этом режиме электретный ротор 1 принудительно вращают через вал 15.
На обкладка 2-1,2,3 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.
В связи с высокой напряженностью электрического поля существующих электретов (порядка 10-15 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.6)
Оригинальный вариант реализации предлагаемого способа показан на фиг.6 в виде многофазного линейного электретно-емкостного двигателя поступательного движения с электретной подвеской относительно монорельса.
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.6 не показан), на изоляторе 3 монорельса поочередно-последовательно с обкладками конденсаторов 2 размещены моноэлектреты 17 одноименной полярности с электретом 1.
Для предотвращения повреждения пластин конденсаторов 2 и электретных прокладок 17 сверху их покрывают специальным диэлектрическим покрытием 17.
а) двигательный режим устройства
Сущность работы такой линейной электрической машины в двигательном режиме состоит в создании бегущего с определенной скоростью отрицательного электрического заряда и электрического поля по обкладкам конденсаторов 2 от преобразователя 9, который притягивает и увлекает за собой электретный ротор 1 вследствие воздействия на него мощных Кулоновских сил притягивания заряженных пластин конденсаторов 2. 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. 5), циркулятором заряда — коммутатором 8 — путем перекачки электрических зарядов с предыдущей на последующую пластину конденсаторов 2 последовательно с фазы на фазу по мере передвижения ротора 1 вдоль монорельса. 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.
б) генераторный режим устройства
Данное устройство можно эффективно использовать для получения электроэнергии, например, в оригинальных ветроустановках, в виде огромного монорельсового кольца, с периметром, например, не менее 1 км, установленного в зоне устойчивых ветров, например на побережье океана.
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).
Claims ( 10 )
1. 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.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что силу взаимодействия заряженных обкладок конденсатора с подвижным телом регулируют изменением величины заряда обкладок.
3. 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.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что скорость вылета моноэлектрета регулируют величиной электрического заряда на обкладках конденсатора.
5. Способ по п. 3 или 4, отличающийся тем, 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.
6. 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.
7. 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.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что зазор электрической машины вакуумируют или заполняют инертным газом с высокой диэлектрической проницаемостью.
9. Способ по п. 7 или 8, отличающийся тем, что регулируют скорость и момент ротора путем изменения частоты, амплитуды и фазы напряжения на статорных неподвижных обкладках конденсаторов.
10. 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.
RU98122340A 1998-12-04 1998-12-04 Способ электромеханического преобразования энергии (варианты) RU2182398C2 ( ru )
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98122340A RU2182398C2 ( ru ) | 1998-12-04 | 1998-12-04 | Способ электромеханического преобразования энергии (варианты) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98122340A RU2182398C2 ( ru ) | 1998-12-04 | 1998-12-04 | Способ электромеханического преобразования энергии (варианты) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU98122340A RU98122340A ( ru ) | 2001-08-27 |
| RU2182398C2 true RU2182398C2 ( ru ) | 2002-05-10 |
Family
ID=20213256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98122340A RU2182398C2 ( ru ) | 1998-12-04 | 1998-12-04 | Способ электромеханического преобразования энергии (варианты) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU ( 1 ) | RU2182398C2 ( ru ) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2458451C1 ( ru ) * | 2011-04-12 | 2012-08-10 | Владимир Андреевич Степанец | Способ электромеханического преобразования энергии |
| RU2471283C1 ( ru ) * | 2011-04-28 | 2012-12-27 | Владимир Андреевич Степанец | Способ электромеханического преобразования энергии и электростатический емкостный двигатель на его основе |
| RU2537991C1 ( ru ) * | 2013-11-06 | 2015-01-10 | Николай Иванович Кузин | Силовая установка |
| RU2579764C1 ( ru ) * | 2015-01-27 | 2016-04-10 | Владимир Викторович Фортов | Способ получения импульса силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов |
| CN106771676A ( zh ) * | 2017-01-27 | 2017-05-31 | 中国计量大学 | 基于电致伸缩材料和驻极体材料构造的电场传感器探头 |
| RU2668233C1 ( ru ) * | 2017-08-30 | 2018-09-27 | Владимир Викторович Фортов | Устройство для получения силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов |
- 1998
- 1998-12-04 RU RU98122340A patent/RU2182398C2/ru active
Cited By (6)
* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title RU2458451C1 ( ru ) * 2011-04-12 2012-08-10 Владимир Андреевич Степанец Способ электромеханического преобразования энергии RU2471283C1 ( ru ) * 2011-04-28 2012-12-27 Владимир Андреевич Степанец Способ электромеханического преобразования энергии и электростатический емкостный двигатель на его основе RU2537991C1 ( ru ) * 2013-11-06 2015-01-10 Николай Иванович Кузин Силовая установка RU2579764C1 ( ru ) * 2015-01-27 2016-04-10 Владимир Викторович Фортов Способ получения импульса силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов CN106771676A ( zh ) * 2017-01-27 2017-05-31 中国计量大学 基于电致伸缩材料和驻极体材料构造的电场传感器探头 RU2668233C1 ( ru ) * 2017-08-30 2018-09-27 Владимир Викторович Фортов Устройство для получения силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов Similar Documents
Publication Publication Date Title CA2284188C ( en ) 2002-01-29 High efficiency alternating and direct current electrostatic motor US20140175941A1 ( en ) 2014-06-26 Variable capacitive electrostatic machinery with macro pressure-gap product Otsubo et al. 1997 Dielectric fluid motors WO2006102444A1 ( en ) 2006-09-28 Energy converter utilizing electrostatics EA007416B1 ( ru ) 2006-10-27 Преобразователь крутящего момента и система, использующая преобразователь крутящего момента US10554151B2 ( en ) 2020-02-04 Pulse-train drive system for electrostatic generators and motors Niino et al. 1993 High-power and high-efficiency electrostatic actuator RU2182398C2 ( ru ) 2002-05-10 Способ электромеханического преобразования энергии (варианты) RU2471283C1 ( ru ) 2012-12-27 Способ электромеханического преобразования энергии и электростатический емкостный двигатель на его основе EP2845291A2 ( en ) 2015-03-11 Electrostatic machine KR100975326B1 ( ko ) 2010-08-12 분할 코일부를 갖는 회전원반과 분할 자석체를 갖는고정판에 의한 발전장치 Mognaschi et al. 1990 Asynchronous dielectric induction motor RU98122340A ( ru ) 2001-08-27 Способ электромеханического преобразования энергии Luan et al. 2023 Design of a new type of capacitance variable electrostatic motor Murayama et al. 2019 Magnet coil power supply by a self-excited induction generator with a flywheel for a small tokamak, PHiX US3412318A ( en ) 1968-11-19 Variable capacitor electric power generator RU2733068C1 ( ru ) 2020-09-29 Электрополевой движитель JPH03159584A ( ja ) 1991-07-09 静電気力を利用した動力発生装置 RU2772864C1 ( ru ) 2022-05-27 Магнитный электродвигатель-генератор EP1368888B1 ( en ) 2005-05-11 High efficiency alternating and direct current electrostatic motor CN114785080A ( zh ) 2022-07-22 一种屏蔽电容式交流发电机 Podlesny 2022 Modeling the dynamics of a unipolar generator Felici 1965 Electrostatic generators Colgate et al. 1993 Linear electrostatic actuators: Gap maintenance via fluid bearings CN114285318A ( zh ) 2022-04-05 一种静电电动机 Преобразование энергии — электрической, тепловой, механической, световой
Понятие энергии применяется во всех науках. При этом известно, что обладающие энергией тела могут производить работу. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не исчезает и не может быть создана из ничего, а выступает в различных своих формах (например, в форме тепловой, механической, световой, электрической энергии и т. д.).
Одна форма энергии может переходить в другую, и при этом соблюдаются точные количественные соотношения различных видов энергии. Вообще говоря, переход одной формы энергии в другую никогда не происходит полностью, так как всегда возникают еще и другие (чаще всего нежелательные) виды энергии. Например, в электродвигателе не вся электрическая энергия переходит в механическую, а часть ее переходит в тепловую (нагрев проводников токами, разогрев в результате действия сил трения).
Факт неполного перехода одного вида энергии в другой характеризует коэффициент полезного действия (КПД). Этот коэффициент определяется как отношение полезной энергии к ее общему количеству или же как отношение полезной мощности к общей.
Электрическая энергия имеет то преимущество, что ее можно сравнительно легко и с малыми потерями передавать на большие расстояния, и, кроме того, она имеет чрезвычайно широкий круг применений. Распределением электрической энергии относительно легко управлять, и в известных количествах ее можно аккумулировать и хранить.
В течение одного рабочего дня человек в среднем затрачивает энергию, равную 1000 кДж, или 0,3 кВт. Человеку нужно приблизительно 8000 кДж в виде пищи и 8000 кДж на отопление жилищ, производственных помещений, на приготовление пищи и т. д. Если добавить к этому энергетические затраты в промышленности и на транспорте, то на одного человека ежедневно приходятся энергетические затраты приблизительно в размере 200 000 ккал, или 60 кВт- ч.
Электрическая и механическая энергия
Электрическая энергия преобразуется в механическую в электродвигателях и в меньшей степени в электромагнитах. В обоих случаях используются эффекты, связанные с электромагнитным полем. Потери энергии, т. е. та часть энергии, которая не переходит в желаемую форму, складываются в основном из энергетических затрат на нагрев током проводников и потерь, связанных с трением.
Большие электродвигатели имеют КПД, превышающий 90%, а у небольших электродвигателей КПД несколько ниже этого уровня. Если, например, электродвигатель имеет мощность 15 кВт и КПД, равный 90 %, то его механическая (полезная) мощность 13,5 кВт. Если же механическая мощность электродвигателя должна быть равна 15 кВт, то потребляемая электрическая мощность при том же значении КПД — 16,67 кВт-ч.
Процесс перехода электрической энергии в механическую обратим, т. е. механическую энергию можно преобразовать в энергию электрическую (смотрите — Процесс преобразования энергии в электрическим машинах). Для этой цели применяются в основном генераторы, которые по своей конструкции подобны электродвигателям и могут приводиться в действие при помощи паровых турбин или гидротурбин. В таких генераторах также есть энергетические потери.
Электрическая и тепловая энергия
Если по проводнику протекает электрический ток, то электроны при своем движении сталкиваются с атомами материала проводника и побуждают их к более интенсивному тепловому движению. При этом электроны теряют часть своей энергии. Возникшая таким образом тепловая энергия, с одной стороны, приводит, например, к повышению температуры деталей и проводов обмоток в электрических машинах, и с другой — к повышению температуры окружающей среды. Следует различать полезную тепловую энергию и тепловую энергию потерь.
В электронагревательных приборах (электрокипятильники, утюги, нагревательные печи и т. д.) желательно стремиться к тому, чтобы электрическая энергия как можно полнее перешла в энергию тепловую. Иначе дело обстоит, например, в случае линий электропередачи или же электродвигателей, где возникающая тепловая энергия представляет собой нежелательное побочное явление, ввиду чего часто должны приниматься меры по ее отводу.
Вследствие возникшего повышения температуры тела тепловая энергия передается окружающей среде. Процесс передачи тепловой энергии реализуется в форме теплопроводности, конвекции и теплового излучения. В большинстве случаев весьма затруднительно дать точную количественную оценку общего количества выделяемой тепловой энергии.
Если какое-либо тело нужно разогреть, то значение его конечной температуры должно быть значительно выше требуемой температуры разогрева. Это необходимо для того, чтобы как можно меньше тепловой энергии передавалось окружающей среде.
Если же, напротив, разогрев температуры тела является нежелательным, то значение конечной температуры системы должно быть малым. Для этой цели создаются условия, способствующие отводу от тела тепловой энергии (большая поверхность контакта тела с окружающей средой, принудительная вентиляция).
Возникающая в электрических проводах тепловая энергия ограничивает значение тока, который допустим в этих проводах. Предельная допускаемая температура провода определяется термической стойкостью его изоляции. Для чего чтобы обеспечить передачу некоторой определенной электрической мощности, следует выбирать как можно меньшее значение тока и соответственно большое значение напряжения. При этих условиях снизятся затраты на материал проводов. Таким образом, электрическую энергию при большой мощности экономически целесообразно передавать при высоких напряжениях.
Переход тепловой энергии в электрическую
Тепловая энергия непосредственно превращается в электрическую в так называемых термоэлектрических преобразователях. Термопара термоэлектрического преобразователя состоит из двух металлических проводников, изготовленных из разных материалов (например, из меди и константана) и спаянных вместе одними своими концами.
При некоторой разности температур между точкой спая и двумя другими концами обоих проводников возникает ЭДС, которая в первом приближении прямо пропорциональна этой разнице температур. Эта термо-ЭДС, равная нескольким милливольтам, может быть зарегистрирована при помощи высокочувствительных вольтметров. Если вольтметр проградуировать в градусах Цельсия, то вместе с термоэлектрическим преобразователем полученное устройство можно применить для непосредственного измерения температуры.
Мощность преобразования невелика, поэтому такие преобразователи практически не применяются как источники электрической энергии. В зависимости от того, какие материалы применены для изготовления термопары, она работает в различных диапазонах температур. Для сравнения можно привести некоторые характеристики различных термопар: термопара медь — константан применима до 600 °С, ЭДС приблизительно 4 мВ на 100 °С; термопара железо — константан применима до 800 °С, ЭДС приблизительно 5 мВ на 100 °С.
Пример практического использования преобразования тепловой энергии в электрическую — Термоэлектрические генераторы
Электрическая и световая энергия
С точки зрения физики свет представляет собой электромагнитное излучение, которое соответствует определенному участку спектра электромагнитных волн и которое способен воспринимать человеческий глаз. К спектру электромагнитных волн принадлежат также радиоволны, тепловое и рентгеновское излучение. Смотрите — Основные светотехнические величины и их соотношения
Получить световое излучение при помощи электрической энергии можно в результате теплового излучения и путем газового разряда. Тепловое (температурное) излучение возникает в результате разогрева твердых или жидких тел, которые вследствие разогрева испускают электромагнитные волны с различными длинами волн. Распределение интенсивности теплового излучения зависит от температуры.
При повышении температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону электромагнитных колебаний с более короткой длиной волны. При температуре приблизительно 6500 К максимум интенсивности излучения приходится на длину волны 0,55 мкм, т. е. на ту длину волны, которой соответствует максимальная чувствительность человеческого глаза. Однако для нужд освещения никакое твердое тело до такой температуры нагрето, разумеется, быть не может.
Самую большую температуру разогрева выдерживает вольфрам. В вакуумных стеклянных баллонах его можно разогревать до температуры 2100 °С, а при более высоких температурах начинается его испарение. Процесс испарения может быть замедлен путем добавления некоторых газов (азота, криптона), благодаря чему представляется возможным поднять температуру накала до 3000 °С.
Для снижения потерь в лампах накаливания в результате возникающей конвекции нить накаливания выполняется в виде одинарной или двойной спирали. Однако несмотря на эти меры, показатель светоотдачи для ламп накаливания составляет 20 лм/Вт, что еще весьма турах далеко от теоретически достижимого оптимума. Источники теплового излучения имеют весьма малый КПД, так как в них большая часть электрической энергии переходит в энергию тепловую, а не в световую.
В газоразрядных источниках света электроны сталкиваются с атомами или молекулами газа и тем самым побуждают их к излучению электромагнитных колебаний с определенной длиной волны. В процессе излучения электромагнитных волн принимает участие весь объем газа, причем, вообще говоря, линии спектра такого излучения не всегда лежат в диапазоне видимого света. В нстоящее врямя в освещении нибольшее распространение находят светодиодные источники света. Смотрите — Выбор источников света про промышленных помещений.
Переход световой энергии в электрическую
Световая энергия может переходить в электрическую, причем этот переход возможен двумя различными с физической точки зрения путями. Такое преобразование энергии может быть результатом фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта). Для реализации фотоэффекта применяются фототранзисторы, фотодиоды и фоторезисторы.
На границе раздела между некоторыми полупроводниками (германием, кремнием и др.) и металлами образуется граничная зона, в которой атомы обоих контактирующих материалов обмениваются электронами. При падении света на граничную зону электрическое равновесие в ней нарушается, в результате чего возникает ЭДС, под действием которой во внешней замкнутой цепи возникает электрический ток. ЭДС и, следовательно, значение тока зависят от падающего светового потока и длины волны излучения.
В качестве фоторезисторов используются некоторые полупроводниковые материалы. В результате воздействия света на фоторезистор в нем увеличивается число свободных носителей электрических зарядов, что вызывает изменение его электрического сопротивления. Если включить фоторезистор в электрическую цепь, то ток в этой цепи будет зависеть от энергий света, падающего на фоторезистор.
Химическая и электрическая энергия
Водные растворы кислот, оснований и солей (электролиты) проводят в той или иной степени электрический ток, что обусловлено явлением электрической диссоциации веществ. Некоторая часть молекул растворенного вещества (размер этой части определяет степень диссоциации) присутствует в растворе в виде ионов.
Если в растворе находятся два электрода, к которым приложена разность потенциалов, то ионы придут в движение, причем положительно заряженные ионы (катионы) будут двигаться по направлению к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к аноду.
Достигнув соответствующего электрода, ионы приобретают недостающие им электроны или же, наоборот, отдают лишние и в результате становятся электрически нейтральными. Масса материала, откладывающегося на электродах, прямо пропорциональна перенесенному заряду (закон Фарадея).
В граничной зоне между электродом и электролитом упругость растворения металлов и осмотическое давление противодействуют друг другу. (Осмотическое давление обусловливает осаждение ионов металлов из электролитов на электродах. Этот химический процесс сам является причиной возникновения разницы потенциалов).
Переход электрической энергии в химическую энергию
Для того чтобы в результате движения ионов добиться осаждения вещества на электродах, необходимо затратить электрическую энергию. Этот процесс называется электролизом. Такой переход электрической энергии в химическую находит применение в электрометаллургий для получения металлов (меди, алюминия, цинка и др.) в химически чистом виде.
В гальваностегии активно окисляющиеся металлы покрываются пассивными металлами (золочение, хромирование, никелирование и т. д.). В гальванопластике изготавливают объемные отпечатки (клише) различных тел, причем если такое тело сделано из непроводящего материала, то оно перед изготовлением отпечатка должно быть покрыто проводящим электрический ток слоем.
Переход химической энергии в электрическую
Если опустить в электролит два электрода, изготовленных из различных металлов, то между ними возникнет разность потенциалов, обусловленная различием в упругости растворения этих металлов. Если менаду электродами вне электролита включить приемник электрической энергии, например резистор, то в образовавшейся электрической цепи пойдет ток. Так устроены гальванические элементы (первичные элементы).
Первый медно-цинковый гальванический элемент был изобретен Вольта. В этих элементах происходит преобразование энергии химической в энергию электрическую. Работе гальванических элементов может помешать явление поляризации, возникающее в результате осаждения вещества на электродах.
Все гальванические элементы имеют тот недостаток, что в них химическая энергия преобразуется в электрическую необратимо, т. е. гальванические элементы нельзя заряжать вновь. Этого недостатка лишены аккумуляторы.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Преобразование электрической энергии в механическую
Процесс преобразования электрической энергии в механическую
Определение 1
Электроэнергия – это физический термин, который распространен в быту и технике и применяется для определения количества электрической энергии, получаемой конечным потребителем из сети или выдаваемой генератором в электрическую сеть.
Определение 2
Механическая энергия – это физическая скалярная величина, которая является мерой всех форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода материи из одной формы в другую.
Чтобы подробно рассмотреть процесс преобразования электрической энергии в механическую рассмотрим рисунок, который представлен ниже.
Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минутыРисунок 1. Процесс преобразования электрической энергии в механическую. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Электрический ток, который протекает по проводнику взаимодействует с магнитным полем магнита, вследствие чего возникает электромагнитная сила — Fэм. Направление данной силой определяется по правилу левой руки. Благодаря ее действию проводник перемещается с некоторой скоростью v и таким образом электроэнергия тока источника питания преобразуется в механическую энергию движения проводника под действием силы Fэм. В данном случае уже электромагнитная сила является движущей. Противодействие оказывается механической энергией, например, силой трения. При движении проводником пересекаются магнитные линии и согласно явлению электромагнитной индукции в нем наводится электродвижущая сила Е. Ее направление определяется по правилу правой руки, в рассматриваемом случае оно противоположной силе тока I. Электродвижущая сила, которая направлена навстречу электрическому току называется встречной или противоэлектродвижущей силе. Встречное направление электродвижущей силы является признаком того, что электрическая энергия потребляется потребителем. Допустим, что сопротивление проводника принято за R0, тогда электрическое напряжение на его концах при встречной электродвижущей силе может быть рассчитано следующим образом:
«Преобразование электрической энергии в механическую» ��
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответовЭлектрические машины, предназначение которых заключается в преобразовании электрической энергии в механическую называются двигателями.
Электрический двигатель
Определение 3
Электрический двигатель – это электромеханический преобразователь — являющаяся основным элементом электрического привода электрическая машина, в которой электроэнергия преобразуется в механическую энергию.
Основными составляющими электродвигателя являются статор — неподвижная часть и ротор — вращающаяся часть. У большинства двигателей ротор находится внутри статора. Если у электродвигателя ротор располагается снаружи, то он называется двигателем обращенного типа. В основу действия электрических двигателей положен принцип электромагнитной индукции. На двигателях постоянного тока малой мощности в качестве индуктора используется пара постоянных магнитов. Ротор может быть:
- короткозамкнутым:
- фазным — используется в случае необходимости уменьшения пускового тока и регулировки частоты вращения двигателя. В большинстве случаев это крановые двигатели, используемые в крановых установках.
Электрические двигатели делятся на:
- Двигатели постоянного тока, в которых переключение фаз происходит в самом двигателе. Данный тип двигателя подразделяется на несколько подклассов по следующим признакам: способ переключения фа и наличие обратной связи — вентильные и коллекторные двигатели; тип возбуждения — машины с самовозбуждением и с независимым возбуждением от постоянных магнитов и электромагнитов.
- Двигатели пульсирующего тока, питание которых происходит пульсирующим электрическим током. По своей конструкции данный тип двигателя близок к конструкции машин постоянного тока. Основное конструктивное отличие заключается в наличии дренирования вставки в остове, дополнительных шихтованных полюсах, большем количестве пар полюсов, компенсационной обмотки. Двигатели пульсирующего тока используются на электровозах в совокупности с установками выпрямления переменного тока.
- Двигатели переменного тока, питание которых осуществляется переменным током. По принципу работы они делятся на асинхронные и синхронные. Основное отличие заключается в следующем: в синхронных двигателях первая гармоникамагнитодвижущей силы статора двигается со скоростью вращения ротора, а в асинхронных всегда присутствует разница между скоростями вращения магнитного поля в статоре и вращения ротора. Синхронные машины делятся на двигатели с постоянными магнитами, реактивные, гибридные, шаговые, гистерезисные и реактивно-гистерезисные. Асинхронные двигатели делятся на одно-, двух-, трех и многофазные.
В современной промышленности наиболее распространены асинхронные электродвигатели. Они являются машинами переменного тока, в которых частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается напряжением питания.