專利名稱：電場集電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)電、配電和輸電設(shè)備領(lǐng)域中的發(fā)電裝置，其編號(hào)為13-01，它是利用帶有半導(dǎo)體二極管的線圈在電場中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電勢(shì)差來獲得電能的發(fā)電裝置，適用于機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能等方面，同時(shí)也適用于較少的、不穩(wěn)定的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能方面。
現(xiàn)有的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能裝置，通常采用磁場能來實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為交流電能，再通過換向器或半導(dǎo)體整流設(shè)備來獲得直流電。如果利用換向器作整流設(shè)備，因其利用轉(zhuǎn)動(dòng)來達(dá)到換向目的，同時(shí)其位置受到空間的限制，因此造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、工作可靠性差；如果利用半導(dǎo)體作整流設(shè)備，因半導(dǎo)體二極管的PN結(jié)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(shí)現(xiàn)即要求工作可靠性好，又要求制造成本低的目的。
本發(fā)明的目的是提供一種不采用磁場能而采用電場能作原始能量，并用其把機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為直流電能的裝置。它不但能高效地把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，而且也給外負(fù)載提供一種可靠的、穩(wěn)定的直流電源，同時(shí)，與其它直流電源裝置相比，還可以達(dá)到減少工藝、降低成本的目的。
本發(fā)明的特征是利用線圈中導(dǎo)體的離電子在受到電場力的作用下向各自受力方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)線圈中導(dǎo)體的離電子分離，同時(shí)也利用起著逆止閥作用的半導(dǎo)體二極管來使離電子沿著規(guī)定方向作有序的分離。當(dāng)線圈導(dǎo)體受到內(nèi)腔電場力作用時(shí)，導(dǎo)體中因受其影響而形成的內(nèi)部電場則由零迅速上升，最后與內(nèi)腔電場平衡；當(dāng)線圈置于內(nèi)腔電場并轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈導(dǎo)體中的內(nèi)部電場與內(nèi)腔電場之間的平衡就遭到破壞，促使導(dǎo)體中的離電子在半導(dǎo)體二極管作用下源源不斷地沿著各自集電環(huán)的方向有序地輸送，即在兩個(gè)集電環(huán)上分別集居著正電荷和負(fù)電荷，因此在兩個(gè)集電環(huán)間就形成了輸出電場，即電勢(shì)差。其值可根據(jù)E=V/D(其中E為電場強(qiáng)度；V為電勢(shì)差；D為兩電勢(shì)之間的距離)式導(dǎo)出集電環(huán)間的電勢(shì)差，經(jīng)推導(dǎo)得v=μo×εoεγ×N×(E-Ep)×R×(k×n)/π×τ其中v為集電環(huán)間的電勢(shì)差；μo為機(jī)械能利用系數(shù)；εoεγ為線圈間電介質(zhì)的電介常數(shù)；N為線圈匝數(shù)；E為線圈導(dǎo)體處的內(nèi)腔電場強(qiáng)度；EP為半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的電場強(qiáng)度；R為線圈導(dǎo)體中移動(dòng)正負(fù)電荷中心之間的平均距離；k為電容器組極對(duì)數(shù)；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/秒)；π為圓周率；τ為離電子移動(dòng)時(shí)間利用系數(shù)；從式中和試驗(yàn)情況可知其可以從下列幾個(gè)方面來獲得理想的輸出功率。
1、增加本發(fā)明電場集電裝置線圈導(dǎo)體處的內(nèi)腔電場強(qiáng)度；(1)、由于電場強(qiáng)度與單位電荷量成正比，而單位電荷量對(duì)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于電容的額定電壓。同時(shí)根據(jù)電偶極子的電場強(qiáng)度E=Pe/(4×π×ϵO×r3)×(3×COS2θ+1)]]>(其中Pe為電偶極子的電距；r為電偶極子至測(cè)試點(diǎn)的距離；θ為測(cè)試點(diǎn)和電偶極子中心點(diǎn)所連接的線與電偶極子之間的夾角；其它同上)和場強(qiáng)疊加原理，可采用增加電容器中極板對(duì)數(shù)和極板間采用鐵電體、非鐵電體等兩種電介常數(shù)相差較大的電介質(zhì)材料且間隔放置于電容器的極板間，使正(負(fù))電偶極子電距遠(yuǎn)大于負(fù)(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(dá)到增加線圈導(dǎo)體處的內(nèi)腔電場強(qiáng)度的目的；(2)、由于
(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(dǎo)體處的內(nèi)腔電場強(qiáng)度；(3)、在等勢(shì)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(guī)律，可以根據(jù)電容器極板距線圈的遠(yuǎn)近，制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(jìn)行分布，達(dá)到增加線圈導(dǎo)體處的內(nèi)腔電場強(qiáng)度的目的；(4)、由于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(dǎo)體處的內(nèi)腔電場強(qiáng)度；2、增加線圈導(dǎo)體中的旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度；(1)、提高電場集電裝置的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可加大線圈導(dǎo)體中的旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度，同時(shí)，也提高了離電子移動(dòng)時(shí)間的利用系數(shù)。在轉(zhuǎn)速一定的條件下用下列方法可達(dá)到增加線圈導(dǎo)體中的旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度的目的；①用1中的方法來增加線圈導(dǎo)體處的內(nèi)腔電場強(qiáng)度；②加大線圈的寬度(或轉(zhuǎn)子半徑)，即可增加正負(fù)電荷中心的平均直徑；③在線圈間加入鐵電體等電介常數(shù)高的電介質(zhì)材料；④增加電場集電裝置內(nèi)腔的電容器組極對(duì)數(shù)，其中每極對(duì)數(shù)皆包括正向電容器和負(fù)向電容器等結(jié)構(gòu)；(2)、在線圈半導(dǎo)體二極管之間的導(dǎo)線上接入一根擴(kuò)大集電量的線板，即加大了半導(dǎo)體二極管PN結(jié)間導(dǎo)體受到內(nèi)腔電場作用的面積，其不但起到增加正負(fù)電荷中心間的平均直徑作用，而且也增大了單位時(shí)間內(nèi)通過半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的平均電荷量，同時(shí)，也提高了離電子移動(dòng)時(shí)間的利用系數(shù)；①增加轉(zhuǎn)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(nèi)腔電場作用的面積；
②增加轉(zhuǎn)子線板的寬度可增加線板受到內(nèi)腔電場作用的面積；(3)、采用PN結(jié)處電場強(qiáng)度比較小的半導(dǎo)體二極管，即采用正向?qū)妷狠^小的半導(dǎo)體二極管；3、增加線圈的匝數(shù)，可提高集電環(huán)間的電勢(shì)差；4、降低轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦力(或摩擦系數(shù))，可提高機(jī)械能利用系數(shù)；5、由于i=V/(R內(nèi)+R外)，A=i×R外，其中i為電流；V為電勢(shì)差；R內(nèi)為電場集電裝置內(nèi)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(shì)差的情況下輸出較大的功率，可采用降低電場集電裝置中線圈內(nèi)阻R內(nèi)來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于本發(fā)明來說，主要的內(nèi)阻R內(nèi)是半導(dǎo)體二極管中PN結(jié)的導(dǎo)通電阻，根據(jù)半導(dǎo)體二極管中PN結(jié)的導(dǎo)通特性得當(dāng)線圈的旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度等于半導(dǎo)體二極管反向工作峰值電壓在PN結(jié)處所形成的電場強(qiáng)度時(shí)，則導(dǎo)通電阻值最小。因此，在運(yùn)行中，盡量使旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度接近于或等于半導(dǎo)體二極管反向工作峰值電壓在PN結(jié)處所形成的電場強(qiáng)度。同時(shí)，也采用PN結(jié)面積較大的半導(dǎo)體二極管。
據(jù)本發(fā)明的特征，可根據(jù)發(fā)電裝置型號(hào)規(guī)格，制造出實(shí)用型的電場集電裝置，此裝置比磁式直流發(fā)電裝置工藝簡單，制造成本低，同時(shí)，工作性能可靠，可適用于使用直流電的各種場合。
下面將結(jié)合試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶乩綀D對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶乩且远ㄗ訛殡娙萜鹘M，轉(zhuǎn)子為線圈，并電容器組只選擇一極對(duì)的電容器組，即該電容器組有正向電容器和負(fù)向電容器等結(jié)構(gòu)組成的電場集電裝置。


圖1是本發(fā)明一種具體結(jié)構(gòu)的縱向剖面示意圖；圖2是本發(fā)明一種具體結(jié)構(gòu)的橫向剖面示意圖；圖3是本發(fā)明一種具體結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子線圈展開示意圖；圖4是本發(fā)明一種具體結(jié)構(gòu)中電容器內(nèi)部剖面示意圖；圖5是本發(fā)明一種具體結(jié)構(gòu)中正(負(fù))電容器電偶電距分解示意圖。
參照?qǐng)D1、圖2，該裝置由定子(Ⅰ)、轉(zhuǎn)子(Ⅱ)和集電環(huán)(Ⅲ)等組成。
定子(Ⅰ)是由兩個(gè)弧形電容器(1)和固定架(2)組成，電容器(1)不同于普通電容器，其區(qū)別在于該電容器的電介質(zhì)是由電介常數(shù)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(zhì)材料組成，這兩種電介質(zhì)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(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，這種電容器的作用在于當(dāng)電容器組(1)接上相應(yīng)電源時(shí)，內(nèi)腔線圈導(dǎo)體上(6)、(8)能獲得較大的內(nèi)腔電場強(qiáng)度；轉(zhuǎn)子(Ⅱ)是由線圈、電介質(zhì)材料(9)和軸承(10)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示，線圈包括漆包導(dǎo)線(6)、半導(dǎo)體二極管(7)、漆包線板(8)等結(jié)構(gòu)組成，線圈展開示意圖如圖3所示，半導(dǎo)體二極管(7)是起著逆止閥作用的大電流低導(dǎo)通電壓的兩個(gè)半導(dǎo)體二極管(7)，這兩個(gè)半導(dǎo)體二極管(7)相互對(duì)稱的連接在線圈中每圈漆包導(dǎo)線(6)上；漆包線板(8)與漆包導(dǎo)線(6)相互導(dǎo)通，它接于兩個(gè)半導(dǎo)體二極管(7)之間，并接成與漆包導(dǎo)線(6)相互垂直，漆包線板(8)主要起著擴(kuò)大集電量的作用；線圈周圍允填著鐵電體等電介常數(shù)高的電介質(zhì)材料(9)，其作用主要是提高線圈導(dǎo)體中的內(nèi)部電場強(qiáng)度，從而達(dá)到提高旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度的目的。當(dāng)外力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子(Ⅱ)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體(6)、(8)中可獲得較大的旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度，同時(shí)，也增加線圈導(dǎo)體中離電子的分離量；集電環(huán)(Ⅲ)布置于轉(zhuǎn)子(Ⅱ)的兩端，集電環(huán)(Ⅲ)還裝有電刷(11)等零配件，它們的作用在于把電場集電裝置發(fā)出的電能輸送給外負(fù)載；電場集電裝置的其它結(jié)構(gòu)與交流發(fā)電裝置相似。
在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶乩妶黾娧b置的電容器組(1)中極板(5)上相應(yīng)接入直流電源的極性，則在該裝置內(nèi)腔便形成內(nèi)腔電場，處在內(nèi)腔中的線圈漆包導(dǎo)線(6)和漆包線板(8)將受到內(nèi)腔電場力的作用，使線圈中漆包導(dǎo)線(6)和漆包線板(8)上的離電子分離，在線圈導(dǎo)體中逐步形成與該裝置內(nèi)腔電場方向相反的內(nèi)部電場，當(dāng)線圈導(dǎo)體中的內(nèi)部電場與內(nèi)腔電場平衡時(shí)，線圈中導(dǎo)體(6)、(8)的總電場強(qiáng)度為零，說明漆包導(dǎo)線(6)和漆包線板(8)上的離電子不再分離。當(dāng)電場集電裝置的轉(zhuǎn)子(Ⅱ)在外力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于線圈導(dǎo)體中的內(nèi)部電場方向始終保持與內(nèi)腔電場方向相反，因此，在轉(zhuǎn)子(Ⅱ)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，線圈導(dǎo)體中的內(nèi)部電場與內(nèi)腔電場的平衡就遭到破壞，線圈導(dǎo)體中的內(nèi)部電場強(qiáng)度就小于平衡時(shí)的內(nèi)部電場強(qiáng)度，說明線圈中導(dǎo)體(6)、(8)的總電場強(qiáng)度不為零，同時(shí)，這個(gè)值總是沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)叫其為旋轉(zhuǎn)電場。若旋轉(zhuǎn)電場的方向與半導(dǎo)體二極管(7)中PN結(jié)的電場方向相同，則增加了半導(dǎo)體二極管(7)中PN結(jié)的電場強(qiáng)度，阻止線圈漆包導(dǎo)線(6)和漆包線板(8)的離電子通過，即集電環(huán)(Ⅲ)間的電勢(shì)差為零或很?。蝗粜D(zhuǎn)電場方向與半導(dǎo)體二極管(7)中PN結(jié)的電場方向相反，則旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度就削弱了半導(dǎo)體二極管(7)中PN結(jié)的電場強(qiáng)度，甚至超過半導(dǎo)體二極管(7)中PN結(jié)的電場強(qiáng)度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度大于半導(dǎo)體二極管(7)中PN結(jié)的電場強(qiáng)度時(shí)，線圈中的漆包導(dǎo)線(6)和漆包線板(8)的離電子就能較順利地穿過半導(dǎo)體二極管(7)中PN結(jié)，使其離電子分離，加之，半導(dǎo)體二極管(7)中PN結(jié)具有單向?qū)ㄐ?，即它在線圈中起到逆止閥作用，則避免了導(dǎo)體(6)、(8)上分離后的離電子在轉(zhuǎn)子(Ⅱ)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中重新結(jié)合。它隨著轉(zhuǎn)子(Ⅱ)的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，則源源不斷地在轉(zhuǎn)子(Ⅱ)的兩端集電環(huán)(Ⅲ)上分別集居著正向電荷和負(fù)向電荷，遂漸加大集電環(huán)(Ⅲ)間的輸出電場強(qiáng)度，直至旋轉(zhuǎn)電場與輸出電場平衡。當(dāng)與外電路聯(lián)接時(shí)，用戶負(fù)載則可以獲得比較穩(wěn)定地輸出功率。
權(quán)利要求
1.一種不采用磁場能而采用電場能作原始能量來把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能的電場集電裝置，本發(fā)明的特征是利用線圈中導(dǎo)體的離電子受到電場力的作用下沿著各自方向移動(dòng)，同時(shí)也利用起著逆止閥作用的半導(dǎo)體二極管來達(dá)到導(dǎo)體離電子沿著規(guī)定方向有序的分離，其分離后兩瑞集電環(huán)上的電勢(shì)差V可用v=μo×εoεγ×N×(E-EP)×R×(k×n)/π×τ計(jì)算出其值，并從上式中可知獲得理想輸出功率的方法；
2.按權(quán)利要求1規(guī)定的電場集電裝置，其特征是半導(dǎo)體二極管為大電流低電壓并且PN結(jié)的電場強(qiáng)度較小的PN結(jié)管；
3.按權(quán)利要求1規(guī)定的電場集電裝置，其特征是導(dǎo)體是由漆包導(dǎo)線(6)和漆包線板(8)構(gòu)成，并其互相導(dǎo)通和垂直；
4.按權(quán)利要求1規(guī)定的電場集電裝置，其特征是電容器中采用鐵電體、非鐵電體等兩種電介常數(shù)相差較大的電介質(zhì)材料并間隔放置于極板間，同時(shí)在電容器中同一極性極板上采用不同曲率半徑和不同的粗造度的極板；
5.按權(quán)利要求1規(guī)定的電場集電裝置，其特征是線圈采用有導(dǎo)線、半導(dǎo)體二極管、線板等零配件組成；
6.按權(quán)利要求1規(guī)定的電場集電裝置，其特征是線圈周圍充填著鐵電體等較大電介常數(shù)的電介質(zhì)材料；
7.按權(quán)利要求1規(guī)定的電場集電裝置，其特征是在線圈中同一側(cè)的半導(dǎo)體二極管可做成多極引出線的半導(dǎo)體集合體；
8.按權(quán)利要求1規(guī)定的電場集電裝置，其特征是線圈線可做成半導(dǎo)體的集合線。
全文摘要
本發(fā)明提供一種采用電場能作原始能量,并用此把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能的電場集電裝置,其屬于發(fā)電、配電、輸電設(shè)備領(lǐng)域,適用于機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能方面。當(dāng)帶有半導(dǎo)體二極管的線圈(導(dǎo)體)在電場中且平行電場方向旋轉(zhuǎn)時(shí),線圈中導(dǎo)體的離電子在受到電場力作用下,沿著各自受力方向移動(dòng)和線圈導(dǎo)體上的半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)ㄐ?促使線圈中導(dǎo)體的離電子沿著規(guī)定的方向移動(dòng),在集電環(huán)上便形成了電勢(shì)差。
文檔編號(hào)H02N1/00GK1231540SQ9810716
公開日1999年10月13日 申請(qǐng)日期1998年4月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月3日
發(fā)明者莫福榮 申請(qǐng)人:莫福榮