靜態(tài)高效電能機(jī)及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)都是旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)，分為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式和旋轉(zhuǎn)電樞式兩大類；太陽(yáng)能光伏電池屬于一種靜態(tài)發(fā)電，但其受到天氣和時(shí)段的影響以及成本高昂不利于普及推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有技術(shù)之上大膽創(chuàng)新推出3種輸出電能均遠(yuǎn)大于輸入電能的全新電力能源設(shè)備——靜態(tài)高效電能機(jī)。
[0004]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供多種以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為動(dòng)力電源的陸海空電動(dòng)交通運(yùn)輸作業(yè)工具。
[0005]本發(fā)明所提供的3種靜態(tài)高效電能機(jī)屬于一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，是在變壓器的基礎(chǔ)上，利用特有的電學(xué)現(xiàn)象改造創(chuàng)新而成，因?yàn)檩敵龅碾娔苓h(yuǎn)大于輸入的電能，所以稱為電能機(jī)，而現(xiàn)有的各種發(fā)電機(jī)，輸出的電能均小于輸入的機(jī)械能或其他形式的能。說(shuō)明如下:
[0006]1.串聯(lián)諧振型靜態(tài)高效電能機(jī):由控制電源和串聯(lián)諧振裝置以及降壓變壓器組成；串聯(lián)諧振裝置由高壓電感線圈或可變高壓電感線圈以及高壓電容器或可變高壓電容器串聯(lián)組成；降壓變壓器的輸入(高壓)線圈與控制電源的輸出線圈或者還有可變補(bǔ)償高壓電感線圈串聯(lián)共同組成電感線圈，電路中的諧振電感量為各線圈串聯(lián)形成的等效電感量，電路中的電阻為各線圈串聯(lián)形成的等效電阻，串聯(lián)回路以調(diào)節(jié)電容量或調(diào)節(jié)電感量或電感量與電容量雙調(diào)的方式實(shí)現(xiàn)諧振。工作時(shí)控制電源輸入頻率固定電壓可調(diào)的交流電；在電能機(jī)的容量范圍內(nèi)，可變補(bǔ)償電感器的電感量或可變電容器的電容量根據(jù)電能機(jī)輸出端電壓的變化能夠手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不論負(fù)載大小，都能使LC電路的固有振蕩頻率與外加電源頻率相同，確保串聯(lián)諧振持續(xù)穩(wěn)定；可變補(bǔ)償電感器和變壓器的高壓線包采用絕緣樹(shù)脂灌封，連接線采用高壓絕緣防水電線，各連接處絕緣密封；靜態(tài)電能機(jī)中的高壓部件經(jīng)絕緣樹(shù)脂灌封后安裝在設(shè)有冷卻介質(zhì)進(jìn)出口的絕緣容器內(nèi)，達(dá)到高電壓防水級(jí)高強(qiáng)度多重絕緣，確保安全，系統(tǒng)部件在工作中發(fā)熱時(shí)可用冷氣或空氣或循環(huán)水或循環(huán)油強(qiáng)制冷卻。控制電源經(jīng)過(guò)漏電保護(hù)器以及空氣開(kāi)關(guān)與諧振電路相連，變壓器輸出端低壓線圈的引出線經(jīng)過(guò)漏電保護(hù)器以及空氣開(kāi)關(guān)與用電設(shè)備連接；控制電源輸出端的內(nèi)電阻以及電感線圈和變壓器高壓線包的電阻盡可能低，等效電阻越低包括電源在內(nèi)的整個(gè)串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)就越高，串聯(lián)諧振型靜態(tài)電能機(jī)的效率也就越高；串聯(lián)電感線圈的等效感抗與電容器的容抗大小相等時(shí)串聯(lián)電路發(fā)生諧振，電抗X = XL-XC= 0，總阻抗Z = R，串聯(lián)電路中電流的大小決定于電路電阻和電源電壓，I =U/R。串聯(lián)電感與電容兩端的諧振電壓大小相等，方向相反，此時(shí)電路相當(dāng)于一個(gè)純電阻性負(fù)載電路，電路中的電壓與電流同相。在電源電壓不變的情況下，串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)越高，電感或電容兩端的諧振電壓就越高，uL= Uc= IXL= IXc=QU。當(dāng)\> > R或X ε> > R時(shí)，則分電壓h或U ^遠(yuǎn)大于總電壓U，這種分電壓大于總電壓的現(xiàn)象，只有在串聯(lián)諧振電路中才會(huì)發(fā)生。
[0007]串聯(lián)諧振型靜態(tài)高效電能機(jī)輸出功率與輸入功率的比值等于串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q = IUL/IU = IUc/IUo提高串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)通常有4個(gè)方法:1.電容器的損耗系數(shù)盡可能小；2.電感線圈中的鐵芯損耗盡可能低；3.電感線圈的電阻盡可能低；4.諧振頻率盡可能高。降壓變壓器輸入線圈兩端分配的諧振電壓由其感抗決定，輸入端的感抗與輸出端的負(fù)載成反比。降壓變壓器的線圈匝數(shù)固定不變，通過(guò)輸入線圈(串聯(lián)電路)的電流額定不變，盡管輸入線圈兩端的諧振電壓會(huì)隨著輸出端負(fù)載的大小發(fā)生相應(yīng)的變化，但降壓變壓器輸入的等效功率不論輸出端的負(fù)載大小都能保持額定不變。通常變壓器的輸入端和輸出端沒(méi)有電的連接只有磁的互感(自耦調(diào)壓器除外)，空載時(shí)變壓器的主磁通Φ由空載磁通勢(shì)1。&產(chǎn)生，激磁電流很小，額定負(fù)載時(shí)Φ1略大于Φ2，磁通勢(shì)I Λ?I 2Ν2。
[0008]串聯(lián)諧振電路的實(shí)際應(yīng)用:在電子技術(shù)中，常利用串聯(lián)諧振時(shí)電感和電容兩端產(chǎn)生高電壓的特征，把微弱的訊號(hào)電壓輸入到LC串聯(lián)電路中，使其發(fā)生諧振，從而在電感或電容兩端獲得比輸入電壓大Q倍的電壓，如收音機(jī)的接收回路就是如此；在強(qiáng)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用串聯(lián)諧振裝置產(chǎn)生高電壓，為變壓器、發(fā)電機(jī)以及高壓電纜等電力設(shè)備做耐壓試驗(yàn)，是檢驗(yàn)電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度的最有效、最直接和最經(jīng)濟(jì)的方法。
[0009]獲得高壓電能目前有三種途徑:1.發(fā)電機(jī)；2.變壓器；3.串聯(lián)諧振裝置。發(fā)電機(jī)和變壓器輸出的電能均小于輸入的能量，唯獨(dú)只有串聯(lián)諧振裝置輸出的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入的電能。這是因?yàn)榇?lián)諧振裝置利用電感器和電容器產(chǎn)生諧振，從而得到所需高電壓和大電流，在整個(gè)系統(tǒng)中，電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分(即電感線圈的銅消耗與電感鐵芯的鐵損耗以及電容器的漏電與介質(zhì)損耗)，系統(tǒng)所需的電源功率只有輸出功率的1/Q倍。因此，利用串聯(lián)諧振原理工作的靜態(tài)高效電能機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際需要制造成功率小到幾瓦大到上百萬(wàn)千瓦的各種微、小、中、大以及特大型的功率等級(jí)，滿足各種用電需求。
[0010]2.并聯(lián)諧振型靜態(tài)高效電能機(jī)::由控制電源和并聯(lián)諧振裝置以及耦合變壓器組成；并聯(lián)諧振裝置由耦合變壓器的輸入線圈和可變電容器并聯(lián)組成，工作時(shí)控制電源輸入固定頻率的交流電，并聯(lián)回路以調(diào)節(jié)電容量的方式實(shí)現(xiàn)諧振；控制電源輸出端的內(nèi)電阻盡可能高；電路產(chǎn)生的諧振大電流通過(guò)耦合變壓器的輸入線圈，在輸出線圈中引發(fā)電磁感應(yīng)，對(duì)外輸出電能。并聯(lián)諧振是一種完全的無(wú)功功率補(bǔ)償電路，電源不需要提供無(wú)功功率，只需提供線圈銅損以及鐵損還有電容器消耗的有功功率。并聯(lián)諧振時(shí)總阻抗最大Z = L/RC，盡管總電流最小I = URC/L，但支路電流卻可能很大，這時(shí)流過(guò)電感線圈的電流U/Xji流過(guò)電容的電流Ie= U/Xe達(dá)到最大值，且大小相等，方向相反，相互抵銷，這種支路電流遠(yuǎn)大于總電流的現(xiàn)象只有在并聯(lián)諧振電路中才會(huì)發(fā)生，系統(tǒng)部件在工作中發(fā)熱時(shí)可用冷氣或空氣或循環(huán)水或循環(huán)油強(qiáng)制冷卻。
[0011]3.磁通交替閉合型靜態(tài)高效電能機(jī):其磁路與電路由2對(duì)感應(yīng)線圈及其鐵芯、2對(duì)磁極方向固定的電磁鐵或永磁鐵以及1個(gè)處于中心位置、磁極方向隨輸入交流電交替變化的雙向電磁鐵組成；高低不同的兩組交替閉合型部件十字形分布，每一組位于中間交變磁通左右兩邊的固定磁鐵同極性設(shè)置，兩組磁鐵在同一方向上異極性設(shè)置，中間共用的交變磁通不論其磁極方向怎樣變化，都能與兩個(gè)方向上固定的異性磁極相吸閉合，同時(shí)在4個(gè)輸出線圈中引發(fā)電磁感應(yīng)。只要交變磁通能夠形成閉合磁路，勵(lì)磁線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)就有較高值，通過(guò)勵(lì)磁線圈的電流相當(dāng)于同容量變壓器的空載或輕載電流，磁通交替閉合型靜態(tài)高效電能機(jī)適合50Hz以下頻率的交流電輸入。
[0012]靜態(tài)獨(dú)立電能機(jī):由可充電電池或超級(jí)電容、頻率固定電壓可調(diào)的逆變電源、整流器、智能控制器以及靜態(tài)電能機(jī)組成一套能夠獨(dú)立運(yùn)行的靜態(tài)高效電能機(jī)組。
[0013]移動(dòng)式靜態(tài)電能機(jī):所述串聯(lián)和并聯(lián)諧振型靜態(tài)電能機(jī)的工作頻率在50Hz?500KHZ之間選定，為了最大限度地減輕重量縮小體積以及最大限度提高系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，諧振頻率盡可能要高。在綜合考量各方面因素的前提下，移動(dòng)式靜態(tài)電能機(jī)的工作頻率最低在400Hz及以上。電能機(jī)產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換成直流電輸出或經(jīng)變頻器轉(zhuǎn)換成用電設(shè)備所需頻率的交流電輸出。
[0014]三相靜態(tài)電能機(jī):由3臺(tái)相同的單相靜態(tài)電能機(jī)組成或由3套相同的諧振裝置與一個(gè)三相變壓器組成。
[0015]本發(fā)明的有益效果:由于所述3種靜態(tài)高效電能機(jī)都具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)旋轉(zhuǎn)部件、體積小、容量大、輸人小、輸出大、零排放、無(wú)噪音的特點(diǎn)，可不受時(shí)間、空間、地理、氣候、環(huán)境的影響和限制，能為需要電能的各種電器、機(jī)器、工具、設(shè)備長(zhǎng)期獨(dú)立提供安全、潔凈、穩(wěn)定、免費(fèi)的電能，滿足各種用電需求。
[0016]本發(fā)明還涉及靜態(tài)高效電能機(jī)在以下交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用:
[0017]1.陸路自能電動(dòng)車:以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為配套動(dòng)力電源，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的各種輪式或履帶式電動(dòng)交通運(yùn)輸作業(yè)工具。
[0018]2.鐵路自能電動(dòng)車:以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為配套動(dòng)力電源，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的軌道交通運(yùn)輸工具。
[0019]3.水路自能電動(dòng)船:以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為配套動(dòng)力電源，以電動(dòng)機(jī)作為螺旋槳或高壓水栗或高壓氣栗的動(dòng)力源，以螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)或高壓水流向船后噴射或高壓氣流向船后噴射產(chǎn)生的反沖力作為推進(jìn)動(dòng)力或以超導(dǎo)體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，以電極在水中放電形成強(qiáng)電流，以直線強(qiáng)電流或運(yùn)動(dòng)電荷在超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)中相互作用產(chǎn)生的洛侖茲力或安培力作為推進(jìn)動(dòng)力的各種水面或水下交通運(yùn)輸工具。
[0020]4.自能電動(dòng)飛行器:以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為配套動(dòng)力電源，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的各種垂直升降式航空飛行器或以壓縮空氣經(jīng)過(guò)大功率渦流加熱器或電阻加熱器或高頻電磁加熱器快速加熱轉(zhuǎn)變成高溫高壓的熾熱氣體高速噴射產(chǎn)生的反沖力作為推進(jìn)動(dòng)力的噴氣式航空飛行器或以超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)或超大功率電磁波或超強(qiáng)電場(chǎng)或超高溫等離子作為推進(jìn)動(dòng)力的空天飛行器。
[0021]5.陸?？杖龡妱?dòng)航行器:以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為配套動(dòng)力電源，以電動(dòng)機(jī)或電能作為動(dòng)力源