專利名稱：：電能發(fā)生方法和用以實(shí)現(xiàn)該方法的電能發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電能發(fā)生方法及其實(shí)現(xiàn)這一方法的電能發(fā)生器;尤其涉及一種使電荷在勢能和動(dòng)能兩種能態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生電能的方法以及實(shí)現(xiàn)該方法的電能發(fā)生器，我們將這種電能發(fā)生器稱為變電機(jī)。電子與束縛它的原子分離就產(chǎn)生了電，電子是一種可以以極限速度運(yùn)動(dòng)的基本粒子，電子本身的質(zhì)量和它的運(yùn)動(dòng)速度決定了它包涵的能量，這是電子的物質(zhì)特性。電荷能夠以勢能的形式存在，表現(xiàn)為相對靜止的勢態(tài)，電荷也能夠以動(dòng)能的形式存在，表現(xiàn)為遷移的動(dòng)態(tài);電荷不論是以勢能的形式存在或者是以動(dòng)能的形式存在，都要在它存在的介質(zhì)或者媒體中，根據(jù)介質(zhì)或者媒體的物質(zhì)性質(zhì)的不同以及周圍的環(huán)境條件而產(chǎn)生種種效應(yīng)，如磁效應(yīng)、場效應(yīng)、熱效應(yīng)、光效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等，同時(shí)將它的能量轉(zhuǎn)移在介質(zhì)或者媒體上。電子既不能生成也不會消失，它是一種基本粒子的物質(zhì)存在形式，而電荷的產(chǎn)生和消失大體上會經(jīng)歷從原子中分離、會聚、遷移、再與電子復(fù)合的過程，而電荷一經(jīng)生成就會以勢能態(tài)或者動(dòng)能態(tài)兩種能態(tài)的形式存在，從勢能的角度來看，它是有限的，從動(dòng)能的角度來看，它可以是無限的，將有限的質(zhì)量以極限速度運(yùn)動(dòng)，這就是電能的本質(zhì)(一粒電子雖然也可以脫離束縛它的原子經(jīng)過遷移再復(fù)合于原子中，而在這里我們僅將它作為電荷的產(chǎn)生基礎(chǔ)來對待)。迄今為止，我們賴以產(chǎn)生電能的基本方法，可以被簡單描述為通過一種轉(zhuǎn)化能量的裝置來完成使電荷產(chǎn)生至消失的過程，是一個(gè)將電荷分離、會聚、遷移、復(fù)合的連續(xù)循環(huán)過程。至于主要用化學(xué)反應(yīng)的方法產(chǎn)生電能的蓄電池，它僅僅只是使以上過程產(chǎn)生了中斷，而沒有丟棄其中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)。由此，長期以來使人們產(chǎn)生了一個(gè)“認(rèn)識”，即認(rèn)為電能只有依靠其它的能源轉(zhuǎn)化才能得到，在這里電荷僅僅只被作為傳遞能量的媒體了，從而整個(gè)社會與電有關(guān)的產(chǎn)業(yè)在這一認(rèn)識的局限下運(yùn)轉(zhuǎn)了一個(gè)多世紀(jì)。電能的使用雖然為我們帶來了現(xiàn)代文明，但是，只要認(rèn)真考察一下，我們在利用電能的同時(shí)所付出的代價(jià)，以及對地球的生態(tài)環(huán)境造成的破壞和污染，就足以使我們感到這樣取得電能的形式是不能長遠(yuǎn)的。能量存在于電荷之中！電荷一經(jīng)產(chǎn)生，只要使它按照一定規(guī)律遷移，它就能不斷地輸出電能。這里重要的是，要設(shè)法防止直到消除電荷在轉(zhuǎn)移過程中的“復(fù)合”這一使電能消失的最后環(huán)節(jié)，它是一切問題的關(guān)鍵所在！電荷可以以勢能態(tài)或者動(dòng)能態(tài)兩種能態(tài)形式存在，這兩種能態(tài)是相互依存、相互作用、相互可以轉(zhuǎn)化的，如果我們能夠找到一種方法，讓電荷運(yùn)動(dòng)在這兩種能態(tài)之間，并且反復(fù)交替地相互轉(zhuǎn)化，我們就可以從它的轉(zhuǎn)化過程不斷地取出所需要的能量。通常電荷以勢能的狀態(tài)存在于電容器中，并形成一個(gè)電場，如果在同一電場中實(shí)現(xiàn)電荷在勢能和動(dòng)能兩種能態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，而又不最后消失是不可能的，所以必須要有至少兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的電場才能使這種轉(zhuǎn)化得以實(shí)現(xiàn)。電荷的遷移，除取決于一個(gè)電場勢能的大小外，同時(shí)取決于另一個(gè)電場上勢能的大小，處在兩個(gè)勢能相等，即等電位的電場之間的電荷是沒有遷移能力的。電荷在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)電場之間的遷移只能進(jìn)行一次，并且很快平衡成為兩個(gè)勢能相等的電場，因此，當(dāng)要求電荷在兩個(gè)電場中連續(xù)反復(fù)遷移時(shí)，就必須使這兩個(gè)電場中的至少其中一個(gè)是處于動(dòng)態(tài)中的電場。目前，我們能夠找到的可以產(chǎn)生這種動(dòng)態(tài)電場的器件是可變電容器。本發(fā)明的目的是提供一種產(chǎn)生電能的方法及其實(shí)現(xiàn)這一方法的電能發(fā)生器-變電機(jī)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種可以穩(wěn)流、穩(wěn)壓、穩(wěn)功率、集電能產(chǎn)生、電能變換于一身，尤其適合置于單臺設(shè)備中的變電機(jī)。本發(fā)明的又一目的在于提供一種可以設(shè)計(jì)具有各種功率、體積小、原材料省、適于大規(guī)模生產(chǎn)的變電機(jī)。本發(fā)明的再一目的是提供一種耗能少，不產(chǎn)生污染，不破壞生態(tài)環(huán)境，使用方便安全的電能發(fā)生方法及其實(shí)現(xiàn)這一方法的變電機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明的電能發(fā)生方法包括如下步驟利用一電源向分別連接于負(fù)載兩端的至少一對電容器進(jìn)行充電，使所述電容器上形成建場電壓，所述一對電容器有至少一個(gè)為可變電容器;中斷所述電源向所述一對電容器進(jìn)行的充電，改變所述可變電容器的電容量，使所述一對電容器上的電壓交替地得到提升和下降，從而使所述一對電容器上積累的電荷以交替的方向通過所述負(fù)載;通過一建場電壓調(diào)整電路檢測所述建場電壓，且當(dāng)所述建場電壓低于一預(yù)定值時(shí)，控制所述電源恢復(fù)向所述電容器的充電。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明的電能發(fā)生器包括至少一對電容器，所述一對電容器具有一個(gè)共地端，且所述一對電容器有至少一個(gè)為旋轉(zhuǎn)電容器，所述旋轉(zhuǎn)電容器包括至少一組固定導(dǎo)電體和至少一組活動(dòng)導(dǎo)電體，設(shè)置在所述固定導(dǎo)電體與活動(dòng)導(dǎo)電體之間的介電材料，以及連接所述活動(dòng)導(dǎo)電體的旋轉(zhuǎn)軸。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明的電能發(fā)生器包括至少一對具有相同容量的旋轉(zhuǎn)電容器，所述旋轉(zhuǎn)電容器包括至少一組固定導(dǎo)電體和至少一組活動(dòng)導(dǎo)電體，設(shè)置在所述固定導(dǎo)電體與活動(dòng)導(dǎo)電體之間的介電材料，以及同軸聯(lián)接所述一對旋轉(zhuǎn)電容器的所述活動(dòng)導(dǎo)電體并使之在電氣上相互連接的旋轉(zhuǎn)軸，且所述一對旋轉(zhuǎn)電容器的動(dòng)態(tài)容量之和設(shè)置等于單個(gè)旋轉(zhuǎn)電容器的滿容量。本發(fā)明提供的電能發(fā)生方法具有降低能耗和污染、有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和操作方便、安全等優(yōu)點(diǎn)，從而為人們提供了一種電能產(chǎn)生和利用的新途徑。根據(jù)本發(fā)明提供的電能發(fā)生器，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流、穩(wěn)壓、穩(wěn)功率，它能集電能產(chǎn)生和電能變換于一身，尤其適合于在獨(dú)立設(shè)備中用作供電電源;而且，根據(jù)本發(fā)明提供的電能發(fā)生器具有體積小、原材料省、適合于大批量生產(chǎn)且可以設(shè)計(jì)具有各種功率等優(yōu)點(diǎn)。以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的電能發(fā)生方法和變電機(jī)的原理和基本構(gòu)造進(jìn)行系統(tǒng)的描述。圖1至圖4是用以說明本發(fā)明電能發(fā)生原理的示意圖;圖5至圖7是表示本發(fā)明的變電機(jī)所用旋轉(zhuǎn)電容器的結(jié)構(gòu)示意圖;圖8是表示本發(fā)明的一個(gè)變電機(jī)的剖面示意圖;圖9(A)是本發(fā)明的變電機(jī)所用旋轉(zhuǎn)電容器的符號圖;圖9(B)是本發(fā)明的變電機(jī)的符號圖;圖10是表示本發(fā)明的變電機(jī)的工作原理圖;圖11是表示本發(fā)明的變電機(jī)的一個(gè)工作系統(tǒng)示意圖;圖12(A)至12(D)是表示本發(fā)明另一種變電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖;參見圖1(A)，用一電池E通過開關(guān)K為一置于滿容量位置的可變電容器CB充電，使CB上的電壓上升至VC;假設(shè)CB是一理想的、且容量足夠大的可變電容器，此時(shí)CB上的電荷積累量為QC＝C×VC庫侖(C)(式中C是CB的容量，單位為法(F);VC是CB上的電壓，單位為伏(V))接下來，先將開關(guān)K打開，然后將CB的容量減小為滿容量的二分之一為C/2，如圖1(B)所示;因CB是理想可變電容器，所以其上積累的電荷QC既不會增加也不會減少，那么根據(jù)上式CB上的電壓應(yīng)上升為QC÷C/2＝QC×2/C＝2QC/C＝2VC該式表明當(dāng)有一容量一定，積累一定量電荷的理想可變電容器，在不接外電路的情況下，將它的電容量減少為二分之一時(shí)，該可變電容器上的電壓上升為原來電壓的2倍。接下來，將CB的電容量由C/2再減少二分之一為C/4，如圖1(C)所示，根據(jù)同樣的道理，此時(shí)CB上的電壓應(yīng)當(dāng)上升為2VC×2＝4VC如此連續(xù)以二分之一的遞減率改變可變電容器CB的容量使它趨近于零，則CB上的電壓呈指數(shù)規(guī)律上升，并趨于無窮大。又，如果可變電容器CB上的容量呈線性分布，依次遞減改變CB容量的速度也是連續(xù)均勻的，并且是在規(guī)定的時(shí)間T里完成的，那么依次經(jīng)過的時(shí)間占規(guī)定時(shí)間T的比例為T/2…3T/4…7T/8……2N-1T/2N＝T圖2表示在T時(shí)間里可變電容器的容量以2倍的速率連續(xù)遞減，其上電壓的上升變化趨勢圖中左下方框表示當(dāng)可變電容器的容量C置于滿容量位置尚未開始減小時(shí)，其上已經(jīng)積累了一定量的電荷QC并形成了強(qiáng)度為VC的電場，用公式表示為QC＝C×VC。這是可變電容器的容量經(jīng)變小后其上的電壓上升的先決條件，我們將這一條件稱為“初始條件”;將此時(shí)建立在電容器C上的電壓VC稱為“建場電壓”。當(dāng)可變電容器CB的初始條件具備時(shí)，在它的容器遞減過程中，其上的電壓呈指數(shù)規(guī)律上升，這一特性含有如下意義(一)它是一個(gè)電壓呈指數(shù)規(guī)律增長的電壓提升器，或可稱之為勢能發(fā)生器，它具有給電荷“加速”的功能，它相當(dāng)于一個(gè)電子加速器。(二)從電源的角度來看，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)電源，一個(gè)“主動(dòng)”電源，當(dāng)接上負(fù)載后它可以將電荷“強(qiáng)行”輸出，“壓迫”負(fù)載接受它輸出的能量。(三)它有穩(wěn)功率的內(nèi)涵可變電容器容量的大小和建場電壓的高低決定了它一次輸出的電荷量;可變電容器的容量變化速度決定了輸出時(shí)間;可變電容器的容量在遞減變化的全過程中都有電荷輸出，并且不受外電路的影響?？勺冸娙萜魃弦须姾奢敵?，必須預(yù)先積累電荷;為了實(shí)現(xiàn)電荷在勢能態(tài)和動(dòng)能態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，同時(shí)保證了可變電容器上的電荷不會消失，就要求另有一個(gè)同樣具有儲能和釋能能力的器件參與轉(zhuǎn)化，這個(gè)器件可以用固定電容器、可變電容器和蓄電池?fù)?dān)任。蓄電池是一個(gè)“容性電源”，它可以等效為一個(gè)容量極大的充滿電荷的固定電容器。下面，讓我們對幾個(gè)以可變電容器為核心器件構(gòu)成的電路進(jìn)行分析參見圖3(A)當(dāng)可變電容器CB的容量置于滿容量時(shí)，蓄電池E通過負(fù)載RL向CB充電;當(dāng)CB的容量從滿容量減小到O時(shí)，(見圖3(B))，CB又通過RL將電荷返回E;假如蓄電池E的充電還原率為百分之百，那么在此過程中電荷沒有損失，但它卻兩次通過了負(fù)載RL，并且在RL上做了功?，F(xiàn)實(shí)中的蓄電池的充電還原率不會達(dá)到百分之百，為了避免損失電荷，我們在蓄電池上并聯(lián)連接一個(gè)固定電容器來加以補(bǔ)償，參見圖4(A)圖4(A)與圖3相比增加了一只固定電容器CD和一只二極管D，D的作用是只允許充電電荷通過，而阻擋電荷的返回，該電路工作的原理與圖3的電路基本相同，不同點(diǎn)是(一)蓄電池給電容充電只需一次，以后電荷只在可變電容器CB和固定電容器CD之間轉(zhuǎn)移，假如都是理想電容器，則不會損失電荷量。(二)電荷通過負(fù)載電阻RL往返轉(zhuǎn)移的過程出現(xiàn)了不平衡CB的容量由滿容量變小時(shí)，由于電壓呈指數(shù)上升，迫使電荷全部通過RL，而CB的容量從小變大接受電荷時(shí)，CD向CB的充電速度受到時(shí)間常數(shù)τ＝CDRL的數(shù)值的影響，當(dāng)τ的數(shù)值超過一定的范圍時(shí)，CB有可能出現(xiàn)充電不足，影響了CB下一次輸出的電荷量，因而整個(gè)電路的電荷遷移量受到了CD和RL數(shù)值的牽制。參見圖4(B)，與圖4(A)相比，圖4(B)用一只可變電容器CB′替代了固定電容器CD，CB′與CB是容量相等的同軸可變電容器，但是兩電容器的容量始終處于對應(yīng)的位置如一個(gè)置于滿容量，則另一個(gè)被置于零;在聯(lián)動(dòng)變化時(shí)一個(gè)容量減小，另一個(gè)容量增加，而且兩電容器的容量分布的線性關(guān)系也是一致的。圖中RE是限流電阻，且RE＞＞RL。當(dāng)電路接通時(shí)，蓄電池E通過RE、D向CB′和CB充電，經(jīng)過一段時(shí)間，使CB′和CB上的電壓與蓄電池電壓基本相等(不計(jì)二極管D的管壓降)，即整個(gè)電路處于等電位狀態(tài);此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)同軸可變電容器，聯(lián)接在同軸上的CB′和CB的容量不斷地交替變化，電荷通過負(fù)載RL在CB′和CB之間往返轉(zhuǎn)移，電荷的轉(zhuǎn)移是由于可變電容器的電壓提升作用，電壓在上升過程中產(chǎn)生了加速電荷遷移的電場力，電荷在轉(zhuǎn)移途中再將該力轉(zhuǎn)移給負(fù)載，并在負(fù)載上做功。以上過程開始階段，蓄電池僅需向CB′與CB充一次電，形成建場電壓，過后因CB′與CB在客觀上不可避免要有損耗，所以蓄電池仍需通過RE、D向CB′與CB補(bǔ)充損失的電荷，以維持建場電壓不變。以上敘述了一種電能發(fā)生方式，這種方式可以被概括表達(dá)為應(yīng)用可變電容器的電壓提升原理，組合形成兩個(gè)對應(yīng)的交變電場，使一定量電荷在交變電場中反復(fù)遷移，同時(shí)在勢能態(tài)和動(dòng)能態(tài)之間反復(fù)轉(zhuǎn)化，電荷將其在勢能態(tài)時(shí)獲得的電場力在向動(dòng)能態(tài)轉(zhuǎn)化途中，通過負(fù)載輸出電能?？勺冸娙萜魇沁@一電能發(fā)生方式形成的核心器件，它要求實(shí)際的可變電容器具有容量大，變化速率高、轉(zhuǎn)換控制方便的特性，現(xiàn)實(shí)中尚不存在這樣的可變電容器，必須重新設(shè)計(jì)。首先解決可變電容器的容量問題根據(jù)計(jì)算平板電容器容量的一般公式C＝εA/d法拉(F)(式中ε是相對介電常數(shù);A是電容器兩平行板相對部分的面積，單位為平方米(M2)d是兩平行板相隔的間距，單位為米(M))。要得到一個(gè)高容量的可變電容器可以采取增大介電常數(shù)，擴(kuò)大平行板面積，減小平行板間距等幾種措施;通常擴(kuò)大平行板面積同時(shí)也就增加了電容器的體積;減小平行板間間距又受到轉(zhuǎn)動(dòng)條件以及擊穿電壓等的因素的限制，在滿足轉(zhuǎn)動(dòng)條件和耐壓要求之后，最小板間間距就已經(jīng)基本被確定了。介電材料雖然很多，但并非都是適合做可變電容器的?？傊?，電容器的容量是一個(gè)受到多種因素制約、須經(jīng)過優(yōu)化組合選擇決定的量。介電材料大體可分為氣體、固體、液體等三類，氣體的介電常數(shù)太小，一般不宜采用;固體介電材料的介電常數(shù)范圍很寬，可以大到10000的數(shù)量級，但是單一使用固體材料意味著可變電容器不能轉(zhuǎn)動(dòng)(此結(jié)論只對采用平行板結(jié)構(gòu)類型的可變電容器有意義，如是采用其它形狀結(jié)構(gòu)類型的可變電容器，則并非都是正確的。本文以平行板可變電容器這一典型結(jié)構(gòu)作為討論問題的依據(jù)，其它形狀結(jié)構(gòu)的可變電容器在文中另行注明);液體材料的介電常數(shù)范圍在兩者之間，并且不斷地有新的合成液體介電材料出現(xiàn);因此，采用單一液體材料或者固體和液體材料相結(jié)合的方式，是提高介電常數(shù)，從而增大單位體積可變電容器容量的有效途徑。另外，采取增大平行板相對面積和縮小相對間距的特殊措施，提高制造可變電容器的工藝加工水平，對增大單位體積可變電容器的容量也有密切的關(guān)系，現(xiàn)有的工業(yè)加工手段和工藝水平已為可變電容器的生產(chǎn)提供了充分的條件。可以預(yù)期，在0.001m3的體積中得到大于100μf容量的可變電容器是完全可以做到的。再解決可變電容器的變化速率問題旋轉(zhuǎn)是快速移動(dòng)變換平行板電容器容量的最有效最省力的方法。根據(jù)聲學(xué)原理，旋轉(zhuǎn)速度超過每秒50轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生噪音，現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般都被限制在每分鐘3000轉(zhuǎn)以下，所以變電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不能超過每分鐘3000轉(zhuǎn)，而且希望轉(zhuǎn)速愈低愈好，低轉(zhuǎn)速有利于減小旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，有利于調(diào)整控制，有利于減少干擾的發(fā)生幾率。采取“分容”的措施是在保證可變電容器容量不變的前提下，既可以降低變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，又可以提高可變電容器變化速率的行之有效的辦法。參見圖5，圖示為一片狀可變電容器的結(jié)構(gòu)，聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)軸50的部分是動(dòng)片51(見圖5(A))，另一部分是定片(見圖5(B));轉(zhuǎn)軸50沿同一方向每旋轉(zhuǎn)360度，電容器的容量從零到滿容量再回到零，只變換一次。如果將動(dòng)片和定片各分為自相聯(lián)結(jié)的兩個(gè)相等部分，如圖6(A)和6(B)所示，不難看出，如此轉(zhuǎn)軸沿同一方向每旋轉(zhuǎn)360度，電容器的總?cè)萘炕颈３植蛔儯萘繌牧愕綕M容量再回到零卻反復(fù)變換了2次;如此再分下去，我們就可以得到平均分容數(shù)為N的總?cè)萘咳员３植蛔兊目勺冸娙萜髁?。為敘述的方便，以下將變電機(jī)內(nèi)的可變電容器稱為“旋轉(zhuǎn)電容器”;將旋轉(zhuǎn)電容器的平均分容數(shù)簡稱為“容分(N)”，(N)用正整數(shù)表示。圖7(A)和7(B)是一容分為4的旋轉(zhuǎn)電容器的示意圖。旋轉(zhuǎn)電容器的容分?jǐn)?shù)是否可以無限制地提高呢？不能，它被分后的最小寬度無論如何不能小于動(dòng)片和定片之間的間距，這是極限。另外，容分?jǐn)?shù)愈多就會使旋轉(zhuǎn)電容器作為電壓提升器的效果愈差，直至喪失了這一功能。一個(gè)具體的旋轉(zhuǎn)電容器的容分?jǐn)?shù)要受到它自身旋轉(zhuǎn)周長的限制，周長愈長可分的余地愈大，反之則愈小，因而變電機(jī)的體積愈大一般容分?jǐn)?shù)也高，反之則低。電容器的變換速率是它的旋轉(zhuǎn)速度和容分?jǐn)?shù)兩項(xiàng)的乘積，得出的數(shù)據(jù)即是變電機(jī)的輸出頻率;設(shè)旋轉(zhuǎn)電容器的轉(zhuǎn)速為M，單位轉(zhuǎn)/秒，用字母表示為r/s;變電機(jī)的輸出頻率f，單位赫茲，用字母表示為HZ;它們與容分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系為f＝M×N這里，(f)與交流電的頻率有著相同的意義?，F(xiàn)將旋轉(zhuǎn)電容器的轉(zhuǎn)速M(fèi)與容分N，以5為基數(shù)遞增，計(jì)算得出的變電機(jī)輸出頻率f的10組數(shù)據(jù)列于表1表1組別12345678910M5101520253035404550N5101520253035404550f251002254006259001225160020252500</table></tables>分析表中所列數(shù)字可得出以下結(jié)論(一)變電機(jī)的輸出頻率可高達(dá)1KHZ以上。這是設(shè)計(jì)小體積、大功率變電機(jī)的重要條件。(二)變電機(jī)輸出頻率的設(shè)計(jì)取值范圍很寬，它意味著使用同一個(gè)變電機(jī)在一定范圍內(nèi)能夠適應(yīng)不同負(fù)載的功率要求，并且為縮小變電機(jī)產(chǎn)品的功率設(shè)計(jì)劃分序列創(chuàng)造了條件。(三)調(diào)節(jié)變電機(jī)轉(zhuǎn)速M(fèi)可以穩(wěn)定輸出，這是設(shè)計(jì)穩(wěn)流、穩(wěn)壓、穩(wěn)功率的變電機(jī)電源必不可少的條件。通常增大旋轉(zhuǎn)電容器的容量，是將若干片動(dòng)片和定片進(jìn)行組合，為了便于區(qū)別，我們將旋轉(zhuǎn)電容器的動(dòng)片組合稱為“動(dòng)組”;定片組合稱為“定組”，每一組合的各片之間都必須保持容量一致和位置上的對稱。如圖8所示的是本發(fā)明一個(gè)變電機(jī)的剖面示意圖，圖中畫出了上、下兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電容器，它的兩個(gè)動(dòng)組51′與同一旋轉(zhuǎn)軸50相聯(lián)，并作為一個(gè)接線端子引出;兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電容器CB和CB′的定組52′彼此分開，各引出一個(gè)輸出接線端子521，如圖4(B)中的CB、CB′所示。圖9(A)和9(B)分別表示旋轉(zhuǎn)電容器和變電機(jī)的符號圖，其中，標(biāo)號50表示旋轉(zhuǎn)軸，標(biāo)號51’表示動(dòng)組，標(biāo)號52’表示定組。一個(gè)實(shí)用的變電機(jī)里包含的旋轉(zhuǎn)電容器的數(shù)量往往會不止兩個(gè)，可能是三個(gè)、四個(gè)甚至更多。除特殊情況，它們的動(dòng)組一般都聯(lián)結(jié)在同一旋轉(zhuǎn)軸上，定組則由各自的接線端子分別引出，作圖時(shí)用不同的字符加以區(qū)別。變電機(jī)的工作條件及其解決方法(一)變電機(jī)工作的初始條件的建立。變電機(jī)的主要作用是實(shí)現(xiàn)電荷在旋轉(zhuǎn)電容器之間轉(zhuǎn)移從而產(chǎn)生電能，旋轉(zhuǎn)電容器本身不能產(chǎn)生電荷(這在變電機(jī)正常工作之前有意義)，必須預(yù)先將電荷置入，形成一個(gè)強(qiáng)度一定的電場，既預(yù)設(shè)“建場電壓”，沒有這個(gè)條件變電機(jī)便不能工作。建場電壓的高低取決于旋轉(zhuǎn)電容器電荷儲存量的多少，同時(shí)，建場電壓愈高，旋轉(zhuǎn)電容器的電場力就愈大，變電機(jī)的輸出功率也就愈大。另外，建場電壓是個(gè)可調(diào)因素，它和變電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整結(jié)合起來，可以形成一個(gè)近乎完美的變電機(jī)輸出的調(diào)整系統(tǒng)。建場電壓的形成，可以采用前述圖3、圖4的形式，均由蓄電池來擔(dān)任，但是，一個(gè)蓄電池的電壓是有限的，圖10的電路可以用最少的蓄電池滿足高電壓的要求，同時(shí)使建場電壓可以隨機(jī)調(diào)整。圖中的Cs是一個(gè)旋轉(zhuǎn)電容器，它將蓄電池E的電壓提升至一定高度滿足建場電壓的要求后，由A點(diǎn)檢出取樣信號，經(jīng)建場電壓調(diào)整電路101整形加工后去控制一個(gè)電子開關(guān)KE的動(dòng)作，從而達(dá)到調(diào)整建場電壓的目的，圖中D1、D2是隔離二極管。不難看出，整個(gè)電路組成了一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓源;注意圖中Cs的動(dòng)組與其它的旋轉(zhuǎn)電容器的動(dòng)組是聯(lián)結(jié)在同一旋轉(zhuǎn)軸上的。(二)變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)問題。變電機(jī)是一種電能發(fā)生器，變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是指它在正常發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，除以上涉及的初始條件外，我們更關(guān)心的是它的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力的形成，尤其是運(yùn)轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力和能夠產(chǎn)生的電力之間的關(guān)系，也即兩者之間的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，要得到正確的答案，必須首先弄清它們各自發(fā)生的根據(jù)是什么，下面我們就來討論這個(gè)問題。根據(jù)能量守衡定律消耗的能量必然等于產(chǎn)出的能量，或者輸出的能量加上損耗的能量必然等于提供的能量，這已被無數(shù)的事實(shí)所證明，變電機(jī)也同樣不可能違反這一定律。傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)是應(yīng)用電磁力和磁場感應(yīng)的原理發(fā)電的，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子相對于定子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場和定子繞組感應(yīng)出電流的同時(shí)，它們又各自產(chǎn)生了一個(gè)橫向力，兩力在外部空間發(fā)生作用，因兩力的方向相反不能抵消，所以發(fā)電機(jī)必須借助外部提供的動(dòng)力來維持運(yùn)轉(zhuǎn)，提供動(dòng)力的大小是由以上橫向作用力加上發(fā)電機(jī)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)阻力來決定的;所以，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能是完全依靠其它能源的轉(zhuǎn)換得到的，發(fā)電機(jī)在其中僅僅起到了一個(gè)“換能機(jī)”的作用。電場與磁場不同，一個(gè)電場具有的電場力，是存在于這個(gè)電場的內(nèi)部，存在于形成電場的正極與負(fù)極之間，電場可以長時(shí)間地保持而不消失;電場力是垂直于電場分布平面，作用在介質(zhì)上的電壓，并且，當(dāng)電場發(fā)生變化時(shí)，電場力的大小也是在電場分布平面的垂直方向上發(fā)生變化，只有當(dāng)電場變化的速率達(dá)到高頻(如兆赫以上)時(shí)，電場力的分布方向才需要修正。電荷在構(gòu)成電容器的平板上移動(dòng)時(shí)，要產(chǎn)生一個(gè)橫向力，這個(gè)橫向力作用在平板的同一平面上，產(chǎn)生了一個(gè)電荷之間的相互作用力;但它并不作用在外部空間。可以認(rèn)為，這正是平板電容器的兩板極在移動(dòng)分開時(shí)，其上的勢能上升的一個(gè)重要機(jī)理。另外，電介質(zhì)在形成可變電容器上的電場力方面起到了不可忽視的作用，電介質(zhì)在電場力的作用下被極化，它的極化強(qiáng)度隨著電場力的改變而變化，電介質(zhì)的抗電強(qiáng)度表征了它束縛電子的能力，電介質(zhì)的抗電能力為電容器上的電場力的保持或增強(qiáng)提供了一個(gè)反作用力，當(dāng)聚集在電容器板極上的電荷密度增加時(shí)，電介質(zhì)的抗電強(qiáng)度也增大，最終使電容器上的電場力和電介的抗電力之間，在兩力作用的直線上得到平衡。又，電荷受萬有引力的影響很小，它的移動(dòng)主要受的是電場力的影響，電場力的大小決定了它的移動(dòng)速度。總之，變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)即旋轉(zhuǎn)電容器的轉(zhuǎn)組和定組在作重復(fù)開合運(yùn)動(dòng)時(shí)，基本不受電場力的影響，相反，它改變了電場力存在的條件;變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的動(dòng)力，主要是用來克服由其機(jī)械構(gòu)造產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)阻力，這個(gè)阻力是因?yàn)槿f有引力而形成的。變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力和旋轉(zhuǎn)電容器上產(chǎn)生的電場力來自于兩個(gè)“運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)”。它們在量的關(guān)系上沒有可比性。變電機(jī)所發(fā)生的電能不是由外部動(dòng)力提供的，那么，變電機(jī)的能量究竟來自何處呢？變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)了旋轉(zhuǎn)電容器，旋轉(zhuǎn)電容器容量的變化，改變了電荷存在的條件，電荷從原來較大的平面上移動(dòng)到較小的面積內(nèi)，增大了單位電荷的密度，電荷密度的增大導(dǎo)致了電容器上的勢能上升，同時(shí)，組成電容器的電介質(zhì)的抗電力增強(qiáng)，并提供了一個(gè)維持電場的反作用力，最終形成了一個(gè)上升的電場力。電場力上升的作用力轉(zhuǎn)移在電容器的介質(zhì)上，被介質(zhì)承擔(dān)了，旋轉(zhuǎn)電容器的介質(zhì)被動(dòng)地提供了變電機(jī)輸出的電能。變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力主要是克服由其機(jī)械構(gòu)造形成的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力，我們在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減小這種摩擦力，以節(jié)省變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力。變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)可以簡單地由一組獨(dú)立電源，驅(qū)動(dòng)一直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng);當(dāng)條件許可而又必要時(shí)，可以采取另設(shè)一組旋轉(zhuǎn)電容器的辦法，來構(gòu)成直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的專用電源。參見圖11，該圖為變電機(jī)的一種工作系統(tǒng)示意圖圖示的系統(tǒng)由5只旋轉(zhuǎn)電容器CZ1-CZ5組成，它們的轉(zhuǎn)組都聯(lián)結(jié)在同一個(gè)轉(zhuǎn)軸50上;其中CZ1-CZ2是一組對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電容器，用來作為變電機(jī)系統(tǒng)的輸出，RL是負(fù)載;CZ3是建場電壓旋轉(zhuǎn)電容器，作用是提升蓄電池E的電壓，滿足CZ1-CZ2的建場電壓需要;CZ4-CZ5是另一組對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電容器，任務(wù)是提供直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)M的動(dòng)力，圖中的D1-D4、DW、CW組成CZ4-CZ5的整流、穩(wěn)壓、濾波電路，CZ4-CZ5的建場電壓由蓄電池E經(jīng)過限流電阻RE直接提供;直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)動(dòng)力由蓄電池EW供給，通過開機(jī)、停機(jī)的開關(guān)KW控制;D5-D7均為隔離二極管;由電壓測試點(diǎn)A輸出的信號，同時(shí)反饋給建場電壓調(diào)整電路101和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路102，分別控制電子開關(guān)KE和可變電阻RW，從而達(dá)到調(diào)整變電機(jī)建場電壓和工作頻率的目的，最終控制變電機(jī)的輸出電流，輸出電壓以及輸出功率。當(dāng)然，作為一種變換，上述電動(dòng)機(jī)M也可以由例如燃?xì)廨啓C(jī)或水輪機(jī)等驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。決定變電機(jī)輸出功率大小的是旋轉(zhuǎn)電容器的容量、建場電壓和旋轉(zhuǎn)電容器的變換頻率三個(gè)因素;其中旋轉(zhuǎn)電容器的容量通常是給定的，其它兩個(gè)因素則是隨機(jī)可變的，我們可以通過調(diào)整建場電壓和變換頻率來改變或者穩(wěn)定變電機(jī)的輸出功率。設(shè)旋轉(zhuǎn)電容器的容量為100μf，建場電壓以50V分檔遞增至500V，旋轉(zhuǎn)電容器的變換頻率以100HZ分檔遞增至1KHZ，按照CV2×f＝W(瓦特)的公式，計(jì)算得出的數(shù)據(jù)列于表2表中的數(shù)據(jù)顯示變電機(jī)有極大的輸出能力，極寬的調(diào)整范圍，極強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)性。變電機(jī)輸出的是交流電，由兩根對應(yīng)的動(dòng)力線引出，兩線交替輸出，各占周期輸出時(shí)間的50%。當(dāng)人體觸及其中的一根動(dòng)力線不會有觸電危險(xiǎn)。變電機(jī)的輸出電壓是兩根動(dòng)力線之間的電位差，是一個(gè)動(dòng)態(tài)電壓;變電機(jī)的輸出電流通常是穩(wěn)定的，它是一個(gè)恒流源。變電機(jī)輸出的基礎(chǔ)波形是交變上升三角波，但它隨負(fù)載性質(zhì)和數(shù)值的不同而改變，只有當(dāng)負(fù)載的性質(zhì)和數(shù)值確定以后，波形才能最后被確定。變電機(jī)的輸出性質(zhì)決定了它一般不適合作交流電使用，而經(jīng)過整流濾波以后作為直流電輸出，可能更便于被利用。變電機(jī)的輸出和負(fù)載之間存在一個(gè)匹配問題，而且不僅僅限于功率的匹配，輸出與負(fù)載之間的相位關(guān)系也是應(yīng)當(dāng)著重考慮的因素。變電機(jī)的輸出不怕短路，短路輸出的電壓等于零，而電流不等于零，要想得到最大的輸出功率，必須根據(jù)一個(gè)具體的變電機(jī)的輸出數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)負(fù)載，或者，根據(jù)負(fù)載的要求來選擇變電機(jī)。當(dāng)然，降功率使用則不在其例。變電機(jī)的輸出不能開路，開路很可能導(dǎo)致介質(zhì)擊穿，從而造成毀壞的后果。變電機(jī)與其說它適合阻性負(fù)載，不如說它更適合感性和容性負(fù)載，感性和容性負(fù)載更能夠體現(xiàn)出變電機(jī)優(yōu)異特性。變電機(jī)可以作為直流電源集中供電，而它作為單臺設(shè)備的獨(dú)立電源使用時(shí)，則能更好地發(fā)揮它的獨(dú)特性能。變電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)“電子加速器”，它的輸出是“強(qiáng)制性”的，我們可以利用它的這一特征來沖破某些“禁帶”，從而取得意想不到的效果;比如用它去獨(dú)立驅(qū)動(dòng)一個(gè)電動(dòng)機(jī)，就可能使這個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、起動(dòng)、轉(zhuǎn)矩等完全按照我們的意圖隨機(jī)改變。變電機(jī)作為通用直流電源時(shí)，它的“并網(wǎng)”十分方便;當(dāng)變電機(jī)作為設(shè)備專用直流電源，而又多臺設(shè)備聯(lián)網(wǎng)使用時(shí)，它有良好的“共地”性，這在自動(dòng)控制和微電子技術(shù)中是十分重要的。組成變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電容的容量分布，可以被設(shè)計(jì)成某種函數(shù)分布關(guān)系，以滿足特殊的需要或取得特殊的效果。變電機(jī)可以被設(shè)計(jì)成各種形狀，如筒形、球形、箍形、碟形等，同樣也可以采用多種結(jié)構(gòu)形式。如圖12(A)和12(B)所示為一種固體介質(zhì)接觸旋轉(zhuǎn)型的變電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，該變電機(jī)包括一對旋轉(zhuǎn)電容器CBO和CBO′，其中，旋轉(zhuǎn)電容器CBO和CBO′包括由帶狀導(dǎo)電體1221組成的環(huán)形定組122、由多個(gè)導(dǎo)電滾子125組成的滾子轉(zhuǎn)組121，以及設(shè)置在滾子轉(zhuǎn)組121軸心的轉(zhuǎn)軸120。上述帶狀導(dǎo)體1221在沿其長度方向上設(shè)置交替排列的，寬度均等的多個(gè)絕緣體區(qū)域1222和導(dǎo)電區(qū)域1223，其數(shù)量分別與導(dǎo)電滾子125的數(shù)量成比例關(guān)系，帶狀導(dǎo)體1221上還設(shè)置一個(gè)輸出端子123。滾子轉(zhuǎn)組121還包括沿圓周方向設(shè)置的、用以可活動(dòng)地安裝上述導(dǎo)電滾子125的滾子轉(zhuǎn)軸127，導(dǎo)電滾子125的外表面上復(fù)合一層固體介電材料126。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變電機(jī)的轉(zhuǎn)軸120時(shí)，導(dǎo)電滾子125依次從帶狀導(dǎo)體1221上的絕緣區(qū)域1222和導(dǎo)電區(qū)域1223上滾過，由此可以循環(huán)改變旋轉(zhuǎn)電容器CBO和CBO′的電容量。設(shè)計(jì)時(shí)也可以通過調(diào)整滾子125之間的弧距來改變旋轉(zhuǎn)電容器的輸出線性。作為一種變換，上述介電材料126也可以復(fù)合在帶狀導(dǎo)體1221上，該變電機(jī)的基本工作原理與前述變電機(jī)的原理是一樣的。變電機(jī)是應(yīng)用電場力和交變電場的原理設(shè)計(jì)的，它是利用勢能作功的一個(gè)例子;電感器和電容器是電學(xué)里的兩個(gè)儲能元件，向來我們已用了其中的一個(gè)(電感器)作出了電能發(fā)生器即發(fā)電機(jī);變電機(jī)是用其中的另一個(gè)(電容器)作電能發(fā)生器的一種嘗試，這是一個(gè)新課題，要全面地認(rèn)識、利用它，還有待于長期地探索和努力。權(quán)利要求1.一種用以向負(fù)載提供電能的電能發(fā)生方法，其特征在于包括如下步驟利用一電源向分別連接于負(fù)載兩端的至少一對電容器進(jìn)行充電，使所述電容器上形成建場電壓，所述一對電容器有至少一個(gè)為可變電容器；中斷所述電源向所述一對電容器進(jìn)行的充電，改變所述可變電容器的電容量，使所述一對電容器上的電壓交替地得到提升和下降，從而使所述一對電容器上積累的電荷以交替的方向通過所述負(fù)載；通過一建場電壓調(diào)整電路檢測所述建場電壓，且當(dāng)所述建場電壓低于一預(yù)定值時(shí)，控制所述電源恢復(fù)向所述電容器的充電。2.如權(quán)利要求1所述的電能發(fā)生方法，其特征在于進(jìn)一步包括通過在所述電源上跨接至少一個(gè)可變電容器，以提高用以向所述電容器進(jìn)行充電的電壓的步驟。3.如權(quán)利要求1或2所述的電能發(fā)生方法，其特征在于所述可變電容器為旋轉(zhuǎn)電容器，所述旋轉(zhuǎn)電容器包括至少一組固定導(dǎo)電體和至少一組活動(dòng)導(dǎo)電體，設(shè)置在所述固定導(dǎo)電體與活動(dòng)導(dǎo)電體之間的介電材料，以及連接所述活動(dòng)導(dǎo)電體的旋轉(zhuǎn)軸。4.如權(quán)利要求3所述的電能發(fā)生方法，其特征在于利用電動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)或水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)電容器。5.如權(quán)利要求4所述的電能發(fā)生方法，其特征在于通過一電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路控制所述電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。6.如權(quán)利要求4所述的電能發(fā)生方法，其特征在于通過由另一對電容器和直流穩(wěn)壓電路組成的電源電路，向所述電動(dòng)機(jī)供電，所述另一對電容器由所述電源充電形成所述建場電壓，且所述另一對電容器有至少一個(gè)為可變電容器。7.一種電能發(fā)生器，其特征在于包括至少一對電容器，所述一對電容器具有一個(gè)共地端，且所述一對電容器有至少一個(gè)為旋轉(zhuǎn)電容器，所述旋轉(zhuǎn)電容器包括至少一組固定導(dǎo)電體和至少一組活動(dòng)導(dǎo)電體，設(shè)置在所述固定導(dǎo)電體與活動(dòng)導(dǎo)電體之間的介電材料，以及連接所述活動(dòng)導(dǎo)電體的旋轉(zhuǎn)軸。8.如權(quán)利要求7所述的電能發(fā)生器，其特征在于，所述一對電容器為一對具有相同容量且同軸安裝的旋轉(zhuǎn)電容器，所述一對旋轉(zhuǎn)電容器的動(dòng)態(tài)容量之和設(shè)置等于單個(gè)所述旋轉(zhuǎn)電容器的滿容量。9.如權(quán)利要求7或8所述的電能發(fā)生器，其特征在于，所述固定導(dǎo)電體和活動(dòng)導(dǎo)電體由交替平行設(shè)置的片狀導(dǎo)電體組成。10.如權(quán)利要求7或8所述的電能發(fā)生器，其特征在于，所述固定導(dǎo)電體由環(huán)形帶狀導(dǎo)電體組成，所述帶狀導(dǎo)電體在沿其長度方向上設(shè)置交替排列的，寬度均等的多個(gè)絕緣體區(qū)域和導(dǎo)電區(qū)域;所述活動(dòng)導(dǎo)電體包括與所述絕緣體區(qū)域或?qū)щ妳^(qū)域數(shù)量成比例的圓柱形導(dǎo)電體。11.如權(quán)利要求10所述的電能發(fā)生器，其特征在于，所述介電材料設(shè)置在所述圓柱形導(dǎo)電體的外表面上。12.如權(quán)利要求10所述的電能發(fā)生器，其特征在于，所述介電材料設(shè)置在所述帶狀導(dǎo)電體的表面上。13.如權(quán)利要求7所述的電能發(fā)生器，其特征在于，所述介電材料為氣體、液體和/或固體。全文摘要一種電能發(fā)生方法以及用以實(shí)現(xiàn)該方法的電能發(fā)生器，所述電能發(fā)生器包括至少一對電容器，所述一對電容器具有一個(gè)共地端，且所述一對電容器有至少一個(gè)為旋轉(zhuǎn)電容器，所述旋轉(zhuǎn)電容器包括至少一組固定導(dǎo)電體和至少一組活動(dòng)導(dǎo)電體，設(shè)置在所述固定導(dǎo)電體與活動(dòng)導(dǎo)電體之間的介電材料，以及用以連接所述活動(dòng)導(dǎo)電體的旋轉(zhuǎn)軸。且所述一對電容器也可以采用一對旋轉(zhuǎn)電容器，該旋轉(zhuǎn)電容器的動(dòng)態(tài)容量之和設(shè)置等于單個(gè)旋轉(zhuǎn)電容器的滿容量。文檔編號H02N1/08GK1101768SQ9311258公開日1995年4月19日申請日期1993年10月14日優(yōu)先權(quán)日1993年10月14日發(fā)明者周符明申請人:周符明