静态高效电能机及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于电学领域。
【背景技术】
[0002]现有的发电机绝大多数都是旋转式发电机，分为旋转磁场式和旋转电枢式两大类；太阳能光伏电池属于一种静态发电，但其受到天气和时段的影响以及成本高昂不利于普及推广。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是在现有技术之上大胆创新推出3种输出电能均远大于输入电能的全新电力能源设备——静态高效电能机。
[0004]本发明的另一个目的是提供多种以移动式静态高效电能机组作为动力电源的陆海空电动交通运输作业工具。
[0005]本发明所提供的3种静态高效电能机属于一个总的发明构思，是在变压器的基础上，利用特有的电学现象改造创新而成，因为输出的电能远大于输入的电能，所以称为电能机，而现有的各种发电机，输出的电能均小于输入的机械能或其他形式的能。说明如下:
[0006]1.串联谐振型静态高效电能机:由控制电源和串联谐振装置以及降压变压器组成；串联谐振装置由高压电感线圈或可变高压电感线圈以及高压电容器或可变高压电容器串联组成；降压变压器的输入(高压)线圈与控制电源的输出线圈或者还有可变补偿高压电感线圈串联共同组成电感线圈，电路中的谐振电感量为各线圈串联形成的等效电感量，电路中的电阻为各线圈串联形成的等效电阻，串联回路以调节电容量或调节电感量或电感量与电容量双调的方式实现谐振。工作时控制电源输入频率固定电压可调的交流电；在电能机的容量范围内，可变补偿电感器的电感量或可变电容器的电容量根据电能机输出端电压的变化能够手动或自动进行调节，不论负载大小，都能使LC电路的固有振荡频率与外加电源频率相同，确保串联谐振持续稳定；可变补偿电感器和变压器的高压线包采用绝缘树脂灌封，连接线采用高压绝缘防水电线，各连接处绝缘密封；静态电能机中的高压部件经绝缘树脂灌封后安装在设有冷却介质进出口的绝缘容器内，达到高电压防水级高强度多重绝缘，确保安全，系统部件在工作中发热时可用冷气或空气或循环水或循环油强制冷却。控制电源经过漏电保护器以及空气开关与谐振电路相连，变压器输出端低压线圈的引出线经过漏电保护器以及空气开关与用电设备连接；控制电源输出端的内电阻以及电感线圈和变压器高压线包的电阻尽可能低，等效电阻越低包括电源在内的整个串联电路的品质因数就越高，串联谐振型静态电能机的效率也就越高；串联电感线圈的等效感抗与电容器的容抗大小相等时串联电路发生谐振，电抗X = XL-XC= 0，总阻抗Z = R，串联电路中电流的大小决定于电路电阻和电源电压，I =U/R。串联电感与电容两端的谐振电压大小相等，方向相反，此时电路相当于一个纯电阻性负载电路，电路中的电压与电流同相。在电源电压不变的情况下，串联电路的品质因数越高，电感或电容两端的谐振电压就越高，uL= Uc= IXL= IXc=QU。当\> > R或X ε> > R时，则分电压h或U ^远大于总电压U，这种分电压大于总电压的现象，只有在串联谐振电路中才会发生。
[0007]串联谐振型静态高效电能机输出功率与输入功率的比值等于串联谐振电路的品质因数Q = IUL/IU = IUc/IUo提高串联电路的品质因数通常有4个方法:1.电容器的损耗系数尽可能小；2.电感线圈中的铁芯损耗尽可能低；3.电感线圈的电阻尽可能低；4.谐振频率尽可能高。降压变压器输入线圈两端分配的谐振电压由其感抗决定，输入端的感抗与输出端的负载成反比。降压变压器的线圈匝数固定不变，通过输入线圈(串联电路)的电流额定不变，尽管输入线圈两端的谐振电压会随着输出端负载的大小发生相应的变化，但降压变压器输入的等效功率不论输出端的负载大小都能保持额定不变。通常变压器的输入端和输出端没有电的连接只有磁的互感(自耦调压器除外)，空载时变压器的主磁通Φ由空载磁通势1。&产生，激磁电流很小，额定负载时Φ1略大于Φ2，磁通势I Λ?I 2Ν2。
[0008]串联谐振电路的实际应用:在电子技术中，常利用串联谐振时电感和电容两端产生高电压的特征，把微弱的讯号电压输入到LC串联电路中，使其发生谐振，从而在电感或电容两端获得比输入电压大Q倍的电压，如收音机的接收回路就是如此；在强电领域广泛应用串联谐振装置产生高电压，为变压器、发电机以及高压电缆等电力设备做耐压试验，是检验电气设备绝缘强度的最有效、最直接和最经济的方法。
[0009]获得高压电能目前有三种途径:1.发电机；2.变压器；3.串联谐振装置。发电机和变压器输出的电能均小于输入的能量，唯独只有串联谐振装置输出的电能远远大于输入的电能。这是因为串联谐振装置利用电感器和电容器产生谐振，从而得到所需高电压和大电流，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分(即电感线圈的铜消耗与电感铁芯的铁损耗以及电容器的漏电与介质损耗)，系统所需的电源功率只有输出功率的1/Q倍。因此，利用串联谐振原理工作的静态高效电能机能够根据实际需要制造成功率小到几瓦大到上百万千瓦的各种微、小、中、大以及特大型的功率等级，满足各种用电需求。
[0010]2.并联谐振型静态高效电能机::由控制电源和并联谐振装置以及耦合变压器组成；并联谐振装置由耦合变压器的输入线圈和可变电容器并联组成，工作时控制电源输入固定频率的交流电，并联回路以调节电容量的方式实现谐振；控制电源输出端的内电阻尽可能高；电路产生的谐振大电流通过耦合变压器的输入线圈，在输出线圈中引发电磁感应，对外输出电能。并联谐振是一种完全的无功功率补偿电路，电源不需要提供无功功率，只需提供线圈铜损以及铁损还有电容器消耗的有功功率。并联谐振时总阻抗最大Z = L/RC，尽管总电流最小I = URC/L，但支路电流却可能很大，这时流过电感线圈的电流U/Xji流过电容的电流Ie= U/Xe达到最大值，且大小相等，方向相反，相互抵销，这种支路电流远大于总电流的现象只有在并联谐振电路中才会发生，系统部件在工作中发热时可用冷气或空气或循环水或循环油强制冷却。
[0011]3.磁通交替闭合型静态高效电能机:其磁路与电路由2对感应线圈及其铁芯、2对磁极方向固定的电磁铁或永磁铁以及1个处于中心位置、磁极方向随输入交流电交替变化的双向电磁铁组成；高低不同的两组交替闭合型部件十字形分布，每一组位于中间交变磁通左右两边的固定磁铁同极性设置，两组磁铁在同一方向上异极性设置，中间共用的交变磁通不论其磁极方向怎样变化，都能与两个方向上固定的异性磁极相吸闭合，同时在4个输出线圈中引发电磁感应。只要交变磁通能够形成闭合磁路，励磁线圈中产生的自感电动势就有较高值，通过励磁线圈的电流相当于同容量变压器的空载或轻载电流，磁通交替闭合型静态高效电能机适合50Hz以下频率的交流电输入。
[0012]静态独立电能机:由可充电电池或超级电容、频率固定电压可调的逆变电源、整流器、智能控制器以及静态电能机组成一套能够独立运行的静态高效电能机组。
[0013]移动式静态电能机:所述串联和并联谐振型静态电能机的工作频率在50Hz?500KHZ之间选定，为了最大限度地减轻重量缩小体积以及最大限度提高系统的品质因数，谐振频率尽可能要高。在综合考量各方面因素的前提下，移动式静态电能机的工作频率最低在400Hz及以上。电能机产生的交流电经整流器转换成直流电输出或经变频器转换成用电设备所需频率的交流电输出。
[0014]三相静态电能机:由3台相同的单相静态电能机组成或由3套相同的谐振装置与一个三相变压器组成。
[0015]本发明的有益效果:由于所述3种静态高效电能机都具有结构简单、无旋转部件、体积小、容量大、输人小、输出大、零排放、无噪音的特点，可不受时间、空间、地理、气候、环境的影响和限制，能为需要电能的各种电器、机器、工具、设备长期独立提供安全、洁净、稳定、免费的电能，满足各种用电需求。
[0016]本发明还涉及静态高效电能机在以下交通运输领域的应用:
[0017]1.陆路自能电动车:以移动式静态高效电能机组作为配套动力电源，以电动机作为动力源的各种轮式或履带式电动交通运输作业工具。
[0018]2.铁路自能电动车:以移动式静态高效电能机组作为配套动力电源，以电动机作为动力源的轨道交通运输工具。
[0019]3.水路自能电动船:以移动式静态高效电能机组作为配套动力电源，以电动机作为螺旋桨或高压水栗或高压气栗的动力源，以螺旋桨在水中旋转或高压水流向船后喷射或高压气流向船后喷射产生的反冲力作为推进动力或以超导体产生强磁场，以电极在水中放电形成强电流，以直线强电流或运动电荷在超导强磁场中相互作用产生的洛仑兹力或安培力作为推进动力的各种水面或水下交通运输工具。
[0020]4.自能电动飞行器:以移动式静态高效电能机组作为配套动力电源，以电动机作为动力源的各种垂直升降式航空飞行器或以压缩空气经过大功率涡流加热器或电阻加热器或高频电磁加热器快速加热转变成高温高压的炽热气体高速喷射产生的反冲力作为推进动力的喷气式航空飞行器或以超导强磁场或超大功率电磁波或超强电场或超高温等离子作为推进动力的空天飞行器。
[0021]5.陆海空三栖电动航行器:以移动式静态高效电能机组作为配套动力电源，以电动机或电能作为动力源