专利名称：引力能发电装置的制作方法
一技术领域能源技术领域。
二
背景技术：
(一)概述1.第一类永动机。通常是说不消耗能量就能对外做功的机器，叫做“第一类永动机”。由于这类永动机违背了“能量守恒定律”，所以说，第一类永动机是不可能制成的；2.第二类永动机。人们设想从单一的热源吸收热量并全部用于做功，而不引起其他变化的“热机”，叫做“第二类永动机”。从单一热源的能量100％被利用这一点上考虑，这种热机并不违背能量守恒定律。可是，热力学理论已经证明在不同的物体系统之间，热量经过一定的传递过程之后，系统将处于热平衡状态。如果让热源再进一步地释放能量，就意味着热量将从低温系统向高温系统传递，这就违背了热力学第二定律。即是说热量不可能自动地从低温物体向高温物体传递。所以，第二类永动机也是不可能制成的；3.引力能发电装置。过去，人们一直认为“保守力场”是不可能对外做功的。因此，多数人都认为，利用保守场做功的机器也是不可能制成的。但是与传统的观点刚好相反，这里我提出了一种利用永久磁铁的磁场和地球的引力场协调做功的机器。由于这种机构的原理不同于上述任何一种情况，所以我把它叫做“引力能发电装置”。这种发电装置的工作原理与“潮汐发电”有类似之处。
(二)参数设定为证明这种发电装置的合理性，需要引证一些相关的物理理论。在进行理论分析之前，这里需要先设定以下条件与相关参数(参见图1)1.永久磁铁的吸引力F吸减去各种损耗，剩余的吸引力刚好等于下滑力F滑。
2.启动机构摆球的质量为M，摆长为l，升高为h，单向摆动与静止状态间的夹角为，而 是单摆摆动的角速度。
3.加力球的质量为m，重力加速度常数为g，斜面的倾角为β，加力球的行程为r。
(三)各种环节的能量分析与计算1.摆动的能量分析与计算在图1所示的机构中，基于上述设定，我们可以给出单摆振动的拉格朗日方程 由式(1)出发可以证明摆球的总能量等于势能及动能之和。于是，对于一个质量为M的单摆，它的总能量应为 由初始条件可决定W0的值。设单摆初始时刻的偏转角为0，初速度为零，因而有 由此即得W0＝Mgl(1-cos0) (3)将此式代入2)式，即得 由此可见，偏转角和时间的关系决定于下列积分式 这里得出的重要结论是单摆的摆动定律只和比值l/g有关，而与摆球的质量无关。
2.碰撞过程的能量分析与计算作为动量守恒定律和能量守恒定律的应用，我们来研究两个球之间的“对心碰撞”。在这种情况下，动量守恒定律可以应用。设两个球的质量分别为m1和m2，碰撞前的速度分别为υ10和υ20，则有m1υ1+m2υ2＝m1υ10+m2υ20(6)如果在碰撞之后，两个物体的机械能没有任何损失，这种碰撞就是“弹性碰撞”。弹性碰撞是一种理想的极限情形。实际上，两物体碰撞时总是要损失若干的机械能(转变为其他形式的能量，如热能或声能等)。——这种碰撞则属于“非弹性碰撞”。如果两物体碰撞后以同一速度运动，就是“完全非弹性碰撞”。在弹性碰撞中，两个物体的机械能之和保持不变，即12m1υ21+12m2υ22=12m1υ210+12m2υ220---(7)]]>下面我们来分析弹性碰撞中的两个特例。从(6)和(7)式得出υ1=(m1-m2)υ10+2m2υ20m1+m2;υ2=(m2-m1)υ20+2m1υ10m1+m2---(8)]]>(1)假设两球的质量相等，即m1＝m2，代入上式得υ1＝υ20υ2＝υ10(9)这里得出的结论是两个物体在碰撞时交换速度。
(2)假设质量为m2的物体在碰撞前静止不动，即υ20＝0，则υ1=(m1-m2)υ10m1+m2,υ2=2m1υ10m1+m2---(10)]]>再假设m2＞＞m1，则有(m1-m2)m1+m2≈-m2m2-1;2m1m1+m2≈0---(11)]]>
由此得出υ1和υ2的近似值是υ＝-υ10，υ2＝0。这一结果表明质量极大且原来是静止不动的物体，碰撞后仍然静止不动；而质量极小的运动物体，在碰撞前后的速度等值而反向。
3.磁场力做功的分析与计算实验证明库仑定律同样适用于磁极之间的相互作用，即两个点磁极之间的相斥或相吸的力F与两极的强度(各极所包含的磁荷)Qm和Qm′的乘积成正比，而与两极间的距离r的平方成反比，按照国际单位制(SI)，这个定律的表达式为F=μ0QmQm′4πr2---(12)]]>上式的矢量形式为F→=μ04πQmQm′r3r→---(13)]]>如果假定 为点磁荷Qm作用于Qm′的力，则应取 为从Qm作用到Qm′的矢量。故，当Qm与Qm′同号时，前者对于后者的作用力为“斥力”。在SI单位制中，磁极的单位为“安培米”。这样，上式中的系数“μ0/4π”就是个确定的常数，即10-7亨利/米。——称为真空中的磁导率。严格地说，上式只适用于真空，但由于空气的磁性极弱，所以，只是在极精密的实验中，才需要考虑空气介质所带来的影响。
在讨论磁介质磁化或铁磁体的磁场时，因所讨论的磁场范围内没有传导电流，故可用标势法来处理。由磁场的高斯定理 和 的定义H→=B→μ0-M→---(15)]]>可以得出关于 的高斯定理为 其中， 是包围磁荷的面积、 是磁化强度，μ0为真空磁导率。不难看出，式(16)所代表的定理与静电场的高斯定理颇为相似。这里，磁场强度 与电场强度 具有相同的规律，且 与 m与、μ0与ε0、 与 有对应的关系。据此，我们可以直接由静电势的方程写出对应的磁标势方程
这里，磁荷密度ρm的定义为ρm=-μ0▿·M→---(19)]]>在两种磁介质的表面上满足的边界条件为 于是，问题就归结为在给定的边界条件下，求解电磁标势的“泊松方程”。而对于分区均匀的、各向同性的、线性媒质来说，问题就归结为在给定的边界条件下，求解标势m的“拉普拉斯方程”问题。值得指出虽然“磁荷”本身并不存在，但作为一种等效的物理表示法，我们这里利用“磁荷”的概念，会给问题的讨论带来许多方便之处。
从场的概念出发，上式表示了磁荷Qm在点P所产生的磁场作用于磁荷Qm′上的力。作用在一个单位点磁极(Qm′＝1安培米)上的力，被定义为磁场的一个基本矢量 叫做“磁感应强度”。一个点磁极的磁感应强度 应写成B→=μ0Qm4πr3r→---(21)]]>由此，(13)式可改写为F→=Qm′B→---(22)]]>这里， 是磁场的吸引力。如果考虑到物体的运动方向与磁力的方向相同，则磁场力所做的功可以写成dA＝Fdr (23)对上式积分，可以求出在在编号为i这个运动路径r上磁场力所做的功Ai=∫F·dr=∫μ0QmQm′4πr2dr---(24)]]>计算这个积分，可以求出磁场力所做的功为Ai=μ0QmQm′4π(1r0-1rp)---(25)]]>这些功可以分成三个部分，其中(1)使球产生动能WDi=12mυi2---(26)]]>(2)使小球具有势能
WSi＝mgr sinβ (27)(3)克服摩擦所做的功WMi＝ξmgr cosβ (28)其中，r是小球上行的路程，β是斜面与水平面之间的夹角，ξ是滚动摩擦系数，g是重力加速度常数。
基于上述讨论，我们可以写出，在每一阶加力的过程中，加力球所获得的能量为Ai＝WDi+WSi+WMi(29)将式(25)，(26)，(27)，(28)分别代入式(29)的左右两端，则第i阶加力球所满足的能量关系应为μ0QmQm′4π(1r0-1rp)i=12mυi2+mgrsinβ+ξmgrcosβ---(30)]]>上式可写成[μ0QmQm′(rp-r0)4πrpr0]i=12mυi2+mgrsinβ+ξmgrcosβ---(31)]]>其中，r0是滚动球与加力磁铁的磁极之间的最小距离，rp是它们之间所能拉开的最大距离。一般来说，总是有1/rp＜＜1/r0，故而，上式可以改写成(μ0QmQm′4πr0)i=12mυi2+mgrsinβ+ξmgrcosβ---(32)]]>假设“加力机构”总共有n阶，且简单地设定每一级所获得的“动能”、“势能”、及“损失的能量”均相同。于是，根据“能量叠加原理”，经过n阶加速之后，加力球所获得的总动能应为WD=Σi=1nAi=Σi=1n12mυi2(n=1,2,3,······)---(33)]]>基于以上的理论结果，我们可以精确地计算这个转换机构的能量输出。但为简单起见，这里假设去掉所有的机械损耗之后，永久磁铁对传动球吸引力(F吸)所做的功，刚好等于克服下滑力(F滑)做功的两倍。——不过，究竟选择几倍，完全取决于该机构的磁场强度H、加力球的质量m、以及加力球所在斜面的倾斜角度β。经过这样的简化假设并注意到加力球的下滑力F滑＝mg sinβ(34)以及在能量传递的中间环节上，只有加力球所获得动能部分对能量的输出有贡献，我们可以直接地写出最后一级加力球所吸收的总动能为
WD=Σi=1n12mυi2=nmgrsinβ---(35)]]>值得指出为产生足够的冲击力以克服各级加力永久磁铁对于加力球的吸引力(F吸)，需要在“做功球”的能量中，预留出一定的势能(预留量的大小，由选定机构的参数决定)，用以确保各级加力球从它的顶点位置上及时地释放，从而实现随后将要进行的重复动作。
上面我们已经设定单摆“摆球”所提供的初始动能为 由此，根据(35)式可求出“做功球”所获得的可供输出的总能量为WSC=12mυ02+Σi=1n12mυi2-mgrsinβ=12mυ02+(n-1)mgrsinβ-ξmgrcosβ---(37)]]>应该看到，滚动摩擦与各种其他机械损耗的合计结果不可能大于克服下滑力所作的功。保守地考虑，如果假设这些能量损耗的总和也等于下滑力所作的功，那么(37)式可近似地写成WSC=12mυ02+(n-2)mgrsinβ---(38)]]>这就是“引力能发电装置”累计输出能量的近似计算公式。式中，加力球的运动速度υi可从式(31)和(32)的相互关系中求得。增加n的数目，即改变传递机构的“阶数”，就可以改变发电装置的输出功率。一般来说，滚动摩擦系数ξ很小，各种损耗的总和不太可能达到与下滑力做功相当的程度，因此粗略的估计，只要我们把该机构的“阶数”设计成n≥3，就可能使整个机构不停的运转下去。当然，究竟要设多少阶数，应根据实际参数通过计算确定。
4.释放加力球所需的能量分析与计算由于这里设定永久磁铁的吸引力至少等于两倍的下滑力，因此不难想象，在中间环节上，当加力球把自己的动能传递给比它高一个台阶的加力球时，该加力球将受到永久磁铁吸引力的作用而停留在这一行程的顶端。为保证机构的连续运转，必须采取有效的措施，使加力球回到起始位置。为此目的，在上述讨论中，我们曾经指出我们需要在“做功球”中预留出足够的势能，用于产生一个向下的“加速度”，也就是“冲击力”。这个冲击力的大小可按以下步骤计算。根据已知条件，则有mgrsinβ=12mυ2---(39)]]>由于滚动摩擦系数ξ实际上很小，因此，由势能变为动能的运动可近似看作匀加速运动，故有υ=at=2grsinβ---(40)]]>这里，时间参数由下式确定，即t=∫rdr2grsinβ---(41)]]>于是，根据牛顿第二定律，利用式(40)可求出，由势能转变而成的冲击力为
考虑到(42)式积分号中只有r是个参变数，所以该式中的常数项 可提到积分号之外。注意到定积分∫rdrr=2r,]]>将其带入(42)式，经整理求得，F冲＝mα＝mgsinβ (43)显然，在“做功球”回到起点的瞬间，预留势能产生的冲击力刚好等于下滑力。根据式(34)，并注意任何递球所具有的下滑力F滑＝mgsinβ，所以最高位加力球获得的“释放力”应为F释＝F冲+F滑＝2mgsinβ(44)在加力球回位的过程中，滚动摩擦力所做的功、及其他形式的机械损耗都需要从该机构中吸收能量，所以，要想确保加力球能够从加力磁铁的吸引状态中释放，必须满足F冲+F滑≥F吸+FMi(45)这里，除了F冲以外，其余的各种作用力均随着该机构设计参数的确定而确定。而这个冲击力则来自于从做功球中预留出来的势能。由此而来，在设计这种发电装置时，需要在做功阶段就预先留出足够的势能，以确保上式严格的成立。这样，只有这样，才可以保证每一级加力球都能从行程的顶端顺利释放，并及时地返回到起点位置。不过，从式(38)可以清楚地看到，满足这一要求是根本不成问题的！
发明内容本发明的特点是不需要从机构以外吸收任何形式的能量，就可以使做功球从永久磁铁加力器件上顺序的吸收能量与自动地释放并连续的运转下去。在本机构中，“过渡球”和“做功球”要用非磁性材料制成，而“加力球”要用软磁性材料制成，传递能量的球形器件外观尺寸与机械特性原则上要一致，做功器件的总重量与加力球的重量也要一致，以保证它们之间的碰撞为等质量的“弹性对心碰撞”。该机构每次重复动作所需的时间过程，可通过调节单摆振动机构的摆长(l)来加以实现。
本机构在运转的过程中，加力磁铁的吸引力对于加力球做功之后，除了使它获得动能而外，还使它的位置上升到其所在行程的顶端并使其势能同时增加。由于我们事先设定永久磁铁的吸引力(F吸)等于或大于加力球在该位置上所受下滑力(F滑)的两倍，即F吸≥2F滑，因此，当加力球到达顶端时，它将被永久磁铁吸附在这个行程的顶端。若使加力球回到起始的位置，必须再给它一个较大的释放力(F释)，使其克服加力磁铁的吸引力与各种摩擦阻力。显然，这个释放力只能来自于加力球本身在顶端所受到的下滑力(F滑)与做功球下滑时从加力磁铁的另一侧给予该加力球的冲击力(F冲)。在这两个力的合成结果中，扣除包括滚动摩擦在内的各种阻力(FMi)之后，余下的合力还必须大于或等于永久磁铁的吸引力，即满足关系式F冲+F滑≥F吸+FMi。如此逐级的进行，就实现了加力球的自动回位。重复以上的加力与复位的全过程，就构成了“引力能发电装置”的工作原理。
在坚信“能量守恒定律”正确性的基础上，我们只有承认这些对外输出的能量是来源于永久磁铁的“磁能”与地球引力场的“势能”。或许有人根本不敢相信这一点。其实，这种发电装置的工作原理与“潮汐发电”有类似之处。在潮汐发电的过程中，就是月球引力场的周期性变化与地球引力场的联合作用，使海水的位能增加、并转变为动能而做功；在引力能发电装置中，正是永久磁铁的吸引力通过加力球使做功器件的动能与位能同时增加，动能的大部分用于对外做功，而预留的小部分同地球引力的联合作用，使加力球及时回归到起点的位置，从而使整个机构不停地运转下去。由于引力能发电装置不消耗任何其他形式的外来能量，因此，既不会造成环境污染又具有取之不尽用之不竭的能量来源。这种发电装置的问世，不仅为能源技术的发展开拓了新的途径，而且保护了我们赖以生存的自然环境。
四具体实施方案从实际出发，这里给出了能量转化机构的两种设计方案，以及永久磁铁加力部件的结构设计要点。
(一)第一种能量输出机构的设计方案利用做功球带动闭合线圈切割磁力线运动直接地产生电能。把所产生的电能留出一部分，反馈到初始的单摆摆动机构，用以维持加力球的连续运作，而余下的能量则用于对外输出(参见图3)。另外，由于输出电能并不是正弦波，因此还需要对它进行必要的整形。
(二)第二种能量输出机构的设计方案利用做功球带动曲柄连杆机构，使整个机构不停地旋转下去，并直接通过传动轴对外输出机械能；或者用输出轴去带动发电机组，从发电机组输出的电能中留出部分电能，反馈到初始的摆动机构中，用以维持加力球的连续运作。余下的能量用于对外输出(参见图4)。
(三)永久磁铁加力部件的结构设计方案这里的核心是加力磁铁与动能传递部件的设计。这些部件的设计要求是一方面要尽量减少能量损失，另一方面要避免加力球与加速永久磁铁间的直接碰撞。因为这种碰撞会导致永久磁铁的去磁，所以在传递杆与加力永久磁铁的内、外侧，都需要设置减震弹簧，以防止过渡球以及加力球与加力永久磁铁之间可能发生的直接撞击。再者，这个加力永久磁铁的外侧(高端)应尽量避免漏磁的存在，因为漏磁会有碍于加力球的上行运动。(参见图2)。
五
(一)图1引力能发电装置结构原理示意例说明A.加力球；B.过渡球；C.做功球；D.能量输出机构；E.永久磁铁加力部件。
(二)图2永久磁铁加力部件结构示意例说明A.加力球；B.加力永久磁铁；C.能量传递杆；D.斜面滑道。
(三)图3闭合线圈切割磁力线式能量转换机构示意例说明A.加力球；B.过渡球；C.做功球；D.上死点位置；E.下死点位置；F.永磁加力机构；G.感应线圈；H.电磁能量输出机构。N-S.代表能量输出机构永久磁铁的磁极。
(四)图4曲柄连杆机构式能量转换机构示意例说明A.加力球；B.过渡球；C.做功球；D.上死点位置；E.下死点位置；F.永磁加力机构；G.曲柄连杆机构。H.能量输出传动轴。
权利要求
1.本发明是利用永久磁铁所具有的取之不尽用之不竭的磁力能与地球引力场所具有的重力能之间的协调作用，并通过永久磁铁加力器件、能量传递与做功器件之间的交换过程，来对外输出电能或机械能。由于这种机器一旦动起来，不用再输入任何形式的其他能量，就可以使自已永远的运转下去并输出能量，所以我把这种机器叫做“发电装置”。不过，由于这种发电装置既不同于“第一类永动机”，又不同于“第二类永动机”，所以把它叫做“引力能发电装置”。不言而喻，这种发电装置所输出的能量是非常清洁的电能。毫无疑义，这项发明将为工业生产的发展提供清洁而又廉价的能源。
2.用永久磁铁使加力器件增加动能和位能的装置或类似装置。
3.以上述原理为基础，通过“闭合线圈切割磁力线运动”向外输出电能的任何装置。
4.以上述原理为基础，通过“曲柄连杆机构”向外输出机械能和电能的任何装置。
全文摘要
本发明的要点是加力器件由软磁性材料制成，过渡器件与做功器件由非磁性材料制成，做功器件总重量及球形部分的外形尺寸与加力器件相同。通过加力器件、过渡器件、做功器件、加力永久磁铁与斜面滑道的联合作用，不仅解决了加力球“吸引与释放过程”的能量来源，而且使做功球积累了动能并对外输出(参见图1)。或许有人担心这是否符合能量守恒定律？其实，这种发电机的工作原理与潮汐发电有类似之处。在潮汐发电的过程中，月球引力的周期性变化与地球引力的联合作用，使海水的位能转变为电能而对外输出。这里是通过加力永久磁铁吸力与地球引力的协调作用，使做功器件与加力球的动能与位能同时增加。这种发电机的问世，将为能源技术的发展开拓出一条新的道路。
文档编号H02N11/00GK1592076SQ03157839
公开日2005年3月9日 申请日期2003年9月3日 优先权日2003年9月3日
发明者夏烆光 申请人:夏烆光