專利名稱：電能發(fā)生方法和用以實現該方法的電能發(fā)生器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電能發(fā)生方法及其實現這一方法的電能發(fā)生器;尤其涉及一種使電荷在勢能和動能兩種能態(tài)之間相互轉化，從而產生電能的方法以及實現該方法的電能發(fā)生器，以下將這種電能發(fā)生器稱為變電機。
自電能被利用以來，我們賴以產生電能的方法，大體上可以歸納為一個相同的模式，即采用各種一次性能源，通過一種換能裝置來完成使電荷從載體中分離、聚集、遷移、復合的連續(xù)循環(huán)過程，在電荷遷移的途中提取電能。這種用一次性能源通過換能裝置產生電能的方法，需耗費大量的一次性能源材料，其結果極大地破壞了地球的地理環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，此外，能源危機已威脅到人類社會的生存與發(fā)展，解決能源問題業(yè)已成為全人類共同的刻不容緩的首要課題。然而電能與其它一切能源形態(tài)相比有著無可比擬的優(yōu)越性，自然界已很難再找到綜合性能優(yōu)于電能的能源物質形態(tài)了?，F實迫使我們必須重新思考-是否能從前人創(chuàng)立的慎密理論中，發(fā)現細微的差別，爭取到一線希望。
電子的存在形式大體上可以歸納為以下三種一、受原子內質子的吸引共存于基態(tài)物質中，作自旋運動，對外不顯凈電性。
二、從原物質的原子中分離、產生位移，聚集在一特定的載體物質中形成電荷，將能量存儲在該物質中，以勢能形態(tài)對外顯示負電性。(失去電子的物質對外顯示的對應電特性也是重要的，在需要強調其作用的場合再予指出)
三、電荷以動能的形態(tài)沿一路徑作遷移運動，并將其攜帶的能量通過它自身的場傳遞給沿途經過的物質，因物質的不同性質以及周圍的環(huán)境條件而產生種種效應，如場效應、磁效應、機械效應、光效應、熱效應、化學效應等。
產生電能的基本物質是電子，它存在于一切物質之中，是一切物質的基本組成部分。電子是一種壽命無窮的可以以極限速度運動的荷電基本粒子。
電子的荷電性質表現為電、磁和力，三者對外延伸為電場、磁場和力場，形成了電子存在的三維空間。
電子處于永恒的運動之中，它攜帶的三個場也隨它一起運動，運動中的電場、磁場和力場三者的關系，為立體正交關系，并且有確定的方向性;尤其是當電子沿一方向遷移時，伴隨它的電場的方向始終與電子運動的方向保持同一性，即電子遷移的方向就是電場的方向！而磁場和力場則在電子遷移方向的垂直面上呈正交關系。
電場、磁場和力場是電子與質子之間、電子與電子之間，乃至物質與物質之間相互聯系與作用的基本依據。運動中的電子以其攜帶的三個場，同時作用于外界。但是，電子對于外界傳來的這三個場作用力，并非都產生對等有效的響應。電子的遷移是因為外界施加作用力的結果，能夠推動電子遷移的直接動力是電場力，磁場和力場的作用力都屬于間接作用力，磁場和力場必須通過電場才能推動電子遷移，對此，它們的地位是有差別的。用電場遷移電荷因為不必借助磁場和力場，因此在用電場發(fā)生電能的系統(tǒng)中，磁場和力場一般不呈現顯性特征，并且，允許我們采取某種措施將它們最大限度地抑制掉;而用磁場或者力場遷移電荷則必須借助電場，在用磁場或力場發(fā)生電能的系統(tǒng)中，電場、磁場和力場往往不可避免地處于伴生的狀態(tài)，同時三者的強度呈正比關系，客觀上不允許取消其中的一個，因此也很難將其中的一個抑制掉。
以上論及的電場、磁場和力場在推動電荷遷移中的地位和關系，在物理現象和化學現象中可以得到普遍的驗證，涉及本主題內容的例證如用電解方法產生電能的蓄電池，是一個電場發(fā)電裝置，蓄電池內并不顯現磁場和力。另外蓄電池能夠直接提供直流電，而采取電場以外的方法是難以實現的。
壓電陶瓷是一種將機械能轉化成電能的材料，但它必須預先在鐵電陶瓷材料里固化一個電場，才能具備以上功能，并且電場方向和機械作用力的方向也呈垂直關系。
傳統(tǒng)的發(fā)電機，是應用電磁力和磁場感應的原理產生電能的裝置。發(fā)電機正常運轉時，轉子用其產生的旋轉磁場去垂直切割定子繞組，在定子繞組中感生出一個電場的同時產生了電流，在這一過程中轉子和定子又各自伴生了一個力場，并在外部空間發(fā)生作用，因兩力的方向相反，不能抵消，而且兩作用力的大小與它產生電能的大小呈正比關系。所以發(fā)電機必須借助外部提供的動力來維持運轉，提供動力的大小是由以上兩力場之間的作用力和轉子作機械運動的阻力的大小來決定的，這就是發(fā)電機產生電能必須完全依靠其它能源轉換的原因，發(fā)電機在其中僅僅充當了一個“換能裝置”的作用。
能量在電荷之中。電荷一經生成就形成電能，電能只能以勢能或者動能兩種形式存在，從勢能的角度看，它是有限的;從動能的角度看，它可以是無限的，將有限的質量以極限速度遷移，這就是電能的本質。
從基態(tài)物質中分離、遷移、再行復合，是電荷運動的一種程式;在勢能和動能之間交替轉化，是電荷運動的另一程式。分別實現電荷運動的這兩種程式的方法是不同的。
要使電能在勢能和動能之間交替轉化而不消失，至少需要兩個具有蓄能功能的器件參與，并且要求其中的至少一個，是處于動態(tài)之中的蓄能器件。目前能夠滿足以上要求的器件是可變電容器。
本發(fā)明的目的是提供一種電能發(fā)生方法，及實現這一方法的電能發(fā)生器-變電機。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種可以設計成各種功率、體積小、原材料省、適于大規(guī)模生產的變電機。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種適合以恒定直流電流輸出，進行集中供電的變電機。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種可以隨機穩(wěn)壓、穩(wěn)流、穩(wěn)功率，集電能發(fā)生、電能變換于一身，尤其適合置于單臺設備中的變電機。
本發(fā)明的最終目的是提供一種耗能少，不產生污染，不破壞生態(tài)環(huán)境，使用方便安全的電能發(fā)生方法及實現這一方法的變電機。
根據本發(fā)明的一個方面，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載兩端的至少一對電容器進行充電，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為可變電容器;
中斷所述電源向所述一對電容器進行的充電，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載。
通過一建場電壓調整電路檢測所述建場電壓，且當所述建場電壓低于一預定值時，控制所述電源恢復向所述電容器的充電。
根據本發(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，一直流電源以及第一隔離二極管，所述一對電容器的每個電容器的一端相互連接形成共地端，另一端用以分別連接到負載的兩端，所述直流電源與所述第一隔離二極管串聯連接后跨接在所述一對電容器之一的兩端，且所述一對電容器的至少一個為可變電容器，所述可變電容器包括至少一組固定導電體和至少一組活動導電體，設置在所述固定導電體與活動導電體之間的介電材料，以及連接所述活動導電體的旋轉軸。
根據本發(fā)明的又一方面，上述一對電容器為一對具有相同容量的第一可變電容器和第二可變電容器，所述第一和第二可變電容器的活動導電體由所述旋轉軸同軸安裝并形成所述的共地端，且所述第一和第二可變電容器的動態(tài)容量之和設置等于其中單個可變電容器的滿容量。
本發(fā)明提供的電能發(fā)生方法具有降低能耗和污染、有利于保護生態(tài)環(huán)境和操作方便、安全等優(yōu)點，從而為人們提供了一種電能產生和利用的新途徑。根據本發(fā)明提供的電能發(fā)生器，可以根據需要實現穩(wěn)流、穩(wěn)壓、穩(wěn)功率，它能集電能產生和電能變換于一身，不僅適合于用作集中供電的電能發(fā)生裝置，尤其適合于在獨立設備中用作供電電源;而且，根據本發(fā)明提供的電能發(fā)生器具有體積小、原材料省、適合于大批量生產且可以設計具有各種功率等優(yōu)點。
以下將結合附圖和實施例對本發(fā)明的電能發(fā)生方法和變電機的原理和基本構造進行系統(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)明的變電機所用旋轉電容器的結構示意圖;
圖8是表示本發(fā)明的一個變電機的剖面示意圖;
圖9(A)是本發(fā)明的變電機所用旋轉電容器的符號圖;
圖9(B)是本發(fā)明的變電機的符號圖;
圖10是表示本發(fā)明的變電機的工作原理圖;
圖11是表示本發(fā)明的變電機的一個工作系統(tǒng)示意圖;
圖12(A)至12(D)是表示本發(fā)明另一種變電機的結構示意圖。
參見圖1(A)，用一電池E通過開關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CB是一理想的、且容量足夠大的可變電容器，此時CB上的電荷儲量為
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K打開，然后將CB的容量減小為滿容的二分之一為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，那么根據上式，CB上的電壓應上升為QC÷C/2＝QC×2/C＝2QC/C＝2VC該式表明當有一容量一定，儲有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，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的電容量為C/2再減少二分之一為C/4，如圖1(C)所示，根據同理，此時CB上的電壓應當上升為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)定的時間T里完成的，那么依次經過的時間占規(guī)定時間T的比例為T/2…3T/4…7T/8……2N-1T/2N……＝T圖2表示在T時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可變電容器的容量C置于滿容量位置尚未開始減小時，其上已經儲有了一定量的電荷QC并形成了強度為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”;將此時建立在電容器C上的電壓VC稱為“建場電壓”。
當可變電容器CB的初始條件具備時，在它的容量遞減過程中，其上的電壓呈指數規(guī)律上升，這一特性含有如下意義
(一)它是一個電壓呈指數規(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，它相當于一個電子加速器。
(二)從電源的角度來看，它是一個動態(tài)電源，一個“主動”電源，當接上負載后它可以將電荷“強行”輸出，“壓迫”負載接受它輸出的能量。
(三)它有穩(wěn)功率的內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。
“Q＝C×V”這一關系式，是由意大利物理學家伏打(Fuda，A-lessandro Volta)于1778年建立的。伏打也曾做過移開電容器的一塊金屬電極時電壓上升的有關實驗。
自然界也常見類似的現象，水蒸氣裹脅塵埃上升形成的云層，在陽光照射下產生電離，當遇到冷空氣后，云層收縮電壓上升，直至擊穿空氣產生了雷電。
可變電容器上要有電荷輸出，必須預先積累電荷;為了實現電荷在勢能和動能之間反復交替的轉化，同時保證可變電容器上的電荷不會消失，就要求另有一個同樣具有儲能和釋能能力的器件參與轉化，這個器件可以用固定電容器、可變電容器和蓄電池擔任。蓄電池是一個“容性電源”，它可以等效為一個容量極大的充滿電荷的固定電容器。
下面，讓我們對幾個以可變電容器為核心器件構成的電路進行分析參見圖3(A)當可變電容器CB的容量置于滿容量時，蓄電池E通過負載RL向CB充電;當CB的容量從滿容量減小至零時(見圖3(B))，CB又通過RL將電荷返回給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載RL，并且在RL上做了功。
現實中的蓄電池的充電還原率不會達到百分之百，為了避免電荷的損失，我們在蓄電池上并聯連接一個固定電容器來加以補償，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，二極管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，不同點是(一)蓄電池給電容器充電只需一次，以后電荷只在可變電容器CB和固定電容器CD之間轉移，假如都是理想電容器，則不會損失電荷量。
(二)電荷通過負載電阻RL往返轉移的過程出現了不平衡CB的容量由滿容量變小時，由于電壓呈指數上升，迫使電荷全部通過RL，而CB的容量從小變大接受電荷時，CD向CB的充電速度受到時間常數τ＝CDRL的數值的影響，當τ的數值超過一定的范圍時，CB會出現充電不足，影響了CB下一次輸出的電荷量，因而整個電路的電荷遷移量受到了CD和RL數值的牽制。
參見圖4(B)，與圖4(A)相比，圖4(B)用另一只可變電容器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的位置如一個置于滿容量，則另一個被置于零在聯動變化時一個容量減小，另一個容量增加，而且兩電容器的容量分布的線性關系也是一致的。圖中RE是限流電阻，且RE＞＞RL。
當電路接通時，蓄電池E通過RE、D向CB′和CB充電，經過一段時間，使CB′和CB上的電壓與蓄電池電壓基本相等(不計二極管D的管壓降)。即整個電路處于等電位狀態(tài);此時轉動同軸可變電容器，聯接在同軸上的CB′與CB的容量不斷地交替變化，電荷通過負載RL在CB′與CB之間往返轉移，電荷的轉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生了加速電荷遷移的電場力，電荷在轉移途中再將該力轉移給負載，并在負載上做功。
以上過程開始階段，蓄電池僅需向CB′和CB充電一次，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為應用可變電容器的電壓提升原理，組合形成兩個對應的交變電場，使一定量電荷在交變電場中反復遷移，同時在勢能和動能之間反復轉化，電荷將其勢能提升時獲得的電場力向動能轉化途中，通過負載輸出電能。
用附圖3、附圖4所示的電路來進行驗證這一方法并得到確切的結果是可以的，但還遠不能成為實用的電能發(fā)生裝置。
可變電容器是這一電能發(fā)生方法采用的核心器件，符合實用要求的可變電容器應具有容量大，變化速率高、轉換控制方便等特性，現實中尚不存在這樣的可變電容器，必須重新設計。
首先解決可變電容器的容量問題根據計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;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))。
要得到一個高容量的可變電容器可以采取增大介電常數，擴大平行板面積，減小平行板間間距等幾種措施;通常擴大平行板面積同時也就增加了電容器的體積;減小平行板間間距又受到轉動條件以及擊穿電壓等的因素的限制，滿足轉動條件和耐壓要求之后，最小板間間距就已經基本被確定了。介電材料雖然很多，但并非都是適合做可變電容器的?？傊娙萜鞯娜萘渴且粋€受到多種因素制約、須經過優(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，空氣的介電常數太小，一般不宜采用;固體介電材料的介電常數范圍很寬，鐵電陶瓷的介電常數已做到遠超過10000的數量級，但是單一使用固體材料意味著可變電容器不能轉動(此結論只對采用板形結構類型的可變電容器有意義，如是采用其它結構類型的可變電容器，則并非都是正確的。本文以平行板可變電容器這一典型結構作為討論問題的依據。液體材料的介電常數范圍在兩者之間，并且不斷地有新的合成液體介電材料出現，因此，采用單一液體材料或者用固體和液體(包括電解液)以及固體和氣體(包括稀有氣體)相結合的方式，是提高介電常數，從而增大單位體積電容量的有效途徑。
當采用固體和液體或者固體和氣體的復合介質時，應將電容器的至少一個電極用固體介質材料包裹起來，使電極與液體或者氣體隔離。選擇液體(電解液)或者氣體(稀有氣體)的配方，根據具體情況在實驗中確定它們的電阻率，以達到使介電材料的介電系數充分顯現的目的。
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，(如對電極材料進行腐蝕，提高平整度等)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系，現有的工業(yè)加工手段和工藝水平已為大容量可變電容器的生產提供了充分的條件。
可以預期，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是快速移動變換平行板電容器容量的最有效最省力的方法。從設計的角度來說，希望旋轉速度愈低愈好，低轉速有利于節(jié)省旋轉動力，有利于調整控制，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，既可以降低變電機的轉速，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構，聯結轉軸50的部分是動片51(圖5(A))，另一部分是定片(圖5(B));轉軸50沿同一方向每旋轉360度，電容器的容量從零到滿容量再回到零，只變換一次。如果將動片和定片各分為自相聯結的兩個相等部分，如圖6(A)和6(B)所示，不難看出，如此轉軸沿同一方向每旋轉360度，電容器的總容量基本保持不變，而容量從零到滿容量再回到零卻反復變換了2次;如此再分下去，我們就可以得到平均分容數為N的總容量仍保持不變的可變電容器了。為敘述的方便，以下將變電機內的可變電容器稱為“旋轉電容器”;將旋轉電容器的平均分容數簡稱為“容分(N)”，(N)用正整數表示。
圖7(A)和7(B)是一容分4的旋轉電容器的示意圖。
旋轉電容器的容分數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片和定片之間的間距，這是極限。另外容分數愈多就會使旋轉電容器作為電壓提升器的效果愈差，直至喪失了這一功能。
一個具體的旋轉電容器的容分數要受到它自身旋轉周長的限制，周長愈長可分的余地愈大，反之則愈小，因而變電機的體積愈大一般容分數也高，反之則低。
電容器的變換速率是它的旋轉速度和容分數兩項的乘積，得出的數據即是變電機的輸出頻率;設旋轉電容器的轉速為M，單位轉/秒，用字母表示為r/s;變電機的輸出頻率f，單位赫茲，用字母表示為HZ;它們與容分數之間的關系為f＝M×N這里，(f)與交流電的頻率有著相同的意義。
現將旋轉電容器的轉速M與容分N，以5為基數遞增，計算得出變電機輸出頻率f的10組數據列于表1表1
分析表中所列數字可得出以下結論(一)變電機的輸出頻率可高達1KHZ以上。這是設計小體積、大功率變電機的重要條件。
(二)變電機輸出頻率的設計取值范圍很寬，它意味著使用同一個變電機在一定范圍內能夠適用不同負載的功率要求，并且為縮小變電機產品的功率設計劃分序列創(chuàng)造了條件。
(三)調節(jié)變電機轉速M可以穩(wěn)定輸出，這是設計穩(wěn)流、穩(wěn)壓、穩(wěn)功率的變電機電源必不可少的條件。
通常增大旋轉電容器的容量，是將若干片動片和定片進行組合，為了便于區(qū)別，我們將旋轉電容器的動片組合稱為“動組”;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的對稱。
如圖8所示的是本發(fā)明一個變電機的剖面示意圖，圖中畫出了上、下兩個旋轉電容器，它的兩個動組51’與同一轉軸50相聯，并作為一個接線端子引出;兩個旋轉電容器。CB′與CB的定組52′彼此分開，各引出一個輸出接線端子521，如圖4(B)中的CB′、CB所示。
圖9(A)和圖9(B)是分別表示旋轉電容器和變電機的符號圖，其中標號50表示旋轉軸，標號51’表示動組，標號52’表示定組。
一個實用的變電機系統(tǒng)里包含的旋轉電容器的數量往往會不止兩個，可能是三個、四個甚至更多。除特殊情況，它們的動組一般都聯結在同一旋轉軸上，定組則由各自的接線端子分別引出，作圖時用不同的字符加以區(qū)別。
另外，為了進一步減小體積，可以將兩個旋轉電容器的定片設計在一個片基上，交叉隔開、分別連接后再引出接線端子。兩旋轉電容器的轉組由于是直接相聯的，其作用可以等效為一個轉組，故可以省掉其中一個。這樣兩個旋轉電容器就合并在一個體積中了。但是這樣做的結果會增大兩個旋轉電容器的極間耦合電容，耦合電容的存在一般是不利的，應采取措施使其減小，直到減至允許的數值。
變電機的工作條件及其解決方法(一)變電機工作的初始條件的建立。
變電機的主要作用是實現電荷在旋轉電容器之間轉移從而產生電能，旋轉電容器本身不能產生電荷，必須預先將電荷置入，形成一個強度一定的電場，既預設“建場電壓”，沒有這個條件變電機便不能工作。建場電壓的高低取決于旋轉電容器電荷儲存量的多少，同時，建場電壓愈高，旋轉電容器的電場力就愈大，變電機的輸出功率就愈大。
另外，建場電壓是個可調因素，如將它和轉速調整結合起來，可以形成一個近乎完美的變電機輸出的調整系統(tǒng)。
建場電壓的形成，可以采用前述圖3、圖4的形式，均由蓄電池來擔任，但是，一個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，同時使建場電壓可以隨機調整。(不排除使用電能變換器將蓄電池升壓的通常辦法提供建場電壓，也可以用現有工頻電源經整流后直接提供，或者經降、升壓變換后提供等。)圖10中的CS是一個旋轉電容器，它將蓄電池E的電壓提升到一定高度滿足建場電壓的要求后，由A點檢出取樣信號，經建場電壓調整電路101整形加工后去控制一個電子開關KE的動作，從而達到調整建場電壓的目的，圖中D1、D2是隔離二極管。不難看出，整個電路組成了一個可調穩(wěn)壓源;注意圖中CS的動組與其它的旋轉電容器的動組是聯結在同一旋轉軸上的。
(二)變電機的運轉問題。
變電機是一種電能發(fā)生裝置，它的運轉是指它在正常發(fā)電時的工作狀態(tài)，除以上敘及的初始條件外，我們更關心的是它的運轉動力的形成，尤其是運轉所需的動力和它能夠產生的電力之間的關系，以及變電機的能量轉化關系究竟是怎樣的？是怎么發(fā)生的？這不僅涉及理論根據問題，而且還涉及到人們的傳統(tǒng)觀念。
迄今已被利用的能源物質，大體上可以被分為三類分子能、原子能和電(子)能。
分子能是指那些由多個單質物質的分子聚合成的能源物質，它們在產生能量的同時，又分解成了原來組成它們的物質分子，分子能是物質分子的結合能，它屬于一次性能源。經典物理理論中的質量守恒和能量守恒定律的內涵，已基本包容了這類物質的能量轉化關系，并長期以來形成了人們的傳統(tǒng)觀念。
原子能是原子核的裂變產生的巨大能量，是原子核的結合能。原子是元素的最小物質單位，經過核裂變的物質原子轉變成了其它等價的物質原子，用質量守恒和能量守恒定律已不能夠完全解釋物質原子的轉變和能量變化的關系了，而要用愛因斯坦創(chuàng)立的相對論力學中的質能等價和質量虧損理論才能解釋之。尤其值得指出的是在原子能的發(fā)現和獲得過程中，曾得到過相對論理論的啟發(fā)，反之它也為相對論理論提供了例證。原子核內雖然蘊藏著巨大能量，但它仍具有一次性能源的性質，尚不足以破除人們的傳統(tǒng)觀念。
電能與分子能和原子能相比有本質的區(qū)別，電能的物質-電子既不能創(chuàng)造也不會消滅，電子在其存在的空間里始終保持同一的物質形態(tài)。那么產生電能的依據何在呢？在于電子的質量、運動速度以及它的荷電特性。其中電子的質量和運動速度是產生電能的根據，電子的荷電特性是電子運動的條件。電子的運動都要受到質子的制約，唯其如此，電子才表現出多樣的存在形式。一切物質中都存在質子，電子運動在一切物質之中。
風能和水能也都是以質量加上速度來體現能量的能源形態(tài)，給空氣和水加速度的動力是因為陽光的幅射和地球、月球的運動等自然力的作用而形成的;電能的能量體現形式雖然也是質量加上速度，但是，給電子加速度的動力不能由自然力穩(wěn)定地形成，能夠給電子產生加速度的因素已存在于電子(以及質子)的本身，即電子的負荷電特性和質子的正荷電特性以及兩者之間產生的引力，利用以上因素轉化成可資利用的電能，只有人才能做到！電子存在的每一種形式，都與質子對它的作用有關，質子與電子之間的引力一般表現為束縛電子運動的阻力，但經過轉變也可成為使電子遷移的動力。旋轉電容器的轉組(負極)在建場電壓建立以后，是處于失去電子即帶正電的狀態(tài)。正是由于它的轉動(移開)，導致了(彈性)介質的退極化、從而使旋轉電容器的定組(正極)相對面積縮小、其上的電荷密度增大，電壓上升，進而形成了使電子加速度的動力。
相對論力學認為，物質的質量與它的運動速度有關，運動中的物質所具有的能量遵守總能量方程mc2＝mOC2+EK(式中c表示光速、m表示質量、mO表示靜止質量;mc2是物質的總能量，m0C2是它的靜態(tài)質量，EK是它的動能)物質能表現為靜止的勢態(tài)，也能表現為運動中的動態(tài)，在能夠以光速運動的物質中蘊藏著巨大的能量。
電能就屬于這樣一種能量。電荷能以勢能的形式存在，表現為靜止的勢態(tài);電荷也能以動能的形式存在，表現為遷移的動態(tài)，只要將正、負電荷之間存在的引力改變?yōu)檫w移電荷(電子)的動力，從而使電荷在以上兩種能態(tài)之間不斷轉化，我們就可以從中得到取之不盡的電能。
電能本身就是能源！一種特殊能源，或許可以將它歸入“循環(huán)能源”一類。它不需要依靠其它的能源來轉換，全部問題的關鍵在于使它產生的方法。
現有產生電能的方法的失當之處主要在于一、采用了磁場發(fā)電的方法，不可避免地伴生了一個不允許消除的力。
二、采用了分離、遷移、復合的電荷遷移程式，使電能實際上只被利用了一次，為了維持電荷的循環(huán)遷移，必須連續(xù)注入使電子擺脫質子的引力所需的能量。
是用電場的方法還是用磁場的方法得到電能，我們可以有兩種選擇，遺憾得是我們過早地選擇了后者。用電場的方法產生電能，用磁場的方法將電能轉換為電動力，或許事物本來應當是這樣來安排的。
變電機本身不能產生任何能量，它的任務是為電荷創(chuàng)造一個連續(xù)反復遷移的條件以及控制電荷遷移的速率;變電機所需要的運轉動力和它所發(fā)生的電能之間沒有內在的必然聯系，它們各自產生的原因是不一樣的，因此兩者之間沒有直接可比性。
變電機所實現的不過是提供了一個證明相對論理論的實例而已。
以下再將變電機的構造與工作方式作一概括描述通過一個直流電源提供建場電壓。電源的正、負輸出端分別與一旋轉電容器的兩組極片相連接，夾在極片之間的介質被極化，形成一個電場。接電源正輸出端的極片得到電子，成為旋轉電容器的正極;接電源負輸出端的極片失去電子，成為旋轉電容器的負極。在以上的組合構造中，電荷已以勢能的形式存儲于旋轉電容器之中。(通常正、負電荷之間所表現的吸引和排斥作用力，在以上構造的電源、旋轉電容器及其介質之間已呈抵消平衡的狀態(tài)。)接下來，再用一旋轉電容器參與組合，(用固定電容器或者蓄電池參與組合的形式，屬于變電機構造的特例)，將它的一極與前述旋轉電容器的負極相聯結，另一極與前述旋轉電容器的正極分別引出輸出端子，負載接在這兩個輸出端子之間。兩個旋轉電容器的定片組合和轉片組合之間的重合位置，要求分別保持交替重合的狀態(tài)。(以上兩旋轉電容器的相互位置上的區(qū)別以及它的旋轉工作方式，使兩個旋轉電容器聯結在一起的兩個負極可以等效成為一個負極)。兩個聯結在一起的負極組合通常也是兩個旋轉電容器的轉組，將它們固定在同一根轉軸上，再用一動力源拖動轉軸旋轉。變電機在運轉時，組成它的兩旋轉電容器的電容量反復交替地變化，電荷隨在兩旋轉電容器之間往返遷移，并通過負載輸出電能。
有必要指出的是，當一旋轉電容器在作提升勢能的變化時，另一旋轉電容器作的是相反的回收變化，力學理論認為勢能(保守力)作功具有可以回收的性質。在變電機的工作方式里就具體體現了這一性質，而且勢能提升和回收在變電機中是同步進行的。制作旋轉電容器的材料通常不用磁性材料，也應當避免使用磁性材料。旋轉電容器正常運轉時電荷在極片上的流動既使產生了力，也必然在極片的平面上以及呈交叉重疊結構的正、負極極片的垂直線上抵消了，不可能在旋轉電容器轉片組合的平動方向上形成阻力。
變電機的轉動阻力來自重力體現在旋轉軸上的轉動磨擦力以及極片在氣體或者液體中平行移動的接觸磨擦力，總之，它們都屬于機械磨擦力，允許我們采取各種措施將其消減之。
變電機的旋轉方向一般沒有限制，幾乎一切動力都可以用來直接或者間接地驅動它，如風力、水力、潮汐力、人力、畜力以及氣動力、熱動力和電動力等。
變電機的運轉可以簡單地由一組獨立電源驅動一直流調速電動機來拖動;當條件許可而又必要時，可以采取另設一組旋轉電容器的辦法，來構成直流調速電動機的驅動電源。
參見圖11，該圖為變電機的一種工作系統(tǒng)示意圖圖示的系統(tǒng)由5只旋轉電容器CZ1-CZ5組成，它們的轉組都聯結在同一個轉軸50上;其中CZ1-CZ2是一組對應的旋轉電容器，用來作為變電機系統(tǒng)的輸出。RL是負載;CZ3是建場電壓旋轉電容器，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是另一組對應的旋轉電容器，任務是提供直流調速電動機M的動力，圖中的D4-D7、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經過限流電阻RE直接提供;直流調速電動機的起動動力由蓄電池EW供給，通過開機、停機的開關KW控制;D1-D3均為隔離二極管，(其中D3的負極可以從B點斷開改接在B′點上)。由電壓測試點A檢出的信號，同時反饋給建場電壓調整電路101和電動機轉速控制電路102，分別控制電子開關KE和可變電阻RW，從而達到調整變電機建場電壓和工作頻率的目的，最終控制變電機的輸出電流，輸出電壓以及輸出功率。
決定變電機輸出功率大小的是旋轉電容器的容量、建場電壓和旋轉電容器的變換頻率三個因素;其中旋轉電容器的容量通常是給定的，其它兩個因素則是隨機可變的，我們可以通過調整建場電壓和變換頻率來改變或者穩(wěn)定變電機的輸出功率。
試設旋轉電容器的容量為100μf，建場電壓以50V分檔遞增至500V，旋轉電容器的變換頻率以100HZ分檔遞增至1KHZ，且按照CV2×f＝W(瓦特)的公式，計算得出的數據列于表2
表中的數據顯示變電機可以有極大的輸出能力，極寬的調整范圍，極強的負載適應性。
變電機輸出的是交流電，由兩根對應的動力線引出，兩線交替輸出，各占周期輸出時間的50%。當人體觸及其中的一根動力線時一般不會有觸電危險。
變電機的輸出電壓是兩根動力線之間的電位差，是一個動態(tài)電壓;變電機的輸出電流是相對恒定的，它是個“恒流源”。
變電機輸出的基礎波形是交變上升三角波，但它隨負載的性質和數值的不同而改變，只有當負載的性質和數值確定以后，波形才能最后被確定。
變電機的輸出特性決定了它一般不適合作交流電使用，而經過整流濾波以后作為直流電輸出，可能更有適應性。尤其是在集中供電的場合，應當將它變換成直流電后再傳送。
變電機的輸出和負載之間存在一個匹配問題，而且不僅僅限于功率的匹配，輸出和負載之間的相位關系也是應當著重考慮的因素。
變電機的輸出不怕短路，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，必須根據一個具體的變電機的輸出數據來設計負載，或者，根據負載的要求來選擇變電機。當然，降功率使用則不在其例。
變電機的輸出不能開路，開路有可能導致介質擊穿，從而造成毀壞的后果。
變電機與其說它適合阻性負載，不如說它更適合感性和容性負載，感性和容性負載更能夠體現出變電機優(yōu)異特性。
變電機可以作為直流電源集中供電，而它作為單臺設備的獨立電源使用時，則能更好地發(fā)揮它的獨特性能。
變電機相當于一個“電子加速器”，它的輸出是“強制性”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;比如用它去獨立驅動一個電動機，就可能使這個電動機的轉速、起動、轉矩等完全按照我們的意圖隨機改變。
變電機作為通用直流電源時，它的“并網”十分方便;當用它作為設備專用的直流電源，而又多臺設備聯網使用時，它有良好的“共地”性，這在自動控制和微電子技術中是十分重要的。
組成變電機的旋轉電容的容量分布，可以被設計成某種函數分布關系，以滿足特殊的需要或取得特殊的效果。
變電機的出現不可避免地要改變以往的電能使用模式，確定一套變電機的制式是需要的，同樣與之配套的眾多新的電氣產品的出現也是必然的。
變電機可以被設計成各種形狀，如筒形、球形、箍形、碟形等，同樣也可以采用多種結構形式。
如圖12(A)和圖12(B)所示為一種固體介質接觸旋轉型的變電機結構示意圖，該變電機包括一對旋轉電容器CBO和CBO′，其中，旋轉電容器CBO和CBO′包括由帶狀導電體1221(可以分別用剛性、或者柔性基質材料)組成的環(huán)形定組122、由多個導電滾子125組成的滾子轉組121，以及設置在滾子轉組121軸心的轉軸120。上述帶狀導體1221在沿其長度方向上設置交替排列的，寬度均等的多個絕緣體區(qū)域1222和導電區(qū)域1223，其數量分別與導電滾子125的數量成比例關系，帶狀導體1221上還設置一個輸出端子123。滾子轉組121還包括沿圓周方向設置的、用以可活動地安裝上述導電滾子125的的滾子轉軸127，導電滾子125的外表面上復合一層固體介電材料126。當旋轉變電機的轉軸120時，導電滾子125依次從帶狀導體1221上的絕緣區(qū)域1222和導電區(qū)域1223上滾過，由此可以循環(huán)改變旋轉電容器CBO和CBO′的電容量。設計時也可以通過調整滾子125之間的弧距來改變旋轉電容器的輸出線性。作為一種變換，上述介電材料126也可以復合在帶狀導體1221上，該變電機的基本工作原理與前述變電機的原理是一樣的。
變電機是應用電場力和交變電場的原理設計的，它是利用勢能作功的一個例子;電感器和電容器是電學里的兩個儲能元件，向來我們已用了其中的一個(電感器)作出了電能發(fā)生器即發(fā)電機;變電機是用其中的另一個(電容器)作電能發(fā)生器的一種嘗試，這是一個新課題，要全面地認識、利用它，還有待于長期的探索和努力。
權利要求
1.一種用以向負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載兩端的至少一對電容器進行充電，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為可變電容器；中斷所述電源向所述一對電容器進行的充電，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載；通過一建場電壓調整電路檢測所述建場電壓，且當所述建場電壓低于一預定值時，控制所述電源恢復向所述電容器的充電。
2.如權利要求1所述的電能發(fā)生方法，其特征在于進一步包括通過在所述電源上跨接至少一個可變電容器，以提高用以向所述電容器進行充電的電壓的步驟。
3.如權利要求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電容器，所述旋轉電容器包括至少一組固定導電體和至少一組活動導電體，設置在所述固定導電體與活動導電體之間的介電材料，以及連接所述活動導電體的旋轉軸。
4.如權利要求3所述的電能發(fā)生方法，其特征在于利用電動機或燃氣輪機或水輪機驅動所述旋轉電容器。
5.如權利要求4所述的電能發(fā)生方法，其特征在于通過一電動機轉速控制電路控制所述電動機的運轉速度。
6.如權利要求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，向所述電動機供電，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的至少一個為可變電容器。
7.一種電能發(fā)生器，其特征在于包括至少一對電容器，一直流電源以及第一隔離二極管，所述一對電容器的每個電容器的一端相互連接形成共地端，另一端用以分別連接到負載的兩端，所述直流電源與所述第一隔離二極管串聯連接后跨接在所述一對電容器之一的兩端，且所述一對電容器的至少一個為可變電容器，所述可變電容器包括至少一組固定導電體和至少一組活動導電體，設置在所述固定導電體與活動導電體之間的介電材料，以及連接所述活動導電體的旋轉軸。
8.如權利要求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的第一可變電容器和第二可變電容器，所述第一和第二可變電容器的活動導電體由所述旋轉軸同軸安裝并形成所述的共地端，且所述第一和第二可變電容器的動態(tài)容量之和設置等于其中單個可變電容器的滿容量。
9.如權利要求8所述的電能發(fā)生器，其特征在于進一步包括串接在所述直流電源與第一隔離二極管之間的第二隔離二極管和電子開關，跨接在第一隔離二極管和第二隔離二極管的連接接點與所述共地端之間的第三可變電容器，以及連接在第一隔離二極管與所述第一或第二可變電容器的連接接點上，用以控制所述電子開關動作的建場電壓調整電路，所述第三可變電容器包括與所述第一和第二可變電容器的活動導電體同軸安裝的至少一組活動導電體。
10.如權利要求8或9所述的電能發(fā)生器，其特征在于所述旋轉軸由電動機或燃氣輪機或水輪機驅動。
11.如權利要求9所述的電能發(fā)生器，其特征在于所述旋轉軸由直流電動機驅動。
12.如權利要求11所述的電能發(fā)生器，其特征在于進一步包括用以向所述直流電動機供電的驅動電源，所述驅動電源包括一對具有相同容量的第四可變電容器和第五可變電容器，橋式整流電路，濾波電容器，穩(wěn)壓二極管以及電動機起動電源，其中，第四可變電容器和第五可變電容器包括同軸安裝在所述旋轉軸上的至少一組活動導電體以及至少一組固定導電體;所述橋式整流電路的輸入端跨接在第四可變電容器的固定導電體與第五可變電容器的固定導電體之間，所述濾波電容器，穩(wěn)壓二極管和電動機起動電源并聯跨接在所述橋式整流電路的輸出端，所述直流電動機經由一開關跨接在所述橋式整流電路的輸出端，所述直流電源經由一限流電阻和第三隔離二極管連接到所述第四可變電容器或第五可變電容器的固定導電體。
13.如權利要求11所述的電能發(fā)生器，其特征在于進一步包括用以向所述直流電動機供電的驅動電源，所述驅動電源包括一對具有相同容量的第四可變電容器和第五可變電容器，橋式整流電路，濾波電容器，穩(wěn)壓二極管以及電動機起動電源，其中，第四可變電容器和第五可變電容器包括同軸安裝在所述旋轉軸上的至少一組活動導電體以及至少一組固定導電體，所述橋式整流電路的輸入端跨接在第四可變電容器的固定導電體與第五可變電容器的固定導電體之間，所述濾波電容器、穩(wěn)壓二極管和電動機起動電源并聯跨接在所述橋式整流電路的輸出端，所述直流電動機經由一開關跨接在所述橋式整流電路的輸出端，所述直流電源經由一限流電阻和第三隔離二極管并經由所述橋式整流電路的負向輸出端連接到所述第四和第五可變電容器的固定導電體。
14.如權利要求12或13所述的電能發(fā)生器，其特征在于所述直流電動機為直流調速電動機，所述電能發(fā)生器進一步包括與所述直流調速電動機串聯連接的可變電阻，以及連接在第一隔離二極管與所述第一或第二可變電容器的連接接點上、用以調節(jié)所述可變電阻器阻值的電動機轉速控制電路。
15.如權利要求7或8所述的電能發(fā)生器，其特征在于，所述固定導電體和活動導電體由交替平行設置的片狀導電體組成。
16.如權利要求7或8所述的電能發(fā)生器，其特征在于，所述固定導電體由環(huán)形帶狀導電體組成，所述帶狀導電體在沿其長度方向上設置交替排列的，寬度均等的多個絕緣體區(qū)域和導電區(qū)域;所述活動導電體包括與所述絕緣體區(qū)域或導電區(qū)域數量成比例的圓柱形導電體。
17.如權利要求16所述的電能發(fā)生器，其特征在于，所述介電材料設置在所述圓柱形導電體的外表面上。
18.如權利要求16所述的電能發(fā)生器，其特征在于，所述介電材料設置在所述帶狀導電體的表面上。
19.如權利要求7或8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)生方法以及用以實現該方法的電能發(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共地端，且所述一對電容器的至少一個為可變電容器，所述可變電容器包括至少一組固定導電體和至少一組活動導電體，設置在所述固定導電體與活動導電體之間的介電材料，以及用以連接所述活動導電體的旋轉軸。且所述一對電容器也可以采用一對可變電容器，該可變電容器的動態(tài)容量之和設置等于單個可變電容器的滿容量。
文檔編號H02N1/08GK1109226SQ94116708
公開日1995年9月27日 申請日期1994年9月30日 優(yōu)先權日1993年10月14日
發(fā)明者周符明 申請人:周符明