CN1101768A - 电能发生方法和用以实现该方法的电能发生器 - Google Patents

Abstract

一种电能发生方法以及用以实现该方法的电能 发生器，所述电能发生器包括至少一对电容器，所述 一对电容器具有一个共地端，且所述一对电容器有至 少一个为旋转电容器，所述旋转电容器包括至少一组 固定导电体和至少一组活动导电体，设置在所述固定 导电体与活动导电体之间的介电材料，以及用以连接 所述活动导电体的旋转轴。且所述一对电容器也可 以采用一对旋转电容器，该旋转电容器的动态容量之 和设置等于单个旋转电容器的满容量。

Description

本发明涉及电能发生方法及其实现这一方法的电能发生器;尤其涉及一种使电荷在势能和动能两种能态之间相互转化，从而产生电能的方法以及实现该方法的电能发生器，我们将这种电能发生器称为变电机。

电子与束缚它的原子分离就产生了电，电子是一种可以以极限速度运动的基本粒子，电子本身的质量和它的运动速度决定了它包涵的能量，这是电子的物质特性。

电荷能够以势能的形式存在，表现为相对静止的势态，电荷也能够以动能的形式存在，表现为迁移的动态;电荷不论是以势能的形式存在或者是以动能的形式存在，都要在它存在的介质或者媒体中，根据介质或者媒体的物质性质的不同以及周围的环境条件而产生种种效应，如磁效应、场效应、热效应、光效应、化学效应等，同时将它的能量转移在介质或者媒体上。

电子既不能生成也不会消失，它是一种基本粒子的物质存在形式，而电荷的产生和消失大体上会经历从原子中分离、会聚、迁移、再与电子复合的过程，而电荷一经生成就会以势能态或者动能态两种能态的形式存在，从势能的角度来看，它是有限的，从动能的角度来看，它可以是无限的，将有限的质量以极限速度运动，这就是电能的本质（一粒电子虽然也可以脱离束缚它的原子经过迁移再复合于原子中，而在这里我们仅将它作为电荷的产生基础来对待）。

迄今为止，我们赖以产生电能的基本方法，可以被简单描述为：通过一种转化能量的装置来完成使电荷产生至消失的过程，是一个将电荷分离、会聚、迁移、复合的连续循环过程。至于主要用化学反应的方法产生电能的蓄电池，它仅仅只是使以上过程产生了中断，而没有丢弃其中的任何一个环节。由此，长期以来使人们产生了一个“认识”，即认为电能只有依靠其它的能源转化才能得到，在这里电荷仅仅只被作为传递能量的媒体了，从而整个社会与电有关的产业在这一认识的局限下运转了一个多世纪。

电能的使用虽然为我们带来了现代文明，但是，只要认真考察一下，我们在利用电能的同时所付出的代价，以及对地球的生态环境造成的破坏和污染，就足以使我们感到这样取得电能的形式是不能长远的。

能量存在于电荷之中！电荷一经产生，只要使它按照一定规律迁移，它就能不断地输出电能。这里重要的是，要设法防止直到消除电荷在转移过程中的“复合”这一使电能消失的最后环节，它是一切问题的关键所在！

电荷可以以势能态或者动能态两种能态形式存在，这两种能态是相互依存、相互作用、相互可以转化的，如果我们能够找到一种方法，让电荷运动在这两种能态之间，并且反复交替地相互转化，我们就可以从它的转化过程不断地取出所需要的能量。

通常电荷以势能的状态存在于电容器中，并形成一个电场，如果在同一电场中实现电荷在势能和动能两种能态之间的转化，而又不最后消失是不可能的，所以必须要有至少两个相关联的电场才能使这种转化得以实现。

电荷的迁移，除取决于一个电场势能的大小外，同时取决于另一个电场上势能的大小，处在两个势能相等，即等电位的电场之间的电荷是没有迁移能力的。

电荷在两个稳态电场之间的迁移只能进行一次，并且很快平衡成为两个势能相等的电场，因此，当要求电荷在两个电场中连续反复迁移时，就必须使这两个电场中的至少其中一个是处于动态中的电场。

目前，我们能够找到的可以产生这种动态电场的器件是可变电容器。

本发明的目的是提供一种产生电能的方法及其实现这一方法的电能发生器-变电机。

本发明的另一目的在于提供一种可以稳流、稳压、稳功率、集电能产生、电能变换于一身，尤其适合置于单台设备中的变电机。

本发明的又一目的在于提供一种可以设计具有各种功率、体积小、原材料省、适于大规模生产的变电机。

本发明的再一目的是提供一种耗能少，不产生污染，不破坏生态环境，使用方便安全的电能发生方法及其实现这一方法的变电机。

根据本发明的一个方面，本发明的电能发生方法包括如下步骤：

利用一电源向分别连接于负载两端的至少一对电容器进行充电，使所述电容器上形成建场电压，所述一对电容器有至少一个为可变电容器;

中断所述电源向所述一对电容器进行的充电，改变所述可变电容器的电容量，使所述一对电容器上的电压交替地得到提升和下降，从而使所述一对电容器上积累的电荷以交替的方向通过所述负载;

通过一建场电压调整电路检测所述建场电压，且当所述建场电压低于一预定值时，控制所述电源恢复向所述电容器的充电。

根据本发明的另一方面，本发明的电能发生器包括至少一对电容器，所述一对电容器具有一个共地端，且所述一对电容器有至少一个为旋转电容器，所述旋转电容器包括至少一组固定导电体和至少一组活动导电体，设置在所述固定导电体与活动导电体之间的介电材料，以及连接所述活动导电体的旋转轴。

根据本发明的又一方面，本发明的电能发生器包括至少一对具有相同容量的旋转电容器，所述旋转电容器包括至少一组固定导电体和至少一组活动导电体，设置在所述固定导电体与活动导电体之间的介电材料，以及同轴联接所述一对旋转电容器的所述活动导电体并使之在电气上相互连接的旋转轴，且所述一对旋转电容器的动态容量之和设置等于单个旋转电容器的满容量。

本发明提供的电能发生方法具有降低能耗和污染、有利于保护生态环境和操作方便、安全等优点，从而为人们提供了一种电能产生和利用的新途径。根据本发明提供的电能发生器，可以根据需要实现稳流、稳压、稳功率，它能集电能产生和电能变换于一身，尤其适合于在独立设备中用作供电电源;而且，根据本发明提供的电能发生器具有体积小、原材料省、适合于大批量生产且可以设计具有各种功率等优点。

以下将结合附图和实施例对本发明的电能发生方法和变电机的原理和基本构造进行系统的描述。

图1至图4是用以说明本发明电能发生原理的示意图;

图5至图7是表示本发明的变电机所用旋转电容器的结构示意图;

图8是表示本发明的一个变电机的剖面示意图;

图9（A）是本发明的变电机所用旋转电容器的符号图;

图9（B）是本发明的变电机的符号图;

图10是表示本发明的变电机的工作原理图;

图11是表示本发明的变电机的一个工作系统示意图;

图12（A）至12（D）是表示本发明另一种变电机的结构示意图;

参见图1（A），用一电池E通过开关K为一置于满容量位置的可变电容器C_B充电，使C_B上的电压上升至V_C;假设C_B是一理想的、且容量足够大的可变电容器，此时C_B上的电荷积累量为：

Q_C＝C×V_C库仑（C）

（式中C是C_B的容量，单位为法（F）;V_C是C_B上的电压，单位为伏（V））接下来，先将开关K打开，然后将C_B的容量减小为满容量的二分之一为C/2，如图1（B）所示;因C_B是理想可变电容器，所以其上积累的电荷Q_C既不会增加也不会减少，那么根据上式C_B上的电压应上升为：

Q_C÷C/2＝Q_C×2/C＝2Q_C/C＝2V_C

该式表明：当有一容量一定，积累一定量电荷的理想可变电容器，在不接外电路的情况下，将它的电容量减少为二分之一时，该可变电容器上的电压上升为原来电压的2倍。

接下来，将C_B的电容量由C/2再减少二分之一为C/4，如图1（C）所示，根据同样的道理，此时C_B上的电压应当上升为：2V_C×2＝4V_C

如此连续以二分之一的递减率改变可变电容器C_B的容量使它趋近于零，则C_B上的电压呈指数规律上升，并趋于无穷大。

又，如果可变电容器C_B上的容量呈线性分布，依次递减改变C_B容量的速度也是连续均匀的，并且是在规定的时间T里完成的，那么依次经过的时间占规定时间T的比例为：

T/2…3T/4…7T/8……2^N-1T/2^N＝T

图2表示在T时间里可变电容器的容量以2倍的速率连续递减，其上电压的上升变化趋势：

图中左下方框表示：当可变电容器的容量C置于满容量位置尚未开始减小时，其上已经积累了一定量的电荷Q_C并形成了强度为V_C的电场，用公式表示为Q_C＝C×V_C。这是可变电容器的容量经变小后其上的电压上升的先决条件，我们将这一条件称为“初始条件”;将此时建立在电容器C上的电压V_C称为“建场电压”。

当可变电容器C_B的初始条件具备时，在它的容器递减过程中，其上的电压呈指数规律上升，这一特性含有如下意义：

（一）它是一个电压呈指数规律增长的电压提升器，或可称之为势能发生器，它具有给电荷“加速”的功能，它相当于一个电子加速器。

（二）从电源的角度来看，它是一个动态电源，一个“主动”电源，当接上负载后它可以将电荷“强行”输出，“压迫”负载接受它输出的能量。

（三）它有稳功率的内涵：可变电容器容量的大小和建场电压的高低决定了它一次输出的电荷量;可变电容器的容量变化速度决定了输出时间;可变电容器的容量在递减变化的全过程中都有电荷输出，并且不受外电路的影响。

可变电容器上要有电荷输出，必须预先积累电荷;为了实现电荷在势能态和动能态之间的转化，同时保证了可变电容器上的电荷不会消失，就要求另有一个同样具有储能和释能能力的器件参与转化，这个器件可以用固定电容器、可变电容器和蓄电池担任。蓄电池是一个“容性电源”，它可以等效为一个容量极大的充满电荷的固定电容器。

下面，让我们对几个以可变电容器为核心器件构成的电路进行分析：

参见图3（A）：当可变电容器C_B的容量置于满容量时，蓄电池E通过负载R_L向C_B充电;当C_B的容量从满容量减小到O时，（见图3（B）），C_B又通过R_L将电荷返回E;假如蓄电池E的充电还原率为百分之百，那么在此过程中电荷没有损失，但它却两次通过了负载R_L，并且在R_L上做了功。

现实中的蓄电池的充电还原率不会达到百分之百，为了避免损失电荷，我们在蓄电池上并联连接一个固定电容器来加以补偿，参见图4（A）：

图4（A）与图3相比增加了一只固定电容器C_D和一只二极管D，D的作用是只允许充电电荷通过，而阻挡电荷的返回，该电路工作的原理与图3的电路基本相同，不同点是：

（一）蓄电池给电容充电只需一次，以后电荷只在可变电容器C_B和固定电容器C_D之间转移，假如都是理想电容器，则不会损失电荷量。

（二）电荷通过负载电阻R_L往返转移的过程出现了不平衡：C_B的容量由满容量变小时，由于电压呈指数上升，迫使电荷全部通过R_L，而C_B的容量从小变大接受电荷时，C_D向C_B的充电速度受到时间常数τ＝C_DR_L的数值的影响，当τ的数值超过一定的范围时，C_B有可能出现充电不足，影响了C_B下一次输出的电荷量，因而整个电路的电荷迁移量受到了C_D和R_L数值的牵制。

参见图4（B），与图4（A）相比，图4（B）用一只可变电容器C_B′替代了固定电容器C_D，C_B′与C_B是容量相等的同轴可变电容器，但是两电容器的容量始终处于对应的位置：如一个置于满容量，则另一个被置于零;在联动变化时一个容量减小，另一个容量增加，而且两电容器的容量分布的线性关系也是一致的。图中R_E是限流电阻，且R_E＞＞R_L。

当电路接通时，蓄电池E通过R_E、D向C_B′和C_B充电，经过一段时间，使C_B′和C_B上的电压与蓄电池电压基本相等（不计二极管D的管压降），即整个电路处于等电位状态;此时转动同轴可变电容器，联接在同轴上的C_B′和C_B的容量不断地交替变化，电荷通过负载R_L在C_B′和C_B之间往返转移，电荷的转移是由于可变电容器的电压提升作用，电压在上升过程中产生了加速电荷迁移的电场力，电荷在转移途中再将该力转移给负载，并在负载上做功。

以上过程开始阶段，蓄电池仅需向C_B′与C_B充一次电，形成建场电压，过后因C_B′与C_B在客观上不可避免要有损耗，所以蓄电池仍需通过R_E、D向C_B′与C_B补充损失的电荷，以维持建场电压不变。

以上叙述了一种电能发生方式，这种方式可以被概括表达为：应用可变电容器的电压提升原理，组合形成两个对应的交变电场，使一定量电荷在交变电场中反复迁移，同时在势能态和动能态之间反复转化，电荷将其在势能态时获得的电场力在向动能态转化途中，通过负载输出电能。

可变电容器是这一电能发生方式形成的核心器件，它要求实际的可变电容器具有容量大，变化速率高、转换控制方便的特性，现实中尚不存在这样的可变电容器，必须重新设计。

首先解决可变电容器的容量问题：

根据计算平板电容器容量的一般公式：

C＝εA/d    法拉（F）

（式中ε是相对介电常数;A是电容器两平行板相对部分的面积，单位为平方米（M²）d是两平行板相隔的间距，单位为米（M））。

要得到一个高容量的可变电容器：可以采取增大介电常数，扩大平行板面积，减小平行板间距等几种措施;通常扩大平行板面积同时也就增加了电容器的体积;减小平行板间间距又受到转动条件以及击穿电压等的因素的限制，在满足转动条件和耐压要求之后，最小板间间距就已经基本被确定了。介电材料虽然很多，但并非都是适合做可变电容器的。总之，电容器的容量是一个受到多种因素制约、须经过优化组合选择决定的量。

介电材料大体可分为气体、固体、液体等三类，气体的介电常数太小，一般不宜采用;固体介电材料的介电常数范围很宽，可以大到10000的数量级，但是单一使用固体材料意味着可变电容器不能转动（此结论只对采用平行板结构类型的可变电容器有意义，如是采用其它形状结构类型的可变电容器，则并非都是正确的。本文以平行板可变电容器这一典型结构作为讨论问题的依据，其它形状结构的可变电容器在文中另行注明）;液体材料的介电常数范围在两者之间，并且不断地有新的合成液体介电材料出现;因此，采用单一液体材料或者固体和液体材料相结合的方式，是提高介电常数，从而增大单位体积可变电容器容量的有效途径。

另外，采取增大平行板相对面积和缩小相对间距的特殊措施，提高制造可变电容器的工艺加工水平，对增大单位体积可变电容器的容量也有密切的关系，现有的工业加工手段和工艺水平已为可变电容器的生产提供了充分的条件。

可以预期，在0.001m³的体积中得到大于100μf容量的可变电容器是完全可以做到的。

再解决可变电容器的变化速率问题：

旋转是快速移动变换平行板电容器容量的最有效最省力的方法。

根据声学原理，旋转速度超过每秒50转时会产生噪音，现有的电动机转速一般都被限制在每分钟3000转以下，所以变电机的转速也不能超过每分钟3000转，而且希望转速愈低愈好，低转速有利于减小旋转动力，有利于调整控制，有利于减少干扰的发生几率。

采取“分容”的措施是在保证可变电容器容量不变的前提下，既可以降低变电机的转速，又可以提高可变电容器变化速率的行之有效的办法。

参见图5，图示为一片状可变电容器的结构，联结转轴50的部分是动片51（见图5（A）），另一部分是定片（见图5（B））;转轴50沿同一方向每旋转360度，电容器的容量从零到满容量再回到零，只变换一次。如果将动片和定片各分为自相联结的两个相等部分，如图6（A）和6（B）所示，不难看出，如此转轴沿同一方向每旋转360度，电容器的总容量基本保持不变，而容量从零到满容量再回到零却反复变换了2次;如此再分下去，我们就可以得到平均分容数为N的总容量仍保持不变的可变电容器了。为叙述的方便，以下将变电机内的可变电容器称为“旋转电容器”;将旋转电容器的平均分容数简称为“容分（N）”，（N）用正整数表示。

图7（A）和7（B）是一容分为4的旋转电容器的示意图。

旋转电容器的容分数是否可以无限制地提高呢？不能，它被分后的最小宽度无论如何不能小于动片和定片之间的间距，这是极限。另外，容分数愈多就会使旋转电容器作为电压提升器的效果愈差，直至丧失了这一功能。

一个具体的旋转电容器的容分数要受到它自身旋转周长的限制，周长愈长可分的余地愈大，反之则愈小，因而变电机的体积愈大一般容分数也高，反之则低。

电容器的变换速率是它的旋转速度和容分数两项的乘积，得出的数据即是变电机的输出频率;设旋转电容器的转速为M，单位：转/秒，用字母表示为r/s;变电机的输出频率f，单位：赫兹，用字母表示为HZ;它们与容分数之间的关系为：

f＝M×N

这里，（f）与交流电的频率有着相同的意义。

现将旋转电容器的转速M与容分N，以5为基数递增，计算得出的变电机输出频率f的10组数据列于表1：

表1

组别	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											M	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
N	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
											f	25	100	225	400	625	900	1225	1600	2025	2500

分析表中所列数字可得出以下结论：

（一）变电机的输出频率可高达1KHZ以上。这是设计小体积、大功率变电机的重要条件。

（二）变电机输出频率的设计取值范围很宽，它意味着使用同一个变电机在一定范围内能够适应不同负载的功率要求，并且为缩小变电机产品的功率设计划分序列创造了条件。

（三）调节变电机转速M可以稳定输出，这是设计稳流、稳压、稳功率的变电机电源必不可少的条件。

通常增大旋转电容器的容量，是将若干片动片和定片进行组合，为了便于区别，我们将旋转电容器的动片组合称为“动组”;定片组合称为“定组”，每一组合的各片之间都必须保持容量一致和位置上的对称。

如图8所示的是本发明一个变电机的剖面示意图，图中画出了上、下两个旋转电容器，它的两个动组51′与同一旋转轴50相联，并作为一个接线端子引出;两个旋转电容器C_B和C_B′的定组52′彼此分开，各引出一个输出接线端子521，如图4（B）中的C_B、C_B′所示。

图9（A）和9（B）分别表示旋转电容器和变电机的符号图，其中，标号50表示旋转轴，标号51’表示动组，标号52’表示定组。

一个实用的变电机里包含的旋转电容器的数量往往会不止两个，可能是三个、四个甚至更多。除特殊情况，它们的动组一般都联结在同一旋转轴上，定组则由各自的接线端子分别引出，作图时用不同的字符加以区别。

变电机的工作条件及其解决方法：

（一）变电机工作的初始条件的建立。

变电机的主要作用是实现电荷在旋转电容器之间转移从而产生电能，旋转电容器本身不能产生电荷（这在变电机正常工作之前有意义），必须预先将电荷置入，形成一个强度一定的电场，既预设“建场电压”，没有这个条件变电机便不能工作。建场电压的高低取决于旋转电容器电荷储存量的多少，同时，建场电压愈高，旋转电容器的电场力就愈大，变电机的输出功率也就愈大。

另外，建场电压是个可调因素，它和变电机的转速调整结合起来，可以形成一个近乎完美的变电机输出的调整系统。

建场电压的形成，可以采用前述图3、图4的形式，均由蓄电池来担任，但是，一个蓄电池的电压是有限的，图10的电路可以用最少的蓄电池满足高电压的要求，同时使建场电压可以随机调整。

图中的C_s是一个旋转电容器，它将蓄电池E的电压提升至一定高度满足建场电压的要求后，由A点检出取样信号，经建场电压调整电路101整形加工后去控制一个电子开关K_E的动作，从而达到调整建场电压的目的，图中D₁、D₂是隔离二极管。不难看出，整个电路组成了一个可调稳压源;注意图中C_s的动组与其它的旋转电容器的动组是联结在同一旋转轴上的。

（二）变电机的运转问题。

变电机是一种电能发生器，变电机的运转是指它在正常发电机的工作状态，除以上涉及的初始条件外，我们更关心的是它的运转动力的形成，尤其是运转所需的动力和能够产生的电力之间的关系，也即两者之间的能量转化关系，要得到正确的答案，必须首先弄清它们各自发生的根据是什么，下面我们就来讨论这个问题。

根据能量守衡定律：消耗的能量必然等于产出的能量，或者输出的能量加上损耗的能量必然等于提供的能量，这已被无数的事实所证明，变电机也同样不可能违反这一定律。

传统的发电机是应用电磁力和磁场感应的原理发电的，发电机正常运转时，转子相对于定子作旋转运动，在转子产生旋转磁场和定子绕组感应出电流的同时，它们又各自产生了一个横向力，两力在外部空间发生作用，因两力的方向相反不能抵消，所以发电机必须借助外部提供的动力来维持运转，提供动力的大小是由以上横向作用力加上发电机的机械旋转阻力来决定的;所以，发电机产生的电能是完全依靠其它能源的转换得到的，发电机在其中仅仅起到了一个“换能机”的作用。

电场与磁场不同，一个电场具有的电场力，是存在于这个电场的内部，存在于形成电场的正极与负极之间，电场可以长时间地保持而不消失;电场力是垂直于电场分布平面，作用在介质上的电压，并且，当电场发生变化时，电场力的大小也是在电场分布平面的垂直方向上发生变化，只有当电场变化的速率达到高频（如兆赫以上）时，电场力的分布方向才需要修正。

电荷在构成电容器的平板上移动时，要产生一个横向力，这个横向力作用在平板的同一平面上，产生了一个电荷之间的相互作用力;但它并不作用在外部空间。可以认为，这正是平板电容器的两板极在移动分开时，其上的势能上升的一个重要机理。

另外，电介质在形成可变电容器上的电场力方面起到了不可忽视的作用，电介质在电场力的作用下被极化，它的极化强度随着电场力的改变而变化，电介质的抗电强度表征了它束缚电子的能力，电介质的抗电能力为电容器上的电场力的保持或增强提供了一个反作用力，当聚集在电容器板极上的电荷密度增加时，电介质的抗电强度也增大，最终使电容器上的电场力和电介的抗电力之间，在两力作用的直线上得到平衡。

又，电荷受万有引力的影响很小，它的移动主要受的是电场力的影响，电场力的大小决定了它的移动速度。

总之，变电机的运转即旋转电容器的转组和定组在作重复开合运动时，基本不受电场力的影响，相反，它改变了电场力存在的条件;变电机运转所需要的动力，主要是用来克服由其机械构造产生的旋转阻力，这个阻力是因为万有引力而形成的。变电机的运转阻力和旋转电容器上产生的电场力来自于两个“运动系统”。它们在量的关系上没有可比性。

变电机所发生的电能不是由外部动力提供的，那么，变电机的能量究竟来自何处呢？

变电机的运转带动了旋转电容器，旋转电容器容量的变化，改变了电荷存在的条件，电荷从原来较大的平面上移动到较小的面积内，增大了单位电荷的密度，电荷密度的增大导致了电容器上的势能上升，同时，组成电容器的电介质的抗电力增强，并提供了一个维持电场的反作用力，最终形成了一个上升的电场力。电场力上升的作用力转移在电容器的介质上，被介质承担了，旋转电容器的介质被动地提供了变电机输出的电能。

变电机的运转动力主要是克服由其机械构造形成的转动摩擦力，我们在设计时应尽可能减小这种摩擦力，以节省变电机运转所需的动力。

变电机的运转可以简单地由一组独立电源，驱动一直流调速电动机来拖动;当条件许可而又必要时，可以采取另设一组旋转电容器的办法，来构成直流调速电动机的专用电源。

参见图11，该图为变电机的一种工作系统示意图：

图示的系统由5只旋转电容器CZ₁-CZ₅组成，它们的转组都联结在同一个转轴50上;其中CZ₁-CZ₂是一组对应的旋转电容器，用来作为变电机系统的输出，R_L是负载;CZ₃是建场电压旋转电容器，作用是提升蓄电池E的电压，满足CZ₁-CZ₂的建场电压需要;CZ₄-CZ₅是另一组对应的旋转电容器，任务是提供直流调速电动机M的动力，图中的D₁-D₄、D_W、C_W组成CZ₄-CZ₅的整流、稳压、滤波电路，CZ₄-CZ₅的建场电压由蓄电池E经过限流电阻R_E直接提供;直流调速电动机的起动动力由蓄电池E_W供给，通过开机、停机的开关K_W控制;D₅-D₇均为隔离二极管;由电压测试点A输出的信号，同时反馈给建场电压调整电路101和电动机转速控制电路102，分别控制电子开关K_E和可变电阻R_W，从而达到调整变电机建场电压和工作频率的目的，最终控制变电机的输出电流，输出电压以及输出功率。当然，作为一种变换，上述电动机M也可以由例如燃气轮机或水轮机等驱动运转。

决定变电机输出功率大小的是：旋转电容器的容量、建场电压和旋转电容器的变换频率三个因素;其中旋转电容器的容量通常是给定的，其它两个因素则是随机可变的，我们可以通过调整建场电压和变换频率来改变或者稳定变电机的输出功率。

设旋转电容器的容量为100μf，建场电压以50V分档递增至500V，旋转电容器的变换频率以100HZ分档递增至1KHZ，按照CV²×f＝W（瓦特）的公式，计算得出的数据列于表2：

表中的数据显示变电机有极大的输出能力，极宽的调整范围，极强的负载适应性。

变电机输出的是交流电，由两根对应的动力线引出，两线交替输出，各占周期输出时间的50%。当人体触及其中的一根动力线不会有触电危险。

变电机的输出电压是两根动力线之间的电位差，是一个动态电压;变电机的输出电流通常是稳定的，它是一个恒流源。

变电机输出的基础波形是交变上升三角波，但它随负载性质和数值的不同而改变，只有当负载的性质和数值确定以后，波形才能最后被确定。

变电机的输出性质决定了它一般不适合作交流电使用，而经过整流滤波以后作为直流电输出，可能更便于被利用。

变电机的输出和负载之间存在一个匹配问题，而且不仅仅限于功率的匹配，输出与负载之间的相位关系也是应当着重考虑的因素。

变电机的输出不怕短路，短路输出的电压等于零，而电流不等于零，要想得到最大的输出功率，必须根据一个具体的变电机的输出数据来设计负载，或者，根据负载的要求来选择变电机。当然，降功率使用则不在其例。

变电机的输出不能开路，开路很可能导致介质击穿，从而造成毁坏的后果。

变电机与其说它适合阻性负载，不如说它更适合感性和容性负载，感性和容性负载更能够体现出变电机优异特性。

变电机可以作为直流电源集中供电，而它作为单台设备的独立电源使用时，则能更好地发挥它的独特性能。

变电机相当于一个“电子加速器”，它的输出是“强制性”的，我们可以利用它的这一特征来冲破某些“禁带”，从而取得意想不到的效果;比如用它去独立驱动一个电动机，就可能使这个电动机的转速、起动、转矩等完全按照我们的意图随机改变。

变电机作为通用直流电源时，它的“并网”十分方便;当变电机作为设备专用直流电源，而又多台设备联网使用时，它有良好的“共地”性，这在自动控制和微电子技术中是十分重要的。

组成变电机的旋转电容的容量分布，可以被设计成某种函数分布关系，以满足特殊的需要或取得特殊的效果。

变电机可以被设计成各种形状，如筒形、球形、箍形、碟形等，同样也可以采用多种结构形式。

如图12（A）和12（B）所示为一种固体介质接触旋转型的变电机结构示意图，该变电机包括一对旋转电容器C_BO和C_BO′，其中，旋转电容器C_BO和C_BO′包括由带状导电体1221组成的环形定组122、由多个导电滚子125组成的滚子转组121，以及设置在滚子转组121轴心的转轴120。上述带状导体1221在沿其长度方向上设置交替排列的，宽度均等的多个绝缘体区域1222和导电区域1223，其数量分别与导电滚子125的数量成比例关系，带状导体1221上还设置一个输出端子123。滚子转组121还包括沿圆周方向设置的、用以可活动地安装上述导电滚子125的滚子转轴127，导电滚子125的外表面上复合一层固体介电材料126。当旋转变电机的转轴120时，导电滚子125依次从带状导体1221上的绝缘区域1222和导电区域1223上滚过，由此可以循环改变旋转电容器C_BO和C_BO′的电容量。设计时也可以通过调整滚子125之间的弧距来改变旋转电容器的输出线性。作为一种变换，上述介电材料126也可以复合在带状导体1221上，该变电机的基本工作原理与前述变电机的原理是一样的。

变电机是应用电场力和交变电场的原理设计的，它是利用势能作功的一个例子;电感器和电容器是电学里的两个储能元件，向来我们已用了其中的一个（电感器）作出了电能发生器即发电机;变电机是用其中的另一个（电容器）作电能发生器的一种尝试，这是一个新课题，要全面地认识、利用它，还有待于长期地探索和努力。

Claims (13)

1、一种用以向负载提供电能的电能发生方法，其特征在于包括如下步骤：

利用一电源向分别连接于负载两端的至少一对电容器进行充电，使所述电容器上形成建场电压，所述一对电容器有至少一个为可变电容器；

中断所述电源向所述一对电容器进行的充电，改变所述可变电容器的电容量，使所述一对电容器上的电压交替地得到提升和下降，从而使所述一对电容器上积累的电荷以交替的方向通过所述负载；

通过一建场电压调整电路检测所述建场电压，且当所述建场电压低于一预定值时，控制所述电源恢复向所述电容器的充电。

2、如权利要求1所述的电能发生方法，其特征在于进一步包括通过在所述电源上跨接至少一个可变电容器，以提高用以向所述电容器进行充电的电压的步骤。

3、如权利要求1或2所述的电能发生方法，其特征在于所述可变电容器为旋转电容器，所述旋转电容器包括至少一组固定导电体和至少一组活动导电体，设置在所述固定导电体与活动导电体之间的介电材料，以及连接所述活动导电体的旋转轴。

4、如权利要求3所述的电能发生方法，其特征在于利用电动机或燃气轮机或水轮机驱动所述旋转电容器。

5、如权利要求4所述的电能发生方法，其特征在于通过一电动机转速控制电路控制所述电动机的运转速度。

6、如权利要求4所述的电能发生方法，其特征在于通过由另一对电容器和直流稳压电路组成的电源电路，向所述电动机供电，所述另一对电容器由所述电源充电形成所述建场电压，且所述另一对电容器有至少一个为可变电容器。

7、一种电能发生器，其特征在于包括至少一对电容器，所述一对电容器具有一个共地端，且所述一对电容器有至少一个为旋转电容器，所述旋转电容器包括至少一组固定导电体和至少一组活动导电体，设置在所述固定导电体与活动导电体之间的介电材料，以及连接所述活动导电体的旋转轴。

8、如权利要求7所述的电能发生器，其特征在于，所述一对电容器为一对具有相同容量且同轴安装的旋转电容器，所述一对旋转电容器的动态容量之和设置等于单个所述旋转电容器的满容量。

9、如权利要求7或8所述的电能发生器，其特征在于，所述固定导电体和活动导电体由交替平行设置的片状导电体组成。

10、如权利要求7或8所述的电能发生器，其特征在于，所述固定导电体由环形带状导电体组成，所述带状导电体在沿其长度方向上设置交替排列的，宽度均等的多个绝缘体区域和导电区域;所述活动导电体包括与所述绝缘体区域或导电区域数量成比例的圆柱形导电体。

11、如权利要求10所述的电能发生器，其特征在于，所述介电材料设置在所述圆柱形导电体的外表面上。

12、如权利要求10所述的电能发生器，其特征在于，所述介电材料设置在所述带状导电体的表面上。

13、如权利要求7所述的电能发生器，其特征在于，所述介电材料为气体、液体和/或固体。

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