устройство для электростатической передачи энергии через непроводящую среду

Формула изобретения

1. Система для передачи электричества через вакуум или диэлектрические материалы, содержащая энергопроизводящее устройство и по меньшей мере одно энергопотребляющее устройство, представляющие собой биполярные асимметричные осциллирующие устройства, при этом энергопроизводящее устройство содержит первый активный электрод, первый пассивный электрод и генераторную установку, соединенную с одной стороны с указанным пассивным электродом, а с другой стороны - с указанным активным электродом и выполненную с возможностью приложения к первому активному и первому пассивному электродам переменной разности потенциалов;

энергопотребляющее устройство содержит второй активный электрод, второй пассивный электрод и нагрузку, соединенную с одной стороны со вторым активным электродом, а с другой стороны - со вторым пассивным электродом;

энергопроизводящее устройство и энергопотребляющее устройство выполнены с возможностью установки по отношению друг к другу с обеспечением пространства между первым активным электродом энергопроизводящего устройства и вторым активным электродом энергопотребляющего устройства;

генераторная установка выполнена с возможностью приложения высоких относительных потенциалов к первому активному электроду с созданием в указанном пространстве области интенсивного электрического поля и с образованием в результате каждым из энергопроизводящего устройства и энергопотребляющего устройства электрического диполя, оказывающих взаимное воздействие;

ко второму активному электроду, помещенному в область интенсивного поля, прикладываются указанные высокие относительные потенциалы, а к первому и второму пассивным электродам - относительно низкие потенциалы.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что генераторная установка энергопроизводящего устройства представляет собой высоковольтный высокочастотный генератор, один конец которого соединен с первым активным электродом для приложения к первому активному электроду значительных вариаций потенциала, а другой конец генератора подключен к указанному соединению с первым пассивным электродом, причем первым пассивным электродом является по меньшей мере один электрод в энергопроизводящем устройстве, который функционирует в качестве резервуара зарядов, причем указанный электрод имеет более крупный размер и расположен на удалении от первого активного электрода; или земля.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что второй активный электрод помещен в область, где имеют место значительные вариации потенциала, а второй пассивный электрод помещен в область с меньшими вариациями потенциала.

4. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что энергопроизводящее и энергопотребляющее устройства выполнены полностью или частично обратимыми.

5. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что генераторная установка выполнена с возможностью генерации потенциалов, которые меняются с частотами, выбранными таким образом, что ассоциированные с ними длины волн в окружающей диэлектрической среде остаются большими относительно размеров энергопроизводящего и энергопотребляющего устройств, так что энергия, рассеиваемая в форме электромагнитного излучения, мала по сравнению с энергией, переносимой от энергопроизводящего устройства к энергопотребляющему устройству.

6. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что активные электроды полностью покрыты материалом, обладающим высоким напряжением пробоя и низкой поверхностной проводимостью.

7. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что между первым и вторым активными электродами установлен один или более съемных механических соединителей типа электрических розеток без создания какого-либо непосредственного электрического контакта между двумя съемными частями.

8. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что генераторная установка энергопроизводящего устройства содержит генератор и множество трансформаторов, удаленных от указанного высокочастотного низковольтного генератора и соединенных с ним при помощи коаксиальных кабелей; при этом энергопроизводящее устройство содержит множество первых активных электродов, соединенных с соответствующими трансформаторами с обеспечением переноса электричества к энергопотребляющим устройствам, удаленным от указанного генератора.

9. Система по п.3, отличающаяся тем, что и энергопроизводящее устройство, и энергопотребляющее устройство содержат модулирующее устройство, выполненное с возможностью модуляции меняющихся потенциалов в указанной области на любой частоте или частотах, используемой (используемых) для переноса энергии, или на частотах, накладываемых на указанную частоту (указанные частоты), при условии, что выбор указанных частот не приводит к существенным радиационным потерям, обеспечивая тем самым одновременную двунаправленную передачу сигналов, переносящих информацию, независимо от направления переноса энергии.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что и энергопроизводящее устройство, и энергопотребляющее устройство содержат усилительное устройство для усиления передаваемой между ними информации.

11. Энергопроизводящее устройство, выполненное с возможностью передачи электричества через вакуум или диэлектрические материалы по меньшей мере одному энергопотребляющему устройству, при этом:

энергопроизводящее и энергопотребляющее устройства представляют собой биполярные асимметричные осциллирующие устройства;

энергопроизводящее устройство содержит первый активный электрод, соединение с первым пассивным электродом и генераторную установку, соединенную с одной стороны с указанным пассивным электродом, а с другой стороны - с указанным активным электродом и выполненную с возможностью приложения к первому активному и первому пассивному электродам переменной разности потенциалов;

генераторная установка выполнена с возможностью приложения высоких относительных потенциалов к первому активному электроду с созданием области интенсивного электрического поля в пространстве, локализованном между первым активным электродом и вторым активным электродом в энергопотребляющем устройстве;

каждое из энергопроизводящего устройства и энергопотребляющего устройства образует электрический диполь, причем оба диполя оказывают взаимное воздействие;

к пассивным электродам прикладываются относительно низкие потенциалы.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что генераторная установка представляет собой высоковольтный высокочастотный генератор, один конец которого соединен с первым активным электродом для приложения к первому активному электроду значительных вариаций потенциала, а другой конец генератора подключен к указанному соединению с первым пассивным электродом, причем первым пассивным электродом является по меньшей мере один электрод, который функционирует в качестве резервуара зарядов, имеет более крупный размер и расположен на удалении от первого активного электрода; или земля.

13. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что генераторная установка выполнена с возможностью генерации потенциалов, которые меняются с частотами, выбранными таким образом, что ассоциированные с ними длины волн в окружающей диэлектрической среде остаются большими относительно размеров энергопроизводящего и энергопотребляющего устройств, так что энергия, рассеиваемая в форме электромагнитного излучения, мала по сравнению с энергией, переносимой от энергопроизводящего устройства к энергопотребляющему устройству.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что генератор, размещенный между первым активным электродом и первым пассивным электродом, содержит высокочастотный источник низкого напряжения, а также трансформаторные средства для преобразования низкого напряжения на высоких частотах, генерируемого указанным источником, в высокое напряжение на высоких частотах.

15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что содержит набор внутренних электродов и средства для создания разности фаз на указанном наборе внутренних электродов для генерации вращающегося электрического поля в указанной области интенсивного поля, с тем чтобы обеспечить передачу электричества энергопотребляющему устройству в указанной области интенсивного поля независимо от углового положения энергопотребляющего устройства.

16. Энергопотребляющее устройство, выполненное с возможностью получения электричества через вакуум или диэлектрические материалы от энергопроизводящего устройства, при этом:

энергопроизводящее и энергопотребляющее устройства представляют собой биполярные асимметричные осциллирующие устройства;

энергопотребляющее устройство содержит активный электрод, пассивный электрод и нагрузку, соединенную с одной стороны с активным электродом, а с другой стороны - с пассивным электродом;

энергопотребляющее устройство выполнено с возможностью помещения указанного активного электрода в область интенсивного электрического поля, создаваемого энергопроизводящим устройством в пространстве, локализованном между указанным активным электродом и активным электродом энергопроизводящего устройства;

каждое из энергопроизводящего устройства и энергопотребляющего устройства образует электрический диполь, причем оба диполя оказывают взаимное воздействие;

к пассивному электроду, внешнему по отношению к указанной области, прикладывается относительно низкий потенциал.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что содержит высоковольтную высокочастотную нагрузку, соединенную на одной своей стороне с указанным активным электродом, а на другой своей стороне с указанным пассивным электродом, при этом указанный активный электрод помещен в область, где имеют место значительные вариации потенциала, а пассивный электрод помещен в область с меньшими вариациями потенциала.

18. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что нагрузка состоит из низковольтной нагрузки, функционирующей на высокой частоте и подключенной к трансформаторным средствам, которые выполнены с возможностью преобразования высоких напряжений на высоких частотах, получаемых от указанного активного электрода, в низкие напряжения на высоких частотах.

19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что содержит набор электродов с внутренним переключением, причем указанная нагрузка соединена с одним из указанного набора электродов с внутренним подключением, для получения электричества из электрического поля заданной ориентации в указанной области интенсивного поля независимо от относительных угловых положений энергопотребляющего устройства и указанного поля.

20. Энергопотребляющее устройство, выполненное с возможностью получения электричества через вакуум или диэлектрические материалы от энергопроизводящего устройства, при этом:

энергопроизводящее и энергопотребляющее устройства представляют собой биполярные асимметричные осциллирующие устройства и образуют электрические диполи, оказывающие взаимное воздействие;

энергопотребляющее устройство содержит среду с низкой проводимостью, которая представляет собой нагрузку, функционирующую непосредственно под высоким напряжением на высоких частотах, и выполнено с возможностью размещения указанной среды с низкой проводимостью в области интенсивного электрического поля, создаваемого активным электродом энергопроизводящего устройства в пространстве, локализованном между указанной средой с низкой проводимостью и энергопроизводящим устройством.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к области передачи энергии.

Результаты первых экспериментальных наблюдений электрических эффектов, проведенных в 17-18 веках с использованием электрических машин, а также последовавшие за ними количественные работы Шарля Огюстена Кулона (1736-1806) и многие другие исследования, получившие поддержку от изобретений, первым важным из которых стала лейденская банка, были впервые обобщены с использованием соответствующего формализма сэром Джеймсом Клерком Максвеллом (1831-1879). Открытие электромагнитных волн Генрихом Рудольфом Герцем (1857-1894) стало предшественником изобретения радио Маркони в 1896 г. Уравнения Максвелла, замещенные уравнениями Лоренца (1853-1928), имеющими простую форму благодаря более компактному формализму, не только остаются релевантными, но и привели к открытию относительности. Действительно, можно сказать, что Эйнштейн преобразовал инвариантные принципы механики, используя преобразование Лоренца, разработанное применительно к уравнениям Максвелла-Лоренца. В соответствии с этими уравнениями можно разделить все дистанционные взаимодействия на три категории:

чисто электрическое взаимодействие, которое соответствует механическому отталкиванию/притяжению двух удаленных зарядов и на основе которого задается кулоновский потенциал;

чисто магнитное взаимодействие, которое соответствует отталкиванию/ притяжению двух магнитов и на основе которого задается скалярный магнитный потенциал (который не следует путать с векторным потенциалом);

и, в завершение, комбинированное взаимодействие, которое имеет место при наличии достаточно быстрых изменений во времени и которое соответствует распространению электромагнитных волн.

Здесь можно отметить, что два первых взаимодействия не являются распространяющимися самостоятельно, тогда как третье, соответствующее распространению энергии со скоростью света, ассоциируется с поперечными волнами (продольные волны несовместимы с уравнениями Максвелла). Следует отметить также, что взаимодействия на расстоянии (дистанционные взаимодействия) могут иметь механический макроскопический характер, когда заряды связаны с веществом, или чисто электрический макроскопический характер в случае свободных зарядов в неподвижном твердом материале.

Далее для обозначения дистанционной передачи энергии за счет только электрического взаимодействия и только магнитного взаимодействия будут соответственно использоваться термины электрическое воздействие (электростатическая индукция) или просто воздействие и магнитная индукция или просто индукция . Электромагнитные волны представляют собой специальный случай распространения энергии путем осцилляции обеих названных форм энергии.

Только электромагнитные волны способны переносить энергию на большие расстояния. Остальные случаи соответствуют энергии, которая сохраняется в зоне, непосредственно окружающей генераторы, так что энергия доступна только на коротких расстояниях, т.е. локально. Математически плотность энергии, которая может быть ассоциирована со скалярными потенциалами, очень быстро убывает с расстоянием.

Применения воздействия и индукции многочисленны и разнообразны. Так, в отношении механических применений воздействия можно, прежде всего, упомянуть электроскоп и так называемые переносчики заряда (краски, чернила, пыль), применяемые в таких устройствах, как краскопульты, копиры, очистители воздуха. Механические приложения индукции (магнитов, электромагнитов) весьма разнообразны.

В отношении магнитной индукции в контексте приложений, связанных с преобразованием механической энергии в электрическую и наоборот, можно выделить типичные двигатели и электрогенераторы. Известны также двигатели, основанные на воздействии, тогда как соответствующие генераторы именуются также (ошибочно) электростатическими машинами . Локальное сохранение магнитной энергии (индукции) обеспечивается с помощью компонентов, именуемых обмотками или катушками индуктивности, тогда как локальное сохранение электрической энергии (воздействия) обеспечивается с помощью конденсаторов. Конкретные варианты катушек индуктивности или конденсаторов позволяют получить трансформаторы, основанные на индукции или воздействии. Следует отметить, что устройства подобного типа предусматривают использование переменных токов. Законы воздействия и индукции остаются справедливыми в приложениях, связанных с переменным током, применительно к достаточно низким частотам. В таких случаях будут использоваться термины квазистатический режим или квазистационарный режим . На практике необходимо, чтобы размеры устройства оставались малыми по сравнению с используемой длиной волны в среде. Для более высоких частот воздействие и индукция становятся неразделимыми, так что приходится принимать во внимание явление распространения.

Изобретение, которое будет описано далее, основано на возможности передачи электрической энергии, на основе воздействия, на короткое расстояние через вакуум или любой диэлектрический изоляционный материал. В этом смысле индукция и электромагнитные волны не вносят вклада в принцип действия изобретения и поэтому не могут присутствовать иначе как внутри применяемых устройств или в качестве потерь. Устройства согласно изобретению используют различные типы емкостной связи между множеством проводников, которые исторически характеризуются как проводники под частичным воздействием . Режим подобного типа существенно отличается от обычного режима с применением стандартных устройств, обычно рассматриваемых в качестве устройств с полным воздействием . В связи с этим представляется необходимым вернуться к рассмотрению базовых принципов электростатики, что позволит определить предлагаемые устройства более точно.

Если взять сферический проводник, удалить его на большое расстояние от других проводников и сообщить ему электрический заряд Q, потенциал V, который может быть ассоциирован с проводником, определяется (принимая обычное условие нулевого потенциала на бесконечности) как V=Q/4 R, где R - радиус проводника, a - электрическая проницаемость окружающей диэлектрической среды. Следовательно, электрический заряд на изолированном проводнике неразрывно связан с потенциалом согласно формуле Q=CV (I), где емкость С=4 R. Определяемая таким способом емкость может рассматриваться как собственная емкость проводника, поскольку, в известном смысле, она определяет связь, посредством воздействия, между электродом и окружающей диэлектрической средой. Значение, получаемое для типичных газов, очень близко к значению для вакуума.

Когда в данной диэлектрической среде присутствует несколько электродов, можно, используя формулу (I), определить емкость каждого проводника. При этом найденное значение будет отличаться от значения, полученного для изолированного проводника. Следовательно, можно определить значения емкостей взаимного воздействия. В общем случае присутствия n подобных проводников заряды Q_i (i=1, 2, n) на проводниках ассоциированы с потенциалами V_i посредством матричного соотношения (Q_i)=(C_ij )(V_i), причем матрица (C_ij) имеет размерность n×n. Коэффициент C_ii, соответствующий емкости, ассоциированной с проводником i, не равен его собственной емкости, за исключением случаев, когда расстояния между проводником i и другими проводниками велики по сравнению с размерами проводника i. Когда два проводника очень близки друг к другу и имеют большие поверхности, обращенные друг к другу, можно показать, что С ₁₁=С₂₂=-С₁₂=-С₂₁=C, a Q₁=-Q₂=Q. Поэтому: Q=C(V₁-V ₂). В таком случае можно сказать, что проводники находятся в состоянии полного взаимного воздействия (полного взаимодействия). Можно также сказать, что проводники находятся в состоянии полного взаимодействия, если все силовые линии поля, исходящие из проводника, систематически входят в другой проводник. Если же некоторые силовые линии завершаются на проводнике, отличном от двух рассматриваемых проводников, взаимодействие рассматривается как частичное.

Вариант взаимодействия между двумя удаленными электрическими диполями, на котором основано настоящее изобретение, вытекает из частичного воздействия, имеющего место для четырех проводников, и поэтому ни в коем случае не может быть приравнен к набору стандартных конденсаторов, даже асимметричных. Применительно к данному варианту для описания ситуации в целом нельзя использовать выражение емкостная связь . С другой стороны, можно рассматривать матрицу емкостей или емкостные коэффициенты.

Физический механизм воздействия (электростатической индукции) в общем случае (когда оно не является полным) представляется довольно сложным. Можно отметить в этой связи несоблюдение закона сохранения интенсивности. Нетрудно понять, что если, в динамическом приложении, электрические заряды попадают на стенки длинного тонкого проводника, их количество или, точнее, их поток убывает с расстоянием (и наоборот, если заряды собираются). Уравнения Максвелла требуют сохранения полного потока плотности тока j_m+j_d, где j _d - плотность тока смещения, задаваемая, как , a j_m - физическая плотность тока (плотность тока, циркулирующего в проводниках). Таким образом, ток смещения замещает физический ток на границе проводник/диэлектрик. Это остается справедливым для вакуума, что означает, что через него вблизи проводника также протекает ток смещения. Плотность тока смещения, которая обычно является очень низкой, может быть увеличена использованием интенсивных электрических полей и высоких частот. Тем не менее, вопреки широко распространенному ошибочному взгляду, токи смещения не всегда ассоциируются с электромагнитными волнами (иначе нам пришлось бы принять, что эти волны проходят сквозь конденсаторы, работающие в режиме переменного напряжения).

Существуют локальные или магнитные явления, которые не могут быть ассоциированы с волнами и которые требуют рассматривать диэлектрик, окружающий проводники, как среду с наложенными на нее электрическими или магнитными ограничениями. По аналогии с физическими средами, такие явления могут именоваться явлениями переноса (передачи) . Таким образом, когерентно движущиеся в проводниках электроны не находятся в прямом взаимном контакте и взаимодействуют друг с другом так же, как удаленные физические проводники, т.е. посредством воздействия.

Хотя изобретение направлено на передачу энергии на расстояние без непосредственного контакта через диэлектрическую среду, оно относится не к передаче электромагнитной энергии в форме излучения, а к области переноса электрической энергии.

Уровень техники

Воздействие (электростатическая индукция) было открыто и исследовано задолго до электромагнитной индукции. За исключением конденсаторов с полным воздействием, до настоящего времени оно было реализовано лишь в нескольких промышленных применениях, имеющих чисто электрический характер. Механические силы, которые могут быть получены в результате взаимного воздействия двух удаленных зарядов, очень слабы по сравнению с силами, которые, как известно, действуют между двумя магнитами. Значительный перенос энергии не может быть достигнут в случае устройств с использованием частичного воздействия, за исключением случаев применения высоковольтных высокочастотных генераторов.

Условия, необходимые для переноса электрической энергии посредством воздействия, были впервые реализованы Никола Тесла (1856-1943). Использованные устройства были крупногабаритными (десятки метров), а наблюдаемые эффекты распространялись на несколько десятков километров, т.е. на расстояния, превышающие длину волны. Таким образом, Тесла не работал в квазистатическом режиме. В своем патенте США № 648621 от 1900 г. он описывает систему, обеспечивающую дистанционную передачу энергии. То обстоятельство, что он использовал землю на одной стороне и ионизированные слои атмосферы на другой стороне (эксперименты в Колорадо-Спрингс), заставляет думать, что он достиг скорее распространения поперечной волны, которая частично направлялась ионосферой. Кроме того, при штормовой погоде он впервые наблюдал стационарные электромагнитные волны. Позднее Станислав и Константин Авраменко в международной заявке WO 93/23907 предположили, что они получили продольные волны, которые распространялись вдоль очень тонкого провода. Приемное устройство, которое они применили в одном из описанных вариантов, кажется использующим метод резервуара зарядов, используемый также в настоящем изобретении. При этом описанный в той же заявке генератор (испускавший, как представляется, весьма специфичные волны) имеет природу, отличную от нагрузки. В этом отношении можно отметить отсутствие соединения на одном из терминалов вторичного контура трансформатора.

Настоящее изобретение отличается от работ Тесла и упомянутых патентных документов тем, что энергия передается на короткие расстояния, предпочтительно по продольной оси (параллельной электрическому полю) и без необходимости подключения к земле.

Настоящее изобретение отличается от описанного в заявке Станислава и Константина Авраменко тем, что энергия передается на короткие расстояния без проводов или волны, а также тем, что генераторы и нагрузки имеют одинаковую природу.

Изобретение отличается от любой схемы включения конденсаторов, в том числе асимметричных, поскольку даже самый простой вариант изобретения не может быть ни в каком случае сведен к подобной схеме.

Раскрытие изобретения

Устройство согласно изобретению реализует способ передачи электрической энергии на относительно короткое расстояние через диэлектрическую среду без использования электрических проводов и без необходимости любого, даже самого слабого физического контакта (например, такого как заземление). В этом отношении изобретение позволяет осуществить перенос энергии между двумя взаимно удаленными точками в вакууме. Используемый способ основан на кулоновском взаимодействии, которое в данном описании именуется также электрическим воздействием .

Термин перенос (и его эквивалент передача , а также слова, производные от данных терминов) связан с продольным характером механической силы, ассоциируемой с концепцией электрического взаимодействия. При этом в рамках концепции изобретения это взаимодействие, осуществляемое дистанционно (на расстоянии) через вакуум, не должно смешиваться с электромагнитной передачей энергии (имеющей поперечный немеханический характер и связанной с принципом, который реализует изобретение, только тем, что соответствует нежелательным потерям).

Более конкретно, устройство по изобретению нужно рассматривать в контексте частичного воздействия, в рамках которого некоторые проводники должны рассматриваться либо как изолированные и взаимодействующие с окружающей диэлектрической средой (или, альтернативно, находящиеся в вакууме), либо как взаимодействующие с множеством удаленных проводников, которые в некоторых случаях находятся на большом расстоянии и не определены. Для некоторых проводников, рассматриваемых в контексте изобретения, собственная емкость изолированного проводника составляет его важное свойство, которое определяет порядок величины достигаемого эффекта.

Математическим инструментом, подходящим для анализа ситуации с множеством находящихся во взаимодействии проводников, является матричное описание. В предельном случае среды, которая в контексте изобретения рассматривается как непрерывная, физики используют также, для упрощения рассмотрения, выражение ближнее поле (в противоположность дальнему полю ).

Устройство по изобретению ни в каком случае не может быть сведено к схеме из стандартных конденсаторов, назначение которых могло бы состоять в обеспечении электрической связи между двумя твердыми, механически не связанными объектами. В такой схеме каждый элемент (традиционный конденсатор) может рассматриваться как совершенно самостоятельный элемент, отличаемый от всех остальных, тогда как между электродами согласно изобретению имеются множественные связи.

Для использования устройства согласно изобретению требуются интенсивные электрические поля с быстрыми изменениями во времени, существующие в диэлектрической среде вне проводников, для которых максвелловский ток смещения обычно чрезвычайно мал. Эти же поля ассоциируются с потенциалами и импедансами, которые, с учетом размеров используемых устройств, могут быть очень большими.

В устройстве согласно изобретению используются частоты (далее именуемые высокими частотами, ВЧ), которые намного превышают частоты, обычно применяемые для передачи электрической энергии. Вместе с тем эти частоты являются достаточно низкими для того, чтобы получить пренебрежимо низкий уровень электромагнитного излучения. Данное условие выполняется при выборе размера используемого устройства, который соответствует лишь небольшой части длины волны во внешней среде, окружающей данное устройство, или при тщательном подборе форм (контуров) различных электродов и разностей подаваемых на них фаз.

В вариантах изобретения, которые будут описаны далее, быстро изменяющиеся поля с большой амплитудой создаются с помощью высоковольтных высокочастотных (ВВВЧ) генераторов. ВВВЧ-генераторы будут использоваться с ВВВЧ-нагрузками.

Используемые переменные напряжения являются чисто синусоидальными или состоят из множества частотных составляющих и соответствуют напряжениям от нескольких сотен вольт (для применений при очень малых мощностях или для устройств малого размера и микрометрических расстояний) до нескольких мегавольт (при высоких мощностях или в устройствах большого размера).

ВВВЧ-генераторы и ВВВЧ-нагрузки, функционирующие при высоком напряжении и низкой интенсивности, обычно имеют высокие импедансы.

Устройства согласно изобретению состоят, по меньшей мере, из двух четко различающихся частей:

из энергопроизводящего (далее - производящего) устройства, состоящего, по меньшей мере, из одного ВВВЧ-генератора и электродов, электрически соединенных с генератором (генераторами), функция которых состоит в том, чтобы сообщить окружающей среде (например вакууму) электрическую энергию, и

из энергопотребляющего (далее - потребляющего) устройства, состоящего, по меньшей мере, из одной ВВВЧ-нагрузки и, по желанию, электродов, электрически соединенных с нагрузкой (нагрузками).

Электроды и соединительные провода рассматриваются в контексте изобретения как проводящие среды, имеющие пространственную протяженность и четко определенные профили. Математически они соответствуют поверхностям или объемам, которые практически эквипотенциальны. Электроды и соединительные провода обычно выполняются из электропроводных металлов, но, по желанию, могут полностью или частично состоять из электропроводных жидкостей или ионизированных газов, возможно, находящихся внутри твердых диэлектрических материалов.

ВВВЧ-генератор согласно изобретению может быть реализован в различных вариантах, например с использованием низкого переменного напряжения, подаваемого на первичную обмотку индукционного трансформатора, который обеспечивает высокое напряжение на своей вторичной обмотке и который способен функционировать на относительно высоких частотах. Возможно также использование пьезоэлектрических трансформаторов или любой иной технологии, дающей эквивалентные результаты.

ВВВЧ-нагрузки согласно изобретению - это устройства, аналогичные ВВВЧ-генераторам; в некоторых вариантах для подачи энергии к устройствам малой мощности они используют технологии, аналогичные применяемым в генераторах, т.е. строятся по обратимой схеме.

Соединения, используемые в устройствах по изобретению, также являются обратимыми, т.е. реализующими принцип "действие/реакция".

Отсюда следует, что при использовании одних и тех же обратимых технологий на сторонах как генератора, так и нагрузки, устройство в целом также становится обратимым, так что энергия может циркулировать в любом направлении.

В случае простых систем, не содержащих множества электродов с напряжениями, различающимися по фазе, ВВВЧ-генераторы (и, по желанию, ВВВЧ-нагрузки) соединены электропроводными проводами с электродами двух типов, предпочтительно расположенными, в целях предотвращения радиационных потерь, на коротких расстояниях от генераторов.

В зависимости от их размеров, данные электроды имеют различные свойства и функции. Крупный электрод, питаемый тем же переменным током, что и небольшой электрод, будет иметь более низкие напряжения, в результате чего он генерирует в окружающей среде более слабые электрические поля. Электроды этого типа будут именоваться пассивными электродами или электродами-резервуарами зарядов . Самым крупным из доступных резервуаров зарядов является Земля. Электроды меньших размеров ассоциируются с более сильными полями; они будут именоваться активными электродами . Электроды, создающие поле, будут именоваться генерирующими электродами , а электроды, подвергающиеся воздействию этого поля, - электродвижущими электродами . В обратимом варианте электроды поочередно являются электродвижущими и генерирующими, в зависимости от направления, в котором осуществляется перенос энергии.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан возможный вариант системы, содержащей комбинацию производящего и потребляющего устройств. ВВВЧ-генератор 1 соединен с одной стороны с большим пассивным электродом 2 (фиг.1а) или с землей (электродом-резервуаром зарядов) (фиг.1b), а с другой стороны - с небольшим активным электродом 3 (генерирующим электродом), формирующим область 4 интенсивного поля, в которой концентрируется энергия. Высокоимпедансная нагрузка 5, в свою очередь, на одной своей стороне соединена с небольшим электродом 6 (электродвижущим электродом), помещенным в область интенсивного поля, а с другой стороны - с еще одним электродом 7 (предпочтительно большего размера), помещенным в область поля меньшей интенсивности (с пассивным электродом).

Вариант изобретения по фиг.1 требует подробного рассмотрения взаимодействия между двумя асимметрично осциллирующими электрическими диполями. Два электрических диполя взаимодействуют аналогично взаимодействию, имеющему место между двумя катушками магнитной индукции, по которым протекают переменные электрические токи. Таким образом, устройство по изобретению в отношении воздействия эквивалентно частично связанным трансформаторам. Связь осуществляется через диэлектрическую среду с проницаемостью , а не через индуктивную среду с магнитной проницаемостью µ, как это имеет место в трансформаторе.

Как и в случае воздушного трансформатора, для двух электрических диполей может существовать множество конфигураций. Конфигурация, в которой диполи расположены на одной оси, позволяет увеличить диапазон и, для конкретных вариантов воздействия, ослабить ограничения на количество активных электродов.

В случае нагрузок, требующих согласования импедансов, в контексте изобретения минимальное количество активных электродов равно двум: один (генерирующий) электрод используется на стороне производящего устройства, а другой (электродвижущий) электрод - на стороне потребляющего устройства.

В случае нагрузок, которые естественным образом обладают высоким импедансом, таких как ионизированные среды при низком давлении, твердые материалы с высоким удельным сопротивлением или некоторые полупроводники, подобные нагрузки могут помещаться непосредственно в область поля высокой интенсивности без необходимости подключения к ним дополнительных электродов. В таких случаях функцию электродов выполняют физические границы подобных сред. В частности, применительно к дистанционному питанию ВВВЧ-нагрузки с высоким естественным импедансом, такой как ионизированный газ, заключенный в твердую диэлектрическую оболочку, и к использованию соединения с землей, подведенного к одному из терминалов генератора, нужен только один электрод, который должен быть подключен к другому терминалу генератора. Этот единственный электрод, естественно, должен быть генерирующим электродом.

На фиг.2 иллюстрируются различные возможные ситуации в отношении внутренней структуры ВВВЧ-нагрузки.

Так, на фиг.2а представлен вариант, когда использование индукционного трансформатора 8, который, по желанию, может быть подключен к выпрямительному устройству (не изображено), позволяет питать конечную нагрузку 9 с малым импедансом.

В варианте по фиг.2b ВВВЧ-нагрузка состоит из единственного компонента, имеющего естественный высокий импеданс.

На фиг.2с представлен вариант, в котором ВВВЧ-нагрузка состоит из ионизированного газа 15 при низком давлении, заключенного в диэлектрическую оболочку 16.

На фиг.3 иллюстрируются более сложные варианты изобретения.

На фиг.3a изображен вариант, в котором на стороне потребляющего устройства, между понижающим трансформатором 8 и низковольтной нагрузкой 9, включено дополнительное модулирующее устройство 11. Это модулирующее устройство, связанное с усилительным устройством 12, также включенным на стороне потребляющего устройства, обеспечивает одновременный перенос информации в направлении, противоположном направлению переноса энергии. Информация генерируется устройством 13 контроля и управления, установленным на стороне потребляющего устройства. При этом аналогичное устройство 13 контроля и управления, связанное со вторым модулирующим устройством, включенным на стороне генератора, между повышающим трансформатором 8 и источником 10 питания, позволяет этому источнику адаптироваться к требованиям по мощности со стороны потребляющего устройства.

На фиг.3b показан вариант, в котором наличие усиления и дополнительного управления на стороне потребляющего устройства позволяют осуществлять двунаправленную, возможно одновременную, передачу информации между потребляющим и производящим устройствами.

Подобные обмены нечувствительны к направлению, в котором переносится энергия. Возможно обращение (изменение на обратное) направления переноса энергии, когда в рассматриваемой системе используются обратимые устройства 9 и 10.

В одном из вариантов рассматриваемого устройства коммуникационный протокол позволяет потребляющему устройству посылать на производящее устройство требование адаптироваться к потребностям потребляющего устройства путем изменения средней амплитуды напряжения, прикладываемого к генерирующим электродам. И наоборот, производящее устройство может информировать потребляющее устройство о своих резервах мощности. В случае временного разрыва соединения потребляющее устройство может питаться от имеющегося в нем резервного источника энергии.

В одном из вариантов, основанном на связи между двумя диполями и соответствующем четырехполюсной структуре, когда расстояние R между диполями становится большим, переносимая энергия уменьшается пропорционально 1/R⁴. В этом случае для производящего диполя, который питает относительно небольшой потребляющий диполь, практический диапазон расстояний примерно в несколько раз превышает размер этого потребляющего диполя.

В случае, когда потребляющий диполь является энергетически независимым, расстояние для переноса только информации между производящим и потребляющим диполями намного превышает аналогичное расстояние для предыдущего варианта, если только для принятого сигнала на сторонах потребляющего устройства и производящего устройства может быть достигнуто достаточное усиление.

В одном варианте изобретения, когда нагрузка прекращает требовать энергию, производящее устройство автоматически переходит в режим экономии питания путем значительного уменьшения средней амплитуды напряжения, подаваемого на генерирующий электрод, без прерывания информационной связи с потребляющим устройством. Более совершенный режим экономии энергии реализуется путем проведения периодических взаимных опросов производящим и потребляющим устройствами.

Наконец, в одном конкретном варианте может передаваться только информация (в одном из режимов, соответствующих односторонней, чередующейся двунаправленной или одновременной передаче).

В некоторых вариантах производящее и потребляющее устройства или только генерирующий и/или электродвижущий электрод (электроды) удерживаются в заданном положении с помощью одного или более механических соединителей. Эти соединители могут быть съемными и выполненными с применением диэлектрических материалов таким образом, что генерирующий и электродвижущий электроды обращены друг к другу без прямого электрического контакта. Устройство с таким механизмом приближается к устройствам типа электрической розетки для отбора электроэнергии от электрических агрегатов.

В некоторых вариантах изобретения производящее и потребляющее устройства могут взаимно перемещаться без нарушения энергетического соединения между ними. Такая ограниченная подвижность в отношении поступательного движения и вращения в некоторых случаях, при соответствующем управлении вращающимися полями, может быть доведена до полной мобильности по вращению. Относительное вращение производящего или потребляющего устройства при необходимости может быть компенсировано противоположным вращением поля, либо подачей на набор электродов на стороне производящего устройства напряжений с обращенными фазами, либо внутренним переключением набора электродов на стороне потребляющего устройства (потребляющих устройств).

На фиг.4 представлен вариант, в котором используется комплект из четырех электродов с внутренним переключением (не изображено), благодаря чему потребляющее устройство получает питание независимо от его углового положения в пространстве. Если потребляющее устройство должно вращаться вокруг двух осей, необходим комплект минимум из 6 электродов.

Управление вращением одного или более полей, по желанию, может использовать информационную связь между производящим и потребляющим устройствами.

На фиг.5 иллюстрируется вариант для переноса энергии на короткое расстояние от одного производящего устройства на несколько потребляющих устройств.

На фиг.6 иллюстрируется вариант, пригодный для распределения энергии между устройствами, находящимися на средних или больших расстояниях. Энергия, подаваемая в контур от ВЧ низковольтного генератора 10, распределяется между удаленными повышающими трансформаторами 8. Использование низковольтного распределения позволяет ограничить реактивную мощность, обусловленную собственной емкостью проводов (и ассоциированными с ней джоулевыми потерями), а также излучением от проводов (в левой части фиг.6). Применительно к еще большим расстояниям может быть использована линия на основе коаксиального кабеля 14 (см. правую часть фиг.6), чтобы ограничить радиационные потери (потери на электромагнитное излучение).

Электроды (как и соединительные провода) на сторонах производящего и потребляющего устройств не обязательно должны иметь хорошую проводимость, в некоторых случаях они даже могут иметь относительно высокий импеданс. Желательно использовать для них очень малые количества проводящего или полупроводящего материала.

Активные электроды в вариантах, использующих высокую мощность, могут, по желанию, быть покрыты или более прочными изоляционными материалами, или, в более общем случае, материалом с высоким напряжением пробоя и малой поверхностной проводимостью, чтобы гарантировать безопасность за счет предотвращения значительных локальных повышений плотности тока в случае случайного локализованного контакта.