本帖最后由 能量海 于 2018-1-12 07:50 编辑


第四章：重力脉冲系统

威廉·斯金纳的扭矩发电机

　　1939年，佛罗里达州迈阿密的威廉·斯金纳（William Skinner）演示了他的通过转动配重发电的第五代发电机。他的演示还能在这里看到：

　　这里他展示了他的设计为一台12英尺的车床、一台钻床和一台电力钢锯提供动力，所有这一切都是同时进行的。纪录片评论员指出，输出功率是“输入功率的1200％”，即COP = 12，但极有可能他应该说的是“1200倍”，而不是“1200％”，因为他继续指出，利用这个设计将允许一马力（746瓦）输入功率去给3,500个家庭供电。如果是COP = 12，那么3500个家庭的每一家会收到少于2.6瓦，这明显是错误的。更有可能是COP=1200，每个家庭将平均得到255瓦，这在1939年还很少家庭器具是电动的时候是可能的。不管怎么说，斯金纳的令人印象深刻的设备能由单根棉线传动带驱动，其时为他的整个车间提供动力。这看起来像这样：

　　这种设计具有四个近乎垂直的轴，每个撑牢以增加刚性。这些转动轴传递其旋转功率给左边可见的机械输出传动带。每个旋转轴都有一个沉重的、短而厚的圆桶安装在高达靠近轴的顶部的上面，而大概是一个更重的、细长形的圆桶附着在轴的底部，恰好在输出传动带的右侧可见。这四套相同的轴以其配重对每秒转动两或三次，而产生全部输出功率。

　　据我所知，斯金纳的设计从来没有获得过专利，或透露它是如何运行的。虽然可能需要一段时间来掌握它的工作原理，但工作原理的确很简单。如果你见过下面这样的带四条硬腿的老式椅子，你就能很容易自己查出来：



　　把椅子倾斜，以使它用一只脚平衡。你会注意到，几乎所有的努力都与保持全部重量只用一只脚支撑在地板上的姿势无关。现在，非常少地移动一点椅子的顶部，并把椅子的顶部保持在这个位置。你会注意到两件事情：第一，移动椅子的顶部只需要很少的力，而其二，椅子现在来回晃动，并变为在椅子被移动的顶部的同一侧上静止下来。

　　注意另外两件事：因为你轻微地移动顶部而使椅子来回地晃动，而你并没有晃动椅子，如果椅子很重，晃动椅子的能量要比你施加到椅子顶部的能量大得多。

　　如果你保持在一个很小的圆内移动椅子的顶部，那么椅子将不断地来回转动，不管你打算摇晃的椅子的顶部多长时间。转动椅子的能量比你花在使椅子旋转上的能量要大得多。那么，额外的能量从哪里来？

　　正在发生的是，椅子在重力作用下晃动，以使椅子顶部的新位置达到可能的最低点。但在此之前，你进一步四处移动椅子的顶部，而椅子必须进一步晃动来达到最低点。但在此之前，你再次移动顶部……椅子不断晃动打转，被重力拉扯，只要你选择继续移动顶部。但是，不管多重的椅子，你只要很少的力就能造成旋转。

　　斯金纳在每个传动立轴的顶端有一个机械装置，而那个机械装置保持轴顶端在一个小圆内移动，同时让轴随时自由旋转，这使得沉重的配重连接着轴以保持来回转动，而他用那个沉重的旋转配重的功率来驱动他的整个车间。移动轴的顶端需要如此少量的能量，以致他只用了一台93瓦的电动马达，并显示他甚至没有使用那台小马达的所有功率，他用了一条单根的棉线作为传动带来移动四个功率输出轴的顶部。

　　他的机械装置看起来很复杂。这部分是由于事实上有四个相同的动力轴及其配重，安装在一个紧凑的框架里，而这使其看起来比实际更复杂。这还由于事实上在新闻短片中所示的系统是威廉的装置的第五个版本。很可能他早期简朴得多的版本运作良好，而鼓励他打造更炫的版本。

有两个论坛，这些论坛的成员都试图找出他最终版本的机器到底是如何起作用的，然后复制这个设计用于当代，因为这是一个获取额外的可用功率的简洁的系统。这些论坛在：
  和
17195-william-f-skinner-1939-gravity-power.html

　　要记住，然而，实际上不必复制威廉的第五版，而是用旋转椅子的原理将足以做出一个简单的机械装置，其输入功率远小于输出功率。

　　如果我们想到发生了什么，那么也许我们可以理解斯金纳的看起来复杂的配置。我们可以只考虑四个轴的其中一个。巨大的配重在一个圆中旋转，而那个运动于是被用来驱动输出轴。为了减少旋转配重量所需的力，轴被制得更薄，而四个支撑棒被用来支撑轴——其方式完全相当于帆船桅杆通常用“横支杆”去控制住从桅杆伸出的支撑，由此给出更大的整体劲度。因此我们可以忽略那些支撑棒，因为它们对于他的设计的实际运行没有起任何作用，而仅仅是他的许多不同的施工方案中的选择之一。

　　记得旋转椅子，再想想旋转斯金纳的沉重的配重必须要做什么。轴的顶部必须要在一个小圆里移动。从顶部往下看的情况是这样的：


　　当系统被关闭时，连接到轴的底部的配重直接在轴的顶部的下方停止移动，当系统再次启动时，首先移动是移动驱动轴的顶部绕过90°。这是旋转运动的起点和初始，运动是缓慢的，因为需要花一些时间让配重开始运动。为了减少巨大的下部配重的前方九十度的轴顶部的力，斯金纳在顶部增加了一个配重，以辅助向这个方向运动。


　　斯金纳还利用自己的大型车间在轴的顶部上方来应用皮带驱动机构，且甚至进一步减少移动驱动轴顶部的力（达到用一根棉线就能驱动的程度）。有两个原因使他在结构中用了四个独立的相同的轴：第一，增加了整体的输出功率；而第二，所有压迫安装框架的横向力都在各个方向上得到匹配，这一点当你像斯金纳那样在旋转臂上有着沉重的配重时是很有用的。

　　由于输出轴似乎大约每分150转，斯金纳选择使用直接机械传动。早在1939年，电驱动设备并不像今天那样普遍，但如今我们或许宁可要电输出而不要机械驱动，尽管机械驱动可以用于驱动水泵和其它低转速设备。因此，我们面临着引入某种形式的传动装置，它可以把每分钟150转大大提高到更高的速度——作为大多数交流发电机的首选。

　　虽然有可能用普通的12伏的电机作为发电机并产生一个12伏的电输出，很可能用一台现成的电动发电机更方便，也许是一台像这个一样摩擦非常低的，被设计用于风力运行的、并有着12V或24V的3相输出。


　　事实上，输出是3相的听起来有点吓人，但转换到直流是相当简单的：


　　输出可以用六个普通的二极管转换成直流电，或用一个集成二极管配置——三个输出的每一个都有一个连接销，还有一个单独销作为直流的正极和直流的负极。相关的电流相当高，如400瓦12伏代表超过33安培和500瓦的峰值输出是一个大约42安培的电流。为此，三相整流块的额定电压为50安培，这听起来非常高，直到你做了计算，并发现电流很可能是怎样的。还应该记住，直流输出线要承载电流的程度基于一个持续的基础上，所以需要相当耐用的线。如果电压是220V，那么导线将承载超过9千瓦的电流流动，所以通常13安培的输电线是不够的，而是相反，我们需要用粗线或多于一股的线作为连接的正负线。

　　这种特殊的发电机并不贵，且能持续输出400瓦的电力（33安培）。由于斯金纳型似乎旋转在150赫兹，输出速度的加速将得到更大的输出，所以也许对于一个自制者，实际布局可能是这样的：


　　当然可以用许多不同形式的结构，但对于它们当中的每一种形式的问题是，“你怎么使倾斜轴强力旋转？”　如果你能解决斯金纳在纪录片中所示的第五个版本的复杂性，那么它肯定会运行。然而，我们宁愿能有一个更简单的设计，所以我们不一定要复制斯金纳所做的，而是我们可以应用他所演示的原理。一种可能的配置可能可以模仿椅子实验——用带有配重连接着一侧的坚固的轴，也许这样的：


　　版本“A”用配重量来加强轴，但那样做提高轴和配重的重心，不一定恰当。版本“B”通过伸展臂的手段从的中心点向外移动重心而使给定的配重增加了扭矩。当轴以恒定速率旋转时，轴上的负载将基本上不变，而且杆身不应有任何显著的弯曲，尽管当它旋转时可能会弯曲，并一直保持着同样的弯曲度——如果配重相比于轴的刚度非常重。

　　我们确实要输入一些能量去转动驱动轴的顶部，但如果我们的配置是在数以百计的可行配置中的任何一个，那么输出功率将大大大于我们的输入功率。另一种允许速度控制的配置（因此，输出功率控制）是采取一些生成的电输出的，并用它们来给一个电驱动供电，它位于在驱动轴的顶部。

　　将有许多不同的实现这种运动的方式。这样做的一个方法可能是：


　　在这里，显示为绿色的小电机速度降了下来，并用以我们认为是恰当的任意速率的转速去移动驱动轴的顶部，用的是标准的直流电机调速器。

　　应当指出的是，对于轴不管选择什么角度，相对于电机臂在轴的顶部的小圆内移动转圈是始终不变的。这意味着不需要滚珠轴承，因为没有相对运动，而轴会自动接受这个固定角。驱动电机臂移动轴的顶部可能不长，因为斯金纳似乎是由离底部枢轴中心约40毫米处移动他的轴的顶部的，使得每一垂直侧上的轴的角度仅1°左右。

　　是的，当然，不是非要把输出功率转换为电能，而是可以用斯金纳同样的方式那样应用——驱动机械设备，如水泵，用于灌溉或从井中抽水，磨坊运行用于处理谷物或用于运行任何形式的车间设备。也不必建造与斯金纳的差不多大的设备，而小型的可用于电力照明系统，运行风扇或冷却系统，或者任何其它较小的家用需求。

　　机器的功率输出可以通过增加连接到输出轴的配重而增加，或通过增加固定配重的臂长而增加，或通过把输出轴倾斜到一个更大的角度（这增加了所需要的输入功率，但可能不是很多），或者通过放大整个设备，以便它在物理上比较大。斯金纳的设计在输出轴上采用了加固支撑，这表明轴越轻，性能越好。因此，一台建成的原型也许用了33平方毫米的木材轴杆，因为那既轻又有着非常的强度和刚度，而其良好的性质可以确保支承配重的臂不打滑。轴的顶部略有减少，以便它有一个圆截面。一个300转/分的马达转动以最高每秒5转的速度旋转，所以适用于旋转轴。一个合适的低成本的电机类型，看起来像这样：


　　电机需要以简单方法连接到轴，确保不会有轴滑移：


　　也许在条状材料上切割打穿一个大小合适的孔，并用金属条压入适合于此的电机驱动轴的平面（除了孔，均为推入紧密配合）。环状螺母或环氧树脂层固定稳固地把平板固定到电机上，因为板子位于电机下方，因此重力会时刻把板拉离电机轴。

　　最初会假定在这个电机臂里需要滚珠或滚柱轴承，但情况并非如此，因为驱动轴不相对于电机臂转动，而同时驱动轴可在孔内松配合，当然不需要轴承。

　　商用直流电机调速器可以用来使轴转速逐渐从静止启动到所选的旋转速率：


　　使用这样的商业模块就意味着建立这种类型的运转正常的发电机不需要电子知识。

　　对于提供的必要的、驱动发电机的配重有多种选择。一种可能性是用一种杠铃轴，带有尽可能多配重，这是一个非常简单的更改：



　　可以切掉一个把手，并作为直接安装的一部分，也许像这样：



　　这种简单配置使得配重盘得以添加和固定在所需的任意组合中。如哑铃为成对提供，每一侧有四个盘，使得配重选择广泛，仅仅每公斤就往上跳，非常方便。如果轴有一个正形截面，往往是没有杆臂绕轴滑动的。

　　下面的草图不是按比例的，但结构的一种形式可以是：





　　对于这种结构风格，也许四件的70 x 18毫米刨平直角边的木料切割成也许1050毫米和两个33 X 33 x 65毫米件，用环氧树脂和螺丝拧上两片，两端向内18毫米。



　　然后四件拧在一起并放在一个平面上：



　　随后用中密度纤维板的角斜撑拧紧就位：



　　然后，130×25毫米厚的板在宽度的中心点跨接，并拧紧到位：



　　下一步，两节18毫米厚的木材，约180毫米长，用环氧树脂和螺丝固定在25毫米厚的板的中心，留下70毫米间隙到板端：



　　两个木条1350毫米长，裁切并垂直竖立，用螺钉上穿25毫米厚的木板连接，并用中密度纤维板在一侧为角斜撑，并跨过垂直板的下端。如果用水平仪来确保垂直木材确实是垂直的，则首先，底框的四个角需要配重来克服任何翘曲，并在附加垂直木料之前，确认底框水平的：



　　每个垂直板需要用斜板条在两侧撑牢——金属或木材均可：



　　一个18毫米厚的木条是用螺丝固定在垂直板的顶部的。这样刻意定位横梁偏离中心18毫米是因为电机转动驱动轴的顶部必须连接到这个最新的横梁的中间，而那把电机轴放在了非常靠近底座中心点的地方：



　　美中不足的是，需要一个打包件作为三角中纤板支撑件，在顶部增加框架刚性：



　　在这个阶段，结构看起来像这样：



　　在这一点上，可以安装300转/分的电机及其致动臂和速度控制箱。电机位于中央，而控制箱可放在任何适当的地方。控制箱只是一个1.2伏镍氢电池AA型的12伏电池组，经过推送按钮开关和商用直流电机速度控制器，连接到300转/分的电机。以此配置，可以通过按下按钮加电，从静止开始并缓慢调整速度，使得转子配重运动逐渐越来越快，直到达到其最佳运行速度。当一切就绪，随即交流发电机的整流的输出被送入控制箱中，以便启动按钮可以松开，而设备将由输出功率的一部分变为自供电的。起步看起来像这样：



　　需要说明的是，除了25毫米厚板外，所有这方面的构造只是很轻的加载，因为转动驱动轴的顶部根本不需要多大的功率或力。几乎所有的旋转配重均位于主动轴的底部，而那个配重是坐落在某种形式的轴承上的，它是处于25毫米板的中间的。

　　对于一个小版本的发电机，如这一个，旋转配重不需要那么大，所以，配重及其绕轴承旋转产生的力不必是一个大东西。然而，尽管实际上我们只应付可通过简单的组件处理的有限的力，人们可能会倾向于使用一个推力轴承，而不是让配重量搁在交流发电机的轴上。这类轴承可能看起来像这样：



　　这里，底座和内环不动而顶部外环自由旋转，并在旋转时可以支持大负荷。如果我们选择使用其中的一个，那么可以用这样的配置：



　　这个组合有一个盖子（显示为黄色），中央连着垂直轴（黄色），紧紧地罩着轴承上环，其下环被牢牢地连接着25毫米厚的木板（灰色），可能用的是环氧树脂（紫色）。这使得上环和垂直轴自由转动的同时可承载可观的负荷。所示配置中的动力输出来自轴悬臂下方的木板。一般来说，电功率输出随旋转速度的增加而增加，因此使发电机增速传动，以使它的转速比驱动轴快得多是明智的，而这样的配置也许对此是恰当的。如果动力输出装置在板的上方很重要，则牢固的支架可以用来把轴承在板的上方升起足够高来实现这一目标。

　　有两个单独的力对轴承起作用。一个总是向下的，因为轴承支撑着旋转的配重：



　　还有就是由（不平衡的）配重产生的横向力：



　　这个横向力通常被认为是一个主要的问题，然而，在这种情况下，配重没有来回转动，并试图在水平方向上逃离轴，但相反，配重通过其自身重量在重力作用下翻转过来，而所产生的力是相当不同的，并且在不同的方向。而且，当我们在考虑一个轨道运行的重量时，我们下意识地认为转率与速度相比是非常小的，通常这种旋转仅仅在每分钟150转和300转之间。

　　至于在轴驱动电机负载而言，情况是这样：



　　这是静止时的位置。在驱动轴顶端上对电机轴的拉力为W x d / h，这里W是臂端d的重量。驱动轴一旋转，情况立即改变，且重量W开始在重力的影响下摆荡。

    驱动轴务必要轻。小的配重，刚性木轴足以胜任，而且它在载荷下不会屈曲。我确信驱动轴的底部需要一个万向接头，而这种发电机的一个主要版本的配重是非常高的，如果设计成其最小规格，无疑轴会弯曲，但在这些压力小得多的条件下，当它被横向拉动时，将不会有轴的弯曲，而其时轴间角是恒定的，我认为任何这样的接合是不必要的。然而，许多人都希望包含一个。这些轴承有不同的形式，其中一个看起来像这样：



　　必须记住，如果安装了这样的接合器，那么它不会不断运动，即，接头会占用一个特定的位置，并在发电机运行的整个时间过程中保持着这个位置。

　　一个折衷的办法是通过绕着刚好在推力轴承上方的驱动轴联轴器旋转，而在一个平面上提供一个铰链运动：



　　电气连接是很简单的：



　　当按钮开关按下时，1.2伏AA型电池的12伏电池组连接到电机的速度控制器。这给电机加电，而当驱动轴速度逐步加速时，发电机开始发电，它总是输送到速度控制器箱。只要发电机达到速度，按钮开关可以释放，而系统则用发电机产生的功率运行。剩余功率将取自发电机输出，但这些链接没在图中显示。