Anordnung zur Erzeugung eines Wechselstromes aus einer Gleichspannung durch periodische Veränderung der Kapazität zischen den Kapazitätsflächen des Rotors und des Stators einer umlaufenden Maschine.
Die Erfindung bezieht sich auf eine An ordnung zur Erzeugung eines Wechselstro mes aus einer Gleichspannung durch perio dische Veränderung der Kapazität zwischen den Kapazitätsflächen des Rotors und des Stators einer umlaufenden Maschine, wobei die Gleichspannung über einen Widerstand an den Rotor und den Stätor der Maschine angeschlossen ist.
Es ist an sich bekannt, in derartigen An ordnungen Kapazitätsmaschinen zu verwen den, die mit kleiner Endleistung entweder einen Verbraucher unmittelbar steuern oder unter Einsteuerung einer weiteren Kraft quelle mittelbar den angeschlossenen Ver braucher mit Wechselstrom beliefern.
In solchen Anordnungen sind Maschinen bekannt geworden, deren Rotor mit Längs nuten auf seiner zylindrischen Umfangfläche versehen ist, wodurch parallel zur Achse ver laufende Stege gebildet sind, die entspre- chend geformten Stegen auf der Innenseite des Stators gegenüberstehen.
Die Ausgangs- leistung einer solchen Maschine wird durch die nur zur Verfügung stehende zylindrische Oberfläche des Rotors kapazitiv begrenzt, so dass die Gesamtanordnung des Erzeugungs kreises hierdurch die wesentlichste Leistungs grenze findet. Damit konnten solche Anord- nungen bisher nicht unmittelbar für tecli.- nische Zwecke zur Wechselstromerzeugung herangezogen werden.
Bei einer andern bekannten Anordnung sind auf der Welle einer Maschine kreis sektorförmige Bleche achsial aneinander ge reiht, die zwischen entsprechend geformten Blechen eines Stator-Blechpaketes hindurch bewegt werden. Auch hierbei entsteht durch Wechsel des Lade- und Entladestromes ein Wechselstrom, der zur Steuerung technisch leistungsfähiger Stromkreise herangezogen werden kann. Es lassen sich aber bei dieser Anordnung grossflächiger Einzelscheiben in der Kapazitätsmaschine im Verhältnis zur aufdrückbaren Drehzahl der umlaufenden Maschine nur ganz niedrige Wechselfrequen zen erzielen.
Die Grösse der Frequenz ist aber entscheidend für die vielseitige Anwend barkeit des erzeugten Wechselstromes. Ausser dem ist zu berücksichtigen, dass eine Wech selspannung hoher Frequenz für technische Zwecke leichter und mit kleineren Transfor matoren transformiert werden kann als eine Wechselspannung von verhältnismässig ge ringer Frequenz. Weiterhin ist es ausser ordentlich wichtig, dass ein und dieselbe Ma schine unter sonst gleichen Betriebsbedingun gen bei der doppelten Periodenzahl jeweils die doppelte Leistung hat. In einer Anord nung zur Erzeugung eines Wechselstromes aus einer Gleichspannung, bei der eine der artige Maschine zur Anwendung gebracht wird, bedingt die Frequenz und Leistungs fähigkeit solcher bekannten Maschine grund sätzlich den Grenzwert der Ausgangs leistung des Erzeugungskreises.
Die Erfindung bezweckt eine Anordnung zur Erzeugung eines Wechselstromes aus einer Gleichspannung zu schaffen, die eine hohe Ausgangsleistung ermöglicht.
Grundsätzlich wird die hohe Ausgangs- leistung der Gesamtanordnung dadurch er möglicht, dass zur periodischen Veränderung der Kapazität des Erzeugungskreises eine Maschine verwendet wird, bei der erfindungs gemäss der Rotor und der Stator mit schei benförmig ausgebildeten Teilen versehen und an den Scheibenseiten auf Kreisringflächen verzahnt sind, wobei die gezahnten Teile des Rotors und des Stators so gelagert sind, dass die Zähne gegenüberliegender Ringflächen in einem dielektrisch wirksamen Abstand an einander vorbeilaufen können.
Bei einer solchen Kapazitätsmaschine ist die Kapazitätswirkung nun nicht mehr auf eine begrenzte zylindrische Fläche des Rotors beschränkt. Durch beliebig aneinander reih bare radial gezahnte Kreisringflächen kann die Kapazitätswirkung der Maschine so ge steigert werden, dass in der Gesaintwechsel- stromerzeugungsanordnung - das Auftreten eines technisch leistungsfähigen Lade- und Entladestromes ermöglicht wird.
Neben der weiteren Steigerungsmöglich- ]zeit der Ausgangsleistung durch Parallel- oder Hintereinanderschaltung mehrerer im Erzeugungskreis angeordneter Maschinen kann durch besondere Ausgestaltung des in der Kapazitätsmaschine zur Anwendung kommenden Dielektrikums eine Beeinflus sung der Ausgangsleistung im günstigen Sinne vorgenommen werden.
Wird der dielek- trisch wirkende Abstand der sich auf den seitlichen Kreisringflächen des Rotors und des Stators gegenüberliegenden Zähne so ge ring wie möglich gehalten oder in diesen Spalt ein Stoff höherer Dielektrizitätskon- stante als Luft bei normalem Druck ein gefügt, so wird der Kapazitätswert der Ma schine gesteigert und damit eine bessere Aus gangsleistung des Kreises erzielt. Der in den Spalt einzufügende Stoff kann als fester Stoff einen Oberflächenschutz bilden oder gasförmig sein, wobei die Maschine gegen die Aussenluft gasdicht abgeschlossen wird.
Auch die Verwendung eines Überdruckes be einflusst die dielektrischen Werte und damit den Kapazitätswert der Maschine im gün stigen Sinne.
Ein anderer Weg, die Gesamtanordnung in ihrer Ausgangsleistung zu steigern, be steht darin, weiterhin den die Auf- und Ent- ladezeit der Kapazitätsflächen bedingenden Ohmsehen Widerstand durch eine eine In duktivität enthaltende Impedanz zu ersetzen. Hierbei wird das Optimum der abzugebenden Leistung erreicht, wenn die mit der Gleich stromhilfsspannung und der Maschinen kapazität in Reihe liegende Induktivität mit der maximalen Kapazität der Maschine auf Resonanz abgestimmt ist.
Ein solcher Wechselstromerzeugungskreis kann dank seiner Kapazitätsmaschine grosser Kapazitätswirkung, dank seiner durch die Bauart der Maschine ermöglichten hohen Gleichstromhilfsspannung und dank der Ab- stimmbarkeit der im Kreis liegenden Kapazi- täts- und Induktivitätswerte - nunmehr zur unmittelbaren Wechselstromlieferung für technische Zwecke,
so zur Ausnutzung der durch Induktionsströme erzeugten Wärme oder zur direkten Erzeugung von Träger wellen für die drahtlose Telegraphie heran gezogen werden.
In den beigefügten Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung darge stellt.
In Fig. Ja ist der Aufbau des Rotors und des Stators aus einzelnen Scheiben er läutert. Die Maschinenachse ist mit 1 be zeichnet; der Rotor besitzt greisringscheiben <I>2a</I> bis 2e. Die Scheiben<I>2b</I> und<I>2d</I> tragen an ihrem äussern Umfang Zähne. Die Scheiben 2a, 2c und 2e dienen zur Sicherung eines be stimmten Abstandes zwischen den Zahnschei ben 2b und 2d. Die Scheiben des Rotors wer den zusammengehalten durch Schrauben oder Nieten 3, von denen mehrere auf den Um fang verteilt vorgesehen sind.
Der Stator weist mehrere ringförmige Teile 5a bis 5e auf. Hierbei besitzen die Ringscheiben 5a, 5c und 5e eine grössere radiale Breite, so dass sich die Seitenflächen dieser Ringe einerseits und die Seitenflächen der Zahnkränze der Rotorscheiben 2b und 2d anderseits gegenüberstehen, da die Ringe 5a, 5c und 5e in die Lücken zwischen den Rotor zähnen eindringen.
Die Form der einander gegenüberliegen den Flanken der Statorzahnkränze auf den Kreisringscheiben 5a, 5c und 5e, sowie die Zahnkränze auf den Scheiben 2b und 2d des Rotors sind aus der Fig. 1b ersichtlich, die einen Schnitt nach der Linie X-X der Fig. la darstellt. Bei den zum Rotor ge hörenden Zahnkränzen sind Pfeile eingetra gen, welche die Bewegungsrichtung andeuten.
In der in Fig. 1b dargestellten gegen seitigen Lage des Rotors und des Stators ist die Kapazität zwischen beiden auf ihrem Höchstwert. Dadurch, dass beim Lauf der Maschine stets gleichzeitig alle Zähne die maximale Kapazität bezw. die minimale Ka pazität ergeben, werden auf diese Weise die stärksten Kapazitätsänderungen erzielt. Die Scheiben des Stators werden ebenfalls durch Bolzen oder Nieten 7 zusammengehalten.
Ebenso wie die kreisringförmigen Teile 2b, 2d des Rotors und die Ringscheiben 5a, 5c und 5e des Stators, können auch die zur Abstandsbestimmung eingefügten Zwischen scheiben 2a, 2c und 2e des Rotors und die Kreisringscheiben 5b, 5d des Stators mit Zäh nen und Zahnlücken versehen sein, so dass auch sie zur Vergrösserung der Kapazitäts änderung beitragen.
In der Fig. <B>Je</B> ist an einem Schnitt nach der Linie Y-Y der Fig. 1a sowohl die ra diale Verzahnung der Kreisringflächen, als auch die Verzahnung der Zylinderflächen der Kapazitätsflächenträger 2b, 2d, 5a, 5c und 5e und der Zwischenscheiben 2a, 2e, 2e, 5b, 5d ersichtlich.
Die wirksamen Oberflächen der Zähne des Rotors und des Stators sind bei dem in Fig. la dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Stoff<I>4a, 4b, 4c, 4d, 4e</I> bezw. 6a, 6b,<B>6e,</B> 6d, 6e bekleidet, welcher eine höhere Dielektrizitätskonstante besitzt und zugleich auch eine höhere Durchschlags festigkeit aufweist als Luft.
Hierdurch wird einerseits eine höhere elektrische Festigkeit erzielt, so dass man eine höhere Gleich spannung an die Maschine anlegen kann; an derseits wird durch Veränderung der Dielek- trizitätskonstante der Kapazitätswert im günstigen Sinne beeinflusst werden können.
Eine solche Beeinflussung kann man auch durch Erhöhung des dielektrischen Wertes des im Spalt zwischen Rotor und Stator be findlichen Mediums erreichen, wobei selbst verständlich gleichzeitig auch ein höherer di- elektrischer Wert des vorerwähnten Ober flächenschutzes verwendet werden kann. Die Erhöhung der Dielektrizitätskonstante des Spaltes zwischen den Kapazitätsflächen ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Ka pazität.
Die Erhöhung der Durchschlags festigkeit der Luft erlaubt, wie gesagt, die Anwendung einer höheren Spannung. Beide Massnahmen unterstützen sich daher bei der Steigerung der erzielbaren Wechselstromaus- gangsleistung. Bei gasförmigem Medium im Spalt zwi schen Rotor und Stator kann die Erhöhung der Dielektrizitätskonstante durch Steigerung des Druckes erzielt werden, unter welchem die in den Zwischenräumen zwischen den Zähnen eingeschlossene Luft steht.
Mit der Steigerung des Druckes wächst nämlich die Dielektrizitätskonstante und zugleich auch die elektrische Festigkeit der Luft. Selbst verständlich kann auch an Stelle von Luft ein anderes Gas gewählt werden, welches von vornherein eine höhere Dielektrizitätskon- stante besitzt. Man wird dabei die Wärme leitung des Gases beachten, da diese für die Abführung der Wärme wichtig ist.
Für die Aufrechterhaltung des Druckes kann ein Vorratsbehälter vorgesehen sein, aus welchem Undichtigkeitsverluste der eingeschlossenen Luft oder des eingeschlossenen Gases ersetzt werden können, oder es kann beim Betrieb der Maschine zugleich ein Kompressor mitbetrie- ben werden, der für die Aufrechterhaltung des Druckes im Innern der Maschine sorgt.
Während in den Fig. ja bis 1e die ge zahnten Kreisringflächen in radialen Ebenen der Maschine liegen, sind in den Fig. 2a und 2b Maschinen gezeigt, bei denen die gezahn ten Kreisringflächen des Rotors und des Sta- tors als eine um die Rotoraehse koaxial an geordnete Kegelflächen ausgebildet sind.
Während in der Fig. Ja die wirksamen radial gezahnten Kapazitätsflächenträger 2b, 2d bezw. 5a,<I>5c, 5e</I> aus ebenen Kreisscheiben des Rotors und aus ebenen Kreisscheiben des Stators bestehen und durch ebene Abstands scheiben<I>2a,</I> 2e,<I>2e</I> bezw. 5b und 5d vonein ander distanziert werden müssen, fallen in der Anordnung der Fig. 2a diese Zwischen scheiben 2a, 2e, 2e, sowie 5b und 5d fort.
Hier ist der Rotor aus abgestumpften, dop pelkegelförmigen Kreisscheiben<I>2a, 2b,</I> 2e, der Stator aus im Innenrand beiderseits mit Konus abgedrehten Kreisringen 5a, 5b,<B>5e,</B> 5d zusammengesetzt und durch Befestigungs mittel 3, 7 zusammengehalten. Auch hier sind die Kapazitätsflächen des Rotors und des Stators mit Stoffen höherer Dielektrizitäts- konstante überzogen. Diese Überzüge sind in der Zeichnung mit<I>4a, 4b,</I> 4e, sowie 6a, 6b, <B><I>6e,</I></B><I> 6d</I> bezeichnet.
Fig. 2b zeigt im linken Teil die keil förmigen Zahnlücken und prismatischen Zähne des Stators und im rechten Teil ent sprechend die Zähne und Zahnlücken des Rotors, sowie Befestigungsschrauben oder Bolzen 3, 7.
Eine Anordnung, bei der die Zähne auf dem Rotor mit einer Isolationsschicht über zogen sind, zeigt die Fig. 3. Die Lücken sind keilförmig, die Zähne haben prisma tische Formen mit stumpfer Stirnfläche. Die Breite der vordern Stirnfläche der Zähne ist geringer als die Breite der Öffnung der Zahnlücken, so dass die Kapazität in der Mittelstellung des Rotorzahnes gegenüber einer Lücke im Stator am kleinsten ist.
Diese Zahngestaltung ist gewählt, da für die Kurvenform der erzeugten Wechselspan nung die Zahnform von Bedeutung ist. Durch geeignete Ausgestaltung der Zähne und der Zahnlücken kann nämlich für einen hinrei chend sinusförmigen Verlauf der Wechsel spannung oder des Wechselstromes Sorge ge tragen werden. Zur Erreichung dieses Zwek- kes empfiehlt es sich, den Zahn schmaler zu machen als die Zahnlücke und gleichzeitig den Zahnflanken, wie auch den Begrenzungs flächen der Zahnlücke schräge Lagen zu geben, so dass der Zahn und die Lücke im Querschnitt trapezförmige Gestalt besitzen.
Weitere Annäherung an die Sinusform kann dadurch herbeigeführt werden, dass man scharfe Ecken oder Kanten und plötzliche Übergänge zwischen den äussern Flächen der Zähne und der Lücken durch entsprechende Abrundung vermeidet.
Für die Herstellung der Zähne wird vor teilhafterweise ein Vervielfältigungsverfah ren benutzt, das eine Gleichförmigkeit der Zahnformen über Rotor und Stator durch gehend gewährleistet und damit die Einhal tung der gewünschten Spannungskurve des erzeugten Wechselstromes sichert. Vorteil haft ist es, die Zähne mit dem Scheiben körper in einem Stück zu fertigen, indem man die Zähne durch Fräsen aus dem Vollen oder durch Pressen, Giessen oder Spritzen. Zähne und Scheibenkörper gleichzeitig her stellt.
Anstatt die Zähne aus radialen Scheiben flächen radial heraustreten zu lassen, kann man aber auch, wie in Fig. 7a und 7b dar gestellt ist, die Zähne im Scheibenkörper voll ständig durchfräsen, so dass auf dem Schei benkörper oder .einem aus einem Stück ge fertigten Rotor Schaufeln, ähnlich denen einer Dampfturbine, entstehen.
Einen sol chen Rotor zeigt die Fig. 7a, der Körper 2 besteht aus einem Stück und ist auf der Ro- torachse 1 befestigt. Auf diesem Körper sind Zahnkränze 4a angebracht, die entweder aus dem vollen Material herausgearbeitet sind, zum Beispiel durch Fräsen oder durch. ein Giessverfahren; der Rotorkörper- 2 ist dabei vorteilhafterweise aus Leichtmetall gefertigt, um eine Verringerung der Schwungmasse und damit eine höhere Tourenzahl des Rotors zu ermöglichen.
Die Zähne 4a können auch auf den Rotorkörper 2 aufgesetzt sein und durch Splint oder durch Aufschrauben be festigt werden. Die Form der Zähne kann dabei, wie in Fig. 7b dargestellt, rechteckig oder auch, wie in den Fig. 8a und 8b dar gestellt, trapezförmig mit Abrundung ver sehen oder scharfkantig -ausgeführt sein.
In der Fig. 7b, die einen Schnitt durch die bis herigen Kapazitätsflächen der Kapazitäts maschine darstellt, gehören die mit einem Pfeil gekennzeichneten Zahnkränze 4a dem Rotor und die Zahnkränze 6a dem Stator an.
Bei einer solchen Fertigung des Rotors aus einem Stück wird zweckmässigerweise der Stator aus axial geteilten Stücken gefer tigt, um eine leichte Montage zu ermöglichen. Den Einfluss von Temperaturverschieden heiten, -welche zwischen Rotor und Stator entstehen, wird man dadurch vorteilhaft ver ringern, dass man an geeigneten Stellen der Kapazitätsmaschine Wärmeisolationen her stellt.
Es hat sich als zweckmässig erwiesen, diesen Temperatureinfluss ungleichförmiger Ausdehnung zwischen Rotor und Stator da durch zu verringern, dass man die Maschine beispielsweise elektrisch: zusätzlich erwärmt bezw. kühlt und durch einen Thermostaten den Erwärmungsgrad konstant hält. Auch kann man, wenn Temperaturunterschiede nicht zu vermeiden sind, durch- geeignete Auswahl des Materials den Einfluss der un gleichen Erwärmung verkleinern.
Fig: 4 zeigt die Unterteilung der Kapazi tätsmaschine in mehrere Einzelmaschinen 10a, 10b,<B>10e.</B> Diese Unterteilung kann einer seits aus dem Grunde vorgenommen sein, die Temperatureinflüsse geeigneter bewältigen zu können, anderseits - wie eingangs gesagt um durch 'elektrische Parallel- oder Hinter- einanderschaltung die \elektrischen Verhält nisse des Gesamterzeugungskreises im Sinne einer Leistungssteigerung zu verändern.
Der in Fig. 4 dargestellte Maschinensatz wird von einem Motor 19 angetrieben. Die einzelnen Maschinen sind über Kupplungen 21 mit dem Motor 19 bezw. untereinander gekuppelt. Die Kupplungen und die Aufstellung der Ma schine auf der Fundamentplatte 20 sind dabei derart beschaffen, dass die Maschinen von einander wärmemässig bezw. elektrisch iso liert sind.
In den Fig. 5 und 6 sind elektrische" Schaltungen für verschiedene Anwendungs zwecke der Erfindung wiedergegeben. In Fig. 5a bedeutet 11 die Gleichspannungs- quelle, 10 die veränderliche Maschinenkapazi tät und 12 eine Belastungsimpedanz von: -in duktivem Charakter: Die Spule 12 ist bei spielsweise die Feldspule eines Induktions ofens.
Durch von dieser Spule hervorgeru fene Induktionsströme wird die Erwärmung von Metallen, leitenden Flüssigkeiten und Lösungen oder von Metallgefässen, die eine zu erwärmende Flüssigkeit enthalten, bewirkt. Die Grösse der Induktivität 12 kann dabei der Maschinenkapazität 10 so angepasst wer den, .dass zwischen beiden bei der Frequenz der erzeugten Wechselspannung angenähert- oder genau Resonanz besteht. Die Spule 12 ist unmittelbar in den Belastungskreis der Maschine 10 eingeschaltet.
Bei der Schaltung nach Fig. 5b ist eine galvanische Trennung zwischen dem Maschi nenkreis 10, 11, 12 einerseits und dem Be- lastungskreis 13, 14, 15 anderseits vorgenom men, da die Wicklungen 12 und 13 nur mag netisch miteinander verkettet sind. Dadurch ist der sekundäre Belastungskreis von dem Gleichstromkreis der Maschine gänzlich ge trennt. Bei dieser Anordnung kann der Se kundärkreis 13, 14 und 15 zusätzliche Ab stimmittel erhalten zwecks Einstellung der Resonanz. Beispielsweise kann zu diesem Zwecke der mit dem Sekundärkreis in Reihen schaltung angeordnete Kondensator 15 einge stellt werden.
Auch kann der Kondensator 7.5 statt mit der Spule 14 in Reihe zu ihr parallel geschaltet sein. Für die Abstim mung auf Resonanz kann auch eine Verän derung der Sekundärwicklung 13 etwa durch Änderung der Windungszahlen oder eine Än derung der Spule 14 vorgesehen sein.
Schliess lich besteht noch die Möglichkeit, die Re sonanzerscheinung dadurch herbeizuführen, dass man entweder die Frequenz der von der Maschine 10 erzeugten Wechselspannung an- kn oder dass man, wenn die Maschine 10 aus mehreren Einzelmaschinen bezw. aus mehreren Einzelsystemen besteht, die inner halb desselben Maschinengehäuses unter gebracht sein können, durch Abschaltung einzelner Maschinen oder einzelner Teil systeme bezw. durch Parallelschaltung oder Reihenschaltung solcher Maschinen und Sy steme die Grösse der Maschinenkapazität ändert.
Die Schaltungsbeispiele in den Fig. 6a und 6b erläutern die Anwendung der Kondensatormaschine für Hochfrequenztele- graphie oder -telephonie. Die Maschine er zeugt durch ihre Rotation eine Hochfrequenz, welcher mit Hilfe einer steuerbaren Röhre 18 niederfrequente Schwingungen entsprechend einem Telegraphierzeichen oder einem Mikro phonstrom oder Fernsprechstrom aufgedrückt wird.
Die steuerbare Röhre 18 (Verstärker röhre) wird in üblicher Weise mittels des Gitterpotentials gesteuert, wobei der Wech selstrom in an sich bekannter Weise über einen Widerstand R mit einem Überbrük- kungskondensator C fliesst. Die Verwendung zweier gekoppelter Spulen 12 und 13 ergibt eine galvanische Trennung zwischen dem Be- lastungskreis 17, 15, 13, 16 und dem Ma schinenkreis 11, 10, 12, 18. Abstimmöglich- keiten gibt es bei dieser Anordnung auch im Primärkreis, das heisst im Maschinenkreis und Sekundärkreis, das heisst im Sendekreis. Durch einen veränderlichen Kondensator 15 ist dies angedeutet.
Eine gleichen Zwecken dienende Schal tung anderer Art ist in Fig. 6b dargestellt. Der Nutzkreis 17, 16 ist hierbei nicht in duktiv, sondern über Kondensatoren 15a und 15b kapazitiv an den Maschinenkreis ange koppelt. Die Kondensatoren riegeln den Nutz kreis gegen die Gleichspannung der Maschine ab und können gleichzeitig zur Abstimmung des Sendekreises auf Resonanz mit der Fre quenz der erzeugten Maschinenwechselspan nung abgestimmt werden.
Die Signalströme oder Telephonieströme werden auch bei dieser Anordnung mittels einer Verstärkerröhre 18 dem Gleichspan nungskreis der Maschine aufgedrückt.