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Générateur électrostatique de haute tension La présente invention concerne un générateur électrostatique de haute tension de volume et poids réduits.
Dans les générateurs du type connu, dit van d.er Graaf, une bande est utilisée comme porteuse de charge avec un champ tangentiel produit par une série d'électrodes placées à proximité de la bande, dans un plan parallèle au plan de celle-ci, et à angle droit avec la direction du mouvement de la bande. Ces électrodes sont reliées à une chaîne de rhéostats, de sorte qu'en commençant par le bout de moindre tension de la chaîne, chaque élément successif a un potentiel plus élevé que le précédent. Cet arrangement des électrodes ne peut pas produire un champ tangentiel uniforme. En plus, aux vitesses requises pour les résultats envisagés, la bande longue porteuse de charge est susceptible de vibrations.
Afin d'assurer un fonctionnement sûr et d'éviter des décharges Co- rona, il est donc nécessaire de maintenir la charge de la bande à un niveau bas.
Dans un autre type de générateur électrostatique, on emploie un rotor au lieu de la bande, ce qui évite les vibrations caractéristiques du générateur van der Graaf. Dans cet arrangement, l'uniformité du champ est réalisée par l'emploi de semi-conducteurs convenablement profilés, par exemple sous forme de couche placée à l'extérieur ou à l'intérieur du rotor. On a eu toutefois des ennuis avec les générateurs de ce genre, par suite de l'impossibilité de réaliser des couches semi-conductrices uniformes sur n'importe quelle surface. Des variations de l'épaisseur de la couche produisent des variations du champ, ce qui entraine une réduction du gradient de tension admissible.
En plus, ces couches semi-conductrices tout comme leurs supports sont sujettes à des pénétrations électriques locales, entraînant des distorsions du champ.
Le verre et les couches semi-conductrices sont sujettes à l'influence de la température et deviennent bon conducteurs à des températures de l'ordre de 80-l00 C, ce qui peut fausser le générateur. En plus, la grande différence entre les coefficients de dilatation du verre et des matières plastiques utilisées courramment dans la construction, entraîne des difficultés mécaniques. Enfin, l'interface entre un inducteur métallique et un semi-conducteur solide ou appliqué en couche, ou bien entre un inducteur semiconducteur et un diélectrique solide peuvent produire un champ tangentiel non uniforme ce qui réduit le courant débité et sa tension.
On a pu constater et confirmer par le calcul l'existence d'un arrangement optimum, assurant un débit maximum de tension avec un encombrement minimum pour une pression donnée de l'hydrogène sous pression utilisé par exemple comme diélectrique, pour un certain rapport entre la section transversale des électrodes et leurs intervalles axiaux. Cette condition optimum produit une densité homogène et minimum du champ entre les électrodes de haute et de basse tension, assurant ainsi un débit maximum de tension pour une valeur donnée de la rigidité diélectrique correspondant à la pression de l'hydrogène dans l'enveloppe. Dans les formes de réalisation .décrites plus loin, les électrodes sont de section circulaire, la grandeur de leur ,section étant déterminée par leur diamètre.
Dans ce cas le rapport optimum s'est avéré être
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Intervalle axial des électrodes diamètres des électrodes - 125-5, 8
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De préférence cette valeur du rapport est de 2,44. Ainsi il est possible de choisir le rapport entre la distance entre les axes des électrodes de haute et de basse tension, et leurs diamètres en vue de l'obtention d'une intensité de champ minimum. En travaillant d'après ce principe,
on peut également utiliser une pluralité de paires d'électrodes de haute et de basse tension et concevoir les électrodes et les éléments diélectriques de manière à assurer une intensité de champ minimum entre les électrodes et/ou les points de polarités opposées. Cela permet enfin de con- struire un générateur qui, pour une tension donnée, peut fonctionner avec un champ électrique minimum dans le milieu diélectrique autour des parties actives du générateur, afin d'obtenir une tension maximum de débit.
C'est le but de l'invention de créer un générateur électrostatique pouvant produire une tension extrêmement haute avec un volume et un poids minimum, et dont le fonctionnement est stable dans un large intervalle de températures en évitant les inconvénients des réalisations antérieures mentionnées au-dessus. Des formes de réalisation de l'invention sont représentées aux dessins annexés qui ne sont donnés qu'à titre d'exemple.
La fig. 1 représente une section longitudinale selon le tracé 1-1 de la fi,-. 2 d'un générateur électrostatique.
Les fig. 2 et 3 représentent des sections transversales selon les tracés 2-2 et 3-3 de la fig. 1.
La fig. 4 est une vue schématique d'une forme modifiée de réalisation de l'invention.
Dans ces dessins on voit la carcasse 10 du générateur exécutée en aluminium ou tout autre matériau adéquat. La carcasse 10 est pourvue aux deux bouts de fermetures étanches constituées par deux couvercles 11 et 12. Une paroi séparatrice 13 de préférence en matériau diélectrique tel qu'une matière plastique (résine époxy) est montée à l'intérieur de la carcasse 10, la séparant en deux compartiments 14 et 15 qui sont toutefois en communication, comme il sera expliqué plus bas.
Un moteur électrique 17 est disposé entre la plaque 11 et la paroi séparatrice 13, convenablement suspendu et dont l'arbre 18 passe à travers l'ouverture 19 aménagée dans la pièce de fermeture 20. Celle-ci est scellée en place afin .d'éviter tout écoulement vers le moteur 17. L'arbre 18 du moteur 17 porte un rotor 21,à parois de faible épaisseur, construit en un matériau diélectrique tel qu'une matière plastique.
Dans la fig. 1 le rotor est représenté comme ayant une forme cylindrique creuse ouverte d'un côté, mais il peut adopter toute autre fome creuse, telle que hyperboloïdique, conique ou tronconique. La fixation du rotor 21 sur l'arbre 18 est faite - à titre d'exemple - à l'aide de la vis 22 usais peut être assurée de toute autre façon.
Pour accroître la longueur des lignes de force du champ électrique entre l'intérieur de la chambre 15 et l'arbre métallique 18 et la vis de fixation 22, on a prévu une sorte de labyrinthe entre la pièce de fermeture 20 et la base du rotor 21. Ce labyrinthe est constitué par des rainures concentriques 23 et 24 dans la pièce 20 et le rotor 21 disposées de manière que les crêtes et les cannelures soient réciproquement en regard. Il est évident que des rayons de raccordement sont prévus pour les crêtes et le fond des cannelures afin de réduire au minimum toute tendance de formation d'effets Corona.
L'élément 25 sert comme soutien pour les électrodes et les inducteurs et est constitué par un certain nombre de corps cylindriques creux 26 en résine époxy, matériau céramique, ou tout autre matériau équivalent. Les éléments 26 présentent des épaulements 27 et 28 auquels sont adaptées les plaques 29 et 30 dont l'orifice central vient buter contre lesdits épaulement 27 et 28, le tout étant solidement attaché aux éléments 26 pour former la base 25.
Une électrode de basse tension 31 est représentée comme une pièce cylindrique massive, en aluminium, acier inoxydable, acier au carbone ou en tout autre matériau, bon conducteur d'électricité ou bien semiconducteur. Cette électrode est montée à l'intérieur d'un des éléments 26 à l'aide d'une vis 32. La surface extérieure de l'électrode 31 est hautement polie et s'étend le long de la paroi 33 du rotor 21, à son intérieur et à .très grande proximité. L'électrode 31 peut être munie d'une pièce effilée en tranchant 34 de manière que ce tranchant soit rapproché au maximum de da paroi 33 du rotor.
Une électrode de haute tension 35 de construction similaire à l'électrode 31 et également munie d'un tranchant 36 est montée dans un autre élément 26 en immédiate proximité de la périphérie intérieure de la paroi 33 du rotor 21.
Les électrodes 31 et 35 sont montées dans des poches 37 des éléments 26, les surfaces intérieures de ces poches en immédiate proximité .des électrodes peuvent être profilées afin d'accroître la longueur -des lignes de force du champ électrique entre les deux électrodes. Par l'entremise d'un bras 38, un inducteur 39 parallèle et aligné radialement avec l'électrode 35 est relié électriquement à celle-ci, en immédiate proximité de la surface extérieure de la paroi 33 du rotor 21. L'inducteur 39 est de construction similaire à l'électrode 35.
Un inducteur 40, mis au sol, représenté en tout qu'élément cylindrique creux, exécuté dans le même matériau que l'électrode 31 est disposé parallèlement et aligné radialement avec l'électrode 31 en immédiate proximité de la surface extérieure de la paroi 33 du rotor 21.
Dans la fig. 2 on a représenté d'autres électrodes et inducteurs 31, 35, 39 et 40 placés autour de la paroi 33 du rotor, la réalisation selon les fig. 1, 2 et 3 comprenant deux paires d'électrodes et d'inducteurs de haute et de basse tension respectivement. Les tiges 41 s'étendent dans le sens longitudinal à travers les inducteurs creux 41 et le couvercle 11 ainsi qu'à travers la pièce de base 25. Ces tiges sont isolées électri-
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quement par rapport aux éléments 40 et au moteur 17 à l'aide d'une manchette isolante 41.
Par les écrous 42 et 43 aux deux bouts des tiges 41, on assure la solidarisation de la pièce de base 25 à la paroi interne 13, les inducteurs 40 servant de pièces d'écartement. Les tiges de fixation 41 sont reliés électriquement à un câble d'amenée 44 pour l'alimentation du générateur en courant continu de basse tension, d'environ 20-30 KV, la polarité pouvant être choisie, selon les nécessités. Dans un passage aménagé à travers les pièces 26 servant pour le soutien des électrodes 31, un ressort 45 a été prévu entre les tiges 41 et les électrodes 31 pour alimenter ces dernières en basse tension d'excitation. Une connexion de haute tension 46 est prévu aux électrodes 35 pour l'alimentation en haute tension.
La carcasse 10 est préférablement remplie d'hydrogène comprimé à env. 17 atu. de manière à assurer une rigidité diélectrique d'env. 20-24 KV/mm. D'autres gaz, vapeurs et/ou liquides, comprimés ou non peuvent également être utilisés, ou bien encore la carcasse 10 peut être évacuée à vide.
Le rotor 21 .tournant à grande vitesse, de l'ordre de 12 000 tours/minute, la charge électrique appliquée aux tranchants 34 produit un puissant champ électrostatique entre lesdits tranchants et les inducteurs 41 mis à la terre et ayant une polarité opposée à celle des électrodes 31. En conséquence, la charge des électrodes 31 tend à se déplacer vers les inducteurs 40 mais est interceptée par la paroi diélectrique 33 du rotor 21. Par la suite, cette charge est amenée dans l'immédiate proximité des tranchants 36 et puisque les inducteurs 39 ont la même polarité que les électrodes 35, la charge électrique est amenée à travers les tranchants 36 âux électrodes 35, et d e là à là borne de sortie 46.
En vue d'assurer un volume suffisant d'hydrogène sous pression entre les électrodes 31, 35 et la .surface intérieure 47 .du rotor 21, il a été trouvé que, entre les bouts supérieurs des électrodes et la surface 47, un intervalle égal à au moins le rayon de ces électrodes doit être préférablement prévu. En plus, en vue de réduire au minimum la tendance de la charge à s'accumuler depuis l'inducteur de haute tension 39 sur la portion inactive du rotor, le bout supérieur !de l'inducteur 39 doit être situé beaucoup plus bas ou bien plus près de la base 25 que le bout supérieur de l'électrode 35.
Afin de réduire le champ électrostatique entre les électrodes 31 et 35, leurs bouts supérieurs sont profilés en surfaces de révolution selon une génératrice en anse de panier avec un arc central à grand rayon et deux arcs de raccordement à petit rayon. Le rayon de l'arc central s'est avéré devoir être plus grand que le rayon des électrodes 31 et 35, les rayons de raccordement pouvant être plus petits. Par cet arrangement on réduit à un minimum l'intensité du champ entre les bouts supérieurs des électrodes 31 et 35.
L'exemple d'exécution représenté dans la Fig. 4 possède une seule paire d'électrodes de haute et de basse tension 47 et 48 à l'intérieur d'un rotor 49. Des électrodes doivent être préférablement distancées l'une de l'autre de la même manière que les électrodes 31 et 35. Un inducteur de haute tension 50 est relié électriquement à l'électrode 47 de la même manière que l'inducteur 39 à l'électrode 35. Dans l'arrangement selon la Fig. 4, l'inducteur de basse tension mis à la terre est constitué par la carcasse 51 du générateur.
En vue d'obtenir des conditions optima pour le champ, le rapport entre l'intervalle D entre les points les plus rapprochés des inducteurs 50 et 51 et le rayon RE de l'inducteur 50 doit être de l'ordre numérique de 0,25 à 5,8, préférablement env. 1,60.
Dans ce qui précède on a présenté dans tous les détails une réalisation possible du générateur électrostatique de haute tension selon l'invention. Il est évident que des modifications de détails sont possibles. Par exemple, contrairement à l'admission faite que les électrodes de basse et de haute tension 31 et 35 sont placées à l'intérieur du rotor 21 et que les inducteurs 40 mis à terre se trouvent à l'extérieur du rotor 21, un arrangement inversé peut être adopté facilement, en montant les tranchants 34 sur les inducteurs 39 et 40 à l'extérieur des rotors 21 et 49 avec une autre forme des pièces d'écartement entre l'élément de base 25 et la paroi 13.
En plus, par différence de la forme cylindrique circulaire admise pour les inducteurs de haute et de basse tension, ils peuvent également être profilés de manière à présenter une surface concave ou convexe dans les régions d'immédiate proximité avec la paroi 33 du rotor 21.
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The present invention relates to a high voltage electrostatic generator of reduced volume and weight.
In generators of the known type, said van d.er Graaf, a strip is used as a charge carrier with a tangential field produced by a series of electrodes placed near the strip, in a plane parallel to the plane of the latter , and at right angles to the direction of web movement. These electrodes are connected to a chain of rheostats, so that starting with the lower voltage end of the chain, each successive element has a higher potential than the previous one. This arrangement of the electrodes cannot produce a uniform tangential field. In addition, at the speeds required for the intended results, the long load-bearing belt is susceptible to vibrations.
In order to ensure safe operation and to avoid Corona discharges, it is therefore necessary to keep the charge of the belt at a low level.
In another type of electrostatic generator, a rotor is used instead of the band, which avoids the characteristic vibrations of the van der Graaf generator. In this arrangement, the uniformity of the field is achieved by the use of suitably profiled semiconductors, for example in the form of a layer placed outside or inside the rotor. However, there have been problems with generators of this kind, owing to the impossibility of producing uniform semiconductor layers on any surface. Variations in the thickness of the layer produce variations in the field, which leads to a reduction in the admissible voltage gradient.
In addition, these semiconductor layers just like their supports are subject to local electrical penetrations, leading to field distortions.
Glass and semiconductor layers are subject to the influence of temperature and become good conductors at temperatures of the order of 80-100 C, which can distort the generator. In addition, the large difference between the expansion coefficients of glass and plastics commonly used in construction, causes mechanical difficulties. Finally, the interface between a metallic inductor and a solid or layered semiconductor, or between a semiconductor inductor and a solid dielectric can produce a non-uniform tangential field which reduces the current delivered and its voltage.
It was possible to observe and confirm by calculation the existence of an optimum arrangement, ensuring a maximum voltage flow rate with a minimum bulk for a given pressure of pressurized hydrogen used for example as a dielectric, for a certain ratio between the cross section of the electrodes and their axial intervals. This optimum condition produces a homogeneous and minimum density of the field between the high and low voltage electrodes, thus ensuring a maximum voltage flow for a given value of the dielectric strength corresponding to the pressure of the hydrogen in the envelope. In the embodiments described below, the electrodes are of circular section, the size of their section being determined by their diameter.
In this case the optimum ratio turned out to be
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Axial interval of electrodes electrode diameters - 125-5, 8
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Preferably this value of the ratio is 2.44. Thus it is possible to choose the ratio between the distance between the axes of the high and low voltage electrodes, and their diameters with a view to obtaining a minimum field intensity. By working according to this principle,
it is also possible to use a plurality of pairs of high and low voltage electrodes and to design the electrodes and the dielectric elements in such a way as to ensure a minimum field intensity between the electrodes and / or the points of opposite polarities. Finally, this makes it possible to construct a generator which, for a given voltage, can operate with a minimum electric field in the dielectric medium around the active parts of the generator, in order to obtain a maximum output voltage.
It is the object of the invention to create an electrostatic generator capable of producing an extremely high voltage with a minimum volume and weight, and whose operation is stable over a wide range of temperatures, while avoiding the drawbacks of the previous embodiments mentioned above. above. Embodiments of the invention are shown in the accompanying drawings which are given by way of example only.
Fig. 1 shows a longitudinal section along the line 1-1 of the fi, -. 2 of an electrostatic generator.
Figs. 2 and 3 show cross sections along the lines 2-2 and 3-3 of FIG. 1.
Fig. 4 is a schematic view of a modified embodiment of the invention.
In these drawings we see the casing 10 of the generator made of aluminum or any other suitable material. The carcass 10 is provided at both ends with airtight closures constituted by two covers 11 and 12. A separating wall 13 preferably made of dielectric material such as a plastic material (epoxy resin) is mounted inside the carcass 10, the separating it into two compartments 14 and 15 which are however in communication, as will be explained below.
An electric motor 17 is disposed between the plate 11 and the dividing wall 13, suitably suspended and the shaft 18 of which passes through the opening 19 made in the closure part 20. The latter is sealed in place in order to. avoid any flow towards the motor 17. The shaft 18 of the motor 17 carries a rotor 21, with thin walls, constructed of a dielectric material such as a plastic material.
In fig. 1 the rotor is shown as having a hollow cylindrical shape open on one side, but it may adopt any other hollow shape, such as hyperboloid, conical or frustoconical. The fixing of the rotor 21 on the shaft 18 is made - by way of example - using the screw 22 but can be ensured in any other way.
To increase the length of the lines of force of the electric field between the interior of the chamber 15 and the metal shaft 18 and the fixing screw 22, a sort of labyrinth has been provided between the closure part 20 and the base of the rotor. 21. This labyrinth is formed by concentric grooves 23 and 24 in the part 20 and the rotor 21 arranged so that the ridges and the grooves are reciprocally facing each other. Obviously, fillet radii are provided for the ridges and bottoms of the splines to minimize any tendency for corona effects to form.
The element 25 serves as support for the electrodes and the inductors and consists of a number of hollow cylindrical bodies 26 made of epoxy resin, ceramic material, or any other equivalent material. The elements 26 have shoulders 27 and 28 to which the plates 29 and 30 are fitted, the central orifice of which abuts against the said shoulders 27 and 28, the whole being firmly attached to the elements 26 to form the base 25.
A low voltage electrode 31 is represented as a solid cylindrical part, made of aluminum, stainless steel, carbon steel or any other material which is a good conductor of electricity or else a semiconductor. This electrode is mounted inside one of the elements 26 by means of a screw 32. The outer surface of the electrode 31 is highly polished and extends along the wall 33 of the rotor 21, to its interior and very close. The electrode 31 may be provided with a tapered piece by cutting 34 so that this cutting edge is brought as close as possible to the wall 33 of the rotor.
A high voltage electrode 35 similar in construction to electrode 31 and also provided with a cutting edge 36 is mounted in another element 26 in immediate proximity to the inner periphery of wall 33 of rotor 21.
The electrodes 31 and 35 are mounted in pockets 37 of the elements 26, the inner surfaces of these pockets in immediate proximity .des electrodes can be profiled in order to increase the length of the lines of force of the electric field between the two electrodes. By means of an arm 38, an inductor 39 parallel and aligned radially with the electrode 35 is electrically connected to the latter, in immediate proximity to the outer surface of the wall 33 of the rotor 21. The inductor 39 is similar in construction to electrode 35.
An inductor 40, put on the ground, shown as a hollow cylindrical element, made of the same material as the electrode 31 is arranged parallel and aligned radially with the electrode 31 in immediate proximity to the outer surface of the wall 33 of the rotor 21.
In fig. 2 shows other electrodes and inductors 31, 35, 39 and 40 placed around the wall 33 of the rotor, the embodiment according to FIGS. 1, 2 and 3 comprising two pairs of electrodes and inductors of high and low voltage respectively. The rods 41 extend in the longitudinal direction through the hollow inductors 41 and the cover 11 as well as through the base part 25. These rods are electrically insulated.
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only with respect to the elements 40 and to the motor 17 using an insulating sleeve 41.
By the nuts 42 and 43 at the two ends of the rods 41, the base part 25 is secured to the internal wall 13, the inductors 40 serving as spacers. The fixing rods 41 are electrically connected to a supply cable 44 for supplying the generator with low voltage direct current, of about 20-30 KV, the polarity being able to be chosen, according to the needs. In a passage formed through the parts 26 serving to support the electrodes 31, a spring 45 has been provided between the rods 41 and the electrodes 31 to supply the latter with low excitation voltage. A high voltage connection 46 is provided to the electrodes 35 for the high voltage supply.
The carcass 10 is preferably filled with hydrogen compressed to approx. 17 atu. so as to ensure a dielectric strength of approx. 20-24 KV / mm. Other gases, vapors and / or liquids, compressed or not, can also be used, or else the carcass 10 can be evacuated under vacuum.
The rotor 21 rotating at high speed, of the order of 12,000 revolutions / minute, the electric charge applied to the cutting edges 34 produces a powerful electrostatic field between said cutting edges and the inductors 41 which are grounded and having a polarity opposite to that. electrodes 31. Consequently, the charge of the electrodes 31 tends to move towards the inductors 40 but is intercepted by the dielectric wall 33 of the rotor 21. Subsequently, this charge is brought into the immediate vicinity of the cutting edges 36 and since inductors 39 have the same polarity as electrodes 35, the electric charge is fed through cutting edges 36 to electrodes 35, and thence to output terminal 46.
In order to ensure a sufficient volume of hydrogen under pressure between the electrodes 31, 35 and the inner surface 47 of the rotor 21, it has been found that between the upper tips of the electrodes and the surface 47 an equal gap at least the radius of these electrodes should preferably be provided. In addition, in order to minimize the tendency of charge to build up from the high voltage inductor 39 on the inactive portion of the rotor, the upper end! Of inductor 39 should be located much lower or alternatively. closer to base 25 than the top end of electrode 35.
In order to reduce the electrostatic field between the electrodes 31 and 35, their upper ends are profiled in surfaces of revolution according to a basket handle generator with a central arc with a large radius and two connecting arcs with a small radius. The radius of the central arc has been found to be greater than the radius of the electrodes 31 and 35, the connecting radii may be smaller. By this arrangement the intensity of the field between the upper ends of the electrodes 31 and 35 is reduced to a minimum.
The example of execution shown in FIG. 4 has a single pair of high and low voltage electrodes 47 and 48 within a rotor 49. Electrodes should preferably be spaced apart from each other in the same manner as electrodes 31 and 35. A high voltage inductor 50 is electrically connected to electrode 47 in the same way as inductor 39 to electrode 35. In the arrangement according to FIG. 4, the earthed low voltage inductor is formed by the casing 51 of the generator.
In order to obtain optimum conditions for the field, the ratio between the interval D between the closest points of the inductors 50 and 51 and the radius RE of the inductor 50 must be of the numerical order of 0.25 to 5.8, preferably approx. 1.60.
In the foregoing, a possible embodiment of the high voltage electrostatic generator according to the invention has been presented in full detail. It is obvious that modifications of details are possible. For example, unlike the admission that the low and high voltage electrodes 31 and 35 are placed inside the rotor 21 and the grounded inductors 40 are outside the rotor 21, an arrangement reversed can be adopted easily, by mounting the cutting edges 34 on the inductors 39 and 40 outside the rotors 21 and 49 with another form of the spacers between the base member 25 and the wall 13.
In addition, in contrast to the circular cylindrical shape accepted for high and low voltage inductors, they can also be profiled so as to present a concave or convex surface in the regions of immediate proximity to the wall 33 of the rotor 21.