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Be- und Entladungseinrichtung für elektrostatische Maschinen Für elektrostatische
Maschinen nach Töpler, Holz, Van de Graaff, Kossel, Felici u. a. gibt es Ionisationsbeladungseinrichtungen
aller möglichen Art. Sie bestehen im wesentlichen immer aus einer Influenz- oder
Induktionsplatte, der auf der anderen Seite der Dielektrikumfläche oder Ladungsträgerfläche
eine Sprühspitze oder ein Sprühdraht gegenübersteht. Hierbei sind zwei Gruppen von
Schaltungen zu unterscheiden, und zwar diejenigen, die mit Fremderregung arbeiten,
und diejenigen, die mit Selbsterregung arbeiten. Die mit Selbsterregung arbeitenden
Schaltungen sind meist auf einem anfänglichen Reibungseffekt angewiesen. Es ist
aber auch schon vorgeschlagen worden, für eine elektrostatische Maschine mit dielektrischen
ladungstragenden Flächen eine mit ihr gekuppelte Erregermaschine mit metallenen
Ladungsflächen zu verwenden. Die dabei benutzte Schaltung hat allerdings noch den
Nachteil, daß die Erregermaschine nach anfänglicher Erregung der Hauptmaschine über
einen für die hohe Spannung von etwa 100 kV eingerichteten Schalter abgeschaltet
werden muß.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Be- und Entladungseinrichtung
bei elektrostatischen Maschinen mit gegenläufig zueinander bewegten Ladungstransportflächen
aus Isolierstoff. Diese Einrichtung ermöglicht es, die Erregung, die entweder von
einer Erregermaschine oder auch einer dauernd eingeschalteten Erregerstromquelle
geliefert wird, ständig unverändert zu lassen, ohne sie also abzuschalten. Die Erfindung
geht hierbei von den bekannten Beladungseinrichtungen für Van-de-Graaff-Generatoren
aus, bei denen die Sprühspitzen von einer leitenden Hülle derart umgeben sind, daß
die Spitzen gegen jeden fremden Einfluß, wie bei einem Faradav-Käfig, geschützt
sind, selbst aber ihre Sprühfähigkeit nach der dielektrischen Fläche hin nicht verlieren.
Um zu einem sehr einfachen Aufbau der Be- und Entladungseinrichtung zu gelangen,
ist diese gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß die Sprühspitzen von der Hülle
elektrisch isoliert sind und die Hülle selbst auf der einen Seite wesentlich verbreitert
ist und daß zwei Hüllen mit Sprühspitzen auf beiden Seiten der Ladungstransportflächen
so einander gegenübergestellt sind, daß ihre verbreiterten Stirnseiten gleichzeitig
als Influenzplatten der ihnen gegenüberliegenden Spitzen dienen. Auf diese Weise
werden die üblichen Influenz- oder Induktionsplatten für die Erregung erspart.
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In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung besitzen die die
Sprüheinrichtung umgebenden und als Erreger- bzw. Induktionsplatten wirkenden Hüllen
eine in Bewegungsrichtung der zugewandten Ladungstransportfläche verlängerte, nach
außen schwach abgekrümmte Form. Zweckmäßig sind die die Spitzen umgebenden Hüllflächen
aus Metall und ganz oder teilweise mit isolierendem Lack überzogen.
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Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand der Zeichnung
näher erläutert werden.
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Die Fig. 1 und 1 a sind ein schematisch gehaltener Schnitt bzw. eine
schaubildliche Ansicht einer elektrostatischen Maschine mit zwei gegenläufigen Isolierstoffflächen
F1 und F2. Die Be- und Entladungseinrichtung besteht aus den Sprühspitzen oder Sprühdrähten
1 und den Hüllen Hl bzw. H2. Legt man in Fig. 1 an die Punkte 2 und 3 die
Erregerspannung, die einer Fremdquelle oder einer Erregermaschine entnommen wird,
so wird die Maschine von den einen Pol bildenden Be- und Entladungseinrichtungen
oder, falls von der gleichen Polarität mehrere Pole vorhanden sind, Polgruppen erregt.
Jede Hüllelektrode, z. B. Hl und H2, ist auf der dem Dielektrikum zugewandten Seite
planparallel zu dieser ausgebildet. Dabei wird der durch ihre Spitze abgetrennte
größere Teil als Induktionsfläche für die ihr gegenüberliegende Spitze verwandt.
Auf diese Art tritt an dieser Stelle eine Beladung beider gegenläufig be-,vegten
Flächen ein, sofern än den Punkten 2 und 3 die Erregerspannung liegt. Nach dieser
anfänglichen Fremderregung erregt sich die Maschine vermöge der angewandten Schaltung
durch die an den Widerständen 4 und 5 hervorgerufenen Spannungsabfälle des Verbraucherstromes
oder eines Teiles desselben, der durch den Verbraucher h und in Richtung der Pfeile
fließt, selbst weiter. Dadurch tritt an den Sprühdrähten
oder Sprühspitzen
eine Abnahme der Ladung von der ihr gegenüberliegenden Isolierfläche des einen Vorzeichens
und ein Aufbringen der Ladung des anderen Vorzeichens ein. Es kommt also zu einer
Umladung. Die Widerstände 4 und 5 können sowohl Ohmsche Widerstände als auch Widerstände
sein, die als Glimm- und Sprühstrecken ausgebildet sind. Die Erregerspannung der
Fremdquelle braucht nicht abgeschaltet zu werden, da nach Einsetzen der Selbsterregung
diese Selbsterregerspanmung durch die Widerstände 4 bzw. 5 so begrenzt wird, daß
sie die Werte der Fremderregerspannung nicht übersteigt.
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Bei einem Trommelanker muß ein solches Beladungssystem etwa längs
der Mantellinie, bei Scheibenankern etwa radial dazu wirksam werden. Die Beladungseinrichtung
hat in letzterem Fall dann die Form eines. Kreissektors. Am Umfang sollen stets
2 za. Pole der Hauptspannung angeordnet sein und gleichnamige Pole durch elektrisch
leitende Verbindungen zusammengefaßt werden. Hierbei ist genau zu unterscheiden
zwischen Polen der Hauptspannung und Polen der Erregerspannung. Eine Erregereinrichtung,
wie sie z. B. in Fig. 1 oberhalb der gestrichelten Linie .4-B dargestellt ist, bildet
hier einen der negativen Pole der Hauptspannung, aber ein Polpaar für die Erregerspannung.
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Kehrt man die Drehrichtung. um, so erhält man eine Umpolung an den
Hauptpolen. Man muß dann aber die Erregerspannung verdoppeln, da anderenfalls eine
Auslöschung der Erregerspannung durch das Feld der Ladungstransportflächen erfolgen
würde. Man kann diese Verdoppelung der Erregerspannung vermeiden, wenn man die beiden
Hälften eines Hauptpols drehbar oder verschiebbar gegeneinander gestaltet und beide
Stirnseiten der Beladungseinrichtung verbreitert, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
Dann wirkt jeweils die entsprechende Hälfte der Hülle H als Influenzelektrode. Die
Verschiebung der Elektroden kann entweder von Hand oder aber auch selbsttätig mit
Umkehr der Drehrichtung erfolgen.
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Liegt die Polarität fest und soll die Drehrichtung sich nicht umkehren,
dann kommt man zu einer Formgebung der Hüllflächen, wie die Fig. 3 sie zeigt. Dieser
Gestaltung liegt ein Gedanke zugrunde, der schon früher von den Erbauern der alten
Glasplatten-Reibelektrisiermaschinen angewandt wurde. Bei diesen schloß sich an
die amalgamierten Lederreibkissen ein Stück Seidentaft an. Sofern man diesen wegließ,
kam die Maschine nicht richtig auf Spannung und lieferte nur wenige Funken (Strom).
Die Seidenlappen hatten die Aufgabe, ausgleichend auf das Feld zu wirken, indem
sich auf ihnen Ladung »verschmierte« und somit ein allmählich sich entlang der Glasplatte
verminderndes Feld entstand. Es wurde auch bereits an diesen Maschinen der Seidentaft
durch gekrümmte Aluminiumfolie ersetzt.
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Bei der vorliegenden elektrostatischen Beladungseinrichtung erhalten
nun gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die als' Induktionsflächen wirkenden
Hüllen der Abnehmer eine durch die Feldverteilung besonders bestimmte Form, die
die tangentiale Beanspruchung entscheidend herabsetzt. In der in Fig. 3 dargestellten
Anordnung ebener Scheiben als Ladungsträger führen diese Überlegungen zu schalenförmigen
Hüllelektroden, die sich allmählich von den ladungstragenden Flächen in schwacher
Krümmung entfernen. Dadurch wird eine Feldverteilung mit einer starken, tangential
zu den Ladungsflächen gerichteten Komponente, wie sie bei gestreckt angeordneten
Hüllen entsprechend Fig. 4 auftritt, vermieden. In Fig. 3 ist eine solche mit gekrümmten
Hüllelektr oden arbeitende elektrostatische Maschine schematisch dargestellt. F1
und F2 sind wieder die als Ladungsträger wirkenden Isolierflächen, die sich im entgegengesetzten
Sinne zueinander be%vegen. Die Beladungseinrichtungen besitzen Sprühspitzen, die
von den Hüllelektroden isoliert sind. Für das Erreichen einer hohen Spannung sind
die Beladungseinrichtungen als gekrümmte Schalen ausgebildet, wodurch sich eine
wesentlich günstigere Feldverteilung als bei nicht gekrümmten Flächen einstellt.
Auf diese Weise wird die erzeugte Spannung nicht durch Gleitentladungen herabgesetzt.
Die sonstige Wirkungsweise dieser Maschine ist die gleiche wie die nach Fig.1. Die
Erregerelektroden brauchen nicht als Hüllflächen ausgebildet zu sein, sie können
auch massiv gehalten werden, wenn nur alle Ränder eingeringelt werden, um Kanten
oder starke Krümmungen zu vermeiden. Der Isolationseinsatz besitzt zweckmäßig eine
sehr große Dielektrizitätskonstante, während die Oberflächen der Schalen vorteilhafterweise
auf ihrer der Beladungsfläche zugewandten Seite mit einem gut isolierenden Lack
oder einem anderen Isolierüberzug - besonders in der Nähe der Sprühspitzen - versehen
sind, um Überschläge von den Spitzen zu ihrer umgebenden Hüllfläche zu verhindern.
In Fig. 3 sind die Isolierkörper J zwischen den in der Schnittebene getrennt erscheinenden
Elektrodentei.len einer Schale dargestellt. h ist wieder der Verbraucher, und 4
und 5 sind die Widerstände zur Erzeugung des Spannungsabfalles für die Erregerspannung,
wobei von 2n Polen der Übersichtlichkeit halber nur zwei angeschlossen sind.