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Elektrostatische Maschine Es sind bereits elektrostatische Maschinen
bekannt, die mit einem Elektrizitätsträger aus Isolierstoff arbeiten. Ein Ausführungsbeispiel
einer solchen Maschine zeigt die französische Patentschrift 1051430, gemäß welcher
für die Aufladung des umlaufenden Elektrizitätsträgers aus Isolierstoff auf dessen
einer Seite mindestens ein Ladeionisator und diesem gegenüber auf der anderen Seite
des Elektrizitätsträgers wenigstens ein Ladeinduktor und zur Ladungsabführung mindestens
ein Abnahmeionisator auf der einen und wenigstens ein diesem gegenüberliegender
und damit leitend verbundener Abnahmeinduktor auf der anderen Seite des Elektrizitätsträgers
vorgesehen ist und die Ionisatoren dabei draht- oder lamellenförmig gestaltet sind,
während die Erreger oder Induktoren durch eine gleichförmige Verteilung des Feldes
bewirkende Halbleiterschicht elektrisch miteinander verbunden sein können. Zum Betrieb
einer elektrostatischen Maschine dieser Art ist eine dauernd mit ihr verbundene
Hilfsspannungsquelle notwendig, welche ihr fortlaufend die erforderliche Erregerspannung
liefert und z. B. ein von ihr unabhängiger zusätzlicher Generator sein kann.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine mittels eines Elektrizitätsträgers
aus Isolierstoff wirksame elektrostatische Maschine zwecks Ersparnis dieser ständig
an sie angeschlossenen Spannungsquelle so auszubilden, daß sie nur einer ganz kurz
währenden äußeren Spannungszufuhr zum Anlassen bedarf und dann dauernd sich selbst
erregt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer elektrostatischen Maschine
mit beweglichem Isolierstoff-Elektrizitätsträger durch das Zusammenwirken bzw. durch
eine Kombination von Maßnahmen erreicht, die darin bestehen: a) daß der aus Isolierstoff
bestehende Elektrizitätsträger, vorzugsweise in Scheiben- oder Zylinderform, zwei
praktisch parallele Seitenflächen aufweist, von denen jede zur Beförderung elektrischer
Ladungen ausgenutzt ist und deren Polaritäten einander entgegengesetzt sind, b)
daß auf den beiden Seiten des beweglichen Elektrizitätsträgers zwei Ständer aus
Isolierstoff angeordnet sind, von denen jeder einen Ladeionisator und einen Abnahmeionisator
an in der Bewegungsrichtung des Elektrizitätsträgers aufeinanderfolgenden Stellen
und gegenüber einem auf dem anderen Ständer aufgebrachten Ladeinduktor und Abnahmeinduktor
trägt, c) daß jeder Ladeinduktor mit dem auf dem gleichen Ständer sitzenden Abnahmeionisator
verbunden und jeder Abnahmeionisator an den zugehörigen, ihm auf der anderen Seite
des Elektrizitätsträgers gegenüberliegenden Abnahmeinduktor angeschlossen ist sowie
die beiden Ladeionisatoren miteinander in leitender Verbindung stehen, d) daß die
gegenseitige Lagenbeziehung der Ionisatoren und der Induktoren so bestimmt ist,
daß auf jedem der beiden Isolierstoffständer einerseits die der Ladung bzw. Abnahme
dienenden Ionisatoren und andererseits die für die Ladung bzw. die Abnahme vorgesehenen
Induktoren gruppenweise je für sich in Hintereinanderfolge angeordnet sind, e) daß
die Induktoren aus Metall oder anderem elektrisch gut leitendem Werkstoff mit oder
ohne Voll- oder Teilumkleidung aus schwach leitfähigem Werkstoff bestehen.
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Die beiden Isolierstoffbänder können insgesamt auch mehr als zwei
Ionisatorenpaare tragen, von denen jedes aus einem Ladeionisator und aus einem auf
diesen in der Bewegungsrichtung des Elektrizitätsträgers folgenden Abnahmeionisator
besteht, wobei jeder Ständer mindestens ein Paar bei sonst beliebiger Verteilung
aller Paare auf die zwei Ständer enthält und zwischen jedem Ladeionisator und dem
zugehörigen Abnahmeionisator keinen Induktor aufweist. Die auf dem gleichen Ständer
befindlichen Ladeionisatoren, Abnahmeionisatoren und Ladeinduktoren können alle
die gleiche Polarität und die auf dem nämlichen Ständer vorgesehenen Abnahmeinduktoren
die entgegengesetzte Polarität besitzen.
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Ferner können alle Ladeionisatoren miteinander leitend verbunden und
je gegenüber einem Ladeinduktor angeordnet sein und die Abnahmeionisatoren
mit
einer der Zahl der Ionisatorenpaare entsprechenden Anzahl von Klemmen in Verbindung
stehen und je einem Abnahmeinduktor gegenüberliegen sowie jeder auf dem einen der
beiden Ständer angebrachte Ladeinduktor an wenigstens einen auf dem anderen Ständer
befindlichen Abnahmeinduktor und an einen auf dem gleichen Ständer vorgesehenen
Abnahmeionisator angeschlossen sein. Auch kann mindestens ein Ladeionisator nebst
dem zugehörigen Abnahmeionisator nur einen Teil der verfügbaren Gesamtheit der einen
oder der anderen Seitenfläche des Elektrizitätsträgers ausnutzen.
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Die elektrostatische Maschine nach der Erfindung kann weiterhin dadurch
vervollkommnet werden, daß zur Erzeugung eines gleichförmigen tangentialen Feldes,
wie schon früher vorgeschlagen worden ist, zwei oder mehr Induktoren des gleichen
Ständers aneinander durch einen schwach leitfähigen, sie bedeckenden oder frei lassenden
Verbindungsteil angeschlossen sind, der sich über die ganze Länge der einen bzw.
der anderen Seitenfläche des Elektrizitätsträgers unter Anordnung von Aussparungen
an der Stelle der Ionisatoren oder nur über einen Teil dieser Länge erstrecken und
aus einer in der Dicke für die auszuhaltenden dielektrischen Beanspruchungen bemessenen,
dem Elektrizitätsträger möglichst eng genäherten Auftragsschicht auf der diesem
gegenüberliegenden Seite des oder der Ständer bestehen kann.
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Die Zeichnung veranschaulicht die elektrostatische Maschine nach der
Erfindung beispielsweise in mehreren Ausführungsformen in rein schematischer Darstellung.
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Abb. 1 läßt einen Querschnitt durch einen mit einem zylindrischen
Isolierstoffläufer arbeitenden elektrostatischen Generator mit zwei je aus einem
Ladeionisator mit dem zugehörigen Induktor und aus einem Abnahmeionisator und dem
entsprechenden Induktor gebildeten elektrischen Abschnitt erkennen, und Abb. 1 a
zeigt im Schaubild eine zweite Bauform eines mit einem zylindrischen Isolierstoffläufer
arbeitenden elektrostatischen Generators mit zwei derartigen Abschnitten, von denen
der eine auf der einen Läuferseitenfläche wirksam ist und der andere von der anderen
Seitenfläche des Läufers nur einen Teil ausnutzt; Abb. 2 gibt in einem Querschnitt
einen sechs elektrische Abschnitte aufweisenden elektrostatischen Generator mit
zylindrischem Isolierstoffläufer und mit gegenseitiger `'erbindung der Abschnitte
gleicher Polarität wieder; Abb.3 läßt in einem Querschnitt einen mit einem Isolierstoffläufer
versehenen elektrostatischen Generator mit sechs abwechselnd mit entgegengesetzten
Polaritäten aufeinanderfolgenden Abschnitten erkennen; Abb. 4 und 5 zeigen schematisch
einen Querschnitt durch einen elektrostatischen, einen zylindrischen Isolierstoffläufer
enthaltenden Generator mit drei Abschnitten. deren Verbindungen gemäß Abb.4 für
die Erzeugung zweier Nutzspannungen von entgegengesetzter Polarität und nach Abb.
5 für die Erzielung von drei Verbrauchsspannungen getroffen sind.
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Gemäß Abb. 1 dreht sich der zylindrische Läufer 1 zwischen dem im
einzelnen nicht weiter dargestellten äußeren Ständer 2 und dem inneren Ständer 3,
und die beiden Ständer sind ebenso wie der Läufer aus Isolierstoff gefertigt. Der
Ständer 2 trägt den Ladeionisator 4 und den Abnahmeionisator 8 (Sprühspritze) sowie
den Ladeinduktor 7 (Erregerelektrode) und den Abnahmeinduktor 11 und der Ständer
3 den Ladeinduktor 6 gegenüber dem Ionisator 4 und den Abnahmeinduktor 10 gegenüber
dem Ionisator 8 sowie der Ladeionisator 5 gegenüber dem Induktor 7 und den Abnahmeionisator
9 gegenüber dem Induktor 11. Die Ladeionisatoren 4 und 5 sind miteinander verbunden,
und jeder der beiden Entnahmeionisatoren 8 und 9 ist einerseits an den ihm gegenüberliegenden
Abnahmeinduktor 10 bzw. 11 und anderseits an den jeweils auf dem gleichen Ständert
bzw. 3 befindlichen Ladeinduktor 7 bzw. 6 angeschlossen. Die beiden Ladeionisatoren
4, 5 sind mit der Klemme 17 und die zwei Abnahmeionisatoren 8 und 9 mit den Klemmen
16 und 15 verbunden.
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Die Maschine nach Abb. 1 arbeitet wie folgt: Nimmt man beispielsweise
an, daß zum Anlassen, d. h. für die Anfangserregung der Maschine im Drehsinn des
eingezeichneten Pfeiles der Ladeinduktor 7 gegenüber dem Ladeionisator 5 auf ein
negatives Potential mittels einer äußeren, in Abb. 1 nicht dargestellten Spannungsquelle
gebracht ist, so wird zwischen diesem Induktor 7 und diesem Ionisator 5 ein elektrisches
Feld zum Entstehen gebracht, das die Ionisierung des gasförmigen Dielektrikums um
den Ionisator 5 hervorruft. Von den so erzeugten Ionen werden die positiven sich
auf der Innenfläche des Läufers 1 ablagern, der sie nach dem Abnahmeionisator 9
befördert, der sie seinerseits von dem Läufer 1 löst. Die Wirkung dieses Ionisators
9 wird durch die Wirkung des Abnahmeinduktors 11 verstärkt, der positive Polarität
hat und daher die positiven Ionen abstößt. Das Potential des Ladeinduktors 6, der
mit dem Abnahmeionisator 9 verbunden ist, steigt somit an und veranlaßt durch den
Ladeionisator 4 die Ablagerung von negativen Ionen auf der Außenfläche des Läufers
1. Diese Ionen werden durch den an den Ladeinduktor 7 angeschlossenen Abnahmeionisator
8 vom Läufer 1 entnommen. Das negative Potential des Induktors 7 wird dadurch erhöht,
und nach einer bestimmten kurzen Anlaßperiode der Maschine kann die für deren Anlassen
benutzte äußere Spannungsquelle abgeschaltet werden, und die Maschine erregt sich
während der ganzen nachfolgenden Betriebsdauer selbst.
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Die Maschine nach Abb. 1 weist somit zwei durch gestrichelte Linien
umgrenzte Abschnitte a und b auf, von denen der Abschnitt a die Ionisatoren
5 und 9 und die zugehörigen Induktoren 7 und 11 umfaßt und die innere Fläche des
zylindrischen Läufers 1 mit einer positiven Polarität ausnutzt, während der Abschnitt
b aus den Ionisatoren 4 und 8 und den zugehörigen Induktoren 6 und 10 besteht und
die äußere Fläche des Läufers 1 mit negativer Polarität ausnutzt. Die Verwendung
der Maschine kann in verschiedenen Schaltungen erfolgen. Legt man beispielsweise
die Klemme 17 an Erde, so erhält man zwei gegensinnige Spannungen+ U und
- U an den Klemmen 15 und 16. Man kann auch die Klemme 17 isoliert lassen
und den Verbraucherstromkreis von den Klemmen 15 und 16 abzweigen, zwischen denen
dann eine Potentialdifferenz von der Größe 2 U vorhanden ist.
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Wenn - U und -f- U die Potentialdifferenz zwischen den beiden Abnahmeionisatoren
8, 9 bzw. den zwei Ladeionisatoren 4, 5 sind, ergeben sich für die Potentialunterschiede
zwischen den verschiedenen Teilen die Werte: 0 zwischen Induktor 6 und Ionisator
9, U zwischen Ionisator 4 und Induktor 11, U zwischen Ionisator 5
und Ionisator 9 und 2 U zwischen Induktor 7 und Induktor 11. Um die beste Verteilung
der Potentialdifferenzen zu erreichen, empfiehlt es sich, die vier Ionisatoren und
ihre Induktoren an die Enden von zwei Durchmessern zu verlegen, die, wie
Abb.
1 zeigt, miteinander Winkel von etwa 60 und 120° einschließen. Der Ladeinduktor
6 und der Abnahmeinduktor 10 sind ebenso wie die beiden äußeren Induktoren 7 und
11 durch je einen zylindrischen Teil 12 aus schwach leitfähigem Werkstoff verbunden.
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Abb. 1a läßt eine Maschine mit zwei sich wechselseitig erregenden
Abschnitten erkennen, von denen der eine als positiver Abschnitt die Innenfläche
des zylindrischen Läufers 1 auf ihre ganze Ausdehnung und der andere als negativer
Abschnitt nur einen Teil der äußeren Läuferfläche ausnutzt. Die beiden Ladeionisatoren
35 und 41 sind an Erde gelegt, und der Abnahmeionisator 37 sowie der Abnahmeinduktor
36 des negativen Abschnittes sind mit dem Ladeinduktor 34 des positiven Abschnittes
und umgekehrt der Abnahmeionisator 39 des positiven Abschnittes mit dem Ladeinduktor
40 des negativen Abschnittes verbunden. Die Wirkung des negativen Abschnittes ist
auf die Erregung des positiven Abschnittes beschränkt, dessen Abnahmeionisator 39
zusammen mit dem Abnahmeinduktor 38 und dem Ladeinduktor 40 an die Plusklemme 43
des Verbraucherstromkreises angeschlossen ist, dessen andere Klemme 42 mit dem Ladeionisator
35 in Verbindung steht.
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Die Maschine nach Abb. 2 weist sechs je einen Lade- und einen Abnahmeionisator
und einen Lade-und einen Abnahmeinduktor umfassende Abschnitte auf. Die Mittelebene
AB teilt den äußeren Ständer 2 und den inneren Ständer 3 in je zwei Hälften,
von denen die eine die Ladeinduktoren und die Abnahmeinduktoren und die andere die
Ladeionisatoren und die Abnahmeionisatoren enthält. Die Ladeinduktoren 6 bzw. 7
und die Ladeionisatoren 4 bzw. 5 wechseln dabei mit den Abnahmeinduktoren 10 bzw.
11 und den Abnahmeionisatoren 8 bzw. 9 in Aufeinanderfolge ab. Der äußere Ständer
2 trägt auf seiner einen Hälfte drei Ladeionisatoren 4 und drei Abnahmeionisatoren
8 und auf der anderen Hälfte drei Ladeinduktoren 7 und drei Abnahmeinduktoren 11,
und in ähnlicher Verteilung weist der innere Ständer 3 auf der einen Hälfte drei
Ladeionisatoren 5 und drei Abnahmeionisatoren 9 und auf der anderen Hälfte drei
Ladeinduktoren 6 und drei Abnahmeinduktoren 10 auf.
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Die sechs Ladeionisatoren 4 und 5 sind alle miteinander und mit der
Klemme 17 verbunden. Auf dem äußeren Ständer 2 stehen die drei Abnahmeionisatoren
8 je mit ihrem Abnahmeinduktor 10 und auch miteinander und mit den drei Ladeinduktoren
7 in elektrischer Verbindung, und in gleicher Weise sind auf dem inneren Ständer
3 die drei Abnahmeionisatoren 9 je an ihren Abnahmeinduktor 11 sowie aneinander
und an die drei Ladeinduktoren 6 angeschlossen. Zwei Schichten 13 und 14 aus einem
Halbleiterwerkstoff bedecken die mit den Induktoren versehenen Hälften der beiden
Ständer 2 und 3 und stellen dadurch eine schwach leitende Verbindung zwischen den
Induktoren 6 und 10 bzw. 7 und 11 her. Der Verbraucherstromkreis kann an den beiden
mit den Abnahmeionisatoren eines jeden Ständers verbundenen Klemmen 15 und 16 abgezweigt
werden. Die drei positiven, die Innenfläche des Läufers 1 ausnutzenden Abschnitte
liegen ebenso wie die drei negativen, mit der Läuferaußenfläche zusammenarbeitenden
Abschnitte dicht beieinander.
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Abb. 3 zeigt ebenfalls einen elektrostatischen Generator mit sechs
Abschnitten, von denen drei Abschnitte positive Polarität besitzen und die Innenfläche
des Läufers 1 ausnutzen und drei Abschnitte negative Polarität aufweisen und an
der Außenfläche des Läufers wirksam sind. Gemäß Abb.3 liegen die drei Abschnitte
von gleicher Polarität nicht wie bei Abb.2 nebeneinander, sondern sind in Wechselfolge
mit den drei Abschnitten von entgegengesetzter Polarität angeordnet. Der innere
Ständer 3 trägt gemäß Abb. 3 die drei Ladeionisatoren 5 und die drei Abnahmeionisatoren
9 der drei positiven, die innere Fläche des Läufers 1 ausnutzenden Abschnitte und
anderseits die drei Ladeinduktoren 6 und die drei Abnahmeinduktoren 10 der drei
negativen, mit der äußeren Fläche des Läufers 1 zusammenarbeitenden Abschnitte.
Umgekehrt weist der äußere Ständer 2 einerseits die drei Ladeionisatoren 4 und die
drei Abnahmeionisatoren 8 der drei negativen Abschnitte und anderseits die drei
Ladeinduktoren 7 und die drei Abnahmeinduktoren 11 der drei positiven Abschnitte
auf. Die Ladeionisatoren 4 und 5 sind miteinander durch die an die Klemme 17 angeschlossene
Ausgleichsleitung verbunden, und die Abzweigklemmen 15, 16 für den Verbraucherstromkreis
stehen mit den Abnahmeionisatoren 9 und 8 in Verbindung. Die drei positiven Abschnitte
erregen gemeinsam die drei negativen Abschnitte, und umgekehrt, und die Abnahmeionisatoren
8 des äußeren Ständers 2 sind mit den Ladeinduktoren 7 des gleichen Ständers 2 und
die Abnahmeionisatoren 9 des inneren Ständers 3 mit den Ladeinduktoren 6 dieses
Ständers 3 verbunden.
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Abb.4 zeigt eine i1taschine mit drei durch gestrichelte Umfassungslinien
angedeuteten Abschnitten c, d und e. Der Abschnitt c von negativer Polarität nutzt
die innere Fläche des Läufers 1 aus. und sein Abnahmeionisator 18 ist an die negative
Klemme 19 des Verbraucherstromkreises angeschlossen. Die eine positive Polarität
aufweisenden Abschnitte d und e
arbeiten mit der inneren Fläche des
Läufers 1 zusammen, und ihre Abnahmeionisatoren 31 und 33 sind mit der positiven
Klemme 22 des Verbraucherstromkreises verbunden. Der Abschnitt c erregt die Abschnitte
d und e. deren Ladeinduktoren 23 und 24 mit dem Abnahmeionisator 18 in Verbindung
stehen. Umgekehrt erregen die Abschnitte d und e den Abschnitt c,
dessen Ladeinduktor 29 an die beiden Abnahmeionisatoren 31 und 33 Anschluß hat,
während die drei Ladeionisatoren 25, 30 und 32 miteinander durch eine an die Klemme
17 führende Leitung verbunden sind.
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Abb. 5 zeigt die gleiche Maschine wie Abt). 4, wobei jedoch der Abschnitt
c, da sein Ladeinduktor 29 nur mit dem Abnahmeionisator 33 in Verbindung steht,
durch den Abschnitt e allein erregt wird und die drei Abnahmeionisatoren 18, 31
und 33 an drei Klemmen 19, 26 und 27 angeschlossen sind. Der Abschnitt c erregt
wie bei der Anordnung nach Abt). 4 die beiden Abschnitte d und e, deren Ladeinduktoren
23 und 24 an den zugehörigen Abnahmeionisatoren 18 angeschlossen sind, und die drei
Ladeionisatoren 25, 30 und 32 stehen miteinander durch eine an die Klemme 17 angeschlossene
Leitung in Verbindung.
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Die in Abb. 1 a, 2 bis 5 veranschaulichten elektrostatischen Maschinen
arbeiten im Prinzip in der gleichen Weise wie der Generator nach Abt). 1 und sind
wie dieser durch kurzzeitige, anfängliche Spannungszufuhr in den Zustand der dauernden
Selbsterregung überführbar.