DE658201C

DE658201C - Elektrostatischer Umformer zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom

Info

Publication number: DE658201C
Application number: DEM122904D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1933-02-14
Filing date: 1933-02-14
Publication date: 1943-03-01

Description

Man kann Wechselstrom nach dem elektrodynamischenPrinizip erzeugen, indem man eine Spule in einem Magnetfeld rotieren läßt. Dieser Weg der Erzeugung von Wechselstrom ist jedoch für die Erzielung höherer Frequenzen ungeeignet, weil bei höheren Frequenzen die Eisenverluste unerträglich groß werden. Man hat infolgedessen bereits sogenannte elektrostatische Hochfrequenzmaschinen gebaut, bei

ίο denen ein mit Längsnuten versehener Läufer im Innern eines ebenfalls mit Längsnuten versehenen Ständers gedreht wird. Wenn zwischen Läufer und Ständer ein Gleichspannungsfeld aufrechterhalten wird, so ruft die bei der Drehung periodisch sich ändernde Größe der Kapazität zwischen den Stegen des Läufers und des Ständers einen Wechselstrom hervor, dessen Frequenz durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Läufers und die

ao Zahl der parallel zur Läuferachse verlaufenden Stege gegeben ist.

Gemäß der Erfindung sind zwischen den Oberflächen von Ständer und Läufer Stoffe mit höherer Dielektrizitätskonstante und höherer Durchschlagsfestigkeit als die Luft vorgesehen. Dadurch erreicht man eine Vergrößerung der Maschinenleistung in doppelter Hinsicht. Einerseits nämlich ergibt die Anwendung eines Dielektrikums, dessen Dielektrizitätskonstante größer ist als die der Luft, eine Vergrößerung der wirksamen Kapazität, ohne daß zu diesem Zweck die Abmessungen der Maschine vergrößert werden müssen. Andererseits aber kann man infolge der höheren Durchschlagsfestigkeit der verwendeten Oberflächenschicht entweder bei gegebener Höhe der Gleichspannung die Abstände zwischen den wirksamen Stirnflächen der Zähne des Läufers und des Ständers verringern, wodurch ebenfalls die wirksame Kapazität der Maschine erhöht wird. Wenn man zur Vermeidung der Luftreibung den Abstand zwischen den Läuferzähnen und den Ständerzähnen nicht entsprechend der höheren Durchschlagsfestigkeit, welche durch die Oberflächenschicht erzielt wird, verringern will, so kann man zur Vergrößerung der Maschinenleistung eine Erhöhung des Gleichspannungsfeldes anwenden. Die Größe des von der Maschine erzeugten Wechselstromes ist nämlich nicht allein von der Größe der Kapazität, sondern in gleichem Maße auch von der Höhe der angewendeten Gleichspannung abhängig.

Auch die Erhöhung des Druckes im Kapazitätsraum ist geeignet, die Leistungsfähigkeit einer Maschine bei gleichbleibender Größe ihrer Abmessungen zu erhöhen. Die Dielektrizitätskonstante gasförmiger Stoffe steigt mit dem Druck, außerdem aber steigt vor allem die Durchschlagsfestigkeit mit dem

Druck, so daß die Anwendung eines erhöhten Druckes eine weitere Steigung der Höhe der angelegten Spannung und damit eine Vergrößerung der Leistungsabgabe der Maschine zuläßt.

In Abb. ι sind beispielsweise die wesentlichen Teile eines Umformers nach der Erfindung erläutert. Der Ständer ist mit St bezeichnet, die Zahne bzw. Zahnlücken im Ständer tragen die Zeichen Zs bzw. Ls. Der Läufer ist mit R bezeichnet, und !entsprechend haben die Zähne und die Zahnlücken des Läufers die Bezugszeichen Zr und Lr. Der Ständer ist mit dem Fuß F fest verbunden. Der Läufer ist mit der Achse A genau laufend im Innern des Ständers gelagert, beispielsweise durch beiderseits am Ständer befestigte Lagerschilder.

Läufer und Ständer bilden die beiden Pole oder Belege der Maschinenkapazität, die sich durch Vorbeilaufen der Zähne Zr des Läufers an den Zähnen Zs des Ständers periodisch ändert. Die dabei sich ergebende Periodenzahl beträgt Zähnezahl mal Umdrehungen pro Sekunde.

Die Form der Schwingung hängt ab von der Form der Zähne und kann beliebig gestaltet werden, so daß es möglich ist, entweder eine bestimmte Form der Grundschwingung zu erzielen oder aber eine bestimmte Form der Grundschwingungen und Oberschwingungen zueinander zu schaffen.

Läufer und Ständer müssen gegeneinander isoliert sein, beispielsweise durch eine isolierende Buchse / zwischen Achse und Läufer. Die Isolierung kann auch an anderen Stellen angebracht sein/z.B. zwischen Ständer und Lagerdeckel, in öder zwischen Lagern und Lagerdeckeln. -

Die Verwendung der Maschine ist naturgemäß für alle Zwecke möglich, für welche Ströme der erzeugten Periodenzahl und der gegebenen Leistung verwendet werden können. Sie kann beispielsweise als Stromquelle für HocMrequenzschmelz- und -glüheinrichtungen verwendet werden, die zur Erhitzung von Metallen, für Walz-, Zieh-, Preßverfahren dienen.

Die Leistung wird durch die drei Großen-Ordnungen Kapazitätsänderung, zugeführte Gleichspannung und PeriodeazaM der Maschine bestimmt.

Die Kapazitätsänderung ist bekanntermaßen um so großer, je geringer der Abstand zwischen den Zähnen und je größer der Abstand zwischen den Zahnlücken der Maschine ist. Die Kapazität in den Zahnlücken ist in geschlossenen Gebilden wie in dem vorliegenden Fall allerdings beträchtlich. Kapazität und zuzuführende Gleichspannung können aber wesentlich gesteigert werden durch isolierende Schichten mit hoher Durchschlagsfestigkeit und hoher Dielektrizitätskonstante, die zwischen den Zähnen eingefügt werden. _t "--Hierzu eignet eich z. B. Celluloid, insbe-/JSQttdere in flüssiger Form (Zapponlack). Da bei der hohen Umdrehungszahl des Läufers -eine solche Schicht auf dem Läufer zu hohen Beanspruchungen ausgesetzt wäre, ist es zweckmäßig, sie nur auf der Ständerseite anzubringen (vgl. Abb. 2). Das Auftragen der Flüssigkeit .erfolgt zweckmäßig in zerstäubter Form auf die zu überziehenden Flächen des Ständers. Dabei entstehende Unebenheiten können durch nachträgliche Bearbeitung (Schleifen, Drehen usw.) wieder ausgeglichen werden. Der erforderliche Luftabstand zwischen Ständer und Läufer läßt sich also auch in diesem Falle mit sehr hoher Genauigkeit herstellen.

Falls die Adhäsion der angewendeten dielektrischen Isoliierschicht auf dem Läufer nicht ausreichend ist, empfiehlt sich die Anwendung dünner Zwischenschichten, die als Bindemittel geeignet sind. _x

Die Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit und der Dielektrizitätskonstante der Maschine läßt sich auch auf anderem Wege erreichen. Z. B. kann die Durchschlagsfestigkeit durch Erhöhung des Gasdrucks in der Maschine erhöht werden, die zu diesem Zwecke genügend gasdicht abgeschlossen sein muß. Geringe Verluste durch leichte Undichtigkeiten lassen sich bequem durch Anwendung einer ständig mitlaufenden Druckpumpe ausgleichen. Für ^9S die Erhöhung der Dielektrizitätskonstante kommt z. B. die Anwendung bestimmter Gase in Frage, wieSchwe£eldioxyd, Ammoniak usw. Diese Gase können selbstverständlich auch wieder unter höherem Druck verwendet werden.

Die Berechnung der Kapazitätsänderung der Maschine ist wegen der Streuung der Kapazität, die durch die Zahnlücken hervorgerufen wird, umständlich. Um über die Wirkungsweise der Maschine ein Bild zu geben, sei auf bereits vorliegende praktische Erfahrungen zurückgegriffen. Bei Zahnbreiten von ι mm und· Zahnlücken von 1,4 mm und einer Zahnlückentiefe von 2 mm und einem Gesamtabstand zwischen den Zähnen von 0,3 mm,¹¹⁰ wovon O',2 mm Luftabstand und 0,1 mm dielektrische Schicht (Celluloid) sind, sind pro Zahn und ι cm Zahnlänge eine Maximalkapazität von 2 cm mit einer Wechselkapazität von 0,5 cm zu erwarten. Bei solchen Verhältnissen ¹¹S ist die nutzbare Wechselspannung etwa gleich 50 °/o der zugeführten Spannung.

Ein Modell mit den angegebenen Zahnverhältnissen, einem Läuferdurchmesser von 137 mm und einer Läuferlänge von 95 mm, ergab bei 30000 Perioden (gleich einer Wellenlänge von 10 000 mm) und einer zugeführ-

ten Spannung von 600 Volt eine Nutzleistung von 8 Watt. Eine Vergrößerung der Maschine auf die zehnfachen Dimensionen ergibt unter Beibehaltung der gleichen Umdrehungsgeschwindigkeit die hundertfache Kapazität und die zehnfache Periodenzahl (also ι ooo m Wellenlänge). Die Leistung ist dann bereits iooomal so groß = 8 kW. Die Vergrößerung der Kapazität durch Anwendung von

ίο Gasen höherer Dielektrizitätskonstante und die Steigerung der zugeführten Spannung durch Anwendung höherer Drucke ist dabei noch nicht in Betracht gezogen.

Claims

Patentansprüche:

i. Elektrostatischer Umformer zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom, dessen Ständer und Läufer an ihren einander zugekehrten, die Belegungen eines Kondensators bildenden Oberflächen mit Zähnen versehen sind, die eine der Kurvenform der abzugebenden Wechselströme angepaßte Flächenform aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Oberflächen von Ständer und Läufer Stoffe mit höherer Dielektrizitätskonstante und höherer Durchschlagsfestigkeit als die Luft vorgesehen sind.
2. Elektrostatischer Umformer nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Einfügung fester Schichten in den Kapazitäts- - raum der Maschine.
• 3. Elektrostatischer Umformer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine feste Verbindung der festen Zwischenschicht mit einer oder mit beiden Kapazitätsflächen der Maschine.
4. Elektrostatischer Umformer nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch die Anwendung i solierender Lackschichten mit hoher Dielektrizitätskonstante und erhöhter Durchschlagsfestigkeit, gegebenenfalls unter Einführung von Bindemitteln zwischen der Lackschicht und ihrer Unterlage.
5. Elektrostatischer Umformer nach An-Spruch i, gekennzeichnet durch die Anwendung eines gasförmigen Stoffes mit erhöhtem Druck im Kapazitätsraum, insbesondere eines Gases mit hoher Dielektrizitätskonstante, so
6. Elektrostatischer Umformer nach Anspruch s, gekennzeichnet durch die Anwendung eines Druckbehälters, z. B. eines Gasbehälters oder einer Druckpumpe, zum Ausgleich von Druckverlusten in der Maschine.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen