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Elektrostatische Maschine Die Erfindung betrifft elektrostatische
Motoren und Generatoren mit leitenden, der Influenz unterworfenen beweglichen Organen.
Sie hat insbesondere Verbesserungen an Generatoren zum Gegenstand, die einen Strom
von konstanter Stärke zu erzielen gestatten.
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Bei den gegenwärtig bekannten Maschinen dieser Art wird die Elektrizität
notwendigerweise unstetig über leitende Elektrizitätsträger dem Nutzstromkreis zugeführt.
Aus diesem Grund ist die Stärke des den Stromkreis durchfließenden Stromes nicht
konstant, sondern erleidet eine periodische Veränderung, deren Periode gleich der
Dauer des Arbeitszyklus der Maschine ist.
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Diese Stärkeänderungen sind besonders bei den Maschinen auffällig,
wo die Elektrizitätsträger aus breiten leitenden Flächen gebildet sind, wie bei
den T oel)ler-llaschinen.
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Es ergeben sich bei Anwendung solcher elektrostatischer Maschinen
Nachteile bei der Speisung bestimmter Apparate, wie Röntgenröhren, Elektronenröhren
zur Bildwiedergabe oder Bildumformung, Elektronenmikroskopen, wo es wichtig ist,
daß die Spannungsschwankungen und beim Anlaufen die Stromschwankungen unter einer
gewissen Grenze liegen.
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Es ist möglich, die Schwankungen des Stromes und der Spannung zu vermindern,
indem man bekanntlich einen Kondensator genügender Kapazität zwischen den Polen
der Maschine abzweigt. Jedoch hat dieses Verfahren Nachteile hinsichtlich des Preises,
des Gewichtes und des Raumbedarfs solcher Kondensatoren sowie hinsichtlich der Gefahr
ihrer zufälligen Entladung im Innern der Maschine, was in Anbetracht der großen
Energie, die sie enthalten, zu schweren Betriebsstörungen führen kann. Um diesen
verschiedenen Nachteilen abzuhelfen, wird gemäß der Erfindung eine elektrostatische
Maschine mit leitenden, der Influenz unterworfenen beweglichen Elektrizitätsträgern
für die Abgabe konstanten Stromes geschaffen, d.h. eine Maschine, deren Strom beim
Austritt aus der
Maschine auch ohne Filterkondensator eine zeitlich
feste Stärke aufweist oder nur relativ schwache Änderungen erleidet, die man praktisch
vernachlässigen kann.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß die Organe der Maschine
so angeordnet werden, daß mindestens zwei Bürsten zur Aufnahme des Stromes parallel
angebracht werden und nacheinander die Ladungen empfangen, welche ihnen die Elektrizitätsträger
zuführen, und dies in der Weise, daß immer eine stromempfangende Bürste vorhanden
ist, ohne daß eine tote Zeit eintritt, während welcher die Stromzuführung vom äußeren
Stromkreis aufhört. In allgemeinerer Form müssen als Funktion der Zeit die Veränderungen
des an jede Bürste gelieferten Stromes derart sein, daß die Überlagerung der von
den verschiedenen parallel geschalteten Bürsten gelieferten Teilströme einen Strom
ergibt, der nicht nur nie auf Null sinkt, sondern auch geringstmögliche und praktisch
zu vernachlässigende Schwankungen aufweist.
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Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen an Hand der Zeichnungen
beschrieben, die verschiedene Ausführungsarten der Erfindung darstellen, und zwar
zeigt Abb. i und 2 je ein Diagramm, welches die Stärkeänderungen der Ströme anzeigt,
die gemäß der Erfindung überlagert werden können, Abb. 3 schematisch eine perspektivische
Ansicht einer Maschine der Bauart Toepler mit zwei Rotoren, die gemäß der Erfindung
angeordnet sind, Abb. 4 eine entsprechende Ansicht einer Maschine mit drei Rotoren,
Abb. 5 eine entsprechende Ansicht einer zylindrischen Maschine mit einem einzigen,
gemäß der Erfindung angeordneten Rotor.
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Eine konstante Stromstärke im Nutzstromkreis kann erzielt werden,
indem man zwei Ströme i einander überlagert, deren Stärkeänderung als Funktion der
Zeit t durch die Kurve der Abb. i dargestellt ist, wobei diese beiden Ströme gegenseitig
derart verschoben sind, daß der eine seine Maximalstromstärke aufweist, während
die Stärke des anderen gleich Null ist.
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Ein solcher Strom wird in einer elektrostatischen Maschine mit leitenden,
der Influenz unterworfenen beweglichen Elektrizitätsträgern erzielt, wenn die Kapazität
zwischen den Erregerpolen und den bewegten Elektrizitätsträgern sich proportional
der Zeit verändert und die Potentiale der Erregerpole auf einem konstanten Wert
gehalten werden. Solche Bedingungen werden sehr oft geschaffen, besonders bei den
elektrostatischen Maschinen der Gattung Toepler.
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Man kann sich leicht viele andere Varianten vorstellen. An Stelle
zweier Bürsten, von denen jede während der Hälfte der Zeit Leistung abgibt, kann
man drei Bürsten vorsehen, die während einem Drittel oder zwei Dritteln der Zeiteinheit
Strom abgeben, oder, allgemein gesagt, m Bürsten, die während n/m der Zeiteinheit
Strom abgeben, wobei n eine ganze Zahl ist. In diesem Falle, wenn jede Bürste einen
Strom mit rechtwinkliger Kennlinie von der Stärke 1o abgibt, liefert das Aggregat
einen konstanten Strom von der Stärke n41 Man kann einen konstanten Strom auch erzielen,
indem man zwei oder mehr als zwei Ströme übereinanderlagert, deren Änderungskurven
irgendwelche Komplementärformen aufweisen, z. B., wie es in Abb.2 dargestellt ist,
eine dreieckig verzahnte Form, wobei die Stärken und die gegenseitigen Phasen dieser
Ströme eine annähernd konstante Summe der Stromstärken ergeben.
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Die in Abb. 3 dargestellte Toepler-Maschine enthält zwei verschiedene
Rotoren, von denen jeder aus zwei halbkreisförmigen Sektoren 1, 2, la, 2a gebildet
ist, die isoliert auf der Welle 3 befestigt sind. Jeder dieser Rotoren steht unter
der Influenz eines besonderen Erregerpoles, 4 für den einen, 4a für den anderen.
Die Sektoren jedes Rotors sind elektrisch mit Kontaktlamellen 5, 6, 5a, 6a mit 9o°
Öffnungswinkel verbunden, auf welchen einerseits zwei an Masse liegende Bürsten
7, 7a und andererseits zwei Abführungsbürsten 8, 8a schleifen, die zusammen elektrisch
an die Kugel 9 angeschlossen sind, die den isolierten Pol der Maschine darstellt.
Die beiden haben unter sich eine Winkelverschiebung von 9o°, so daß, wenn die eine
Abführungsbürste 8 eine Kontaktlamelle 5 oder 6 verläßt, die andere Abführungsbürste
811 sofort mit einer der Lamellen 511 oder 6° in Kontakt kommt. Auf diese Weise
ist immer eine Bürste vorhanden, die Strom abgibt, ohne daß Leerlauf oder Überlappung
auftritt.
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Damit der Strom vollkommen konstant bleibt, muß die Momentanstärke
während der Stromabgabe konstant sein, was erfordert, daß die Erregerpole auf festem
Potential gehalten werden. Man erreicht dies leicht, indem man den Erreger-Pol 4
an eine Gleichstromquelle anschließt, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist,
und indem man die Erregerpole unter sich elektrisch verbindet, was die Potentialschwankungen
des Aggregates praktisch gleich Null macht.
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Das in Abb. 4 dargestellte Beispiel betrifft eine Toepler-Maschine,
die drei verschiedene Rotoren enthält, von denen jeder aus zwei halbkreisförmigen
Sektoren 11, 12, Ija, 12a, Ilb, 126 gebildet ist, die isoliert auf einer Welle 13
angebracht sind. Jeddr dieser Rotoren steht unter Influenz zweier Erregerpole 14,
1o; 14a, loa; I46, lob.
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Die Erregerpole 14, I4a, l46 sind elektrisch unter sich verbunden
und an eine nicht dargestellte Gleichstromquelle angeschlossen, die sie auf ein
festes Potential, z. B. - C', bringen kann, wobei 2 U der maximale Potentialunterschied
ist, welche die Maschine aushalten kann; die Erregerpole lo, loa, lob sind in gleicher
Weise unter sich und mit einer zweiten Gleichstromquelle verbunden, die sie, z.
B. in dem oben beschriebenen Fall, auf ein Potential 2 U bringen kann, wobei das
Bestehen zweier Erregerpole für jeden Rotor bekanntlich die Arbeitsleistung der
Maschine zu verdoppeln gestattet.
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Die Sektoren jedes Rotors .sind elektrisch an Kontaktlamellen 15,
16; 15a, 16a; l56, i66 mit etwa l20° Öffnungswinkel angeschlossen, auf denen
einerseits
drei Massenbürsten 17, 17a, i76 und andererseits drei Abführungsbürsten 18, 18a,
r86 schleifen, die zusammen elektrisch mit der Kugel i9 verbunden sind, die den
isolierten Pol der Maschine darstellt. Die drei Rotoren sind unter sich um 12o°
verschoben, so daß, wenn eine der Abführungs@ürsten, also z. B. Bürste 18, eine
Kontaktlamelle i5 oder 16 verläßt, eine andere Bürste, wie 18,1, mit einer der Klemmen
i5° oder 1611 in Kontakt kommt. Auf diese Weise sind immer mehrere Bürsten vorhanden,
die gleichzeitig Leistung abgeben.
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Abb.5 zeigt eine Toepler-Maschine in zylindrischer Anordnung, die
einen einzigen Rotor mit fünf unter sich isolierten, beweglichen, der Influenz unterworfenen
Elektrizitätsträgern 2o1, 20Q, 2039
20,1, 20, umfaßt, die aus leitenden zylindrischen
Segmenten von ungefähr 70° Öffnungswinkel gebildet sind. Dieser Rotor ist von einerti
Stator umgeben, der zwei Erregerpole 21, 2,a und zwei Schirme 22, 22a trägt, von
denen jeder aus einem leitenden zylindrischen Segment von ungefähr 9o° Öffnungswinkel
gebildet ist, wobei die beiden Erregerpole und diese zwei Schirme wechselweise unter
sich verbunden sind und jede so gebildete Gruppe unter ähnlichen Bedingungen, wie
zu Abb. ,4 ausgeführt, an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist. Jeder Elektrizitätsträger
ist mit einer Kontaktlamelle 231, 232, 2331 234 oder 235 mit 36° Öffnungswinkel
verbunden, auf welcher einesteils zwei :Massenbürsten 2.1, 24a und andererseits
zwei Abführungsbürsten 25, 2511 schleifen, die elektrisch mit der Kugel 26 als isoliertem
Pol der Maschine verbunden sind. Die Kontaktpunkte der vier Bürsten 2.1 und 25,
24a und 25a bilden die vier Ecken eines Quadrates. Wenn die Bürste 25 die Kontaktlamelle231
verläßt, so erhält die Bürste 25a sofort Kontakt mit der Lamelle 23, und
so fort, so daß immer ein Elektrizitätsträger und nur ein einziger in Verbindung
mit dem Pol 25 ist. Diese Elektrizitätsträger liefern einen Strom von konstanter
Momentanstärke während der Leistungsabgabe, wenn die Potentiale der Erreger-1)01e21,
21a einerseits und der Schirme 22, 22a andererseits genügend konstant sind. Diese
Stetigkeit ist ausreichend gewährleistet durch die Verbindung der Erregerpole 21
und 21a einerseits, der Schirme 22, 22a andererseits untereinander, besonders wenn
die Kapazität jeder der Gruppen mit der Masse beträchtlich ist. , Die Erfindung
gestattet, elektrostatische Maschinen zu schaffen, deren Strom mehr als i % im Laufe
einer Arbeitsperiode variiert, so daß man ohne Zuhilfenahme eines Filterkondensators
für die Mehrzahl der Anwendungsgebiete eine ausreichende Stetigkeit des Stromes
gewährleisten kann.
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Mit Hilfe von sehr schwachen Kondensatoren, die in vielen Fällen aus
den natürlichen Kapazitäten der Organe der Maschine oder des Empfängers gebildet
werden, ist es leicht, die relativen Schwankungen des Stromes auf weniger als 1/loao
und sogar 1/ioooo zu reduzieren. Es ist ferner leicht, den Strom absolut konstant
zu machen, indem man seine restlichen Unregelmäßigkeiten durch einen auf der Zeichnung
nicht dargestellten Kompensator ausgleicht, der aus einem veränderlichen Kondensator
mit geeignetem Profil gebildet ist, dessen beweglicher Belag auf der Achse befestigt
und elektrisch mit der :Masse verbunden ist, während der isolierte feste Belag in
elektrischer Verbindung mit dem Pol der Maschine steht. Es ist immer möglich, das
Profil dieses Kondensators so zu wählen, daß er den notwendigen Ergänzungsstrom
liefert, um den Strom der Maschine konstant zu halten, wenn dieser etwas schwach
wird, und den überschüssigen Strom aufnimmt, wenn der Strom der Maschine etwas stark
wird. Die stark angenäherte Konstanz des von der Maschine gelieferten Stromes gestattet
es, dem Kompensator einen geringen Umfang zu geben, der im Verhältnis zu demjenigen
der Maschine selbst sehr klein ist.
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Die Erfindung wurde in ihrer Anwendung auf Generatoren beschrieben,
jedoch ist sie ebenso, wie schon angegeben, auf elektrostatische Motoren mit leitenden
Elektrizitätsträgern anwendbar, besonders auf Toepler - Maschinen. Sie gestattet,
elektrostatische Motoren zu schaffen, die einen konstanten Strom aufnehmen, was
für die Verwendung der Generatoren und der Leitungen sehr vorteilhaft ist, wenn
es sich um bedeutende Leistungen handelt. Diese Maschinen liefern ein Drehmoment,
das viel regelmäßiger ist als bei jenen, auf die die Erfindung nicht angewendet
ist, und können von selbst in allen Rotorstellungen anlaufen, da immer mindestens
ein Elektrizitätsträger in Verbindung mit der Speiseleistung steht.