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Elektrostatische Maschine Bei den bisherigen Ausführungen von elektrostatischen
@laschinen mit leitenden, der Influenz unterworfenen beweglichen Organen wird sowohl
im Falle von Generatoren wie von Motoren die Änderung des Potentials der Läufer
durch deren Verschiebung in dem von den Induktoren erzeugten elektrischen Feld erreicht.
Wenn dieses Verfahren auch den Vorteil der Einfachheit hat, so gestattet es doch
im allgemeinen nicht, die als Läufer bezeichneten beweglichen Organe den höchstmöglichen
elektrischen Kräften auszusetzen, die mit ihrer kraftübertragenden Oberfläche und
der dielektrischen Starrheit des umgebenden dielektrischen strömenden Mediums vereinbar
sind. Daraus folgt ein Leistungsverlust im Vergleich zu der Leistung, die sich erzielen
ließe, wenn die Läufer dauernd diesen Höchstkräften ausgesetzt wären, und diese
Einbuße ist besonders beträchtlich bei den Maschinen der Bauart Toepler, wo sie
5o°% erreicht und sogar überschreitet.
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Die Erfindung bezweckt nun, elektrostatische Maschinen derart zu vervollkommnen,
daß das Moment der elektrostatischen Widerstandskräfte verstärkt und bei gleichzeitiger
Erfüllung des allgemeinen Prinzips der thermodynamischen Reversibilität vor allem
die Leistung sowie der Wirkungsgrad, insbesondere bei Ausführung der Maschine mit
leitenden, der Influenz unterworfenen Organen in der Bauart Toepler, ganz wesentlich
gesteigert wird.
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Während bei allen bekannten elektrostatischen Maschinen ausnahmslos
die Potentialänderung der Läufer lediglich durch Änderung einer elektrostatischen
Influenz erreicht wird, ohne daß irgendeine
leitende Beziehung mit
den Läufern stattfindet, besteht im Gegensatz hierzu der Grundgedanke der Erfindung
darin, den Läufern eine zusätzliche Potentialänderung mit Hilfe von leitenden Verbindungen
mit Elektrizitätsquellen oder gleichwertigen Vorrichtungen aufzuzwingen. Zu diesem
Zweck sind die Läufer erfindungsgemäß an eine oder mehrere Elektrizitätsquellen
anschließbar, die sie auf um sehr kleine Beträge zwischen Potentialen der Maschinenpole
zunehmende Potentiale vorzugsweise in dem Augenblick zu bringen vermögen, wo die
Kapazitäten zwischen dem Induktor und den beweglichen, der Influenz unterworfenen
Organen ihren Höchstwert erreichen. Zweckmäßigerweise werden die Läufer in Aufeinanderfolge
in Beziehung mit mehreren Elektrizitätsquellen gebracht, deren Spannung konstant
und von einer zur anderen Elektrizitätsquelle nach einer fortschreitendenAbstufung
zwischen den Potentialen der Maschinenpole verschieden ist.
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Die Elektrizitätsquellen können erfindungsgemäß durch Generatoren
oder Kondensatoren gebildet sein, deren Kapazität im Verhältnis zu der zwischen
einem Induktor und einem Läufer auftretenden Kapazität genügend groß ist, damit
die Kondensatoren praktisch ihre Ladung während eines Schaltzyklus bewahren.
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Um den Grundgedanken der Erfindung mit Hilfe nur einer Elektrizitätsquelle
zu verwirklichen, kann die mit bewegten, leitenden zu influenzierenden Organen versehene
elektrostatische Maschine so ausgebildet sein, daß jeder Läufer in Aufeinanderfolge
mit an einem Widerstand abgestuften Anschlußstellen in Verbindung gesetzt werden
kann und der Widerstand von den Klemmen einer Elektrizitätsquelle abgezweigt ist,
deren einer Pol mit der Maschine verbunden ist, während zwischen diesem Pol und
den Anschlußstellen des Widerstandes Kondensatoren vorgesehen sind.
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Um mit den Maßnahmen nach der Erfindung die höchstmögliche Wirkung
zu erzielen, ist es vorteilhaft, sie so zu verwirklichen, daß für ihre Ausführung
möglichst wenig Zeit und Raum erforderlich ist.
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Die Zeichnung veranschaulicht in schematischer Darstellung beispielsweise
mehrere Ausführungsformen der elektrostatischen Maschine nach der Erfindung und
läßt dabei deren Wesen näher im einzelnen erkennen.
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Abb. > zeigt die wesentlichen Teile einer elektrostatischen Maschine
der Bauart Toepler, die in der einfachsten Gestaltung wiedergegeben ist, um die
Ursachen für den bei ihr auftretenden Leistungsverlust und die diesem abhelfende
Maßnahme nach der Erfindung deutlich in Erscheinung treten zu lassen: Abb.2 gibt
eine elektrostatische Maschine der gleichen Art wie Abb. r wieder, die aber gemäß
der Erfindung vervollkommnet ist; Abb. 3 bringt eine abgeänderte Ausführung der
Maschine nach Abb. 2, bei der bis auf die Verluste keine Energie den Hilfselektrizitätsquellen
entnommen wird; Abb.4 stellt eine weitere Ahänderung der Maschine nach :@lib. 2
dar, hei der die Hilfselektrizitätsquellen durch Kondensatoren gebildet sind; Abb.
5 veranschaulicht eine Maschine nach der Erfindung, bei welcher als Hilfselektrizitätsquelle
ein elektrischer Schwingungskreis mit einer den Eigenheiten der Schaltmaßnahmen
angepaßten Eigensch@vingung dient; Abb. 6 zeigt eine Maschine, Bauart Töepler, bei
der die Verbesserung nach der Erfindung mit einer eine erhebliche Steigerung der
Maschinenleistung ergebenden Maßnahme verbunden ist; Abb.7 läßt eine abgeänderte
Ausführungsform der Maschine nach Abb. 6 erkennen.
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Die gleichen Teile sind in allen Abbildungen mit den nämlichen Bezugszeichen
versehen.
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Die in Abb. i wiedergegebene elektrostatische Maschine der Bauart
Toepler umfaßt in der Hauptsache einen Induktor i. eine diesen auf das Potential
-U' bringende Spannungsquelle 2, zwei Läufer 3 und 4, eine an die Erde 7 gelegte
Bürste 5 mit dem Potential O, eine an die isolierte Klemme 8 der Maschine angeschlossene
Bürste 6 mit dem Potential -I- U und eine die Läufer 3, 4 tragende Welle XX'. Die
Potentialdifferenz zwischen den Teilen r und 3, .1 ist 2 U.
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Wenn einer der Läufer, z. B. der Läufer 3, bei seiner Umdrehung in
der eingezeichneten Pfeilrichtung aus dem Induktor r herauszutreten beginnt, ist
sein Potential noch O und das Moment der elektrostatischen Widerstandskräfte ist
nur
wenn
die Änderung der Kapazität zwischen den Teilen r und 3, 4 für die Einheit des Drehwinkels
ist. Wenn dagegen der Läufer schon auf dem Potential U wäre, würde dieses Moment
vom Anfang der Bewegung an
d. 1i. viermal so groß, sein. Daraus würde sich eine Erhöhung der Widerstandsarbeit
der elektrostatischen Kräfte ergeben, die in einer Verdoppelung der erzielten Intensität
zum Ausdruck käme. Die Anfangsladung des Läufers wäre dabei 2 CU anstatt
CU, wenn C die maximale Kapazität zwischen Induktor und Läufer ist. Die Leistung
wäre somit verdoppelt.
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Ein zunächst sich darbietendes Mittel zur Verwirklichung dieser leistungssteigernden
Verhältnisse würde darin bestehen, daß man den Läufer 3 unmittelbar an einen das
1'otetitial -=- (' liefernden Generator oder auch an den Verbrauchsapparat
selbst anschließt, wenn dieser eine genügende Kapazität besitzt, um die zusätzliche
Ladung für den Läufer 3 zu liefern. Dieses Verfahren würde aber mit zwei schwerwiegenden
Übelständen verbunden sein: a) Dadurch, daß der auf dem Potential O befindliche
Läufer mit einem das Potential + U aufweisenden Leiter plötzlich in Beziehung gebracht
wird, würde die Bildung eines starken Funkens und eine einen reinen Verlust darstellende
Vergeudung der Energie '/2 CU2 mit Gefahr der Änderung der Kontakte auftreten.
b)
Im Falle der Herstellung der Verbindung mit dem Verbrauchsapparat ist der Gewinn
an Leistung Null, da zwar die Anfangsladung des Läufers 2 CU ist, aber der
Zuschuß CU wird durch den Empfänger geliefert, der die Energie CU2 an die Maschine
abgegeben hat, die sich ihrerseits darauf beschränken wird, sie ihm während der
Leistungsphase zu ersetzen. Das einzige Ergebnis der ganzen Maßnahme wird einfach
in der Bildung eines Funkens bestehen, der eine Energie '/= C L'2 zerstreut, die
durch den Antriebsmotor zu liefern sein wird.
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Wie ersichtlich, bedeutet daher der unmittelbare .Anschluß des Läufers
an eine Spannungsquelle oder den Verbrauchsapparat keinerlei Fortschritt. Untersuchungen
haben gezeigt, daß derGrunddafürdarin liegt, (laß dieser Anschluß nicht dem allgemeinen
Prinzip der thermodynamischen Reversibilität genügt, dem mindestens in angenäherter
Form jede energieumformende 'Maschine entsprechen muß, um ein günstiges technisches
Ergebnis zu liefern.
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Im Falle der statischen Elektrizität lehrt die Thermodynamik, daß
man nicht zwei Leiter mit verschiedenen Potentialen miteinander in Beziehung setzen
soll. Eine Potentialänderung kann in reversibler thermodvnamischer Form nur dadurch
verwirklicht werden. i.daß man den Leiter isoliert läßt, was der Fall bei allen
bekannten Maschinen ist, und im thermischen Bereich ein Gegenstück in der adiabatischen
Temperaturänderung hat; 2. daß man den Leiter in Beziehung zu einer theoretisch
unendlichen Zahl von Elektrizitätsquellen bringt, deren aufeinanderfolgende Potentiale
nur durch unendlich kleine Beträge voneinander verschieden sind, wozu der thermische
Analogiefall bei den Dampfturbinen gegeben ist.
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Diesen Bedingungen wird bei der elektrostatischen iNIaschine nach
Alb. 2 erfindungsgemäß dadurch genügt, daß mehrere, z. B. neun, Hilfsgeneratoren
vorgesehen sind, um schrittweise das Potential der Läufer zu erhöhen. Die homologen
Teile sind in Abb. 2 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Welle XX' der
Maschine trägt gemäß Abb. 2 zwei Kontaktringe io und i i, von denen der eine mit
(lern Läufer 3 und der andere mit dem Läufer 4 verbunden ist. Auf diesen Ringen
schleifen die Bürsten 12 und 13, die ihrerseits an je einen der be-,veglichen Kontaktarme
14 und 15 von zwei Drehschaltern angeschlossen sind. Jeder Drehschalter weist eine
Reihe von feststehenden Kontakten po bis pio bzw. q, bis qlo auf, deren Zahl gleich
der Anzahl der Hilfsgeneratoren zuzüglich zweier Kontakte ist, von denen der eine
mit der isolierten Klemme 8 der Maschine und der andere mit der Erde 7 verbunden
ist. Die Kontakte p1 bis p9 bzw. q1 bis q9 sind je an einen der Hilfsgeneratoren
G1, G.2 . . . G9 angeschlossen, welche die zwischen O und (' abgestuften Spannungen
L"/10, 2 U/10, 3 t17 10 ... 9 U/io liefern.
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Die Maschine nach Abb.2 arbeitet wie folgt: Wenn der Läufer 3 auf
dem Punkt ist, aus dem Induktor i herauszutreten, und während seine Bewegung aufgehoben
ist, wird er mittels des Ringes io, der Bürste 12 und des durch irgendein Antriebsmittel
in Umdrehung versetzten Kontaktarmes 14 an den von diesen bestrichenen Kontakten
p. bis pla nacheinander in Verbindung mit den Generatoren G1) G2, G3... G9 und schließlich
mit dem isolierten, sich auf dem Potential U befindenden Pol 8 gebracht. Die Drehung
des Läufers 3 wird dann wieder aufgenommen, um die Leistung zu bewirken. Der aus
dem Induktor i sich herausbewegende Läufer 3 gibt an den äußeren Stromkreis seine
Anfangsladung 2 CU bei der Spannung L,' ab. Diese Ladung wäre ohne die Vervollkommnung
der Maschine gemäß der Erfindung nur CU.
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Wenn der Läufer 3 ganz aus dem Induktor i herausgetreten ist, bringt
man ihn auf das Potential O zurück, indem man den Kontaktarm 14 in der entgegengesetzten
Richtung wie vorher verschwenkt und auf den an Erde 7 liegenden Kontakt p. überführt.
Der Läufer 3 kann von neuem in den Induktor i eindringen und bleibt dabei in Verbindung
mit der Erde 7, bis die Kapazität mit dem Induktor i den Höchstwert erreicht hat.
Der Kontaktarm 15 bewirkt in ähnlicher Weise den Anschluß des Läufers 4. mit den
Hilfsgeneratoren G1 bis G9 und mit der Klemme 8 sowie der Erde 7.
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Bei dieser Schilderung der Wirkungsweise der Maschine nach Abb.2 ist
angenommen, daß die Bewegung der Läufer 3, 4 intermittierend erfolgt, indem sie
jeweils während des Arbeitens des Drehschalters 14 bzw. 15, d. h. während der zur
Durchführung der verstärkten Läuferladung erforderlichen Zeit, unterbrochen wird.
In der Praxis wird zur Vermeidung der mit einem derartigen periodischen Anhalten
der Läuferdrehung für den Betrieb der Maschine verbundenen Nachteile die Beibehaltung
des kontinuierlichen Läuferumlaufes dadurch ermöglicht, daß die Kontaktarme 14 und
15 derart angetrieben und angeordnet werden, daß sie die Bahn der Kontakte po bis
plo bzw. q0 bis qlo in beiden Richtungen mit einer im Vergleich zur Drehgeschwindigkeit
der Läufer sehr hohen Geschwindigkeit durchfahren, so daß die Gesamtheit der durch
sie bewirkten Schaltvorgänge sich während eines sehr kleinen Teiles des Umlaufes
des Läufers 3 bzw. 4 vollzieht.
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Die Maschine arbeitet um so besser, je größer die Zahl der Hilfsgeneratoren
ist. Praktisch genügt indessen eine verhältnismäßig beschränkte Zahl von Generatoren,
z. B. eine Anordnung von drei oder fünf Hilfsspannungserzeugern, um einen wesentlichen
Fortschritt bei elektrostatischen Maschinen mit umlaufenden Organen zu erzielen.
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Bei der Maschine nach Abb. 2 geben die Läufer 3,4 zwar eine Ladung
2 CU an den äußeren Stromkreis ab, erhalten aber als Gegenleistung nur eine Ladung
CU von Erde 7, und die Differenz wird durch die Hilfsgeneratoren geliefert. Die
von der Maschine an den äußeren Stromkreis abgegebene Leistung ist somit nicht vollständig
durch die Arbeit des die Maschine in Umdrehung versetzenden Motors bedingt, sondern
rührt zum Teil auch von den Hilfsgeneratoren her. Wenn diese Generatoren nur einfach
eine Schaltungsfunktion erfüllen sollen, ohne einen nennenswerten Beitrag zur Maschinenleistung
zu
liefern, kann dies durch eine geringe Abänderung der Maschine nach Abb.2 erreicht
werden.
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Diese Abänderung besteht, wie Abb.3 zeigt, darin, daß in der Art einer
bekannten Anordnung ein dem Induktor i ähnlicher Schirm 16 vorgesehen ist, der auf
die Spannung U gebracht wird. Der Läufer 3 bzw..4 weist dann, wenn er in den Induktor
i einzutreten beginnt, eine Ladung CU auf und empfängt demnach eine Ladung 2 CU
an Stelle von CU. Die Hilfsgeneratoren G1 bis G9 liefern dabei keine Elektrizität
mehr an den äußeren Stromkreis und überhaupt keine elektrische Energie mehr an die
Maschine. Die ganze elektrische Leistung wird somit bei der Maschine nach Abb. 3
dem Antriebsmotor entnommen.
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Die über die festen Kontakte po bis plo bzw. q. bis q" hinwegzuführenden
Kontaktarme 14, 15 können unmittelbar von der Maschine selbst aus ()der durch getrennte,
synchron mit der Maschine arbeitende Antriebsmittel gesteuert werden. Die Ein- und
Ausschaltung der Hilfsgeneratoren kann statt durch mechanische Schalter auch mit
Hilfe von irgendwelchen anderen hierfür geeigneten an sieh bekannten Vorrichtungen,
z. B. mittels einer durch Elektronenröhren wirkenden Schaltvorrichtung, erfolgen.
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Trotz der Änderung der Ladung der Läufer 3, 4 während der erfindungsgemäß
stattfindenden Zu-und Abschaltung der Hilfsgeneratoren ändert sich das Potential
des Induktors i nicht wesentlich. Beispielsweise genügt es, den Induktor i für dauernd
mit Kondensatoren von hinreichend großer Kapazität zu verbinden, um diese Potentialschwankungen
auf eine Amplitude zurückzuführen, die für die in Betracht kommenden Anwendungen
der Maschine annehmbar ist.
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Als Hilfsgeneratoren kann man irgendwelche Spannungserzeuger oder
Elektrizitätsquellen benutzen, sofern sie den Läufern 3, 4 die gewünschte Elektrizitätsmenge
in einer möglichst kurzen Zeit zuführen oder von ihnen aufnehmen können. Daher müssen
der Widerstand und die Selbstinduktion der verwendeten Elektrizitätsquellen möglichst
geringe Werte besitzen, die mit den praktischen technischen und wirtschaftlichen
Gegebenheiten der Maschinenausführung sich vereinbaren lassen.
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Wenn die erfindungsgemäß angeordneten Elektrizitätsquellen, wie dies
meist der Fall ist, keinerlei mittlere Leistung zu liefern haben, kann man die in
Abb.2 und 3 vorgesehenen Generatoren durch einfachere Vorrichtungen ersetzen, die
ihnen dann vollständig gleichwertig sind. Beispielsweise kann man die neun Generatoren
der Abb. 2 und 3 durch neun Kondensatoren ersetzen, deren Isolierwiderstand und
deren Kapazität im Verhältnis zur Höchstkapazität zwischen den Teilen i und 3, 4
genügend groß ist, daß sie praktisch ihre Ladung während eines Ein- und Ausschaltzyklus
beibehalten.
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Abb.4 zeigt diesen Ersatz der Generatoren durch Kondensatoren bei
einer im übrigen nach Abb. 3 - ausgeführten elektrostatischen Maschine und läßt
außerdem erkennen, wie dabei durch eine vorteilhafte Schaltung die Zahl der Kondensatoren
sich von neun auf vier verringern läßt und die beiden Läufer 3 und 4 gleichzeitig
und zusammen mit den Kondensatoren in und außer Verbindung gesetzt werden können.
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Gemäß Abb. 4 gibt der an den Schleifring io angeschlossene Läufer
3 über die Bürste 12 und den beweglichen Kontaktarm 14 an den isolierten Maschinenpol
8 Ladung ah, während der mit dem Schleifring i i verbundene Läufer 4 über die Bürste
13 und den drehbaren Kontaktarm 15 eine positive Ladung von der Erde 7 empfängt,
wenn die Kontaktarme 14 und 15 die dem Pol 8 und der Erde 7 zugeordneten Kontakte
berühren. Diese Verbindungen bleiben bestehen, bis der Läufer 3 ganz aus dem Induktor
i und der Läufer ,4 vollständig aus dem Schirm 16 herausgetreten ist. In diesem
Augenblick ist die Leistungsabgabe seitens des Läufers 3 und die Ladung des Läufers
4 beendet und der erstere weist die Ladung O und der letztere die Ladung +CU auf.
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Bei Dauerbetrieb sind die Kontakte p1, p2 ... p9 und q1,
q, ... q9 auf den I-'Uteiltiflleil 1-i10. 2 (710 . . . 9 U/io, sofern
die Kapazitäten der Kondensatoren Cl, C2, C3 und C4 eindeutig größer als die Höchstkapazität
C zwischen Induktor und Läufer sind.
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Nach der Beendigung der Leistungsabgabe des Läufers 3 und der Ladungsaufnahme
des Läufers 4 wird die Bewegung der Läufer für die Durchführung der Anschaltung
der Kondensatoren bei der Maschine nach Abb. 4 gehemmt. Der Läufer 4 wird nunmehr
mit dem Kontakt q1 und der Läufer 3 mit dem Kontakt q9, hierauf der Läufer 4 mit
dem Kontakt q2 und der Läufer 3 mit dem Kontakt p8 in Verbindung gebracht und dieser
gleichzeitige Anschluß der Läufer 3, 4 an je einen Kontakt durch die beiden Kontaktreihen
q1 bis q9 und p9 bis p1 hindurch fortgesetzt. Das Potential des Läufers 4 wird so
stufenweise von U/io auf 9 U/io erhöht, während das Potential des Läufers 3 in der
gleichen Stufenfolge bis auf U/io vermindert wird. Wenn der Kontaktarm 14 am Kontakt
p1 und der Kontaktarm 15 am Kontakt q9 ist, so ist die schrittweise bewirkte Einschaltung
der Kondensatoren beendet, und die Ladung des Läufers 4 ist 2 CU - CL /l o, und
bei dem Läufer 3 ist die Ladung - CU -1- CU/io vorhanden.
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Nach Beendigung der Einschaltung der Kondensatoren Cl bis C4 kommt
der Kontaktarm 14 in Berührung mit dem Kontakt p, und der Kontaktarm 15 in Berührung
mit dein Kontakt q10, wodurch die Läufer 3, 4 wieder mit der Maschinenklemme 8 bzw.
der Erde 7 verbunden werden. Nunmehr setzt die Bewegung der Läufer 3, 4 wieder ein,
und der Läufer 4 gibt seine Ladung 2 CU- C Ulio an den isolierten
Pol 81)ei der Spannung U ab, während der Läufer 3 seine Ladung - CU + CU/io
der Erde mitteilt und von dieser eine Ladung +CU empfängt.
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Eine besonders einfache Ausführungsform der
elektrostatischen
Maschine nach der Erfindung ergibt sich, weine man alle flilfselektrizitätsquellen,
wie z. B. die Generatoren der Abb. 2 und 3 oder die Kondensatoren der Abb.d, durch
eine mit den beiden Läufern einen Schwingungskreis ergebende Induktionsspule oder
irgendein anderes gleichwertiges elektrisches Gebilde ersetzt. Diese Spule wird
sich in jedem Augenblick wie ein Generator verhalten, dessen elektromotorische Kraft
genau der angelegten Potentialdifferenz das Gleichgewicht hält.
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Abb. 5 zeigt diese einfache Verwirklichung des Grundgedankens der
Erfindung in einem Ausführungsbeispiel. Gemäß Abb. 5 sind die beiden Läufer einer
elektrostatischen Maschine von der Bauart der Abb. i an die zwei Enden der Induktionsspule
18 durch Vermittlung eines mechanischen Doppelschalters 1g, 20 anschließbar, dessen
Bewegung von der Drehung der Läuferachse XX' abgeleitet ist. Der Doppelschalter
ig, 20 kann auch durch irgendeine von der Drehbewegung der Maschine gesteuerte oder
von dem Potentialunterschied zwischen den Bürsten 12 und 13 abhängige Schaltvorrichtung
ersetzt werden.
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Die Maschine nach Abb.5 arbeitet wie folgt: Bei der in Abb.5 rechten
Endeinstellung des Doppelschalters 1g, 20 ist der Läufer 3 durch die Bürste 12,
den beweglichen Kontaktarm 2o und den Kontakt 23 mit dem isolierten Pol 8 der Maschine
in Verbindung, an den er seine Ladung unter dem Potential -i- U abgibt, während
der Läufer 4 über die Bürste 13, den beweglichen Kontaktarm i9 und den Kontakt 21
an Erde 7 liegt, von wo er eine positive Ladung empfängt.
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Wenn der Läufer 3 ganz aus dem Induktor i herausgedreht und der Läufer
4 vollständig den Schirm 16 verlassen hat, trifft der Kontaktarm i9 auf den Kontakt
22 und der Kontaktarm 2o auf den Kontakt 24. Die beiden Läufer 3, 4 werden dadurch
plötzlich an die zwei Enden der Spule 18 angeschlossen, mit der sie einen Schwingungskreis
bilden. Im ersten Augenblick ist der Strom Null. Nach und nach jedoch wird unter
der Wirkung des anfangs zwischen den Teilen 3 und 4 bestehenden Potentialunterschiedes
U ein stärker und stärker werdender Strom in der Spule 18 entstehen, bis die ganz
zwischen den Läufern 3 und 4 verfügbare elektrostatische potentielle Energie in
magnetische Energie im magnetischen Feld der Spule 18 umgewandelt ist.
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Am Ende einer Viertelperiode sind die Poten-Tale der Läufer 3 und
4 auf diese Weise ausgeglichen, aber da der Strom weiter in der Spule 18 auf Grund
ihrer Induktanz umläuft, wird das Potential des Läufers 4 positiv und das Potential
des Läufers 3 negativ werden. Wenn die Verluste der Spule 18 genügend klein sind,
wird der Strom aufhören, sobald (las Potential des Läufers .l gleich -;- U und das
Potential des Läufers 3 Null geworden ist. In diesem Zeitpunkt kommt der Kontaktarm
ig in Berührung mit dem Kontakt 23' und verbindet dadurch den Läufer .4 mit dem
isolierten Pol 8, während der Kontaktarm 2o auf den Kontakt 21' übergegangen ist,
an dem er den Läufer 3 mit der Erde 7 in Verbindung bringt. Bei der weiteren Drehbewegung
gibt daher der Läufer 4 seine Ladung an den isolierten Pol8ab,undderLäufer teilt
seine Ladung -GU der Erde 7 mit und empfängt von da eine Ladung -h CU.
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Bei der Ausführungsform der Erfindung nach Abb. 6 sind die beiden
Induktoren i und 16 einer mit beweglichen, der Influenz unterworfenen leitenden
Teilen ausgebildeten elektrostatischen Maschine, die auf das Potential - U und 2
U durch zwei Hilf selektrizitätsquellen 2 und 2' gebracht sind, an zwei Kondensatoren
25 und 26 angeschlossen, deren Kapazität hinreichend groß im Vergleich zur Höchstkapazität
zwischen Induktor und Läufer ist, damit das Potential der Induktoren 1,16während
der An-und Abschaltung der Läufer 3, 4 trotz der daraus sich ergebenden Änderung
der Ladung praktisch konstant bleibt. Die beiden Läufer 3, 4 sind an die beweglichen,
voneinander isolierten Bürsten 27 und 28 angeschlossen, deren Kontaktpunkte genau
entgegengesetzt zueinander liegen, d. h. um i8o' gegeneinander versetzt sind.
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Die Bürsten 27, 28 erfahren eine Drehbewegung mit den Läufern 3, 4
und schleifen auf feststehenden Kontaktsegmenten zur Ausführung der An- und Abschaltung
der Läufer und ihrer Verbindung mit den Polen der Maschine. Zwei Kontaktsegmente
29 und 3o, die sich je über einen Bogen von ungefähr 16o° erstrecken, sind an die
Erde 7 bzw. die isolierte Maschinenklemme 8 mit dem Potential U angeschlossen. Die
anderen sechs Kontaktsegmente 31 bis 36, die im Vergleich zu den Segmenten 29 und
3o verhältnismäßig schmal und durch isolierende Zwischenräume voneinander getrennt
sind, dienen für die Ausführung der An- und Abschaltung der Läufer 3, 4. Die Kontaktsegmente
31, 32 sind ebenso wie die Kontaktsegmente 33, 34 an die Klemmen eines Kondensators
37 angeschlossen, und die mittleren Kontaktsegmente 35 und 36 sind einfach miteinander
verbunden.
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Die Maschine nach Abb. 6 arbeitet wie folgt: Bei der in der Zeichnung
wiedergegebenen Stellung der Bürsten 27,28 auf den langen Kontaktsegmenten
29, 30 liefert der mit der Bürste 27 verbundene Läufer 3 seine Ladung nach dem isolierten
Pol 8 der Maschine, der sich auf dem Potential U befindet, und der an die Bürste
28 angeschlossene Läufer 4 erhält eine positive Ladung von der Erde 7. Bei der Weiterdrehung
der Welle XX' verlassen die Bürsten 27, 28 gleichzeitig die Segmente 29 und 30,
und in diesem Augenblick ist Leistung des Läufers 3 und die Ladung des Läufers q.
beendet, und der erstere weist nunmehr eine Ladung -CU und der letztere eine Ladung
+ CU auf.
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Bei Dauerbetrieb sind, wie sich nachweisen läßt, die Segmente 31 und
33 auf dem Potential U/4 und die Segmente 32 und 34 auf dem Potential 3 U/4. Wenn
die Bürste 27 in Berührung mit dem Segment 34 kommt und die Bürste 28 auf das Segment
31 trifft, wird der Läufer 3 auf das Potential 3 U/4 und der Läufer 4 auf das Potential
U/4 gebracht; denn die Kapazität des Kondensators 37 ist groß gegenüber
der
Höchstkapazität C zwischen Induktor und Läufer. Der Kondensator empfängt eine Elektrizitätsmenge
CU/4, die er dann wieder abgibt.
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Nunmehr kommt die Bürste 27 in Berührung mit dem Segment 36 und die
Bürste 28 mit dem Segment 35. Die Potentiale der beiden Läufer 3 und 4 gleichen
sich aus und werden beide gleich U/2. Zwischen den zwei Läufern findet, ein Ladungsaustausch
vom Werte CU/4 statt.
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Schließlich gelangt die Bürste 27 auf das Segment 33 und die Bürste
28 auf das Segment 32. Der Läufer 3 nimmt dadurch das Potential U/4 und der Läufer
4 das Potential 3 U/4 an, während der Kondensator 37 die empfangene Ladung CU/4
wieder abgibt.
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Damit sind die Einschaltvorgänge für die Läufer 3, 4 beendet, und
beim Läufer 3 ist die Ladung jetzt - 2 CU -h CU/4, und beim Läufer 4 hat
sie den Wert 2 CU - CUl4.
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Bei der weiteren Bewegung der Maschinenwelle XX' kommt die Bürste
27 mit dem Segment 30 und die Bürste 28 mit dem Segment 29 in Berührung.
Der Läufer 4 überträgt seine Ladung 2 CU - CU/4 auf den isolierten
Maschinenpol 8 und empfängt dann von ihm auf Grund der Influenzwirkung des Induktors
16 eine Ladung - CU. Der Läufer 3 hinwiederum gibt seine Ladung -2 CU -1-
CU/4 an die Erde 7 ab und erhält dann von dieser auf Grund der Influenzwirkung des
Induktors i eine Ladung +CU, worauf das Spiel der Arbeitsvorgänge von neuem beginnt.
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Abb.7 zeigt eine Weiterbildung der Maschine nach Abb. 6, die von besonderer
praktischer Bedeutung dadurch ist, daß alle Erregervorrichtungen infolge der erreichten
Selbsterregung der Maschine in Fortfall kommen und der höchste bei der Maschine
zu isolierende Potentialunterschied nicht das Doppelte oder das Dreifache der Entladespannung,
sondern dieser einfach gleich ist, was außerordentlich günstige Ausführungen, insbesondere
von Maschinen mit verhältnismäßig hoher Spannung, ermög-licht.
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Die elektrostatische Maschine nach Abb. 7 unterscheidet sich von der
in Abb.6 wiedergegebenen Ausführung hauptsächlich in den für die Induktoren vorgesehenen
Verbindungen. Statt auf ein besonderes Potential durch eine Hilfselektrizitätsquelle
gebracht zu sein, wie dies bei bisher vorgeschlagenen Maschinen von der Bauart Toepler
notwendig ist, wird gemäß Abb. 7 jeder Induktor einfach mit einem der Pole der Maschine
verbunden, die durch die Erde 7 und eine isolierte Klemme 8 mit dem Potential 2
U gegeben sind. Zwischen diese beiden Pole 7 und 8 ist ein Kondensator eingeschaltet,
dessen Kapazität genügend groß ist, daß der Potentialunterschied zwischen seinen
Klemmen sich nicht wesentlich während eines Zyklus der Schaltvorgänge ändert.
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Die Maschinen nach Abb. 6 und 7, die den gleichen Arbeitszyklus haben,
weichen in der Wirkungsweise dadurch voneinander ab, daß der isolierte Pol8, statt
auf dem Potential U, auf dem Potential 2 Uist und die Segmente 34
33 auf dem Potential U/2, die Segmente 35, 36 auf dem Potential U und die Segmente
32, 34 auf dem Potential 3 U/2 sich befinden, wie dies in Abb. 7 eingetragen ist.
Ferner ist der dauernd bestehende Potentialunterschied zwischen den Klemmen des
Kondensators 37 bei der Maschine nach Abb. 7 gleich dem `Wert (.' statt des bei
Abb. 6 erreichten Wertes L7/2.
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Wenn ein Läufer seine Entladewirkung beendet hat, d. h. vollständig
in den an den isolierten Pol 8 angeschlossenen Induktor i mit dem Potential 2 U
eingetreten ist, hat er eine Ladung Null, und er wird dann in drei Stufen auf das
Potential L'/2 gebracht und erhält eine Ladung -3/2-CU, die er an die Erde 7 abgibt.
Ebenso ist, wenn ein Läufer sich ganz in den Induktor 16 hineinbewegt hat, seine
Ladung gleich Null und sein Potential gleich dem Potential der Erde 7. In wiederum
drei Stufen wird er dann auf das Potential 3 U/2 und auf eine Ladung vom Wert +
3/2 CU gebracht, und diese Ladung überträgt er auf den isolierten Pol B.
Diese beiden sich auf den Induktor i bzw. den Induktor 16 beziehenden Arbeitsvorgänge
spielen sich gleichzeitig ab, und der Kondensator 37 nimmt dabei zuerst eine Ladung
CUl2 auf und gibt sie dann wieder ab.
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Die in den Abb. 2 bis 7 veranschaulichten Ausführungsbeispiele von
elektrostatischen Maschinen nach der Erfindung sind nur Erzeuger elektrischer Energie.
In gleicher Weise und mit gleichem Erfolg kann die Erfindung auch bei als Klotoren
wirksamen elektrostatischen Maschinen mit bewegten leitenden Teilen Anwendung finden.
Neben einer beträchtlichen Leistungssteigerung weisen erfindungsgemäß ausgebildete
elektrostatische Motoren auch den Vorzug auf, daß ihr Antriebsmoment bis auf die
sehr kurzen Augenblicke der Umschaltvorgänge konstant ist, und bei der Bauart nach
Abb. 7 ergibt sich der weitere wertvolle Vorteil, daß der elektrostatische Klotor
sein Höchstdrehmoment von der Anlegung der Spannung an gibt, ohne daß es notwendig
ist, irgendeine Erregermaschine in Gang zu setzen.