DE860650C - Elektrostatische Maschine - Google Patents

Elektrostatische Maschine

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DE860650C
DE860650C DEP41244A DEP0041244A DE860650C DE 860650 C DE860650 C DE 860650C DE P41244 A DEP41244 A DE P41244A DE P0041244 A DEP0041244 A DE P0041244A DE 860650 C DE860650 C DE 860650C
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rods
conductive
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electrostatic machine
movement
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DEP41244A
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Inventor
Felici Noeel
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06Influence generators
    • H02N1/08Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)

Description

  • Elektrostatische Maschine Bei elektrostatischen Maschinen. mit beweglichen, der Influenz unterliegenden, leitenden Elektrizitätsträgern und mit feststehenden influenzierenden Erregerpolen sind, wie die z. B. im schweizerischen Patent 266 975 niedergelegten Ergebnisse von Untersuchungen an diesen Maschinen gezeigt haben, die auf die beweglichen Elektrizitätsträger wirkenden nutzbaren elektrischen Kräfte proportional der Arbeitsfläche der aktiven Teile dieser beweglichen leitenden Elektrizitätsträger, der man daher vorteilhafterweise unter Berücksichtigung der anderen Merkmale der Maschine eine hinreichende Größe gibt.
  • Bei den bisher gebauten elektrostatischen Maschinen mit beweglichen leitenden Elektrizitätsträgern bestehen diese meistens aus flachen Körpern, die mit den festen Erregerpolen Kondensatoren bilden, die den bekannten ebenflächigen Kondensatoren ähnlich sind. Daher wird, selbst wenn man bei diesen beweglichen leitenden Elektrizitätsträgern eine genügend große Arbeitsfläche ihrer aktiven Teile zur bestmöglichen Ausnutzung der wirksamen elektrischen Kräfte vorsieht, diese Fläche doch im Verhältnis zur Gesamtfläche eines beweglichen Elektrizitätsträgers im allgemeinen klein bleiben. Auf diese ebenen Flächen eines flachen beweglichen leitenden Elektrizitätsträgers wirken nämlich nur nutzlose elektrische Kräfte, da sie senkrecht zu dessen Bewegung gerichtet sind, während die nützlichen Kräfte nur auf seinen Querschnitt wirken. Demnach wird die Oberfläche eines solchen beweglichen leitenden Elektrizitätsträgers in ihrer Gesamtheit schlecht ausgenutzt, weil die elektrischen Kräfte, die auf den größten Teil dieser Fläche wirken, bei der Bewegung des beweglichen Elektrizitätsträgers keine Arbeit liefern und also nicht an dem Vorgang der Energieumwandlung teilnehmen.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine elektrostatische, als Generator oder Motor verwendbare Maschine mit influenzierenden Erregerpolen und mit durch diese influenzierten, beweglichen leitenden und voneinander isolierten Elektrizitätsträgern so zu vervollkommnen, daß der größtmögliche Teil der Oberfläche der Elektrizitätsträger von nützlichen elektrischen Kräften beeinflußt wird und somit die Arbeitsfläche dieser Maschinenteile nicht mehr wie bisher viel kleiner als deren Gesamtoberfläche ist, sondern dieser nahekommt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung von länglichen leitenden und voneinander isolierten sowie quer zu ihrer Längsachse bewegten Stäben als Elektrizitätsträgern dadurch gelöst, daß die Stäbe senkrecht zu ihrer Längsachse je ein ringsum konvexes Querschnittsprofil aufweisen und dabei die Dicke jedes Stabes, gemessen zwischen zwei ihn berührenden und zu seiner Bewegungsrichtung parallelen Ebenen, bei beidseitiger Influenzierung der Stäbe gleich oder annähernd gleich dem doppelten Abstand zwischen einem Stab und dem ihn influenzierenden festen Erregerpol und gleich diesem Abstand bei nur einseitiger Influenzierung der Stäbe ist.
  • Wie sich praktisch gezeigt hat, wird es durch die in dieser Weise bestimmte Stabdicke in Verbindung mit dem über seinen ganzen Umfang kontinuierlich konvexen Stabquerschnitt möglich, auf die durch diese Stäbe gebildeten und senkrecht zu deren Längsachse bewegten leitenden Elektrizitätsträger die größtmöglichen elektrischen Kräfte zur Einwirkung zu bringen. Der ringsum konvexe Querschnitt der Stäbe kann dabei über die ganze Stablänge gleichbleibend sein oder sich vom einem zum anderen Stabende verändern und eine kreisrunde, elliptische oder eiförmige oder sonst eine durchweg konvex gebogene Umrißlinie aufweisen. Die den Ständer der Maschine bildenden feststehenden Erregerpole können vorteilhafterweise in einer den stabförmigen Elektrizitätsträgern des Läufers ähnlichen Formgebung ausgeführt sein.
  • Die Zeichnung veranschaulicht die elektrostatische Maschine nach der Erfindung beispielsweise in mehreren Ausführungsformen. Abb. i gibt schaubildlich einen käfigartig aus parallelen Stäben zusammengesetzten Läufer für eine elektrostatische Maschine und Abb.2 dessen Stirnansicht an der Bürstenseite wieder. Abb.3 ist eine schaubildliche Darstellung eines aus radial gerichteten Stäben gebildeten Läufers für eine aus Abb.4a und 4b in Stirnansicht und im Achsschnitt ersichtliche elektrostatische Maschine. Abb. g, 6 und 7 zeigen verschiedene Querschnittsformen für die stabförmige Ausführung der beweglichen Elektrizitätsträger oder der feststehenden Erregerpole.
  • Gemäß Abb. i besteht der Läufer einer elektrostatischen Maschine aus einer Anzahl von länglichen leitenden Stäben a von über ihre ganze Länge gleichbleibendem Querschnitt, die gleichmäßig über den Umfang eines Kreiszylinders mit Abständen verteilt und an zwei auf der Läuferwelle c sitzenden Isolierstoffscheiben b gehalten sind, so daß das Ganze eine Art von Käfig darstellt, bei dem die Stäbe a unter sich und zur Läuferwelle c parallel sind. Abb. 3 zeigt einen Läufer für eine elektrostatische Maschine, der aus leitenden Stäben m von längs ihrer Achse veränderlichem Querschnitt zusammengesetzt ist, die in einer oder mehreren, z. B. drei Reihen auf einem mit der Läuferwelle 2 verbundenen isolierenden Zylinderkörper k radial mit Abstand angeordnet sind. Der zur Stablängsachse senkrechte Querschnitt weist sowohl bei den Stäben a nach Abb. i als auch bei den Stäben m nach Abb. 3 eine fortlaufend konvexe Umrißlinie auf.
  • Die ,Stäbe;a nach Abb. i'undV'dieTStäbe m nach Abb. 3 bilden die leitenden beweglichen, der Influenz unterworfenen Elektrizitätsträger einer elektrostatischen Maschine, deren feststehende, influenzierende Erregerpole in Abb. i und 3 der Übersichtlichkeit der Darstellung halber nicht veranschaulicht sind. Diese Erregerpole können bei dem käfigartigen Läufer nach Abb. i nur auf einer Seite der Stäbe a vorgesehen werden und influenzieren diese daher nur einseitig, während bei dem dreireihigen Läufer gemäß Abb. 3 zu beiden Seiten einer jeden Stabreihe Erregerpole angeordnet sein können, so daß eine beidseitige Influenzierung der Stäbe m stattfindet.
  • Um die beste Wirkungsweise einer mit einem Läufer nach Abb. i oder nach Abb. 3 arbeitenden elektrostatischen Maschine zu erzielen, wird erfindungsgemäß das kontinuierlich konvex verlaufende Querschnittsprofil der zu influenzierenden Stäbe a bzw. m in ein bestimmtes Verhältnis zu dem diese von den influenzierenden festen Erregerpolen trennenden Zwischenraum gebracht. Wenn nämlich dieser Zwischenraum zu groß ist, wird das von der ganzen Maschine eingenommene Volumen schlecht ausgenutzt, und, ist er zu klein, so verändert sich das von den Erregerpolen erzeugte elektrische Feld, in welchem die leitenden Läuferstäbe sich bewegen, zu stark vom einen zum anderen Punkt des Querschnittsprofils eines Stabes, und infolgedessen werden, da sein Höchstwert durch die Durchschlagsfestigkeit des zwischen den leitenden Elektrizitätsträgern und den Erregerpolen vorgesehenen, strömungsfähigen Dielektrikums begrenzt ist, die elektrischen Kräfte und damit die Leistung vermindert.
  • Nach der Erfindung wird daher die Dicke jedes der im Querschnitt ringsum konvexen leitenden Stäbe, gemessen zwischen zwei zu seiner Bewegungsrichtung parallelen Tangentialebenen, bei dem einseitig influenzierten Läufer nach Abb. i praktisch gleich dem Abstand zwischen einem Stab und dem ihn influenzierenden Erregerpol und bei dem beidseitig influenzierten Läufer nach Abb. 3 gleich dem Doppelten dieses Abstandes gewählt. Der Zwischenraum zwischen zwei in der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgenden . leitenden Stäben hinwiederum wird vorteilhafterweise zwischen diesen zwei Abstandswerten, d. h. zwischen dem Ein- und dem Zweifachen des einen Stab von dem influenzieren,9en Erregerpol trennenden Abstandes angenommen. Vorteilhafte kontinuierlich konvexe Querschnittsumrißlinien für die als bewegliche Elektrizitätsträger einer elektrostatischen Maschine wirksamen leitenden Stäbe sind z. B. das Kreisprofil, das elliptische Profil mit zur Bewegungsrichtung parallel8r kleiner Achse und mit einem Achsenverhältnis zwischen 2 und i, das ovale Profil mit zur Bewegungsrichtung paralleler Symmetrieachse -und mit in dieser Richtung hintenliegendem, stark gekrümmten Scheitel, das elliptische Profil mit zur Bewegungsrichtung paralleler großer Achse und mit einem Achsenverhältnis zwischen i und 2.
  • Wenn das Profil (vgl. Abb.5) in Richtung der Bewegung abgeflacht ist, d. h. wenn die der Bewegungsrichtung parallele Achse die kleinste ist, ist es im allgemeinen vorteilhaft, ein der Ellipsenform sehr angenähertes Profil zu verwenden, dessen kleine Achse parallel zur Bewegungsrichtung liegt. Wenn das Profil (vgl. Abb.6) in der Bewegungsrichtung länglich ist, d. h. wenn die zur Bewegungsrichtung senkrechte Achse die kleinste ist, erweist es sich in der Regel als günstig, ein Ellipsenprofil zu verwenden, dessen große Achse x parallel und dessen kleine Achse y senkrecht zur Bewegungsrichtung liegt, das sich jedoch von der Ellipse dadurch unterscheidet, daß der Krümmungsradius nicht wie bei der Ellipse gleich y2/x im Scheitelpunkt der großen Achse ist, sondern einen größeren Wert, und zwar über 0,75 y, wenn x/y zwischen i und 2 liegt, und über o,65 y bei zwischen 2 und 3 liegendem x/y aufweist und beim Durchlaufen des Profils vom Scheitelpunkt der großen Achse an zuerst sehr langsam und dann schneller wächst, um schließlich im Scheitelpunkt der kleinen Achse einen Wert zu erreichen, der größer ist als der Ausdruck x2/y, der zur Ellipse mit den Achsen x und y gehört.
  • Wenn die Influenzierung der einzelnen als bewegliche Elektrizitätsträger wirkenden Stäbe unsymmetrisch, d. h. nur einseitig erfolgt, wie es beispielsweise bei dem käfigartig aus parallelen Stäben gebildeten Läufer nach Abb. i der Fall ist, wo nur auf der einen Seite der einzelnen Stäbe die sie influenzierenden feststehenden Erregerpole angeordnet werden können, wird es von Vorteil sein, Stäbe mit einem Querschnittsprofil zu verwenden, das zu einer der Bewegungsrichtung parallelen Ebene nicht symmetrisch ist und, z. B. nach Abb. 7, sich aus einem Halbkreis und einer länglichen Ellipsenhälfte zusammensetzt. Im allgemeinen hat sich ergeben, daß es zur bestmöglichen Ausnutzung der Erfindung zweckmäßig ist, Querschnittsprofile für die leitenden Elektrizitätsträgerstäbe zu verwenden, deren Achsenverhältnis nicht über drei liegt, wobei unter Achsen je tlie Hälfte des Abstandes zweier zur Bewegungsrichtung paralleler bzw. zu dieser Richtung senkrechter, in der Ebene des Profils liegender und dieses als Tangenten berührender Geraden zu verstehen ist.
  • Damit Stäbe von bestimmtem Profil als leitende bewegliche Elektrizitätsträger den größtmöglichen nützlichen elektrischen Kräften unterworfen werden können, empfiehlt es sich, ihnen eine elektrische Ladung von bestimmtem Wert zu geben und auf sie ein zur Bewegungsrichtung paralleles elektrisches Feld von geeigneter Stärke wirken zu lassen. Der Wert der Ladung und die Feldstärke können innerhalb bestimmter Grenzen um optimale Werte schwanken, die vom jeweils gewählten Profil abhängen. Diese Werte können in jedem Falle durch Untersuchung des elektrischen Feldes in der Nähe der Stäbe in üblicher Weise durch mathematische, graphische oder andere bekannte Mittel festgestellt werden, wobei natürlich zu berücksichtigen ist, daß das elektrische Feld nicht die Grenze überschreiten darf, die der Festigkeit des strömungsfähigen Dielektrikums entspricht, in welchem die Maschine arbeitet. Im allgemeinen bestimmt sich der optimale Wert des mittleren elektrischen Feldes parallel zur Bewegungsrichtung der Stäbe annähernd nach der Formel 0,5 Ein , worin Ein das maximal zulässige elektrische Feld in dem die Stäbe umgebenden, strömungsfähigen dielektrischen Medium, v die zur Bewegungsrichtung senkrechte Profilachse, z die zur Bewegung parallele Profilachse bezeichnen.
  • Die jedem Stab auf i cm seiner Länge zu gebende optimale Ladung liegt im allgemeinen in der Nähe des durch die Formel A # s - Ein - z bestimmten Wertes, in welcher e die Dielektrizitätskonstante des die Stäbe umgebenden strömungsfähigen dielektrischen Mediums und A ein Zahlenfaktor sind und alle Größen der Formel in mechanischen und elektrostatischen c-g-s-Einheiten ausgedrückt sind. Der Faktor A beträgt etwa o,25 für die annähernd kreisförmigen oder in der Bewegungsrichtung abgeflachten, d. h. eine kleine Achse parallel zur Bewegung aufweisenden Profile, während für die in der Bewegungsrichtung länglichen, d. h. mit ihrer großen Achse parallel zur Bewegung liegenden Stabprofile der Faktor A größer ist, und zwar um so mehr, je länglicher das Profil ist, so daß er nahezu o,3o für v/z = 2 und 0,50 für v/z = 3 wird, Bei Berücksichtigung dieser Angaben über das für die leitenden Läuferstäbe zu wählende Profil, das zur Bewegungsrichtung der Stäbe parallele mittlere elektrische Feld und die Ladung dieser Stäbe nimmt der Formfaktor der Stäbe höhere Werte über 0,50 an und kann o,9o überschreiten. Beispielsweise beträgt er 0,7o bis o,8o für nahezu kreisförmige Profile und o,95 für ein in der Bewegungsrichtung abgeflachtes elliptisches Profil -mit einem Achsenverhältnis von etwa i :6.
  • Man kann in begrenztem Maße von den angeführten Optimalwerten abweichen und z. B. die Ladung der Stäbe erhöhen, wenn gleichzeitig das zur Bewegungsrichtung parallele, mittlere elektrische Feld verkleinert wird, und umgekehrt kann man bei Verstärkung dieses Feldes eine Änderung der Optimalwerte im entgegengesetzten Sinn vornehmen.
  • Die Stärke des zur Bewegungsrichtung parallelen mittleren Feldes stellt, wie aus diesen Darlegungen hervorgeht, bei den erfindungsgemäß ausgebildeten elektrostatischen Maschinen einen beträchtlichen Bruchteil des maximalen Feldes Ein dar, der z. B. ein Viertel für die annähernd kreisförmigen Querschnittsprofile der leitenden Elektrizitätsträgerstäbe beträgt. Infolgedessen kann in diesen Maschinen der Potentialunterschied zwischen den Polen außerordentlich hoch sein, besonders wenn die Maschine in einem strömungsfähigen dielektrischen Medium von bedeutender Durchschlagsfestigkeit arbeitet. Wenn E". = Zoo kV je i cm Stablänge, d. h. ein leicht erzielbarer Wert ist, kann das zur Bewegungsrichtung der Läuferstäbe parallele mittlere Feld in der Nähe von 5o kV pro Zentimeter liegen. Das Potential eines Stabes schwankt also annähernd um 5o kV, wenn er sich um i cm bewegt, d. h. es kann, wenn der Stab 2o cm zurücklegen muß, um von einem zum anderen Pol der Maschine zu gelangen, der Potentialunterschied zwischen diesen Polen iooo kV betragen. Erfindungsgemäß lassen sich daher elektrostatische Maschinen mit besonders hohen Spannungen, z. B. von ioooo kV, bei einem Raumbedarf bauen, der viel geringer als bei den bisher bekannten elektrostatischen Maschinen ist, die in einem Medium von gleicher dielektrischer Durchschlagsfestigkeit arbeiten.
  • Um die Ladung der Stäbe herbeizuführen und das zu ihrer Bewegungsrichtung parallele elektrische Feld hervorzurufen, kann man in bekannter Weise z. B. die Stäbe an einem Punkt ihres Weges der Influenz einer auf ein Potential - V gebrachten, festen, leitenden, als Erregerpol wirksamen Elektrode unterwerfen, während sie mit Hilfe von Bürsten geerdet sind. Jeder Stab nimmt dann eine Ladung an, die praktisch gleich dem Wert C # V ist, in welchem C die Kapazität des Stabes- mit der influenzierenden Elektrode ist, wenn die Kapazitäten mit den Teilen der Maschine, deren Potential von F sehr verschieden ist, ziemlich klein sind. Man kann die Stäbe auch an einen Hilfsgenerator anschließen, der das Potential V liefert, während die influenzierende feste Elektrode geerdet ist.
  • Damit alle Stäbe soweit wie möglich nützlichen elektrischen Kräften unterworfen werden, ist es, wie bekannt, zweckmäßig, daß sie sich niemals leer zwischen den Polen der Maschine bewegen, sondern dauernd eine Ladung mit dem einen oder anderen Vorzeichen mit sich führen. Man kann zu diesem Zweck in bekannter Weise, wenn z. B. ein Pol der Maschine auf dem positiven Potential U liegt, die Stäbe, während sie mit diesem Pol z. B. durch Bürsten in Verbindung stehen, der Influenz einer festen, einen Erregerpol darstellenden Elektrode unterwerfen, die durch ein geeignetes Mittel auf ein über dem Wert U liegendes Potential U -1- V gebracht wurde, das durch Tnfluenz in den Stäben eine negative Ladung hervorruft, die sie bei ihrer weiteren Bewegung mit sich führen und einem anderen Pol zuführen. Man kann statt dessen bekanntlich auch mit einer festen Elektrode, die als Erregerpol die Stäbe möglichst weitgehend umgibt, eine Bürste verbinden, auf welche die Stäbe die von ihnen mitgeführte positive Ladung mit dem Potential U übertragen, während der so gelieferte. Strom I, ehe er an den Empfänger gelangt, einen Widerstand durchfließt, der einen Spannungsabfall V hervorruft und dessen Austrittsende sich auf dem Potential U-V befindet und an eine zweite Bürste angeschlossen ist. Wenn die Stäbe mit dieser Bürste in Kontakt kommen, sind sie noch unter der Influenzwirkung der festen Elektrode mit dem Potential U und empfangen durch diesen Erregerpol eine negative Ladung. Diese Anordnung gestattet den Verzicht auf einen Erregergenerator, der sonst unerläßlich ist, um den durch die feste Elektrode gebildeten Erregerpol auf ein Potential U + V zu bringen, das höher ist als das Potential U des Pols, aber sie bedingt eine Verlustleistung V # I, während die Leistung, die notwendig ist, um die feste Elektrode, d. h. den Erregerpol auf das Potential U + TI zu bringen, durch eine gute Isolierung vernachlässigbar klein gehalten werden kann.
  • Um das zur Bewegungsrichtung der Stäbe parallele mittlere elektrische Feld hervorzurufen, kann man bekanntlich als Erregerpole feste Leiter vorsehen, die auf zweckmäßig abgestufte Potentiale gebracht sind, deren Influenz die Stäbe im Laufe ihrer Bewegung unterworfen werden und deren Abstufung durch Verwendung von Potentiometern, Hilfsgeneratoren oder Hilfsbürsten erreicht werden kann. Im allgemeinen erweist es sich als vorteilhaft, für diese festen Leiter Stäbe zu verwenden, die den beweglichen .Stäben ähnlich oder sogar gleich sind.
  • Man kann ferner als feste Elektroden oder influenzierendeErregerpole mehr oder weniger dicke Schichten aus Stoffen von sehr geringer Leitfähigkeit vorsehen, deren Oberfläche bei Stromdurchgang ein regelmäßig veränderliches Potential nach der Art eines Potentiometers annimmt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, diesen Schichten, besonders wenn die Maschine in einem Medium von hoher dielektrischer Durchschlagsfestigkeit arbeiten soll, keine glatte, ebene oder zylindrische Oberfläche zu geben, wie es bisher üblich war, sondern sie erfindungsgemäß mit Nuten oder regelmäßig ausgehöhlten Auskehlungen zu versehen, deren Richtung annähernd senkrecht zur Bewegungsrichtung der beweglichen, als. leitende Elektrizitätsträger wirksamen Stäbe liegt. Diese Nuten oder Auskehlungen müssen ein zweckmäßig abgerundetes Profil mit einer Tiefe aufweisen, deren Größe der Länge der zur Bewegungsrichtung senkrechten Achse des Querschnittsprofils der Stäbe gleichkommt. Auf diese Weise wird es möglich, das Abgleiten der von den schwach leitfähigen Schichten getragenen Ladungen unter der Wirkung der auf die Schichten ausgeübten Kräfte zu verhindern, die bedeutend sind, da sie den auf die beweglichen Stäbe wirkenden Kräften infolge der Gleichheit von Wirkung und Gegenwirkung gleich sind. Wenn diese Vorsichtsmaßregel nicht beachtet wird, können sich auf den Schichten durch Abgleiten der auf ihnen vorhandenen statischen Ladungen leicht kriechende Entladungen ergeben. Beispiel i Ein gemäß Abb. i aus leitenden kreiszylindrischen Stäben a und zwei isolierenden Stirnscheiben b käfigartig um die Welle c aufgebauter, zu induzierender Läufer wird in der in Abb.2 schematisch wiedergegebenen Anordnung mit einem influenzierenden Ständer zu einer elektrostatischen, als Generator oder Motor verwendbaren Maschine vereinigt. Der Ständer besteht aus einem isolierenden Ring d, der auf seiner Innenfläche Nuten trägt, in denen feste leitende Rundstäbe e verlegt sind. Um die Ladung und Entladung der beweglichen Stäbe a zu bewirken, enthält der Ständer an einander gegenüberliegenden Stellen außerdem mindestens zwei breitere leitende Teile f und g, die als Haupterregerpole wirken. Zwischen die aufeinanderfolgenden festen Stäbe e sind Widerstände k eingeschaltet, die mit den Stäben e zwei von den breiteren Teilen f und g ausgehende leitende Ketten bilden, so daß das Potential sich an den als Hilfserregerpole wirksamen Stäben e fortschreitend entlang der Innenfläche des Isolierstoffringes d verändert. Die Dicke der beweglichen Stäbe a, gemessen zwischen zwei zur Bewegungsrichtung parallelen Tangentialebenen, d. h. der Durchmesser dieser Rundstäbe a, ist annähernd gleich dem Abstand zwischen einem Stab a und dem ihn influenzierenden Stab e, und den gleichen Durchmesser können auch die festen Rundstäbe e aufweisen. Der Abstand der festen und der beweglichen Stäbe untereinander kann demnach ungefähr gleich ihrem Durchmesser sein.
  • Der breitere leitende Teil f wird z. B. durch einen Hilfsgenerator oder sonstwie auf ein z. B. negatives Potential -V gebracht. Wenn die beweglichen Stäbe a an dem Teil f vorüberstreichen, werden sie mittels einer auf ihnen schleifenden Bürste i geerdet und nehmen eine positive Ladung Q an. Diese 'Ladung führen sie bei ihrer weiteren Bewegung mit sich, während infolge der Influenzwirkung der festen Stäbe e ihr Potential sich fortschreitend erhöht. Wenn sie vor dem breiteren leitenden Teil g ankommen, werden sie durch eine Bürste j mit dem Verbrauchsstromkreis in Verbindung gesetzt. Da der Teil g z. B. durch einen Hilfsgenerator auf ein Potential gebracht ist, das um den Wert V das Potential der Bürste j übersteigt, werden die Stäbe a nach ihrer Berührung mit der Bürste j eine Ladung mit sich führen, die annähernd gleich - Q ist, und das Potential dieser Ladung wird sich; während sich die Stäbe von dem Teil g entfernen und dem Teil f nähern, fortschreitend vermindern, bis die Ladung schließlich an die Bürste i abgegeben wird.
  • Mit einem Läufer von io cm Durchmesser mit 3o Stäben a von io cm Länge und 5 mm Durchmesser kann man in Luft bei atmosphärischem Druck einen Potentialunterschied von ioo kV zwischen den Bürsten i und j erzielen, während der gelieferte Strom bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen in der Minute 30 Mikroampere beträgt, was einer Leistung von 3 Watt entspricht. In Druckluft von 6 at erreicht die Spannung 500 kV und die Stromstärke 0,15 Milliampere bei gleicher Geschwindigkeit, so daß sich eine Leistung von 75 Watt ergibt. Beispiel 2 Ein nach Abb. 3 aus drei parallelen Reihen radial gerichteter leitender, zu influenzierender Stäbe m auf einem isolierenden zylindrischen Tragkörper k mit der Welle l gebildeter Läufer ist nach Abb. 4a und 4b zu einer elektrostatischen Maschine durch einen influenzierenden Ständer vervollständigt, der aus vier unter sich verstrebten und zueinander mit Abstand parallelen Ringscheiben P besteht, die zur Läuferwelle l senkrecht und konzentrisch sind und in deren Zwischenräumen je eine der drei parallelen Reihen radialer Stäbe m frei umläuft. Die leitenden Stäbe m, die in Abb. 4a zur Vereinfachung der Darstellung nur durch ihre Längsachsen angedeutet sind und deren Länge annähernd dem Radius des Isolierstoffzylinders k gleich ist, haben ein über die Länge veränderliches Querschnittsprofil, das an dem in dem Zylinderkörper k befestigten Stabende eine in Bewegungsrichtung abgeflachte Ellipse ist, bei der die kürzere Achse zur Bewegungsrichtung parallel verläuft und das Achsenverhältnis 1 :2, ist. Bewegt man sich auf dem Stab m zum freien Ende hin, so ändert sich die zur Bewegungsrichtung senkrechte Achse dieses Ellipsenprofils nicht; während die andere fortschreitend zunimmt, so daß sich das Profil abrundet und nach und nach kreisförmig wird und schließlich, gegen Ende des Stabes hin, sich in Richtung der Bewegung verlängert. Am freien Ende des Stabes m ist das Profil schließlich eine Ellipse, bei der die große Achse parallel zur Bewegungsrichtung und das Achsenverhältnis gleich 2 ist. Die axial hintereinanderstehenden Stäbe in den drei radialen Reihen sind durch leitende Stangen n verbunden, welche den Isolierstoffzylinderkörper k durchqueren und in Koritakiköpfen o an der einen Stirnseite des Zylinderkörpers k enden.
  • Die Ringscheiben, P sind aus schwach leitfähigem Werkstoff gefertigt und von in der Zeichnung nicht dargestellten radialen Auskehlungen oder Nuten durchzogen. Außerdem tragen sie je mindestens zwei flache Metallsegmente y und s, die dazu dienen, als Haupterregerpole durch Influenz die Ladung und Entladung der beweglichen leitenden Stäbe m hervorzurufen. Die Segmente y werden z. B. durch einen Hilfsgenerator auf ein z. B. negatives Potential - V gebracht, während die beweglichen Stäbe m durch eine Bürste t geerdet werden, wenn sie zwischen den Segmenten r durchlaufen, so daß sie. eine positive Ladung Q annehmen. Sie führen diese Ladung in ihrer Bewegung mit sich, und ihr Potential erhöht sich fortschreitend durch die Influenz der als Hilfserregerpole wirksamen, schwach leitfähigen festen Ringscheiben P. Wenn sie zwischen den Segmenten s durchgehen, werden sie durch eine Bürste u mit dem zu speisenden Verbraucherstromkreis in Verbindung gesetzt. Da die Segmente s auf ein Potential gebracht sind, welches das Potential der Bürste u um den Betrag V übersteigt, erhalten die Stäbe m eine Ladung, die annähernd gleich - Q ist, die sie mit sich führen und schließlich an die Bürste t abgeben. Die Dicke der beweglichen radialen Stäbe m, gemessen zwischen zwei zur Bewegungsrichtung parallelen Tangentialebenen, ist (vgl. Abb.4b) gleich dem doppelten Abstand eines Stabes von dem ihn influenzierenden Erregerpol; es findet hier eine beiderseitige Influenzierung der einzelnen Stäbe durch je ein Paar Ringscheiben p mit Metallsegmenten r, s als Erregerpolen statt.
  • Mit einem Läufer von 40 cm Durchmesser, der 9o Stäbe von io cm Länge trägt, deren zur Bewegungsrichtung senkrechte Querschnittsachse 6 mm lang ist, während die andere Achse sich ' von 5 bis 12 mm ändert, erzielt man in Luft unter atmosphärischem Druck einen Potentialunterschied von Zoo kV zwischen den Bürsten t und u, und der gelieferte Strom beträgt bei einer Drehzahl von 2ooo Umdrehungen in der Minute i2o Mikroampere, was etwa einer Leistung von 24 Watt entspricht. In verdichteter Luft von io at Druck ergibt sich ein Potentialunterschied von izoo kV zwischen den Bürsten t und u mit einem Strom von o,8 Miniampere, d. h. eine Leistung von 840 Watt.

Claims (15)

  1. PATENTANSPRÜCHE. i. Elektrostatische Maschine mit feststehenden influenzierenden Erregerpolen und mit durch diese influenzierten, beweglichen leitenden und voneinander isolierten Elektrizitätsträgern in der Form von länglichen Stäben mit zu ihrer Bewegungsrichtung senkrechter Längsachse, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes dieser mit ringsum konve4em Querschnittsprofil ausgeführten Stäbe (m oder a), gemessen zwischen zwei ihn berührenden und zu seiner Bewegungsrichtung parallelen Ebenen, gleich oder annähernd gleich dem doppelten Abstand zwischen einem Stab (m oder a) und dem ihn influenzierenden festen Erregerpol (ir, r, s oder e, f, g) bei beidseitiger Influenzierung (P, y, s) der Stäbe (m) und gleich diesem Abstand bei nur einseitiger Influenzierung (e, f, g) der Stäbe (a) ist.
  2. 2. Elektrostatische Maschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden beweglichen Stäbe (a) über ihre ganze Länge ein gleichbleibendes Querschnittsprofil aufweisen (Abb. i).
  3. 3. Elektrostatische Maschine nach Anspruch z, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsprofil der leitenden beweglichen Stäbe (m) .über deren Länge hin sich ändert (Abb. 3).
  4. 4. Elektrostatische Maschine nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsprofil der leitenden beweglichen Stäbe genau oder angenähert elliptisch oder oval oder kreisrund ist (Abb. 5, 6, 7).
  5. 5. Elektrostatische Maschine nach einem der Ansprüche i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsprofil der leitenden beweglichen Stäbe zu einer der Bewegungsrichtung parallelen Ebene symmetrisch oder unsymmetrisch ist (Abb. 5, 6, 7).
  6. 6. Elektrostatische Maschine nach einem der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden beweglichen Stäbe ein elliptisches oder ovales Querschnittsprofil mit einem Achsenverhältnis unter 3 aufweisen (Abb. 7).
  7. 7. Elektrostatische Maschine nach einem der Ansprüche i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die leitenden beweglichen Stäbe influenzierend wirkenden feststehenden Erregerpole ebenfalls durch leitende Stäbe (e) gebildet sind, die den beweglichen Stäben (a) ähnlich oder gleich sind (Abb. 2). B.
  8. Elektrostatische Maschine nach einem der Ansprüche i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenräumen zwischen mindestens zwei feststehenden Haupterregerpolen (f und g), die durch einen Hilfsgenerator oder sonstwie auf verschiedenen Potentialen gehalten werden, nahe der Bahn der beweglichen leitenden Stäbe (a) ebenfalls feststehende und auf diese Stäbe (a) influenzierend wirkende Hilfserregerpole (e) angeordnet sind und die beweglichen leitenden Stäbe (a) beim Vorbeigang an dem Haupterregerpol (f) mit dem niedrigeren Potential durch eine Bürste (i) geerdet und beim Vorbeigang am Haupterregerpol (g) mit dem höheren Potential über eine weitere Bürste (j) mit dem Verbraucherkreis verbunden werden (Abb. 2). g.
  9. Elektrostatische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfserregepole (e) miteinander und mit den Haupterregerpolen (f und g) durch Widerstände (h) in Reihe geschaltet sind, welche an den Hilfserregerpolen (e) und damit auch an den von diesen influenzierten beweglichen Stäben ein zwischen den Potentialen der Haupterregerpole (f und g) fortschreitend veränderliches Potential zur Folge haben (Abb. 2). io.
  10. Elektrostatische Maschine nach einem der Ansprüche 8 und g, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfserregerpole (e) aus länglichen leitenden Stäben bestehen, die den beweglichen leitenden Stäben (a) ähnlich oder gleich sind und wie diese quer zu deren Bewegungsrichtung stehen (Abb. 2). ii.
  11. Elektrostatische Maschine nach einem der Ansprüche 8 und g, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliehen leitenden Stäbe (a) in paralleler Anordrxttng mit Hilfe zweier Scheiben (b) zu einem käfigartigen Läufer mit zu ihrer Längsachse paralleler Welle (c) zusammengebaut sind und an dessen Umfang an einander gegenüberliegenden Stellen die Haupterregerpole (f und g) und zwischen diesen die stabförmigen Hilfserregerpole (e) feststehend nahe der Bewegungsbahn der Läuferstäbe (a) angeordnet sind (Abb. i und 2).
  12. 12. Elektrostatische Maschine nach einem der Ansprüche i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Berührung mit mindestens zwei feststehenden Haupterregerpolen (y und s), die durch einen Hilfsgenerator oder sonstwie auf verschiedenen Potentialen gehalten werden, eine von einem zum anderen dieser Pole sich erstreckende, als Hilfserregerpol wirksame Scheibe (p) aus schwach leitfähigem Werkstoff vorgesehen ist, die ein zwischen den Potentialen der Haupterregerpole (r und s) fortschreitend veränderliches Potential ergibt, während die beweglichen leitenden Stäbe (m) beim Vorbeigang an dem Haupterregerpol (y) mit dem niedrigeren Potential durch eine Bürste (t) geerdet und beim Vorbeigang an dem Iraupterregerpol (s) mit dem höheren Potential durch eine zweite Bürste (a) mit dem Verbrauchsstromkreis verbunden werden (Abb. 4a und 4b).
  13. 13. Elektrostatische Maschine nach Anspruch i2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (p) aus schwach leitfähigem Werkstoff mit zur Bewegungsrichtung der leitenden zu influenzierenden Stäbe (m) senkrechten Nuten versehen ist. .
  14. 14. Elektrostatische Maschine nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zu influenzierenden Stäbe (m) radial in einer oder mehreren Reihen auf einem isolierenden, mit einer Welle (l) versehenen Zylinderkörper (k) zu einem Läufer vereinigt sind und daß zu beiden Seiten jeder Reihe von radial gerichteten Stäben (m) je eine als Hilfserregerpol wirksame Ringscheibe (p) aus schwach leitfähigem Werkstoff und mindestens zwei an dieser gehaltene, als Haupterregerpole arbeitende Metallsegmente (r und s) feststehend angeordnet sind (Abb. 4a und 4b).
  15. 15. Elektrostatische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daB die radial gerichteten leitenden Stäbe (m) einen vom inneren zum äußeren Ende ihrer Längsachse sich vergrößernden Querschnitt aufweisen, bei dem die zur Bewegungsrichtung der Stäbe parallele Profilachse vom inneren nach dem äußeren Stabende zunimmt und die zu dieser senkrechte"' Profilachse gleichbleibt (Abb. 3, 4a und 4b). Angezogene Druckschriften Deutsche Patentschrift Nr. 567 642.
DEP41244A 1947-03-21 1949-04-30 Elektrostatische Maschine Expired DE860650C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1009711B (de) * 1953-09-12 1957-06-06 Licentia Gmbh Elektrostatische Maschine

Citations (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE567642C (de) * 1933-01-06 Walter Rogowski Dr Ing Elektrostatische Hochspannungsmaschine

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