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Elektrostatische Maschine Die Erfindung betrifft elektrostatische
Maschinen mit leitenden beweglichen, der Influenz unterworfenen Elektrizitätsträgern,
insbesondere elektrostatische Maschinen der Bauart T o e p l er.
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Bei diesen Maschinen sind als Erregerpole feste oder bewegliche Organe
wirksam, die beim Betrieb der Maschine auf ein bestimmtes Potential z. B. mit Hilfe
einer oder mehrerer äußerer Elektrizitätsquellen gebracht werden und mit den der
Influenz unterliegenden leitenden beweglichen Elektrizitätsträgern Kondensatoren
von veränderlicher Kapazität bilden, weshalb man diese Maschinen auch als Kondensatormaschinen
bezeichnen kann.
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Es ist bekannt, die Leistung von elektrostatischen Maschinen mit isolierten,
durch Influenz zu erregenden Elektrizitätsträgern, wie der Maschinen von Carre und
van de Graaf, dadurch zu erhöhen, daß ein Elektrizitätsträger nicht nur Elektrizität
mit einem bestimmten Vorzeichen einem elektrostatischen Sammler zuführt, sondern
ihm auch eine entsprechende Elektrizitätsmenge entgegengesetzten Vorzeichens entzieht
und dem anderen Pol der Maschine zuführt, was eine bedeutende Erhöhung der Stromstärke
und demnach der von der Maschine gelieferten Leistung zur Folge hat.
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Die Erfindung bezweckt, das gleiche vorteilhafte Ergebnis bei elektrostatischen
Maschinen der eingangs geschilderten und durch den Ausdruck Kondensatormaschinen
gekennzeichneten Art zu erzielen. Dieser Erfolg wird durch eine besondere Ausgestaltung
einer elektrostatischen Maschine erreicht, bei welcher leitende, durch Influenz
zu erregende bewegliehe
Elektrizitätsträger der Influenzwirkung
einer geraden Zahl von Erregerpolen unterworfen und j e mit einer Lamelle eines
Kollektors verbunden sind sowie mit diesem gleichfalls in .gerader Zahl vorgesehene
Bürsten zusammenarbeiten und von je zwei Bürsten die eine mit dem einen und die
andere mit dem anderen Pol der Maschine in leitender Verbindung steht.
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Die elektrostatische Maschine nach der Erfindung weicht von den bekannten
elektrostatischen Maschinen einmal dadurch ab, daß die Erregerpole hintereinander
mit einem im Vergleich zu ihrer Länge in der Bewegungsrichtung der zu influierenden
Elektrizitätsträger geringen gegenseitigen Abstand so angeordnet sind, daß jeder
Elektrizitätsträger bei seiner Bewegung, bevor er einen Erregerpol vollständig verlassen
hat, sich schon gegenüber dem nächsten Erregerpol befindet. Zum anderen besteht
der Unterschied, daß die insgesamt in gerader Zahl vorgesehenen Erregerpole unter
Zugrundelegung einer aufeinanderfolgenden Bezifferung in eine die geradzahlig und
in eine die ungeradzahlig bezifferten Erregerpole umfassende Gruppe unterteilt und
beim Betrieb der Maschine die Erregerpole- mit gerader Ordnungszahl auf ein Potential
- Y + 1V1 und die Erregerpole mit ungerader Ordnungszahl auf das Potential
2 U + M gegenüber Erde gebracht werden, wenn 2 U der während eines Arbeitszyklus
zwischen einem Elektrizitätsträger und einem Erregerpol bestehende maximale Potentialunterschied
und M ein konstantes Potential sowie Y eine Konstante meist von einem U gleichen
oder etwas höheren Wert ist. Das Potential U steht mit dem Potential V durch die
Gleichung kV + V = 2 U in Beziehung, in welcher k ein von der Streukapazität
und der rückständigen Kapazität abhängiger Faktor ist, der veränderlich und stets
etwas kleiner als i ist, aber praktisch gleich i angenommen wird und dann
V = U ergibt.
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Der Wert des Potentials M darf weder den Wert -E- U erreichen oder
überschreiten noch dem Wert - 2 U gleichkommen oder unter diesem liegen, damit nicht
die beiden Erregerpolgruppen auf Potentiale gleichen Vorzeichens gebracht werden
oder eine Erregerpol-, gruppe das Potential Null annimmt. Die Anwendung derartiger
Erregerpotentiale verhindert nämlich die Verwirklichung des dritten wesentlichen
Merkmals einer elektrostatischen Maschine nach der Erfindung, das darin besteht,
daß die Lamellen des Kollektors und die Bürsten so angeordnet sind, daß durch das
Zusammenwirken dieser Maschinenteile jeder bewegliche Elektrizitätsträger mit dem
einen Pol der Maschine von dem Augenblick ab; wo er gegenüber einem auf das Potential
- = Y M gebrachten Erregerpol mit gerader Ordnungszahl eine Teileinstellung um einen
zur Überführung seines Potentials auf einen Wert praktisch gleich `M hinreichenden
Betrag erreicht hat, bis zu dem Zeitpunkt, wo die Kapazität zwischen ihm und diesem
Erregerpol abzunehmen beginnt, in Verbindung gebracht wird, während sein Anschluß
an den anderen Maschinenpol von dem Augenblick ab, wo er mit -einem auf das Potential
2 U -j-- tW gebrachten Erregerpol mit, ungerader Orchiungszahl zu ein ei`;
Teildeckung um einen zur Einstellung seines -1'öter:ials- auf einen Wert praktisch
gleich 2 U - V -[- JVI genügenden Betrag gekommen ist, bis zu dem Zeitpunkt
des Beginns der Abnahme der zwischen ihm und diesem Erregerpol vorhandenen Kapazität
bewirkt wird.
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Aus den angegebenen Werten 2 U, M und V errechnen sich die Potentiale
El und E2 für die beiden Pole der Maschine zu EI =(2U+M)-2U=M E2
- (- V -[- 1V1) -f- 2 U,
und daraus ergibt sich die Betriebsspannung
zu E2-EI = 2 U-V.
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Die Zeichnung veranschaulicht beispielsweise zwei Ausführungen der
elektrostatischen Maschine nach der Erfindung in schaubildlicher Darstellung. Abb.
i zeigt eine erste Bauform mit vier Erregerpolen und zwei beweglichen, durch Influenz
zu erregenden Elektrizitätsträgern, und Abb. 2 gibt eine Maschine mit einer größeren
Zahl von Erregerpolen und Elektrizitätsträgern wieder.
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Die in Abb. i dargestellte Maschine umfaßt zwei Gruppen von Erregerpolen
i, i" und 2, 2a, von denen jede aus zwei parallelen, auf dem Maschinengestell 3
isoliert angebrachten Scheiben besteht, und zwei bewegliche, der Influenz unterworfene
Elektrizitätsträger q. und 5, die isoliert auf der Welle 6 befestigt sind. Die Scheiben
2 und 2a, die den üblichen scheibenförmigen Erregerpolen einer Maschine der Bauart
Toepler entsprechen, sind mit einer nicht dargestellten Elektrizitätsquelle verbunden,
die sie auf ein bestimmtes Potential, z. B. das Potential - U, gegenüber Erde zu
bringen vermag, so daß der maximale Potentialunterschied, der beim Betrieb der Maschine
zwischen einem Erregerpol und einem beweglichen Elektrizitätsträger vorhanden sein
kann, gleich U ist. Es ist somit der Sonderfall nach der allgemeinen Formel M =
o, Y = U verwirklicht.
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Die Erregerpolscheiben i und i", die bei einer Toepler-Maschine nicht
vorhanden sind und im Vergleich zu dieser Hilfsscheiben oder Hilfserregerpole darstellen,
sind ebenfalls mit einer Elektrizitätsquelle verbunden, die ihr Potential auf einen
bestimmten Wert bringen kann, der im vorliegenden Fall gleich 2 U ist.
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Auf die Welle 6 ist ferner eine Scheibe 7 aus Isolierstoff aufgekeilt,
die zwei leitende Segmente 8 und 9 trägt, welche je mit einem der beiden durch Influenz
zu -erregenden Elektrizitätsträger q und 5 in elektrischer Verbindung stehen und
mit den am Gestell 3 der Maschine isoliert angebrachten Bürsten io und ii zusammenwirken.
Die Bürste ii ist geerdet und die Bürste io an den isolierten Pol der Maschine angeschlossen.
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Die Maschine nach Abb. i arbeitet als Generator wie folgt: Die Welle
6 und mit ihr die der Influenz unterliegenden Elektrizitätsträger q und 5 und die
Isolierstoffscheibe 7 werden durch einen nicht dargestellten Motor entgegen dem
Uhrzeigersinn in Drehung versetzt. Sobald ein Elektrizitätsträger, z. B. der Elektrizitätsträger
q, zwischen die auf das Potential - U gebrachten Scheiben 2 und 2a eintritt,
welche die Haupterregerpole sind, wird er über
das mit ihm verbundene
Segment 8 und die in entsprechender `'Winkelbeziehung zu diesem angeordnete Bürste
ii an Erde gelegt und erhält nun eine Ladung - Q, die annähernd gleich dem
Produkt C - U ist, worin C die zwischen dem Elektrizitätsträger 4 und den
Erregerpolen 2, 2" vorhandene maximale Kapazität ist.
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Wenn der Elektrizitätsträger 4 aus den Scheiben 2 und 2" d. h. den
Haupterregerpolen herauszutreten beginnt, wird seine Verbindung mit Erde unterbrochen,
da die Länge des Segments 8 entsprechend berechnet ist, und sein Potential erfährt
eine Erhöhung, die durch sein Eindringen zwischen die als Hilfserregerpole wirksamen,
auf das Potential 2 U gebrachten Scheiben i, i" begünstigt wird. Wenn das Potential
des beweglichen, zu influierenden Elektrizitätsträgers 4 den Wert + LT erreicht,
kommt das Segment 8 in Kontakt mit der Bürste io, wodurch der Elektrizitätsträger
4 mit dem einen Pol der Maschine in Verbindung gesetzt wird, und diese Verbindung
dauert auf Grund der Längenbemessung des Segments 8 so lange, wie die Kapazität
zwischen diesem Elektrizitätsträger 4 und den Hilfserregerpolen i, i1 wächst. Da
der durch die Scheiben i, i" gebildete Hilfserreger auf dem Potential 2 L' ist,
weist der bewegliche Elektrizitätsträger 4 eine Elektrizitätsmenge gleich - Q auf,
wenn das Segment 8 die Bürste io verläßt. Die von diesem Elektrizitätsträger abgegebene
Elektrizitätsmenge ist also gleich 2 Q, während sie bei einer nach der üblichen
Bauart ausgeführten, keinen Hilfserreger besitzenden elektrostatischen Maschine
nur Q ist.
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Bei der weiteren Drehung der Welle 6 tritt der so mit einer Elektrizitätsmenge
gleich - Q geladene isolierte Elektrizitätsträger 4 von neuem zwischen die Scheiben
des immer auf dem Potential - U -
gehaltenen Haupterregers 2, 2,, und
sein Potential nimmt infolgedessen ab. Dann wird er wieder über das Segment 8 und
die Bürste ii geerdet und überträgt seine Ladung - Q an Erde, worauf er neuerdings
eine Ladung -;- Q empfängt, und der Kreislauf wiederholt sich. Der zweite bewegliche,
durch Influenz zu erregende Elektrizitätsträger 5 arbeitet in gleicher Weise wie
der Elektrizitätsträger 4 und sichert im Zusammenwirken mit diesem eine kontinuierliche
Leistung der Maschine.
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Um die Haupterregerpole 2, zd und die Hilfserregerpole i, i,L
auf die Potentiale - U und 2 L' zu bringen, kann man jedes an sich hierfür bekannte
Mittel anwenden. Beispielsweise kann man zu diesem Zweck zwei Hilfsgeneratoren benutzen,
die beide elektrostatische Kondensatormaschinen schwacher Leistung sein können.
Die eine dieser Maschinen muß dann einen Potentialunterschied - U gegenüber Erde
ergeben, während. die andere entweder unmittelbar das Potential -2 U oder nur eine
Potentialdifferenz U liefern kann, die zusammen mit dem von der anderen Maschine
aufgebrachten Potential U das erforderliche Potential 2 U ergibt.
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Man kann, anstatt an die Erregerpole die Potentiale - U bzw.
2 U zu legen, ihnen auch Potentiale zuführen, die sich von diesen Potentialen
- U und 2 U durch Addition eines gleichen konstanten Wertes JI unterscheiden: Wenn
diese Konstante -- U ist, so besitzt die Maschine einen negativen Pol mit dem Potential
- U und einen geerdeten Pol. Ist diese Konstante
so sind die Pole der Maschine auf den symmetrischen Potentialen
und
Wenn die Konstante beliebig ist, sind die Pole auf unsymmetrischen, im absoluten
Wert verschiedenen Potentialen.
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Die in Abb.2 dargestellte Maschine weist acht Erregersysteme ia bis
ig auf, von denen jedes aus drei leitenden parallelen Scheiben besteht, die unter
sich elektrisch verbunden und auf dem Maschinengestell isoliert angebracht sind.
Dadurch, daß ihre elektrische Verbindung paarweise durchgeführt ist, sind sie in
zwei Gruppen unterteilt, von denen die eine die geradzahlig bezifferten, die Haupterregung
bewirkenden Systeme 12, 14, 16, 18 und die andere die ungeradzahlig bezifferten,
als Hilfserreger dienenden Systeme 13, 15, 17, ig umfaßt.
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Die beweglichen, der Influenz unterworfenen Elektrizitätsträger sind
durch acht Scheibenpaare 2o bis 27 gebildet, und die Scheiben jedes Paares sind
elektrisch mit einer ihnen beiden gemeinsamen Lamelle verbunden, die auf einem auf
die Maschinenwelle aufgekeilten Isolierstoffzylinder 28 sitzt. Jede dieser acht
Lamellen 3o bis 37 deckt auf dem Zylinder 28 einen Kreisbogen, der dem Öffnungswinkel
des entsprechenden Elektrizitätsträgers gleich ist. Auch die Elektrizitätsträger
2o bis 27 sind wie die Erregersysteme 12 bis ig durch paarweise durchgeführte elektrische
Verbindungen in zwei Gruppen unterteilt, von denen die eine die Elektrizitätsträger
20, 22, 24 und 26 und die andere die Elektrizitätsträger 21, 23, 25 und 27 umfaßt.
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Die Lamellen 3o bis 37 arbeiten mit zwei Bürsten 38 und
39 zusammen, von denen die Bürste 38 geerdet und die Bürste 39 an
den anderen Pol der Maschine angeschlossen ist. Diese Bürsten sind so angeordnet,
daß die Elektrizitätsträger einer und derselben Gruppe, z. B. der Gruppe der geradzahlig
bezifferten Scheibenpaare ao, 22, 24 und 26, wenn sie zwischen die Scheiben
der gerädzahlig bezifferten Haupterregersysteme 12, 14, 16, 18 eintreten, je durch
eine der entsprechenden Lamellen 30, 32, 34 und 36 mit der Bürste 38 in Verbindung
gesetzt werden und die Bürste 39
mit einer der den ungeradzahlig bezifferten
Elektrizitätsträgern 21, 23, 25 und 27 zugeordneten Lamellen 31, 33, 35, 37 in Berührung
kommt, kurz nachdem diese Elektrizitätsträger in die ungeradzahlig bezifferten Hilfserregersysteme
13, 15, 17, ig eingedrungen sind.
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Die elektrostatische Maschine nach Abb. 2 arbeitet in der gleichen
Weise wie die in Abb. i dargestellte Maschine. Damit 2 U der maximale Potentialunterschied
zwischen einem Elektrizitätsträger und einem Erregersystem ist, wird das Haupterregersystem
12, 14, 16, 18 auf das Potential - U und das Hilfserregersystem 13, 15, 17, ig auf
das Potential 2 U gebracht. Die vier zu influierenden Elektrizitätsträger, die gleichzeitig
zwischen die Scheiben der Haupterregrsysteme 12, 14, 16, 18 eindringen, z. B. die
Scheibenpaare
2ö, 22, 24, 26., werden mit Erde in Verbindung gesetzt
und besitzen nach vollständigem Eindringen eine Ladung -i-- Q, die annähernd gleich
dem Produkt C - U ist, worin C die von den vier Haupterregersystemen 12,
14, 16, 18 und den vier Elektrizitätsträgern 20, 22, 24, 26 gebildete maximale Kapazität
ist. Wenn diese gleichen Elektrizitätsträger bei ihrer weiteren Drehung zwischen
die Scheiben der auf Potential 2 U gebrachten Hilfserregersysteme 13, 15, 17, ig
einzutreten beginnen, so wird ihre Verbindung mit Erde unterbrochen, und ihr Potential
erhöht sich. Wenn dieses Potential den Wert U erreicht, werden sie mit dem isolierten
Maschinenpol über die Bürste39 verbunden, deren Stellung dementsprechend am Zylinder
28 festgesetzt ist, und diese Verbindung bleibt so lange aufrechterhalten, als die
Kapazität zwischen den Elektrizitätsträgern 2o, 22, 26, 28 und den Hilfserregersystemen
wächst. Diese Elektrizitätsträger besitzen also schließlich eine Ladung praktisch
gleich - Q und haben eine Elektrizitätsmenge 2 Q
abgegeben. Führt man
die gleichen vier Elektrizitätsträger von neuem in die Haupterregersysteme 12, 14,
16, 18 ein, so wird ihre Verbindung mit dem isolierten Maschinenpol unterbrochen,
ihr Potential verringert sich, und sie werden wieder über die Bürste 38 geerdet,
und der Kreislauf beginnt von neuem.
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Man kann die in Abb. 2 wiedergegebene Maschine auch mit denselben
abgeänderten Potentialen arbeiten lassen, wie sie als weitere Betriebsmöglichkeiten
für die in Abb. z dargestellte Maschine angegeben sind.
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Die Zahl der zu influierenden Elektrizitätsträger kann auch verschieden
von der Zahl der Erregersysteme, z. B. größer als diese sein, und die in Aufeinanderfolge
mit geringem gegenseitigen Abstand angeordneten Erregersysteme brauchen in ihrer
Gesamtheit nicht unbedingt den ganzen Umfang der Maschine einzunehmen, so daß die
beweglichen Elektrizitätsträger sowohl in gerader wie auch in ungerader Zahl vorgesehen
sein können. Ferner kann man die Elektrizitätsträger und die Erregerpole auch mit
anderen wie ebenen Oberflächen, z. B. mit nach Teilen von Zylindern, Kegeln oder
sonstigen Rotationskörpern geformten Flächen ausführen.
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Die Erfindung ist auch nicht nur bei elektrostatischen Generatoren
mit beweglichen, leitenden, zu influierenden Elektrizitätsträgern, sondern auch
bei allen mit derartigen Elektrizitätsträgern versehenen elektrostatischen Motoren
verwendbar und ermöglicht bei diesen eine beträchtliche Erhöhung der motorischen
Leistung ohne Änderung der Geschwindigkeit. Beispielsweise kann man die in Abb.
i veranschaulichte Maschine dadurch als Motor laufen lassen, daß man die Erregerpole
2, 9" und i, i" wie beim Generatorbetrieb auf die Potentiale - U und
2 U bringt und die isolierte Bürste io mit Hilfe einer eine Potentialdifferenz
U gegenüber Erde liefernden Spannungsquelle speist. Die Maschine arbeitet dann als
Motor mit zur Generatordrehrichtung entgegengesetztem Umlaufsinn. Das Vorhandensein
der auf das Potential 2 U gebrachten Hilfserregerpole i, i" hat dabei die Wirkung,
daß die beiden beweglichen Elektrizitätsträger 4, 5 gleichzeitig den nämlichen elektrostatischen
Kräften unterworfen sind und so das Drehmoment verdoppelt wird. Der aufgenommene
Strom wird naturgemäß ebenfalls verdoppelt, da jeder bewegliche Elektrizitätsträger,
wenn er an die Spannungsquelle mit dem Potential -j- U angeschlossen wird, eine
dem Wert - CU ungefähr gleiche Ladung statt der bei normaler Arbeitsweise
etwa Null betragenden Ladung aufweist. Wenn die Verbindung mit der Spannungsquelle
unterbrochen wird, nimmt der Elektrizitätsträger eine Ladung + CU mit sich, indem
die Spannungsquelle 2 CU statt CU geliefert hat.
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Alle anläßlich der Beschreibung der Abb. i und 2 für elektrostatische
Generatoren erwähnten Ausführungs- und Anwendungsarten, wie z. B. hinsichtlich der
Werte der Potentiale oder der Zahl der zu influierenden Elektrizitätsträger und
der Erregerpole, gelten sinngemäß auch für elektrostatische Motoren.
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Zur genaueren Erläuterung der Erfindung im einzelnen seien zwei praktische
Ausführungsbeispiele einer ähnlich der Abb. 2 erfindungsgemäß ausgebildeten Kondensatormaschine
gegeben, von denen das eine einen Generator und das andere einen Motor betrifft.
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Beispiel x Man geht von einer zweckentsprechend gebauten Toepler-Maschine
aus, die aus vier Erregersystemen, von denen jedes durch eine Gruppe von sechs sektorförmigen,
zueinander parallelen Scheiben mit einem Öffnungswinkel von etwa 45° gebildet ist,
und aus acht zu influierenden beweglichen Elektrizitätsträgern besteht, von denen
jeder fünf sektorförmige parallele Scheiben umfaßt. Der äußere Durchmesser der Gesamtheit
der Scheiben beträgt 34 cm, und in Druckluft von 3o atm liefert die Maschine als
Generator bei 1400 Umdrehungen in der Minute 4,5 m A und 52 kV, d. h. 235 W. Diese
elektrostatische Maschine wird erf ndungsgemäß durch Einbau von vier Hilfserregersystemen
mit einem Potential von 12o kV ergänzt und dadurch die Stromstärke bei gleicher
Spannung von 52 kV und bei gleicher Drehzahl auf 1o,2 mA und somit die elektrische
Leistung auf 530 W gebracht.
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Diese über eine Verdoppelung hinausgehende Leistungssteigerung ist
vor allem darauf zurückzuführen, daß die schädliche Wirkung der Streukapazitäten,
wie z. B. der Kapazitäten zwischen den beweglichen Elektrizitätsträgern und der
Erde, durch die Hinzufügung der Hilfserregersysteme vermindert ist. Da bei diesem
erfindungsgemäß vervollkommneten elektrostatischen Generator die Betriebsspannung
52 kV und der Wert 2 U gleich 12o kV ist, so wird für M = o das Potential V = (12o
- 52) kV = 68 kV. Beispiel 2 Eine zweckentsprechend gebaute elektrostatische Maschine
der Gattung Toepler mit vier Erregersystemen und acht beweglichen, zu influierenden
Elektrizitätsträgern nimmt beim Arbeiten als Motor in Druckluft von 3o atm bei einer
Drehzahl von i3oo Umdrehungen in der Minute einen Strom von 4,4 mA bei 50 kV, d.
h. 22o W auf. Da durch Reibung in der Luft 95 W und durch feste Reibung 15
W verbraucht werden, beträgt die nutzbare Motor-
Leistung (22o -
iio) W = iio W, und der elektrische Wirkungsgrad ist praktisch gleich ioo °/o und
der Gesamtwirkungsgrad rund 5o °/a. Dieser elektrostatische Motor wird gemäß der
Erfindung durch vier Hilfserregersysteme mit einem Potential von i2o kV ergänzt
und ergibt nun bei gleicher Spannung und gleicher Drehzahl mit einer Stromaufnahme
von io mA, d. h. mit einem elektrischen Leistungsverbrauch von 500 W eine
motorische Nutzleistung von (500 -11o) W = 390 W, d. h. eine mehr als verdreifachte
Antriebsleistung, weil als leistungsmindernd wiederum nur die durch Reibung verursachten,
konstant bleibenden Verluste von iio W in Betracht kommen. Da bei diesem elektrostatischen
Motor die Betriebsspannung 5o kV und die Potentialgröße 2 U = i2o kV ist, ergibt
sich für M = o ein Potential Y von 7o kV.