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Elektrostatische Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrostatische
Maschine mit einem oder mehreren aus einem starren Isolierstoff bestehenden Elektrizitätsträgern,
bei der senkrecht zu deren Bewegungsrichtung parallel zu deren beiden Seitenflächen
auf der einen Seite sich über diese im wesentlichen erstreckende längliche Polstücke
paarweise zur Bildung mindestens zweier Erregerpole und auf der anderen Seite entsprechend
paarweise längliche, dünne Ionisierungselektroden in jeweils gleicher gegenseitiger
Winkelversetzung und möglichst geringem Abstand zu der betreffenden Trägerseitenfläche
angeordnet sind, wobei jeweils ein Erregerpol an die eine Klemme einer Erregerspannungsquelle,
der andere an die isolierte Maschinenklemme und zwischen dieser und der anderen
Klemme der Erregerspannungsquelle die Ionisierungselektroden geschaltet sind und
wobei der Raum zwischen Elektrizitätsträger und Ionisierungselektroden mit einem
Gas, auch Stickstoff, unter Druck gefüllt ist.
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Bisher bekannte und auch ausgeführte derartige elektrostatische Maschinen
haben insgesamt wegen ihrer geringen Leistungsfähigkeit und ihres mittelmäßigen
Wirkungsgrades keinen Eingang in die Praxis finden können. Dies trifft auch zu für
elektrostatische Maschinen mit unter Druck stehender Gasfüllung wie Luft, die für
die Erzielung eines geringen Spannungsabfalles an den Ionisierelektroden, der mit
einem hohen Wirkungsgrad der elektrostatischen Generatoren verträglich ist, vollkommen
ungeeignet ist und insbesondere bei Verwendung von Freon unter Wirkung der elektrischen
Entladung (Corona-Effekt) an der Stelle- der Ionisierelektroden Zersetzungsprodukte
ergibt, die durch ihren Angriff auf die Maschinenteile die Lebensdauer der Generatoren
stark verkürzen.
Freon als Füllgas erzeugt darüber hinaus durch
Reibung beträchtliche Verluste, die nicht nur den Wirkungsgrad der elektrostatischen
Generatoren herabsetzen, sondern auch derart groß werden können, daß sie eine gefährliche
Erhitzung des Isolierstoff-Elektrizitätsträgers hervorrufen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrostatische Maschine
der eingangs genannten Art so zu vervollkommnen, daß die Leistung je Oberflächeneinheit
gesteigert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß parallel
zum Elektrizitätsträger ein die Erregerpolstücke überbrückender flächiger Körper
aus einem schwachleitenden Werkstoff angeordnet und als Druckgas Wasserstoff oder
Stickstoff verwendet wird, der so weit frei von elektrisch-negativen Verunreingungen
ist, daß die Ionenbeweglichkeit des reinen Gases nicht beeinträchtigt ist.
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Die Verwendung von Wasserstoff und Stickstoff unter hohem Druck in
elektrostatischen Maschinen und ein die Erregerpolstücke überbrückender flächiger
Körper mit hohem spezifischem elektrischem Widerstand wie ein Schwachleiter sind
an sich jeweils einzeln bekannt. Jedoch läßt sich weder mit der erstgenannten noch
mit der zweitgenannten Maßnahme allein eine große spezifische Leistung eines elektrostatischen
Generators erreichen, da im ersteren Fall zwar erhebliche Ladungen dem Elektrizitätsträger
zugeführt, aber bei ihrer Weiterbeföderung neutralisiert werden und im zweiten Fall
überhaupt nur schwache Ladungen erzielbar sind. Durch die hier vorgeschlagene gleichzeitige
Verwendung eines kontinuierlichen, schwachleitenden Ständers und eines eine große
dielektrischeDurchschlagsfestigkeit und (infolge eines höchstens geringen Gehaltes
an elektrisch-negativen Verunreinigungen) eine hohe Ionenbeweglichkeit aufweisenden
Gases gelingt es erfindungsgemäß überraschenderweise, einerseits eine große oberflächliche
Ladeschicht zu erzielen und andererseits sie auch beim Umlauf des Elektrizitätsträgers
zu bewahren. Dies wird dadurch möglich, daß das Vorhandensein des kontinuierlichen
schwachleitenden Ständers, dessen Potential linear sich zwischen den Erregerpolen
ändert und welcher somit ein schwaches tangentiales Feld aufweist, das Auftreten
eines tangentialen Feldes von gleichem Wert am Läufer gewährleistet. Dieses Tangentialfeld
erreicht nicht mehr als ein Zehntel oder weniger des maximal zwischen Induktor und
Elektrizitätsträger zulässigen Feldes, dem praktisch das resultierende Feld entspricht.
Es gibt daher keine die Ladungen neutralisierende Ionisation zwischen Ständer und
Läufer, sondern es wird eine große spezifische Generatorleistung gerade durch die
Kombinationswirkung eines kontinuierlichen schwachleitenden Ständers und eines dielektrisch
hoch durchschlagsfesten Gases mit großer Ionenbeweglichkeit erreicht. Die die hier
vorgeschlagene elektrostatische Maschine kennzeichnenden Maßnahmen, die also für
sich jeweils bekannt sind und für die nur in Kombination hier Schutz beansprucht
wird, bieten demgemäß durch ihr Zusammenwirken die bisher nicht erreichte Möglichkeit,
eine große oberflächliche Ladedichte (verhältnismäßig große dielektrische Durchschlagsfestigkeit
bei gleichförmigem Feld- und geringem Spannungsabfall an den Ionisierelektroden),
eine hohe Lieferspannung (dielektrische Durchschlagsfestigkeit bei beträchtlichem
großem Abstand), einen starken Strom (große oberflächliche Ladedichte und große
Geschwindigkeit wegen geringer spezifischer Masse) und eine lange Betriebsdauer
der Maschine (praktisch keine Angriffsfähigkeit des dielektrischen Mediums) zu verwirklichen.
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In Weiterbildung der Erfindung kann der die Erregerpolstücke überbrückende
flächige hochohmige Widerstandskörper in Form einer Deckschicht auf einem zusammenhängenden
Isolierkörper aufgebracht sein. Der die Deckschicht enthaltende Isolierkörper dient
vorzugsweise hierbei als gemeinsamer Träger für die Erregerpolstücke, die von der
Schicht unmittelbar bedeckt sind. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind die Ionisierungselektroden durch eine oder mehrere dünne Metallamellen
gebildet, die gegenüber derjenigen Seitenfläche des Elektrizitätsträgers angeordnet
sind, mit welcher sie zusammenarbeiten.
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Wenn die Maschine für die Lieferung einer hohen Spannung gebaut wird,
muß der Werkstotff, aus welchem der oder die Elektrizitätsträger bestehen, imstande
sein, ohne Schaden eine möglichst große elektrische Induktion auszuhalten, welche
das Produkt aus dem spezifischen Induktionsvermögen und der Stärke des elektrischen
Feldes darstellt. Das spezifische Induktionsvermögen dieses Werkstoffes, welcher
z. B. keramischer Natur oder ein Kunstharz sein kann, muß vorteilhafterweise vierbis
zehnmal größer als das Induktionsvermögen des in dem Raum zwischen Elektrizitätsträger
und Erregerpol befindlichen strömungsfähigen Dielektrikums sein.
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Die Zeichnung veranschaulicht beispielsweise zwei Ausführungsformen
der elektrostatischen Maschine nach der Erfindung.
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Abb. i ist ein Längsschnitt nach der Geraden 1-I der Abb. 2 und Abb.
2 ein Querschnitt nach der Geraden II-II in Abb. i, während Abb. 3 schematisch den
Vorgang der Abgabe, der Übertragung und der der Abführung der elektrischen Ladungen
bei der Maschine nach Abb. i und 2 zeigt; Abb. q. gibt die Schaltanordnung der Maschine
nach Abb. i und 2 wieder.
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Eine zweite Bauart der Maschine nach der Erfindung ist in Abb. 5 und
6 wiedergegeben. Abb. 5 ist ein Längsschnitt nach der Geraden der Abb. 6 und diese
ein Querschnitt nach der Geraden VI-VI in Abb. 5.
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Die gemäß Abb. i und 2 in zylindrischer Bauart ausgeführte elektrostatische
Maschine ist von einem dichten zylindrischen Gehäuse i umschlossen, das für einen
Innendruck von mehreren dutzend Atmosphären berechnet und mit reinem Wasserstoff
unter
einem Druck von 15 kg/cm2 gefüllt ist. Zum Zwecke der vereinfachten Darstellung
ist nur der die wichtigsten Teile der Maschine umhüllende Abschnitt des Gehäuses
i wiedergegeben. An dem einen nicht dargestellten Ende dieses Gehäuses i ist mit
Hilfe von Isolatoren 2 ein metallischer Träger 3 in Schalenform befestigt, der in
einen zylindrischen Ansatz 4 übergeht, auf welchen eine isolierende Scheibe 5 mittels
eines von ihr abstehenden zylindrischen Flansches aufgepaßt ist. Auf einen ausgefrästen
Teil 6 dieser Scheibe 5 ist ein röhrenförmiger zylindrischer Körper 7 aus Isolierstoff
aufgeschoben, an dessen Innenfläche vier Längsnuten 8 ausgespart sind, welche paarweise
an den Enden zweier senkrecht zueinander stehender Durchmesser vorgesehen sind.
In zwei einander gegenüberliegenden Nuten 8 sind zwei längliche Metallstücke 9 angeordnet,
welche die induzierenden Erregerpole bilden, während zwei ihnen ähnliche Metallstücke
io, die als elektrostatische Schirme wirksam sind, in die beiden anderen Nuten 8
eingesetzt sind, die sich an den Enden des zum Verbindungsdurchmesser der ersteren
zwei Nuten 8 senkrechten Durchmessers befinden.
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Im Inneren des rohrförmigen Zylinders 7 und in Berührung mit den Erregerpolen
9 und den Schirmen io ist eine zylindrische Muffe ii eingeschoben, die aus einem
Werkstoff von hohem elektrischem Widerstand etwa in der Größenordnung von iolo und
soll Ohm, z. B. aus einem Kunstharz oder einem Glas oder einer keramischen Masse
oder sonst einem Halbleiter besteht.
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Ein zweiter zylindrischer Hohlkörper 12 ist Mittels einer ringförmigen
Verlängerung 13, die mit einer bearbeiteten Außenfläche in eine entsprechende Innenfläche
des einen Endes des Zylinders 7 eingepaßt ist, mit diesem gleichachsig verbunden
und weist an seiner Außenfläche vier Längsnuten 1.4 auf, die wie die Nuten 8 des
Zylinders i je um 9o° gegeneinander versetzt sind. In zwei an Durchmesserenden einander
gegenüberliegenden Nuten 14 sind an deren Boden zwei Lamellen 15 eingebettet, die
bei der aus Abb. 2 ersichtlichen gegenseitigen Lage des Hohlkörpers 12 und des Zylinders
7 vor den Erregerpolen 9 stehen, und in den Boden der beiden anderen Nuten 14 sind
zwei Lamellen 16 eingefügt, die sich vor den Schirmen io befinden, wenn die Lamellen
15 sich vor die Erregerpole 9 eingestellt haben. An den beiden Enden der Nuten 14
sind je zwei elastische Spanner 17 eingebaut, welche über den beiden Lamellen 15
je zwei als Ionisatoren wirksame Metalldrähte IS und über den beiden Lamellen 16
je zwei Metalldrähte oder Ionisatoren i9 praktisch in einer der Zylinderumfläche
des Hohlkörpers 12 gleichkommenden Höhe parallel zur Maschinenachse straff halten.
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In dem Raum zwischen der Muffe i i und dem Hohlzylinder 12 ist ein
glockenförmig ausgebildeter Zylinderkörper 2o angeordnet, welcher den Elektrizitätsträger
darstellt und mit einer sich in der Achsrichtung der Maschine erstreckenden drehbaren
Welle 21 fest verbunden ist. Die Welle 21 ist einerseits in einem in den Ansatz
4 des schalenförmigen Trägers 3 eingebauten Kugellager 22 und andererseits in zwei
ähnlichen, in einem Block 24 sitzenden Kugellagern 23 geführt; der Block 24 ist
dabei in einem mit dem Zylinderkörper 12 durch Arme 25 a verbundenen Träger 25 gehalten.
Die Welle 21 steht durch eine isolierende Kupplung 2i a mit einer zweiten, nicht
in der Zeichnung wiedergegebenen Welle in Verbindung, welche das Gehäuse i über
eine Stopfbüchse durchsetzt und durch irgendeinen Antrieb in Umdrehung versetzt
werden kann.
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Die Erregerpole 9 sind, wie Abb. 4. zeigt, durch Leiter 26 an die
eine Klemme einer Spannungsduelle, z. B. einer elektrostischen Erregermaschine 27,
angeschlossen, welche die Erregerpole 9 auf ein bestimmtes Potential bringen kann
und deren andere Klemme an Masse liegt. Die Metalldrähte oder Ionisatoren i8 sind
durch Leiter 28 an Masse gelegt und die Schirme io und die Metalldrähte oder Ionisatoren
i9 an die isolierte Klemme 3o der Maschine herangeführt. Die Leiter 26, 28, 29 gehen
isoliert durch das Gehäuse i der Abb. i und 2 hindurch, das auch, wenn es metallisch
ist, als Masse dienen kann und an das dann die Leiter 28 und die eine Klemme der
Erregermaschine 27 unmittelbar angeschlossen sind.
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Die Wirkungsweise der gemäß Abb. i und 2 gebauten und nach Abb.4 geschalteten
Maschine wird an Hand der Abb. 3 verständlich, welche in Abwicklung einen Erregerpol
9 und einen auf diesen folgenden Schirm io sowie einen Teil des Elektrizitätsträgers
2o und der Halbleitermuffe i i und ferner zwei aufeinanderfolgende Ionisatoren 18
und i9 mit den entsprechenden Leitungsverbindungen zeigt. Wenn der Erregerpol 9
durch die Erregermaschine 27 auf das Potential -he gegenüber Masse gebracht ist,
herrscht an der Stelle des an Masse liegenden Ionisators 18, wenn dieser sich gegenüber
dem Erregerpol 9 befindet, ein starkes elektrisches Feld. Infolgedessen werden positive
Ladungen an der Fläche 2o' des isolierenden Elektrizitätsträgers 20 abgegeben, die
sich vor dem Ionisator 18 in diesem Zeitpunkt befindet. In dem Raum zwischen dem
Erregerpol 9 und der vor dem Erregerpol 9 liegenden Fläche 2o" des Elektrizitätsträgers
ist die Ionisierung viel weniger kräftig, aber genügend für die Abgabe von negativen
Ladungen an diese Fläche 20".
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Während der Verschiebung eines Abschnittes des isolierenden Elektrizitätsträgers
20 von dem Erregerpol 9 nach dem Schirm io in der Richtung des in Abb. 3 eingezeichneten
Pfeiles wächst das Potential der von diesem Abschnitt mitgeführten Ladungen an.
An der Stelle des Ionisators i9 fließen diese Ladungen über diesen ab und laden
die isolierte Maschinenklemme 30 und den Schirm io auf, so daß diese beiden
Teile auf das Potential +Vd gebracht werden. Die Bewegung der Ladungen ist infolge
der Anwesenheit von negativen Ladungen auf der äußeren Fläche 2o" des isolierenden
Elektrizitätsträgers 20 stärker als bei Nichtvorhandensein dieser negativen Ladungen.
Infolgedessen wird nach einer bestimmten Betriebszeit der Maschine sich ein Gleichgewichtszustand
zwischen der Zufuhr
und dem Verlust dieser negativen Ladungen einstellen,
und die Maschine wird dann in der Weise arbeiten, daß der Elektrizitätsträger 2o
negative Ladungen dem äußeren Stromkreis entnimmt und somit als »Doppelträger« wirkt,
obgleich seine Erregerpole auf dem Erregerpotential -Ve allein sind.
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Die Bedingung dafür, daß diese Wirkungsweise der Maschine erzielt
werden kann, besteht darin, daß der den Elektrizitätsträger 2o bildende Isolierstoff
eine dielektrische Spannung aushalten kann, die doppelt so groß wie die Spannung
ist, der er unterworfen sein würde, wenn die Erregerpole auf die Potentiale Ve/2
und Vd -h Ve/2 gebracht wären.
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Die Halbleitermuffe i i dient dazu, Feldkonzentrationen an den Rändern
der Erregerpole 9 und der Schirme io zu vermeiden und die zwischen den Erregerpolen
und den benachbarten Schirmen bestehende Potentialdifferenz gleichmäßig zu verteilen,
so daß die auf dem Elektrizitätsträger 2o aufgebrachten elektrischen Ladungen sich
in einem in der Längsrichtung günstig verteilten Feld bewegen, das schrittweise
in der Nähe der Erregerpole erscheint und verschwindet. Die Muffe i i kann statt
aus einem elektrischen Halbleiter auch aus einem Isolierstoff bestehen und nur an
ihrer äußeren, mit den Erregerpolen oder Schirmen in Berührung kommenden Fläche
mit einer dünnen Schicht aus einem Halbleiterstoff, z. B. einem Halbleiterglas,
bedeckt sein. Man kann auch die Muffe i i vollständig weglassen und dafür die innere
Fläche des Zylinders 7 mit einer dünnen Schicht aus einem Halbleiter bedecken, welche
die elektrische Verbindung zwischen den Erregerpolen 9 und den Schirinen io gewährleistet.
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Der Zwischenraum zwischen dem Zylinder 7 und der äußeren Fläche des
Elektrizitätsträgers 2o wird möglichst klein gehalten, um die Ionisierungsgefahren
bei normalem Betrieb zu vermeiden oder zu verringern. Beispielsweise kann die radiale
Breite dieses Zwischenraumes in der Größenordnung von o,1 bis 0,5 mm unter
Berücksichtigung der dielektrischen Durchschlagsfestigkeit des diesen Zwischenraum
einnehmenden strömungsfähigen Mittels sein, die genügend hoch sein muß, um Entladungen
Zwischen dem Elektrizitätsträger 20 und dem Erregerpol 9 zu vermeiden. In gleicher
Weise muß der Abstand zwischen den Ionisatoren 18 und i9 und der Innenfläche des
Elektrizitätsträgers 2o möglichst gering, z. B. auch in der Größenordnung von o,i
bis 0,s mm bemessen sein.
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Die gemäß Abb. i und 2 gewählte Zylinderform der Maschine ermöglicht
eine gedrängte, einfache und wirtschaftliche Bauart. Da die zylindrischen Flächen
sehr leicht genau zu bearbeiten sind, vermeidet man jede Gefahr von Schwankungen
des Abstandes zwischen Elektrizitätsträger und Erregerpol oder Schirm, welche bekanntlich
ungünstig auf die Arbeitsweise der Maschine einwirken.
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Bei der in den Abb. i und 2 wiedergegebenen Maschine sind die Erregerpole
und die Schirme außen am Elektrizitätsträger 2o angeordnet, während die Ionisatoren
18 und i9 im Innern des Elektrizitätsträgers 2o liegen. Man kann auch die umgekehrte
Anordnung treffen, wofür ein Ausführungsbeispiel aus Abb. 5 und 6 ersichtlich ist,
in denen die den Teilen der Maschine nach Abb. i und 2 gleichen oder ähnlichen Teile
mit den nämlichen, aber um ioo vermehrten Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäß Abb.5
und 6 sind in das dichte Gehäuse ioi die Isolatoren io2 und der schalenförmige Körper
103 mit dem Ansatz io4 und mit der auf diesem sitzenden Scheibe 105 sowie
der auf die Ringfläche io6 der Scheibe io5 aufgepaßte Zylinder 107 und der auf die
Welle 121 aufgekeilte Elektrizitätsträger i2o und ferner die die zur Führung der
Welle 121 dienenden Kugellager 122 und 123 und der die beiden Kugellager 123 enthaltende,
mit dem Zylinderkörper 122 durch die Arme 125 a in Verbindung stehende Block 124
eingeschlossen.
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Die Maschine nach Abb. 5 und 6 unterscheidet sich von der in Abb.
i und 2 dargestellten Bauart auch dadurch, daß der äußere Zylinderkörper 107 an
seinem Mittelteil seitlich abgeflacht ist und in den so gebildeten Aussparungen
die durch dünne metallische Lamellen gebildeten Ionisatoren 118 und iig enthält,
die je um 9o° gegeneinander versetzt und durch isolierende, an den Enden in dem
Zylinderkörper 107 abgestützte Stäbe 131 gehalten sind.
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Der innere Zylinderkörper i 12 trägt die Erregerpole io9, die Schirme
iio und die aufgeschobene Halbleitermuffe i i i. Zur Erleichterung des Zusammenbaues
und zur Verminderung des Gewichts der Gesamtheit des Zylinders i 12 und der an diesem
gehaltenen Teile ist die Außenfläche des Zylinders 112 mit Aussparungen versehen,
so daß sie lediglich bearbeitete Rippen aufweist, auf welchen die Erregerpole zog,
die Schirme i io und die Halbleitermuffe i i i abgestützt sind, während die freien
Zwischenräume mit einer Gußmischung ausgefüllt sind, die aus einem Teer, einem isolierenden
Kunstharz oder auch aus einer isolierenden Flüssigkeit bestehen kann.
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Die Einmittung des Zylinders 112 und der von ihm getragenen Teile
wird mittels der Welle 121 erreicht, deren Ende durch ein Kugellager 132 abgestützt
ist, das in einem am Zylinder 107 gehaltenen glockenförmigen Körper 133 eingebaut
ist, der eine oder mehrere Längsrippen 134 aufweist, die in entsprechende Längsnuten
des Zylinders 112 eingreifen und diesen dadurch an einer Drehung hindern.
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Die Bauart der Maschine nach Abb. 5 und 6, die im übrigen in der gleichen
Weise wie die Maschine nach Abb. i und 2 arbeitet, gestattet die leichtere Ausführung
der notwendigen Isolierungen, und außerdem ist die Einstellung der Lage der Ionisatoren
i 18, 119 bequemer durchzuführen, da diese an der Außenseite des Elektrizitätsträgers
120 liegen und daher leichter zugänglich sind.
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Die elektrostatische Maschine nach der Erfindung kann, statt in der
zylindrischen Bauart nach Abb. i und 2 sowie 5 und 6 ausgeführt zu werden, auch
so verwirklicht werden, daß sie einen oder mehrere
scheibenförmige
isolierende Elektrizitätsträger aufweist und die Erregerpole und die Schirme einerseits
und die Ionisatoren andererseits radial einander gegenüber beiderseits einer jeden
Scheibe angeordnet sind. Auch können die Maschinen nach der Erfindung nicht nur
als Generatoren gemäß der Schaltung nach Abb. 4, sondern auch als Motoren arbeiten,
bei denen (vgl. Abb. 2 bzw. 6) ein Potential Vd den Schirmen io bzw. iio und den
Ionisatoren 19 bzw. i 19 und ein Erregerpotential he den Erregerpolen 9 bzw. 1o9
zugeführt wird.
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Die Gegenstände der Unteransprüche sind nur im Zusammenhang mit dem
Gegenstand des Hauptanspruchs als Erfindung zu werten.