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Maschine mit periodisch veränderlicher Kapazität zur Umformung einer Gleichspannung in eine
Wechselspannung.
Es ist bekannt, dass man mit Hilfe einer Maschine mit periodisch veränderlicher Kapazität aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung erzeugen kann. Die Maschine mit veränderlicher Kapazität legt man zu diesem Zweck an eine Gleichspannung.
Es ist bekannt, dass man eine derartige Maschine so ausbildet, dass der Rotor mit Längsnuten auf seinem Umfang versehen ist, wodurch parallel zur Achse verlaufende Stege gebildet sind, die entsprechend geformten Stegen auf der Innenseite des Stators gegenüberstehen. Bei der Drehung einer derartigen Maschine ändert sich die Maschinenkapazität periodisch und erzeugt einen Ladestrom wechselnder Richtung, der zur Erzeugung einer Wechselspannung geeignet ist. Die so erzeugte Wechselspannung dient zur Steuerung einer Verstärkereinrichtung.
Bei einer andern bekannten Anordnung-sind auf der Welle einer Maschine kreissektorförmige Bleche axial aneinandergereiht, die zwischen entsprechend geformten Blechen eines Ständerblech- pakets hindurchbewegt werden. Auch hiebei entsteht bei der Drehung der Maschine ein Ladestrom wechselnder Richtung, der jedoch zufolge der Konstruktion des beweglichen Maschinenteiles nur eine geringe Frequenz besitzt.
Bei der Maschine nach der Erfindung bestehen Rotor und Stator aus scheibenartigen, in Richtung der Rotorachse aneinandergesetzten Kreisscheiben oder Kreisringen, die seitlich derart übereinander-
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z. B. zur Erzeugung technischer Wärme oder zum Betreiben drahtloser Sendeanlagen. Mittels einer bekannten Anordnung, bei welcher grossflächige Scheiben drehbar zwischen entsprechend grossen im Ständer gelagerten Scheiben angeordnet sind, lassen sich nur ganz niedrige Wechselfrequenzen erzielen, da der mechanische Aufbau des Rotors keine hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten zulässt.
Ausserdem ist die Höhe der Wechselfrequenz bei einer gegebenen Drehzahl sehr niedrig, während bei einer Maschine gemäss der Erfindung durch Verwendung von Zahnkränze auf den Umfang der Kreisscheiben des Rotors und der Kreisringe des Stators sich eine wesentlich höhere Frequenz bei gleicher Umdrehungszahl ergibt. Die Grösse der Frequenz ist aber entscheidend für die vielseitige Anwendbarkeit einer Maschine gemäss der Erfindung ; denn für viele Anwendungszwecke ist eine Wechselspannung hoher Frequenz erforderlich, ganz abgesehen davon, dass eine Wechselspannung mit hoher Frequenz viel leichter und mittels kleinerer Transformatoren transformiert werden kann als eine Wechselspannung von verhältnismässig geringer Frequenz.
Ausserdem ist es ausserordentlich wichtig, dass dieselbe Maschine unter sonst gleichen Betriebsbedingungen bei der doppelten Periodenzahl jeweils die doppelte Leistung hat.
Die kreisringartigen Flächen des Rotors und des Stators besitzen radial verlaufende Zähne, zwischen denen ein gewisser Abstand besteht. Die Begrenzungsfläehen der Zähne in Rotor und Stator können parallele Begrenzungsflächen besitzen, wobei der Abstand zwischen je zwei der kreisringförmigen oder kreisförmigen Scheiben durch zwischengelegte Scheiben entsprechenden Durchmessers gesichert ist.
Ebenso wie die kreisringförmigen Flächen von Rotor und Stator können auch die zur Abstandbestimmung eingefügten Zwischenscheiben mit Zähnen und Zahnlücken versehen sein, so dass auch sie zur Vergrösserung der Kapazitätsänderungen beitragen. Die einander gegenüberstehenden und
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Dreiecks mit abgeschnittener Spitze besitzen. Gegenüber der Anordnung mit parallelen Seitenflächen der Zähne ergibt eine Anordnung mit prismatischen Zähnen den Vorteil, dass man keine Zwischenscheiben für die Abstandbestimmung benötigt und infolgedessen bei gegebener axialer Baulänge der Maschine eine grössere Anzahl von mit Zähnen versehenen Scheiben unterbringen kann.
Die Ausnutzung nicht allein der Stirnflächen sondern auch je zweier Flanken der Zähne stellt bauliche Massnahmen zur Erzielung mögliehst grosser Kapazitätsänderungen dar. Man wird ferner durch Anwendung einer gleichen Zähnezahl in Stator und Rotor dafür sorgen, dass beim Lauf der Maschine stets gleichzeitig alle Zähne die maximale Kapazität bzw. die minimale Kapazität ergeben. weil auf diese Weise die stärksten Kapazitätsänderungen erzielt werden. Man kann aber weiterhin die Stärke des erzeugten Wechselstromes auch noch durch Anwendung eines Dielektrikums mit besonders hoher Dielektrizitätskonstante steigern.
Zu diesem Zweck kann man beispielsweise die Zähne des Rotors und des Stators oder einen der beiden Teile mit einem Überzug aus einem Stoff von höherer Dielektrizitätskonstante als die der Luft bei Atmosphärendruck versehen. Zumeist wird dadurch zugleich auch eine höhere elektrische Festigkeit erzielt, so dass man eine höhere Gleichspannung an die Maschine anlegen kann. Dieselben Wirkungen kann man durch Erhöhung des Druckes erzielen. unter welchem die in den Zwischenräumen zwischen den Zähnen eingeschlossene Luft steht.
Mit der Steigerung des Druckes wächst nämlich die Dielektrizitätskonstante und zugleich auch die elektrische
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der Kapazität, die Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit der Luft erlaubt die Anwendung einer höheren Spannung, so dass also beide Massnahmen sich bei der Erhöhung der erzielbaren Wechselstromleistung unterstützen. Auch kann man an Stelle von Luft ein anderes Gas wählen, welches eine höhere Dielektrizitätskonstante als Luft besitzt. Man wird dabei die Wärmeleitung des Gases beachten, da diese für die Abführung der Wärme wichtig ist. Die Erhöhung des Druckes bewirkt ebenfalls eine Verbesserung der Kühlung der Maschine infolge der höheren Wärmeleitfähigkeit der komprimierten Luft als bei normalem Druck.
Für die Aufrechterhaltung des Druckes kann ein Vorratsbehälter vorgesehen sein. aus welchem Undiehtigkeitsverluste der eingeschlossenen Luft oder des eingeschlossenen Gases ersetzt werden oder es kann beim Betrieb der Maschine zugleich ein kleiner Kompressor mit betrieben werden. der für die Aufrechterhaltung des Druckes im Inneren der Maschine sorgt.
Die Form der Zähne ist für die Kurvenform der erzeugten Weehselspannung von Bedeutung,
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Verlauf der Weehselspannung oder des Wechselstromes sorgen kann. An sich ist es auch möglich, durch elektrische Mittel die erzeugte Wechselspannung von Oberwellen zu reinigen, so dass man die sinusförmigen Grundwellen erhält ; man kann aber, wenn man elektrische Siebmittel vorsieht, diese auch verwenden, um eine oder mehrere Oberwellen, die in den nicht sinusförmigen Spannungen enthalten sind, für einen besonderen Anwendungszweck herauszusieben.
Es empfiehlt sich, den Zahn schmaler zu machen als die Zahnlücke und gleichzeitig den Zahnflanken wie auch den Begrenzungsflächen der Zahnlücke schräge Lagen zu geben, so dass der Zahn und die Lücke im Querschnitt trapezförmige
Gestalt besitzen. Man kann vorteilhafterweise auch scharfe Ecken oder Kanten und plötzliche Übergänge zwischen den äusseren Flächen der Zähne und Lücken durch entsprechende Verrundung vermeiden.
Für die Herstellung der Zähne wird vorteilhafterweise ein Vervielfältigungsverfahren benutzt. so dass die Zähne beispielsweise durch Fräsen, gegebenenfalls nach dem Abwälzverfahren oder durch Pressen, Giessen oder Spritzen erzeugt werden. Beim Pressen, Giessen oder Spritzen kann man zugleich mit den Zähnen auch die Kreisscheiben oder die Kreisringe herstellen, so dass also die Scheiben und die Ringe mit den Zähnen in einem einzigen Verfahren entstehen.
Den Einfluss von Temperaturverschiedenheiten, welche zwischen Rotor und Stator entstehen. wird man vorteilhafterweise ganz ausschalten oder zumindest möglichst verringern. Die Wirkung etwaiger Temperaturdifferenzen kann-die sein, dass sich die Luftabstände zwischen Rotorteilen und Statorteilen verringern. Man vermeidet die daraus erwachsenen Schwierigkeiten dadurch, dass man an geeigneten Stellen Wärmeisolationen herstellt oder auch sämtliche aktiven Maschinenteile Wärme- mässig isoliert.
Durch Bemessung des Abstandes zwischen Rotor und Stator oder auch durch Aufteilung dieser Maschinenteile in einzelne entsprechend gelagerte Einzelsysteme oder Einzelmaschinen kann man ebenfalls den Einfluss der Erwärmung vermindern, da dieser Einfluss bei kleineren oder entsprechend unterteilten Systemen oder Maschinen weniger gross ist. Weitere Mittel zur Verminderung des Einflusses von Temperaturverschiedenheiten bestehen darin, dass man die Maschine beispielsweise elektrisch zusätzlich erwärmt und durch einen Thermostaten den Erwärmungsgrad konstant hält.
Auch kann man, wenn Temperaturunterschiede nicht zu vermeiden sind, durch geeignete Auswahl des Materials den Einfluss der ungleichen Erwärmung verkleinern, indem man beispielsweise die sieh stärker erwärmenden Maschinenteile aus einem Stoff mit geringerer Ausdehnungszahl fertigt als die übrigen Maschinenteile.
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Die Grösse der der Maschine entnehmbaren Wechselstromleistung wird gesteigert. wenn man gemäss der weiteren Erfindung im Belastungskreis eine Impedanz verwendet, die vorzugsweise induktiv ist. Am günstigsten ist es, wenn man die Induktivität des Belastungskreises mit der maximalen Maschinenkapazität bei der erzeugten Frequenz zur Resonanz bringt. Die Impedanz ist vorteilhafterweise die des Verbrauchers, welcher entweder unmittelbar, d. h. galvanisch oder auch mittels induktiver oder kapazitiver Kopplung an die Maschine angeschlossen wird. Wenn man mehrere Maschinen nach der Erfindung parallel betreibt, kann die zur Resonanzabstimmung erforderliche Induktivität jedei einzelnen Maschine zugeteilt sein.
Dies hat vor allem den Vorteil, dass die Anlage sowohl bei Alleinverwendung einzelner Maschinen als auch bei Parallelschaltung der Maschinen die günstigeResonanzabstimmung erfüllt ist. Wenn man die einzelnen Maseknen voneinander isoliert, hat man ferner die Wahl zwischen einer Parallelschaltung oder einer Reihenschaltung. Im ersteren Fall addieren sich die durch die periodischen Kapazitätsänderungen erzeugten Wechselströme der verschiedenen Maschinen. im zweiten Falle kann man eine wesentlich grössere Gesamtspannung verwenden, die dann an der Reihenschaltung der einzelnen Maschinen liegt, so dass man einen Wechselstrom von höherer
Spannung erhält.
Die Maschine kann mit Vorteil für Zwecke der drahtlosen mit Raumwellen oder leitungsgerielh- teten Wellen arbeitenden Telegraphie, Telephonie oder Bildübertragung verwendet werden oder auch für industrielle Zwecke, z. B. zur Ausnutzung der durch Induktionsströme erzeugten Wärme, z. B. zum Schmelzen, zum Erwärmen von Körpern, vorzugsweise von Metallen für gewisse Bearbeitungverfahren, wie z. B. Pressen, Walzen, Ziehen, Drücken usw. Man kann auch in an sich bekannter Weise durch Induktionsströme die zur Zubereitung von Speisen erforderliche Wärme erzeugen oder nichtmetallische Lösungen, wie beispielsweise in chemischen Verfahren, erwärmen.
Bei der Verwendung der Maschine für die Zwecke der Telegraphie und Telephonie können niederfrequente Telegraphie-oder Telephonieströme auf den durch die Maschine erzeugten hochfrequenten Strom übertragen werden. Hiezu kann beispielsweise eine Verstärkerröhre verwendet werden, welche durch die Telegraphie- oder Telephonieströme oder durch auf sonstige Weise erzeugte Strom-oder Spannungs- schwingungen gesteuert wird und die die Erregergleichspannung der Maschine verändert. An Stelle einer Modulation durch die Verstärkerröhre kann man auch einen veränderlichen Widerstand verwenden oder einen Transformator und mit deren Hilfe in den Gleichstromkreis eine entsprechende Zusatzspannung einprägen.
An Stelle eines Aufbaues des Rotors und Stators aus einzelnen Scheiben oder Ringen, die mechanisch an einem festen Körper verbunden werden, kann man auch einen einheitlichen Körper für den Rotor bzw. für den Stator verwenden, in welchem die Zahnkränze durch Fräsen aus dem Vollen heraus hergestellt sind. Die Zähne können dabei in Reihen stehen, die parallel zur Achse verlaufen. Zur Ermöglichung der Montage muss man dabei den Ständer aus zwei Hälften zusammensetzen, die sich durch einen Schnitt in der Ebene eines Durchmessers und der Maschinenaehse ergeben.
Als Baustoff für Rotor und Stator der Maschine kann man vorteilhafterweise ein Leichtmetall verwenden, welches die erforderliche Festigkeit besitzt. Für Maschinen mit geringerer Umfangsgeschwindigkeit, d. h. bis zu 250m pro Sekunde, eignet sich beispielsweise Aluminiumbronze (z. B. Lautal) oder Duraluminium oder auch Elektronmetall, sofern es eine Festigkeit von 40 bis 50 /M ; m besitzt. Bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten besteht der Zahnteil zweekmässigerweise aus Ringen bzw. einem Hohlzylinder aus Stahl mit einer Festigkeit von wenigstens 50 kg/mm2. Die Ringe oder der Zylinder werden dabei auf einen Leichtmetallkern aufgezogen oder aufgesetzt. Der Kern braucht in diesen Fällen nicht massiv zu sein, sondern kann zur Gewichts-und Materialersparnis Aussparungen besitzen.
Die in den rotierenden Teilen der Maschine enthaltenen Sehwungmassen können dadurch wesentlich herabgedrückt werden, so dass die Einlaufzeit und die Auslaufzeit der Maschine wesentlich gekürzt wird. Das gleiche kann man erreichen durch nicht vollmassive Ausgestaltung des Rotors, sei es, dass der Rotor aus Scheiben zusammengesetzt ist, sei es, dass er aus einem Stück besteht. Namentlich bei der Herstellung des Rotors durch ein Giessverfahren wird man eine erhebliche Ersparnis an Gewicht und Sehwungmasse erzielen können. Zwecks Gewichtsersparnis kann man gleichfalls auch den Ständer aus Leichtmetall herstellen und/oder durch Verwendung eines Stators mit möglichst flachen Statorrüeken eine möglichst hohe Gewichtsersparnis erzielen. Man kann besonders leicht, wenn der Stator gegossen wird, durch Anwendung hohler Zähne erhebliche Gewichts-und Materialersparnis erzielen.
Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Fig. 1-8, die jedoch nur Beispiele von Ausführungs- formen der Erfindung wiedergeben, ohne dass die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll.
In Fig. 1 ist der Aufbau des Rotors und des Stators aus einzelnen Scheiben erläutert. Die
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und 2d tragen an ihrem äusseren Umfang Zähne. Die Scheiben 2a, 2c und 2e dienpn zur Sicherung eines bestimmten Abstandes zwischen den Zahnscheiben 2b und 2d. Die Scheiben des Rotors werden zusammengehalten durch Pressschrauben oder Nieten 3, von denen mehrere auf den Umfang verteilt vorgesehen sind.
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Der Stator besteht ebenfalls aus einzelnen Teilen, nämlich aus flachen Ringen 5a bis 5e. Hiebei besitzen die Ringscheiben 5a, 5e und 5e eine grössere radiale Breite, so dass sieh die Seitenflächen dieser Ringe einerseits und die Seitenflächen der Zahnh-ränze der Rotorscheiben 2b und 2d anderseits gegen- überstehen, da die Ringe 5a, 5e und 5e in die Lücken zwischen den Rotorzähnen eindringen.
Die Form der einander gegenüberliegenden Flanken der Ständerzahnkränze auf den Kreis-
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Draufsicht in Fig. 1 b erkennbar. Bei den zum Rotor gehörenden Zahnkränzen sind Pfeile eingetragen, welche die Bewegungsrichtung andeuten. In der in Fig. 1b dargestellten gegenseitigen Lage des Rotors und des Stators ist die Kapazität zwischen beiden auf ihrem Höchstwert. Die Scheiben des Stators werden ebenfalls durch Bolzen oder Nieten 7 zusammengehalten.
Die wirksamen Oberflächen der Zähne des Rotors und des Stators sind bei dem in Fig. 1 dar-
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und 6e bekleidet, welcher eine höhere Dielektrizitätskonstante besitzt und zugleich auch eine höhere elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweist als Luft.
In den Fig. 2a und 2b sind Zahnkränze von keilförmiger Gestalt angewendet. Bei dieser Anordnung sind die in Fig. 1 erkennbaren Zwischenscheiben 2a, 2c, Se bzw. 5b und 5d nicht erforderlich.
Im übrigen sind in Fig. 2a, die gleichen Bezeichnungen wie in Fig, la verwendet. Auch erkennt man den Überzug aus Stoff mit höherer Dielektrizitätskonstante auf den Flanken der Zähne des Stators und des Rotors.
Fig. 2b zeigt im linken Teil die keilförmigen Zahnlücken und prismatischen Zähne des Stators und im rechten Teil entsprechend die Zähne und Zahnlücken des Rotors sowie die Befestigungsschrauben oder Bolzen. 3 und 7.
Eine Anordnung, bei der die Zähne auf dem Rotor mit einer Isolationsschicht überzogen sind, zeigt Fig. 3. Die Lücken sind keilförmig, die Zähne haben prismatische Form mit stumpfer Stirnfläche. Die Breite der vorderen Stirnfläche der Zähne ist geringer als die Breite der Öffnung der Zahnlücken. so dass die Kapazität in der Mittelstellung des Rotorzahnes gegenüber einer Liieke im Ständer am kleinsten ist.
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isoliert sind und man infolgedessen die Maschinen einzeln oder auch in beliebiger Kombination in Parallelschaltung oder Reihenschaltung betreiben kann.
In den Fig. 5 und 6 sind elektrische Schaltungen für verschiedene Anwendungszwecke der Erfindung wiedergegeben. In Fig. 5a bedeutet 11 die Gleichspannungsquelle, 10 die veränderliche Masehinenkapazität und 1 ; 2 eine Belastungsimpedanz von induktivem Charakter. Die Spule 12 ist beispielsweise die Feldspule eines Induktionsofens. Durch von dieser Spule hervorgerufene Induktions-
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dem Gleichstromkreis der Maschine gänzlich getrennt. Bei dieser Anordnung kann der Sekundärkreis 7-t, 14 und 15 zusätzliche Abstimmittel erhalten zwecks Einstellung der Resonanz. Beispielsweise kann zu diesem Zweck der mit dem Sekundärkreis in Reihenschaltung angeordnete Kondensator 13 eingestellt werden.
Auch kann der Kondensator 15 statt mit der Spule 14 in Reihe zu ihr parallelgeschaltet sein. Für die Abstimmung auf Resonanz kann auch eine Veränderung der Sekundärwicklung 7J etwa durch Änderung der Windungszahlen oder eine Änderung der Spule 14 vorgesehen sein. Schliesslich besteht noch die Möglichkeit, die Resonanzerscheinung dadurch herbeizuführen, dass man entweder die Frequenz der von der Maschine 10 erzeugten Wechselspannung anpasst oder dass man, wenn die Maschine 10 aus mehreren Einzelmaschinen bzw. aus mehreren Einzelsystemen besteht, die innerhalb desselben Masehinengehäuses untergebracht sein können, durch Abschaltung einzelner Maschinen oder einzelner Teilsysteme bzw.
durch Parallelschaltung oder Reihenschaltung solcher Maschinen und Systeme, die Grösse der Maschinenkapazität ändert. Die Schaltungsbeispiele in den Fig. 6a und 6b erläutern die Anwendung der Kondensatormaschine für Hochfrequenztelegraphie oder -telephonie. Die Maschine10 erzeugt durch ihre Rotation eine Hochfrequenz, welcher mit Hilfe einer steuerbaren Röhre 18 niederfrequente Schwingungen entsprechend einem Telegraphierzeiehen'oder einem Mikrophonstrom oder Fernspreehstrom aufgedrückt wird. Die steuerbare Röhre 18 (Verstärkerröhre) wird in üblicher Weise mittels des Gitterpotentials gesteuert, wobei der Wechselstrom in an sieh bekannter Weise über einen Widerstand R mit einem Uberbrückungskondensator C fliesst.
Die Verwendung zweier gekoppelter
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