<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf eine parametrische elektrische Maschine, bestehend aus wenigstens einem Kondensator mit zeitlich veränderlicher Kapazität in Serie mit einer mindestens eine Induktionsspule umfassenden Induktivität und einem Ohmschen Widerstand sowie einem nichtlinearen Glied, wobei im Schwingkreis der Maschine die relative Pumpamplitude zumindest dem doppelten Dämpfungsfaktor entspricht.
Um mechanische in elektrische Energie durch periodische Änderung der elektrischen Grösse eines Schwingkreises umzuformen, ist es bekannt, in einem aus einem Kondensator und einer Induktionsspule bestehenden Serienschwingkreis die Kapazität zeitlich periodisch zu ändern.
Wird die Kapazität eines Kondensators verkleinert, so muss, da die Ladung des Kondensators auf einen engeren Raum, d. h. auf eine kleinere Kapazität zusammengedrängt wird, Arbeit geleistet werden. Energiequelle ist dabei jener Mechanismus, der die Kapazität verkleinert.
Wird die Kapazität vergrössert, so braucht dem System keine Energie zugeführt zu werden, weil sich die gleichnamigen Ladungen abstossen und auf der vergrösserten Kapazität von selbst einen grösseren Raum einnehmen. Es findet daher bei einer zeitlichen Veränderung der Kapazität unter Verwandlung mechanischer in elektromagnetische Energie immer nur ein Energiefluss vom Antriebsmechanismus in den Schwingkreis statt.
Von einem solchen parametrischen Generator sind einige Vorteile gegenüber herkömmlichen,
EMI1.1
in deren Wicklungen naturgemäss Joulsche Wärmeverluste auftreten, die ab einer gewissen Generatorleistung eine Wasserkühlung notwendig machen. Aber auch in den Läuferwicklungen können erhebliche Wärmeverluste entstehen. Der parametrische Generator hingegen ist weitgehend frei von Wärmeverlusten. Ferner können mit einem parametrischen Generator unmittelbar vergleichsweise hohe Spannungen erzeugt werden. Weitere Vorteile sind in der einfachen Bauart und im geringen Gewicht eines parametrischen Generators zu sehen.
Die bisherigen Versuche, einen parametrischen Generator zu bauen, schlugen jedoch fehl.
Einerseits gelang es nicht, einen von wechselnden Belastungen durch die Verbraucher unabhängigen, stabilen periodischen Wechselstrom zu erzeugen ; es kam entweder zu exponentiell anwachsenden Stromstärken und damit zu einem Durchbrennen der Induktionsspule oder zur raschen Dämpfung der Wechselstromschwingungen. Anderseits gelang es auch nicht, mit einem parametrischen Generator sinusförmige Wechselstromschwingungen zu erzeugen.
Der Grund hiefür ergibt sich aus der Betrachtung der Differentialgleichung für den parametrischen Schwingkreis, die mit einer zeitlich periodisch veränderbaren Kapazität lautet :
EMI1.2
Darin bedeuten L0 die (zunächst) als konstant angenommene Induktivität und C den Mittelwert der Gesamtkapazität definiert durch C 0 = (Cmax + Cmin) ! 2, wobei cama für den grössten und C min für den kleinsten Wert der Kapazität stehen. Die Kapazitätsänderung wird mit AC = (Cmax - Cmin) ! 2 bezeichnet. R0 ist der (zunächst) konstante Ohmsche Widerstand
EMI1.3
der Sinusfunktion, sondern nach einer Mathieufunktion mit der Zeit verändert.
Elektrische Spannungen, die sich nach Mathieufunktionen zeitlich verändern, sind jedoch in der Praxis kaum brauchbar.
Um eine sinusförmige Wechselspannung sicherzustellen, ist es bekannt (DE-PS Nr. 633259), einen parametrischen Schwingkreis mit variabler Kapazität oder Induktivität durch Einspeisen einer sinusförmigen Wechselspannung dazu zu zwingen, diese Fremderregung durch parametrische
<Desc/Clms Page number 2>
Effekte zu verstärken. Um die Amplitude des von vornherein sinusförmigen Wechselstromes zu begrenzen, wird eine Drosselspule mit einem ferromagnetischen Kern in den Schwingkreis eingeschaltet.
Eine andere Möglichkeit, die Amplituden sinusförmiger Schwingungen eines parametrischen Generators zu begrenzen, besteht darin, im Schwingkreis der Maschine ein aus einer Funkenstrecke oder Glimmlampen bestehendes nichtlineares Glied vorzusehen (Light Metals, November 1946, Heywood Temple Industrial Publication Ltd. London, B. J. Brajnikoff"Aluminium and Magnesium in the Electrical Industries", Seiten 610 bis 613), wobei wieder der Nachteil besteht, dass die sinusförmigen Schwingungen durch eine Fremderregung des parametrischen Generators erzwungen werden müssen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine parametrische elektrische Maschine zu schaffen, mit der es ohne Fremderregung möglich ist, stabile sinusförmige Wechselströme zu erzeugen (Generator), und die auch zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie (Motor) verwendbar ist, u. zw. durch Anschluss an ein Stromversorgungsnetz, das einen sinusförmigen Wechselstrom liefert.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass ausschliesslich mittels der Stromabhängigkeit des nichtlinearen Gliedes des Schwingkreises eine sinusförmige Klemmenspannung erreicht ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, die Differentialgleichung (I) in eine Schwingungsgleichung überzuführen, die Sinusfunktionen als Lösungen besitzt, nämlich dann, wenn die Schwingungsgleichung ein nichtlineares Glied enthält, das eine bestimmte Funktion
EMI2.1
S ist.Differentialgleichung
EMI2.2
Bei geeigneter und auch technisch realisierbarer Wahl von g (Q') hat die Differentialgleichung (II) eine stabile sinusförmige Lösung (nach einigen periodischen nichtsinusförmigen Einschwingvorgängen) ; vorausgesetzt es gilt die Schwellenbedingung, dass die relative Pumpamplitude zumindest dem doppelten Dämpfungsfaktor entspricht
EMI2.3
sowie eine der möglichen Resonanzbedingungen.
Eine davon lautet :
EMI2.4
Obgleich die Schwellenbedingung die Werte Co, Rn und Lo, also der Parameterglieder des belastungsfreien Schwingkreises enthält, gilt sie als Ungleichung auch im belasteten Zustand.
Durch die Abhängigkeit zumindest eines Parametergliedes von dem durch den Schwingkreis fliessenden Strom (wodurch es zur Nichtlinearität der Schwingungsgleichung und zu sinusförmigen Lösungen kommt) werden die beim Überführen von mechanischer und elektrischer Energie am Kondensator auftretenden Spannungsschwankungen in eine sinusförmige Klemmenspannung umge-
<Desc/Clms Page number 3>
wandelt. Dies bedeutet, dass im Schwingkreis der Maschine eine Induktionsspule und/oder ein Widerstand und/oder ein Kondensator vorhanden sein muss, dessen Induktivität bzw. Widerstand bzw. Kapazität sich in Abhängigkeit von der Stromstärke in dem gewünschten Ausmass ändert.
Dazu gibt es verschiedene technische Ausführungsmöglichkeiten.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass das nichtlineare Glied aus wenigstens einer Induktionsspule mit einem ruhenden Kern aus einem verlustarmen ferromagnetischen Material mit einer Verlustziffer (V 10) von 1 bis 3 W/kg besteht. Um den angestrebten Effekt einer Umwandlung der am Kondensator auftretenden Spannungsschwingungen in eine sinusförmige Wechselspannung zu sichern, ist es notwendig, dass die Hysteresiskurve eine scharfe, knickartige Krümmung,
EMI3.1
Hysteresisfläche mit geringen Eisenverlusten verbunden ist. Für den Kern der Induktionsspule ist daher ein Ferromagnetikum zu verwenden, dessen Hysteresisschleife eine möglichst kleine Fläche einschliesst und dessen Eisenverluste bei 1 bis 3 W/kg (Verlustziffer V 10 bei 50 Hz und 1 T Maximalreduktion) liegen.
Die das nichtlineare Glied bildende Induktionsspule kann bei einer solchen Ausbildung selbstverständlich auch die Induktivität des Schwingkreises der parametrischen Maschine darstellen.
Eine andere technische Möglichkeit der Nichtlinearisierung der Schwingungsgleichung besteht z. B. in der Einschaltung eines Thermowiderstandes in Serie zur Induktivität des Schwingkreises, also eines Widerstandes, der sich in Abhängigkeit von der Stromstärke und damit von der Temperatur ändert, oder in der Verwendung eines Kondensators, dessen Kapazität, z. B. infolge. der besonderen Eigenschaften des Dielektrikums, von der Stärke des ihn durchfliessenden Stromes abhängt.
Mit Hilfe der erfindungsgemässen Merkmale gelingt es, einen echten parametrischen Generator zu schaffen, der selbst bei stark stochastisch veränderlichen Werten für den Ohmschen Widerstand, die Induktivität und die Kapazität der an dem Generator angeschlossenen Verbraucher einen frequenz-und amplitudenstabilen sinusförmigen Wechselstrom liefert, im Gegensatz zu den üblichen frequenzempfindlichen Wechselstromgeneratoren.
Es ist aber nicht nur ein parametrischer Generator möglich, sondern auch ein parametrischer Motor, der aus einem üblichen Wechselstromnetz gespeist werden kann und sich durch eine leichte Bauweise und entsprechend der Wahl der Parameter durch die Möglichkeit der Erzeugung hoher Drehzahlen und des direkten Anschlusses an hohe Spannungen auszeichnet.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen Fig. l das grundsätzliche Schaltbild eines erfindungsgemässen parametrischen Generators, Fig. 2 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators mit zeitlich veränderlicher Kapazität und einer dazu in Serie geschalteten Induktionsspule mit Eisenkern, Fig. 3 eine Rotorplatte in Ansicht, Fig. 4 eine Statorplatte des Kondensators nach Fig. 2 in Ansicht und die Fig. 5 und 6 weitere Blockschaltbilder eines erfindungsgemässen parametrischen Generators.
Gemäss Fig. l besteht der dargestellte parametrische Generator aus einem Kondensator-lmit zeitlich periodisch veränderlicher Kapazität und einer Induktionsspule --2-- mit einem Kern --3-- aus ferromagnetischem Material. Der Verbraucher --4-- ist nach dem Ausführungsbeispiel zur Induktionsspule --2-- parallelgeschaltet.
Der Kondensator --1-- besteht, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, aus Statorplatten --5-und Rotorplatten --6--. Die Rotorplatten --6-- sitzen in elektrisch leitender Verbindung auf der Welle --7--, die von einem angedeuteten Antrieb --8--, z. B. einem Motor oder einer Turbine angetrieben wird. Die Statorplatten --5-- werden von elektrisch leitenden Stangen --9-- gehalten.
Die Statorplatten --5-- und die Rotorplatten --6-- sind im wesentlichen gleich aufgebaut und bestehen, wie aus Fig. 3 (Rotorplatte) und Fig. 4 (Statorplatte) ersichtlich ist, abwechselnd aus Sektoren --10-- aus elektrisch leitendem Material, z. B. Kupfer, und Sektoren --11-- aus elektrisch isolierendem Material, z. B. Kunststoff. Durch die Drehung der Rotorplatten --6-- ändert sich die Kapazität C des Kondensators periodisch mit der Zeit.
Die mit dem Kondensator-l-in Serie geschaltete Induktionsspule --2-- weist eine Spulenwicklung --12-- und einen Eisenkern --3-- auf, der im Falle des Ausführungsbeispieles ein aus Dynamoblechen IV von 0, 35 mm Dicke und einer Verlustziffer V 10 von 1, 3 \v/kg aufgebauter
<Desc/Clms Page number 4>
E-I-Kern ist. Der Verbraucher wird an den Klemmen --13-- der Induktionsspule --2-- angeschlossen.
Da die zeitliche Periodizität der Kapazität des Kondensators --1-- der Frequenz des Schwingkreises im Sinne der Resonanzbedingung entsprechen muss, ist es zweckmässig, wenn der parametrische Generator diesbezügliche Einstellmöglichkeiten aufweist. Die Länge der Periode der zeitlichen Veränderung der Kapazität des Kondensators-l-hängt von der Drehzahl des Antriebes --8-sowie von der Anzahl der Sektoren --10, 11-- der Rotorplatten --6-- bzw. der Statorplatten --5-- ab. Um die Resonanzbedingungen zu erfüllen, kann beispielsweise die Drehzahl des Antriebes --8-- mittels eines stufenlos verstellbaren Getriebes verändert werden. Stattdessen können auch die elektromagnetischen Grössen des Schwingkreises einstellbar ausgebildet sein.
Zu diesem Zweck kann der Luftspalt zwischen dem Joch (I-Stück) --3'-- und dem E-Stück des Eisenkernes --3-- eingestellt werden, um eine Änderung der Induktivität der Induktionsspule --2-- zu erhalten. Ein anderer Weg besteht darin, die Gesamtkapazität durch eine Serienschal-
EMI4.1
13. 10-9AC = 0, 22 Co, Ro = 10 kr sowie einem Eisenkern aus Dynamoblech IV von 0, 35 mm Dicke und einem Eisenverlust V1C 10 von 1, 3 W/kg konnte eine stabile Wechselspannung von 1050 V bei einer Frequenz von 300 Hz erreicht werden. Für niedrigere Frequenzen und höhere Spannungen sind die Drehzahl des Kondensators und/oder die Parameter L0'Co'òC entsprechend zu variieren.
Gemäss dem Schaltbild nach Fig. l ist der Verbraucher --4-- parallel zur Induktionsspule --2-- angeschlossen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, entsprechend Fig. 5 den Verbraucher --4'-- mit dem Kondensator-l-und der Induktionsspule --2-- in Serie zu schalten.
In der Praxis wird es aber vorteilhaft sein, den Verbraucher --4"-- über einen Transformator an den Schwingkreis des parametrischen Generators anzuschliessen, wobei die Spulenwicklung --12-der Induktivität des Schwingkreises die Primärwicklung des Transformators bildet und der Eisenkern --3-- der Induktivität des Schwingkreises so ausgebildet ist, dass er die Primärwicklung --12-- und die Sekundärwicklung --14-- magnetisch miteinander koppelt, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. Dabei muss nicht die gesamte Spulenwicklung --12-- der Induktivität des Schwingkreises zugleich Primärwicklung des Transformators sein. Wird die Induktivität des Schwingkreises aus mehreren Induktionsspulen gebildet, so kann die Primärwicklung des Transformators bloss einen Teil dieser Induktionsspulen umfassen.
Die zeitlich periodisch veränderliche Kapazität muss nicht gemäss dem Ausführungsbeispiel verwirklicht werden. So könnte beispielsweise das Dielektrikum des Kondensators als Zahnrad ausgebildet sein und durch einen Motor oder eine Turbine zwischen den Kondensatorplatten angetrieben werden. Darüber hinaus wäre der Einsatz eines Zylinderkondensators möglich, der aus zwei gegeneinander rotierbaren, abwechselnd in Abschnitten aus leitendem und dielektrischem Material gegliederten, koaxial ineinandergeschobenen zylindrischen Walzen besteht.
Der in den Zeichnungen dargestellte Generator lässt sich (nach allgemeinen Prinzipien) auch als Motor betreiben, wenn an die Klemmen --13-- eine Wechselspannung angelegt und den Rotorplatten --6-- des Kondensators --1-- bzw. der Kondensatorwelle--7-ein Anfangsdrehmoment erteilt wird, um die Resonanzbedingungen zu erfüllen. In der Folge kommt es dann zu positiven und negativen Aufladungen der Sektoren --10-- und zu elektrischen Abstossungskräften, die ein entsprechendes Drehmoment bedingen.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.