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Vorrichtung zum Umkehren der Polarität eines elektrostatischen Generators
Die Erfindung bezieht sich auf elektrostatische Generatoren mit zu induzierenden
leitenden Elektrizitätsträgern und einer Erregermaschine und betrifft im besonderen
eine für derartige Generatoren verwendbare Vorrichtung zur Umkehrung ihrer Polarität.
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Bekanntlich laufen diese elektrostatischen Generatoren bei Betriebsbeginn
unter der Einwirkung der in ihren Erregerpolen vorhandenen rückständigen Ladungen
an und können dabei, wenn man nicht besondere Maßnahmen trifft, die eine oder die
andere Polarität annehmen, und außerdem behalten sie die einmal angenommene Polarität
bis zu ihrem Anhalten bei.
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Die Erfindung bezweckt nun, eine Vorrichtung zu schaffen, «-elche
die periodische Umkehrung der Polarität eines elektrostatischen Generators der eingangs
erwähnten Art und gleichzeitig die willkürliche oder selbsttätige Festlegung der
gewünschten Polarität während eines und desselben normalen .Betriebes ermöglicht.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß in einfacher und zuverlässiger Weise
in der Hauptsache dadurch erreicht, daß in den die Ladebürsten des elektrostatischen
Generators und der Erregermaschine miteinander verbindenden elektrischen Stromkreis
ein Kondensator eingeschaltet wird, dessen Kapazität die Höchstkapazität überschreitet,
die zwischen einem Erregerpol und einem zu influenzierenden Elektrizitätsträger
des Generators auftreten kann.
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Bei dieser Anordnung wird, wenn der Generator in Gang gesetzt wird
und irgendeine Polarität
annimmt, der Potentialunterschied an den
Klemmen des Kondensators nach und nach zunehmen, während die durch die leitenden
Elektrizitätsträger des Generators bei jedem Arbeitszyklus mitgenommene Ladung allmählich
abnimmt, und, wenn diese Potentialdifferenz einen bestimmten Wert erreicht, wird
der Kondensator sich entladen und dabei den leitenden Elektrizitätsträgern des Generators
eine Ladung zuteilen, deren Vorzeichen gegensinnig zu dem Vorzeichen der von den
Elektrizitätsträgern ursprünglich beförderten Ladung ist. Dieses Spiel wiederholt
sich während der weiteren Drehung des Generators, wodurch dessen Polarität periodisch
wechselt.
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Man kann besondere Schalt- und Steuermittel vorsehen, um den Kondensator
nach Belieben ein-und ausschalten zu können oder seine selbsttätige Ein- und Ausschaltung
zu 'verwirklichen oder gegebenenfalls seine Wirkung auf eine einzige Polaritätsumkehrung.
zur Festlegung der Polarität des Generators in einem vorbestimmten Sinn in irgendeinem
Zeitpunkt des Betriebes der Maschine unabhängig von deren ursprünglicher Polarität
zu beschränken.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Vorrichtung nach der (Erfindung
beispielsweise in Anwendung bei einer zylindrischen elektrostatischen Maschine mit
zwei Läufern, d. h. mit zwei rotierenden Paaren von leitenden Belägen, die auf einem
gemeinsamen umlaufenden Körper angeordnet sind und die zu influenzierenden Elektrizitätsträger
der Maschine darstellen. Abb. i und 2 lassen die Benutzung der Vorrichtung nach
der Erfindung zur Erzielung einer periodischen Umkehrung der Polarität eines mit
einer Erregermaschine verbundenen elektrostatischen Generators erkennen.
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Abb. i ist ein Teillängsschnitt durch diesen Generator mit seinen
zwei Läufern, und Abb. 2 zeigt in Nebeneinanderanordnung und im Querschnitt die
beiden Läufer der Maschine nach Abb. i mit Angabe der elektrischen Verbindungen;
Abb.3 gibt eine Schaltungsanordnung wieder, mittels deren die Vorrichtung nach der
Erfindung zur beliebigen Festlegung der Polarität eines elektrostatischen Generators
verwendbar ist; Abb.4 stellt eine Abänderung der Schaltungsanordnung nach Abb. 3
dar,. bei .welcher die Polaritätsfestlegung für einen elektrostatischen Generator
'selbsttätig erfolgt.
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Der aus Abb. i und 2 ersichtliche elektrostatische Generator weist
zwei halbzylindrische Körper i und 2 auf, die auf zwei !Scheiben 3 und. 4 mit ihren
Enden aufliegen und zwei auf einem gemeinsamen Kern 5 aus Isolierstoff sitzende
Läufer mit Abstand umschließen. Der Isolierstoffkern 5 ist .auf eine . drehbare
Welle 6 aufgekeilt, . die in den beiden Scheiben 3 und 4 geführt ist. Der eine Läufer
wird durch. zwei halbzylindrische, zu influenzierende, leitende- Elektrizitätsträger
7 und 8 .gebildet, die auf der Umfläche .des zylindrischen Isolierstoffkerns 5 aufliegen
und mit den Halbzylinderkörpern i und 2 als Hauptgenerator zusammenarbeiten. Der
Halbzylinderkörper i wirkt dabei für denLäufer 7, 8 als Schirm und der Zylinderkörper
2 als induzierender Erregerpol. Die zu influenzierenden leitenden Elektrizitätsträger7,8
sind an dieKontaktsektoreng und io ange'schlossen, die auf dem Isolierstoffkern
5 angebracht sind und mit feststehenden Bürsten ii und iz zusammenarbeiten.
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Der zweite Läufer umfaßt zwei halbzylindrische, zu induzierende, leitende
Elektrizitätsträger 13 und 14, die auf dem Isolierstoffkern 5 in der Verlängerung
der Halbzylinder 7 und 8 liegen und parallel zur Achsrichtung der Maschine eine
geringere Länge als die Halbzylinder 7, 8 besitzen. Für diesen Läufer 13, 14 wirkt
der Halbzylinderkörper i als induzierender Erregerpol und der Halbzylinderkörper
2 als Schirm. Die leitenden Elektrizitätsträger 13 und 14 sind mit den Kontaktsektoren
15 und 16 verbunden, die auf dem Isolierstoffkern 5 angeordnet sind und mit den
feststehenden ,Bürsten 17 und 1,8 zusammenarbeiten. Der zweite Läufer 13, 14 bildet
mit den Halbzylinderkörpern i, 2 einen elektrostatischen Hilfsgenerator, für die
Erregung des Hauptgenerators 7, 8, z, 2. Die Gesamtheit der beiden Generatoren ist
gasdicht von einem zylindrischen Metallmantel ig umschlossen, in dessen Inneres
man Gas unter erhöhtem Druck einfüllt, Die Bürste i i des Hauptgenerators ist an
die eine Maschinenklemme 2oa über eine Leitung 21, den Halbzylinderkörper i und
eine isoliert durch den Metallmantel i g hindurchgeführte Leitung 22 angeschlossen.
Die Bürste 1a des Hauptgenerators ist durch eine den Mantel ig durchquerende und
von diesem isolierte Leitung 23a mit der einen Belegung 24.9 eines Kondensators
24 verbunden, dessen andere Belegung 24b durch eine Leitung 23b an den Metallmantel
ig Anschluß hat und dessen Kapazität weit größer als die zwischen einem Erregerpol
und einem leitenden Elektrizitätsträger des Hauptgenerators auftretende Höchstkapazität
ist. Die Bürste 17 des Hilfsgenerators anderseits steht durch eine Leitung 25 unmittelbar
mit .dem Metallmantel 19 und die Bürste 18 über eine Leitung 26 mit. dem
Halbzylinderkörper 2 in Verbindung. Die zweite Maschinenklemme tob ist an den Metallmantel
i9 angeschlossen, welche die Masse oder Erde darstellt.
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Die Maschine nach Abb. i und 2 arbeitet wie folgt: Es sei angenommen,.
daß die Läufer durch die Welle 6 in der Richtung des in Abb. 2 eingezeichneten Pfeils
in Umdrehung versetzt werden und ihre Ausgangsstellung der in Abb.2 wiedergegebenenLage
entspricht. Ferner sei vorausgesetzt, daß das Potential des Halbzylinderkörpers
i anfangs negativ und gleich - U und das :Anfangspotential des Halbzylinderkörpers
2 positiv und gleich -I- U-' ist und die Kapazität zwischen einem induzierenden
Erregerpol und einem influenzierten, leitenden Elektrizitätsträger der Maschine
den Wert C hat.
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Wenn der Kondensator 24 anfangs keine Ladung hat, teilt ihm der leitende
Elektrizitätsträger 8 unter der influenzierenden Einwirkung des Erregerpols 2 negative
Elektrizität mit. Wird der Kontakt zwischen dem Sektor 1o und der Bürste 12 unterbrochen,
so
führt der Elektrizitätsträger 8 somit eine negative Ladung mit sich, und die Elektrode
24a des Kondensators 24 befindet sich jetzt auf einem positiven Potential gegenüber
Masse. Dabei ist der Potentialunterschied an den Klemmen des Kondensators 24 viel
kleiner als der zwischen Erregerpol und Elektrizitätsträger bestehende Spannungsunterschied,
da die Kapazität zwischen diesen beiden Maschinenteilen viel geringer als die Kapazität
des Kondensators 24 ist. Der leitende Elektrizitätsträger 8 hat bei diesem ganzen
Vorgang infolge der Verbindung der Bürste 12 mit dem Kondensator 24 eine kleinere
Ladung als bei unmittelbarem Anschluß der Bürste 12 an Erde, d. h. eine den Wert
-C U unterschreitende Ladung, empfangen.
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Wenn bei der weiteren Drehung des Isolierstoffkerns 5 der Kontakt
zwischen dem 'Sektor io und der Bürste i i zustande kommt, wird die vom Elektrizitätsträger
8 mitgeführte Ladung an den äußeren Stromkreis über die Klemme 201 abgegeben, was
durch die Anwesenheit des Schirms i begünstigt wird, der auf das gleiche Potential
wie der Elektrizitätsträger 8 gebracht ist und so jeden Einfluß der Masse auf diesen
verhindert.
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Während dieser Zeit gibt der leitende Elektrizitätsträger 13 der Erregermaschine,
der beim Vorbeigehen am Erregerpol i unter Aufrechterhaltung seiner Verbindung mit
der Masse eine positive Ladung aufgenommen hat, diese Ladung über den Sektor 1ö
und die Bürste 18 an den als Schirm bei der Erregermaschine wirksamen Halbzvlinderkörper
2 ab, dessen. Potential dadurch auf dem für die Influenzierung des leitenden Elektrizitätsträgers
7 erforderlichen Wert gehalten wird. Dieser Elektrizitätsträger 7 empfängt, wenn
er sich dem Erregerpol 2 gegenüber befindet, eine Ladung, die geringer als die vorher
vom Elektrizitätsträger 8 mitgeführte Ladung ist. Der Potentialunterschied an den
Klemmen des Kondensators 24 ist nämlich infolge der Ladung, die dann der -leitende
Elektrizitätsträger aufnimmt, gegenüber dem Potentialunterschied gewachsen, der
an diesen Klemmen im Augenblick der Kontaktunterbrechung zwischen dem Sektor io
und der Bürste bestanden hat. Die Aufladung des Elektrizitätsträgers 7 erfolgt daher
nicht mehr unter der Einwirkung des Potentialunterschiedes zwischen Erregerpol und
Masse, sondern einer gegenüber diesem Potentialunterschied um die dazu gegensinnige
Klemmenspannung des Kondensators 24 verminderten Spannung.
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Der leitende Elektrizitätsträger 7 gibt dann diese verringerte Ladung
an den äußeren Stromkreis ab, den die Maschine speist, und das Siel dieser Vorgänge
wiederholt sich bei .der weiteren Drehung der Läufer der Maschine, so daß die von
den leitenden Elektrizitätsträgern 7 und 8 dem äußeren Stromkreis in Aufeinanderfolge
mitgeteilten Ladungen schrittweise abnehmen. Infolgedessen sinkt auch die Spannung
an den Klemmen 20a, tot' der Maschine, und dies um so mehr, als das Potential
des mit der Klemme 20" verbundenen induzierenden Pols i der Erregermaschine in entsprechender
Weise abnimmt, was eine allmähliche Verminderung der Leistung der Erregermaschine
und dadurch sowie wegen der Potentialverluste am Erregerpol 2 auch eine Verkleinerung
der Leistung des Hauptgenerators zur Folge hat.
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Wenn :die Leistung des Hauptgenerators und seiner Erregermaschine
sehr nahe dem Wert Null ist, tritt ein Augenblick ein, wo der Kondensator 24 beginnt,
die Elektrizitätsträger g und ro bei der Herstellung ihres .Anschlusses an die Kondensatorklemme
24a positiv aufzuladen. Die Polarität des Halbzylinderkörpers i, der inWirkungsbeziehung
zu diesen Elektrizitätsträgern gebracht ist, wird daher ebenso wie die Polarität
der durch die Elektrizitätsträger 13 und 14 mitgeführten Ladungen umgekehrt, was
einen raschen Abfall des Potentials des Erregerpols 2 und dann den Wechsel seines
Vorzeichens hervorruft. Der Kondensator 24 entladet sich vollständig, und dann wiederholt
sich der beschriebene Arbeitszyklus, jedoch mit Potentialen von entgegengesetztem
Vorzeichen, für alle Teile der Maschine bei deren weiterem Gang. Der Kondensator
24 ladet sich wieder auf, sein Belag 24a wird dann negativ, die durch die leitenden
Elektrizitätsträger 7, 8 dem äußeren Stromkreis über die Klemme 2oa mitgeteilten
positiven Ladungen nehmen allmählich wieder ab, und die Polarität der Maschine wird
von neuem umgekehrt, und so setzt sich das Spiel der Vorgänge fort.
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In ähnlicher Weise kann man einen periodischen Polaritätswechsel der
Maschine dadurch erzielen, daß man einen Kondensator zwischen die Bürste 17 der
Erregermaschine und die Masse einschaltet, statt ihn zwischen der Masse und der
Bürste 12 des Hauptgenerators vorzusehen. Die Periode der Polaritätswechsel ist
vor allem durch die Kapazität des Kondensators und seine Isolierung bestimmt und
um so größer, je höher seine Kapazität und je besser seine Isolierung ist. Man kann
daher diese Periode insbesondere durch Änderung der Kapazität und. gegebenenfalls,
des Verluststroms mittels eines hohen, im Nebenschluß zum Kondensator liegenden
Widerstandes regeln, wie dies der in Abb.2 gestrichelt wiedergegebene Widerstand
27 andeutet.
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Vorteilhaft ist es, in allen Fällen eine Möglichkeit für Stromentweichung
entweder durch einen hohen Widerstand oder auch z. B. durch eine in den Lieferstromkreis
der Maschine eingeschaltete Vorrichtung mit dunkler Entladung zu schaffen, da die
Vorrichtung nach der Erfindung nicht eine Umkehrung der Polarität hervorrufen kann,
wenn der Widerstand des Lieferstromkreises zu hoch ist. Ferner empfiehlt es sich,
einen Spannungsbegrenzer wie z. B. einen selbsttätigen Unterbrecher oder eine kleine
Funkenstrecke mit Gasionisierung in Abzweigung von den Klemmen des Kondensators
24 vorzusehen, um zu vermeiden, daß das Dielektrikum des Kondensators unter der
Einwirkung einer auf eine zu starke Aufladung der Kondensatorbeläge folgende Entladung
durchlöchert wird.
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Die Anwendung der Vorrichtung nach der Erfindung zur beliebigen Festlegung
der Polarität
:eines- elektrostatischen Generators mit Erregermaschine
ist in einer Ausführungsform durch die Schaltanordnung nach Abb. 3 veranschaulicht,
bei der die aus Abb. i und 2 übernommenen Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie
dort bezeichnet sind. " Gemäß Abb. 3 ist von den Klemmen des Kondensators-24, dessen
Belag 24a über die Leitung 23a an die eine Bürste des von dem Metallmantel ig umgebenen
elektrostatischen Generators mit den Klemmen 2oa, - tob angeschlossen ist, ein Druckknopfschalter
31 abgezweigt, der in seiner Ruhestellung den Kondensator 2r4 kurzschließt. Ferner
liegt in der den Kondensatorbelag 24b mit dem Mäntel ig der Maschine verbindenden
Leitung 23b eine Lumineszenzentladungsröhre 32, zu der ein Widerstand 33 'einen
Nebenschluß bildet. Die Röhre 32, - die -von an "sich bekannter Bauart ist,- enthält
zwei gleiche .Elektroden, von denen die beim Stromdurchgang durch die Röhre als
Kathode wirksame Elektrode vors einer leuchtenden Hülle umgeben ist und dadurch
sofort den Richtungssinn des Stromdurchgangs erkennen läßt: -Die Vorrichtung nach
Abb. 3 arbeitet wie folgt: Werin` die Maschine in Gang gesetzt wird und durch die
rückständigen Ladungen ihrer Erregerpole auf Spannung-gekommen ist, wird ihre anfangs
beliebige Polarität durch die Lumineszenzröhre 32 angezeigt. Entspricht -diese Polarität
der -gewünschten Polarität, so ist keine weitere Maßnahme erforderlich. Im gegenteiligen
Fall drückt man auf den Knopf des Schalters 31, wodurch der Kondensator in dem Stromkreis'-
der Maschine wirksam wird. Es treten dann die anläßlich der Erläuterung von Abb.
i und 2 beschriebenen Vorgänge auf, die zur Umkehrung " der Polarität der Maschine
führen. Im Maße des Fortschreitens dieser Vorgänge zeigt sich ein mehr und mehr
zunehmendes Schrumpfen der leuchtenden Hülle, welche die als Kathode arbeitende
Elektrode der Röhre 32 umgibt, was andeutet, daß die Maschine allmählich in ihrer
Spannung abnimmt. Die leuchtende Hülle tritt dann an der anderen Elektrode der Röhre
32 auf, und dies ist ein Anzeichen dafür, daß die Maschine im anderen Richtungssinn
wieder auf .Spannung kommt. Wenn der leuchtende Schein, der von der einen zur anderen
Elektrode übergeht, an der von ihm zuerst umhüllten Elektrode vollkommen erloschen
ist und seine maximale Helligkeit an der anderen Elektrode der Röhre 3z erreicht
hat, läßt man den Druckknopf des Schalters 31 los, wodurch der Kondensator 24 wieder
kurzgeschlossen und damit unwirksam gemacht wird, so daß die erreichte Polarität
der Maschine bestehen bleibt.
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Soll die Polarität der Maschine von vornherein irl endgültiger Weise
festgelegt werden, so kann man .die Vorrichtung nach der Erfindung in der Schaltanordnung
nach Abb.4 verwenden, welche selbsttätig den Kondensator 24 nach Bedarf wirksam
und unwirksam macht und bei der die auch in Abb. i, -2. und 3 -vorkommenden Teile
die gleichen Bezugsziffern, wie dort aufweisen. Gemäß Abb.4 liegt im Nebenschluß
zum Kondensator 2,4 eine Diode .34, bei der die Anode und die Kathode so geschaltet
sind, daß der Strom durch die Diode in dem der gewünschten Polarität entsprechenden
Richtungssinn hindurchgeht. Beispielsweise ist nach Abb.4 die Anordnung so getroffen,
daß sich ein negatives Potential für die Klemme 20a der Maschine ergibt.
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Nenn die Maschine bei ihrem Anlassen im gewünschten Richtungssinn
auf Spannung kommt, geht der Strom durch die Diode 34, und der dadurch kurzgeschlossene
Kondensator 24 bleibt ohne Wirkung. Wenn jedoch die Maschine beim Anlaufen die entgegengesetzte
Polarität annimmt und daher der Klemme 20a ein positives Potential zu erteilen sucht,
ist die Diode 34 für den Stromdurchgang gesperrt, so daß der Kondensator 24 wirksam
wird und sich nach und nach aufladet. "Die anläBlich Abb. i und 2 geschilderten,
den Polaritätswechsel herbeiführenden Vorgänge spielen sich nunmehr bei der Schaltung
nach Abb. 4 ab und ergeben die gewünschte Polarität der Maschine. Die Diode 34 wird
darauf leitend und der demgemäß wieder kurzgeschlossene Kondensator 24 unwirksam,
so daß die erreichte Polarität bestehen bleibt. Vorteilhaft ist es, mit der Diode
34 einen Widerstand 35 in Reihe zu schalten, um die Zerstörung der Diode durch eine
unzeitige Entladung des Kondensators zu vermeiden.
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An Stelle der nur beispielsweise angeführten Diode 34 kann man jedes
andere elektrische Gerät verwenden, das den Durchgang eines Stroms in .dem einen
Richtungssinn - bei der höchstmöglichen Spannung zwischen den Kondensatorklemmen
zu verhindern vermag, aber einen beliebigen Strom in der Gegenrichtung frei durchtreten
läßt.