DE19632679A1 - Electrostatic motor with at least one electrode and two stator electrodes for generating mechanical torque - Google Patents
Electrostatic motor with at least one electrode and two stator electrodes for generating mechanical torqueInfo
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Abstract
Description
In den "Annalen der Physik und Chemie", Band 139, Jahrgang 1870 wird vom Verfasser J.C. Poggendorff in dem Aufsatz "Über das Holtz′sche Rotationsphänomen" die experimentelle Beobachtung beschrieben, daß sich bestimmte Ausführungsformen eines Influenzgenerators auch als Motor betreiben lassen, wenn sie aus einer geeigneten Hochspannungsquelle gespeist werden. Poggendorff untersuchte dieses Phänomen an einem speziell angefertigten Versuchsaufbau.In the "Annals of Physics and Chemistry", volume 139, year In 1870 the author J.C. Poggendorff in the essay "About the Holtz rotation phenomenon" the experimental Observation described that certain Embodiments of an influence generator also as a motor operate if they come from a suitable High voltage source can be fed. Poggendorff examined this phenomenon on a specially made Experimental setup.
Später wurden weitere elektrostatische Motorkonstruktionen wie die des Dänen Christiansen, des Amerikaners McVay oder der "Elektrische Tourbillon" von W. Grüel bekannt, um nur die grundlegenden Beispiele zu nennen.Later, more electrostatic motor designs were made like that of the Danish Christiansen, the American McVay or the "Electric Tourbillon" by W. Grüel known to only to give the basic examples.
Bei diesen Motoren werden über Kontakt-Bürsten oder Korona-Kämme elektrische Ladungen auf den Rotor oder bestimmte Rotorsegmente aufgebracht, die dann bezogen auf die Ladungen der Statoranordnung "durch die bekannten elektrischen Attractionen und Repulsionen", wie Poggendorff in den Annalen der Physik schreibt, ein mechanisches Drehmoment generieren.With these motors, contact brushes or corona combs are used electrical charges on the rotor or certain Rotor segments applied, which are then related to the Charges of the stator arrangement "by the known electrical attractions and repulsions ", as Poggendorff writes in the annals of physics, a mechanical one Generate torque.
Man vermißt in sämtlichen historischen Arbeiten zu diesem Thema eine quantitative Beschreibung der energetischen Verhältnisse.One misses in all historical works on this Subject a quantitative description of the energetic Relationships.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die bei allen bisher bekannten (mit einer Gleichspannung gespeisten) Anordnungen in den Rotor-Totpunkten anfallenden Umladungs-Verluste zu vermeiden und durch die Einführung zusätzlicher Influenzelektroden eine universelle Maschine zu erhalten, die z. B. als Spannungswandler zur Erzeugung extrem hoher Potentiale eingesetzt werden kann.The aim of the present invention is that of all previously known (supplied with a DC voltage) Arrangements in the transhipment losses occurring at the rotor dead centers to avoid and by introducing additional Influence electrodes to get a universal machine the z. B. as a voltage converter for generating extremely high Potentials can be used.
Zunächst werden die grundlegenden Zusammenhänge mit Hilfe
der Funktionsskizzen Fig. 1 bis Fig. 5 dargestellt:
In allen Beispielen werden Aufgabestellungen wie die der
Drehzahlregelung o. ä. nicht behandelt, da sie mit üblichen
Lösungsansätzen zu bewältigen sind.First, the basic relationships are shown with the help of the functional sketches Fig. 1 to Fig. 5:
In all examples, tasks such as speed control or the like are not dealt with, since they can be dealt with using conventional solutions.
In der Fig. 1 sind B und C feststehende Stator-Elektroden in Form eines Zylinder-Abschnittes, die sich jeweils über einen bestimmten Winkelbereich (hier: 120 Grad) erstrecken. In Fig. 1 B and C are fixed stator electrode in the form of a cylinder portion, each extending over a predetermined angular range (in this case 120 degrees) extend.
B und C sind mit dem Kondensator Cq verbunden. Cq ist geladen und stellt in diesem einfachen Modell die elektrische Antriebsenergie zur Verfügung. Auf seinen Elektroden befinden sich die Ladungen +Qq bzw. -Qq. Die Kondensatorspannung Uq beträgt damit Qq/Cq.B and C are connected to the capacitor Cq. Cq is loaded and represents the in this simple model electrical drive energy available. On his Electrodes are the charges + Qq or -Qq. The The capacitor voltage Uq is therefore Qq / Cq.
Das ebenfalls zylindrisch ausgebildete Rotorelement A ist drehbar und elektrisch isoliert auf einer Achse gelagert, über die das mechanische Drehmoment abgegeben werden kann (das übliche zweite Rotorelement wird aus Gründen der Übersicht weggelassen). Diese mechanische Konstruktion ist in Fig. 1 nicht eingezeichnet, da sie für die Funktionsbeschreibung unerheblich ist.The likewise cylindrical rotor element A is rotatably and electrically insulated on an axis via which the mechanical torque can be output (the usual second rotor element is omitted for reasons of clarity). This mechanical construction is not shown in FIG. 1 since it is irrelevant for the description of the function.
Alle Elemente A, B und C haben in axialer Richtung die gleiche Abmessung. Der Abstand zwischen Rotor- und Stator platten ergibt sich aus der Differenz der Radien des Stators und des Rotors.All elements A, B and C have the in the axial direction same dimension. The distance between the rotor and stator is the difference between the radii of the Stator and the rotor.
In der gezeichneten Stellung (Bereich 0 < α < π) ist A mit B elektrisch verbunden. Dies ist aus Gründen der Anschau lichkeit (auch in den folgenden Figuren) in der Form eines flexiblen Verbindungsdrahtes zwischen dem positiven Kondensatoranschluß und der Rotorelektrode A dargestellt. In realen Ausführungen sind zu diesem Zweck Kontaktbürsten, Korona-Kämme o. ä. vorhanden, die hier nicht näher behandelt werden sollen.In the position shown (range 0 <α <π) A with B electrically connected. This is for illustrative purposes (also in the following figures) in the form of a flexible connecting wire between the positive Capacitor connection and the rotor electrode A shown. In real versions, contact brushes are used for this purpose, There are corona combs or similar that are not dealt with here should be.
Für die Funktionsweise ist die Ausführungsform der Rotor- und Stator-Elektroden nicht wesentlich. Lediglich aus Gründen der übersichtlichen Darstellbarkeit wurden in Fig. 1 (und auch in den folgenden Figuren) zylindrische Elemente gewählt.The embodiment of the rotor and stator electrodes is not essential for the mode of operation. Cylindrical elements were selected in FIG. 1 (and also in the following figures) solely for the sake of clarity.
Um größere Kapazitätswerte zwischen den Rotor- und Statorelementen zu erhalten, werden in realen Ausführungen vorzugsweise ineinandergreifende Plattenpakete verwendet.To larger capacitance values between the rotor and Obtaining stator elements are in real designs preferably interlocking plate packs used.
Die Kapazität zwischen A und C bzw. B und C sei in der dargestellten Rotorposition (α = 0) verglichen mit der Kapazität Cq vernachlässigbar klein. Mit dieser Verein fachung beträgt der elektrostatische Energieinhalt der Anordnung in Fig. 1:The capacitance between A and C or B and C in the rotor position shown (α = 0) is negligibly small compared to the capacitance Cq. With this simplification, the electrostatic energy content of the arrangement in Fig. 1 is:
Bei bekanntem Verlauf der Funktion der Rotor-Statorkapa zität Cac(α) lassen sich mit den gegebenen Anfangs bedingungen alle beteiligten elektrischen und mechanischen Größen (Drehmoment) als Funktion des Rotorwinkels α darstellen. If the function of the rotor stator capa is known cac (α) can be given with the given initial conditions all involved electrical and mechanical Quantities (torque) as a function of the rotor angle α represent.
Hier sollen jedoch lediglich die energetischen Verhältnisse bei bestimmten diskreten Rotorwinkeln betrachtet werden.However, only the energetic conditions should be mentioned here be considered at certain discrete rotor angles.
In Fig. 2 ist der einfache Motor in der Rotorposition α = π dargestellt, d. h. die Elektrode A befindet sich nun in der größten erreichbaren Nähe (Totpunkt) zur Statorelektrode C. Die leitende Verbindung zwischen A und dem positiven Anschluß von Cq hat im gesamten Bereich 0 < α < π ununterbrochen bestanden.In Fig. 2 the simple motor is shown in the rotor position α = π, ie the electrode A is now in the greatest attainable proximity (dead center) to the stator electrode C. The conductive connection between A and the positive connection of Cq has in the entire area 0 <α <π passed continuously.
A und C bilden jetzt einen Kondensator mit der Kapazität Cm. Die Größe von Cm läßt sich allein aus den geome trischen Abmessungen bestimmen, wie in allen einschlägigen Lehrbüchern nachzulesen ist.A and C now form a capacitor with the capacitance Cm. The size of cm can be determined solely from the geome Determine trical dimensions, as in all relevant Textbooks can be read.
Die Kondensatoren Cm und Cq werden zunächst als ideal angenommen, Verluste durch Leckströme nicht berücksichtigt. Die Ladungen auf der Rotor-Elektrode und den Stator-Flächen seien frei und praktisch verlustlos beweglich.The capacitors Cm and Cq are initially considered ideal assumed, losses due to leakage currents are not taken into account. The charges on the rotor electrode and the stator surfaces be free and move practically without loss.
Die Kapazität zwischen B und A bzw. B und C sei in dieser Winkelposition wiederum vernachlässigbar klein.The capacity between B and A or B and C is in this Angular position is again negligibly small.
Unter diesen Randbedingungen beträgt der elektrostatische Energieinhalt der Anordnung in Fig. 2:Under these boundary conditions, the electrostatic energy content of the arrangement in FIG. 2 is:
Die Energiedifferenz W1 = E1-E2 entspricht der im Bereich 0 < α < π gewonnenen mechanischen Energie (abgegebenes Drehmoment, Überwindung der Lagerreibung, Beschleunigung des Rotors).The energy difference W1 = E1-E2 corresponds to that in the area 0 <α <π mechanical energy (released Torque, overcoming bearing friction, acceleration of the rotor).
Man erhält nach trivialer Berechnung:According to a trivial calculation:
Falls vor Erreichen des Rotorwinkels α = π die elektrische Verbindung zwischen A und dem positiven Anschluß von Cq unterbrochen wird, ändert sich qualitativ nichts am beschriebenen Ablauf. Man erhält lediglich ein geringeres Drehmoment, da die Ladungsmenge Qm entsprechend der kleineren Rotor-Stator-Kapazität Cac zum Zeitpunkt der Unterbrechung ihren möglichen Maximalwert nicht erreicht. If, before reaching the rotor angle α = π, the electrical Connection between A and the positive terminal of Cq is interrupted, nothing changes qualitatively described procedure. You only get a lower one Torque, since the amount of charge Qm corresponds to the smaller rotor-stator capacity Cac at the time of Interruption did not reach its possible maximum value.
Im Rotorwinkelbereich π < α < 2π kann nun der oben beschriebene Vorgang mit vertauschten Statorelementen B und C erneut ablaufen.The one described above can now be used in the rotor angle range π <α <2π Process with interchanged stator elements B and C again expire.
Dazu muß in jedem Fall zunächst die Verbindung von A mit dem positiven Anschluß von Cq unterbrochen und dann eine Kontaktierung zwischen A und dem negativen Anschluß von Cq hergestellt werden.In any case, the connection of A with interrupted the positive connection of Cq and then one Contact between A and the negative terminal of Cq getting produced.
Im Rotor-Totpunkt α = π beträgt die zwischen Rotorelement A und Statorelement C gespeicherte Energiemenge:At rotor dead center, α = π is that between rotor element A. and stator element C stored amount of energy:
Bei den bisher bekannten, gleichspannungsgespeisten elektrostatischen Motoren geht diese Energie als Umladungsverlust (Umwandlung in Wärme) verloren, da die Rotor-Stator-Kapazität Cm im Rotor-Totpunkt üblicherweise über eine Funkenstrecke oder durch direkte Kontaktierung kurzgeschlossen wird.In the previously known, DC-powered electrostatic motors this energy goes as Charge loss (conversion to heat) lost because of the Rotor-stator capacitance Cm at the rotor dead center usually over a spark gap or through direct contact is short-circuited.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Energie-Anteil in den Rotor-Totpunkten zurückzugewinnen, bevor die Rotor- und Stator-Elemente leitend miteinander verbunden werden.An aim of the present invention is to use this energy portion recover at the rotor dead centers before the Rotor and stator elements conductively connected to each other will.
Diese Aufgabe läßt sich z. B. durch eine Schaltungsanordnung lösen, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.This task can be done, for. B. solve by a circuit arrangement as shown in Fig. 3.
Bei Erreichen der Winkelposition π wird in sehr kurzer Zeit (im Vergleich zur Umlaufzeit des Rotors) die Rotor-Stator-Kapazität Cm entladen, indem der Schalter Sr geschlossen wird. Die Funktion von Sr kann z. B. als mechanischer Kontakt, als Funkenstrecke oder als Halbleiterschalter ausgeführt werden.When the angular position π is reached in a very short time (compared to the orbital period of the rotor) the rotor-stator capacity Cm unloaded by closing the switch Sr. becomes. The function of Sr can e.g. B. as a mechanical Contact, as a spark gap or as a semiconductor switch be carried out.
Über die Spule Lr und die Diode Ds wird -abgesehen von unvermeidlichen ohmschen Verlusten- die gesamte Energie E3 auf den Kondensator Cr übertragen.The coil Lr and the diode Ds are - apart from inevitable ohmic losses- the total energy E3 transferred to the capacitor Cr.
Die Diode Dq übernimmt den abklingenden Spulenstrom, wenn die Spannung an Cm auf 0 abgesunken ist. Diode Ds verhindert ein Zurückfließen der Energie, falls Sr zu lange geschlossen bleibt.The diode Dq takes over the decaying coil current when the voltage at Cm has dropped to 0. Diode Ds prevents energy from flowing back if Sr is too long remains closed.
Die Größe von Lr ist unkritisch, solange die Periodendauer des resultierenden Schwingkreises (aus Lr und Cr) sehr klein gegenüber der Umlaufdauer des Rotors bleibt. The size of Lr is not critical as long as the period lasts the resulting resonant circuit (from Lr and Cr) very much remains small compared to the period of rotation of the rotor.
Möglichkeiten zur Weiterverwertung der jetzt nach Cr umgeladenen Energie E3 sollen hier nicht im Detail erörtert werden. Es bietet sich natürlich die Rückspeisung in die treibende Spannungsquelle an. Dies ist mit geeigneter Schaltungstechnik auf konventionelle Weise zu erledigen.Possibilities for recycling the now according to Cr reloaded energy E3 should not be discussed in detail here will. Of course, there is feedback in the driving voltage source. This is more appropriate To do circuitry in a conventional way.
In Fig. 4 und Fig. 5 ist schematisch ein zweites Beispiel für eine elektrostatische Motoranordnung skizziert, bei der 4 Statorelektroden E1, E2, F1, F2 und zwei Rotorelektroden D1, D2 vorhanden sind. F1 und F2 sind mit dem gemeinsamen Massepotential verbunden, die Spannungsversorgung der Statorelektroden E1 bzw. E2 erfolgt symmetrisch zum gemeinsamen Massepotential mit +Uq bzw. -Uq aus den zwei geladenen Kondensatoren Cq.In Fig. 4 and Fig. 5 shows schematically a second example of an electrostatic motor arrangement sketched, are available at the 4 stator electrodes E1, E2, F1, F2 and two rotor electrodes D1, D2. F1 and F2 are connected to the common ground potential, the voltage supply to the stator electrodes E1 and E2 takes place symmetrically to the common ground potential with + Uq and -Uq from the two charged capacitors Cq.
Die Fig. 4 zeigt die Rotorposition α = 0, während Fig. 5 die Rotorposition α = π/2 darstellt. FIG. 4 shows the rotor position α = 0, while FIG. 5 shows the rotor position α = π / 2.
Bezeichnet man die maximale Kapazität zwischen Rotor- und Statorelement wieder mit Cm, so gelten für jedes Rotorelement die weiter oben bereits angegebenen Beziehungen identisch, wegen der doppelten Anzahl an Elektroden gegenüber dem ersten Beispiel ist die im Bereich 0 < α < π/2 gewonnene mechanische Energie jedoch 2*W1.If one designates the maximum capacitance between the rotor and stator element again with Cm, then the relationships already given above apply identically to each rotor element; because of the double number of electrodes compared to the first example, the mechanical one obtained in the range 0 <α <π / 2 Energy however 2 * W1.
In allen Rotor-Totpunkten (0, π/2, π, 3π/2) wird die zwischen dem jeweiligen Rotor- und Statorelement verbleibende elektrostatische Energie zurückgewonnen, wie bereits weiter oben dargestellt.In all rotor dead centers (0, π / 2, π, 3π / 2) the between the respective rotor and stator element remaining electrostatic energy recovered, as before shown above.
Wesentlich am zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 und Fig. 5 ist die vollständige Ladungs- und Spannungssymmetrie der Funktionselemente bezogen auf das gemeinsame Massepotential.Substantially on the second embodiment of FIG. 4 and FIG. 5 is the full charge voltage, and symmetry of the functional elements relative to the common ground potential.
Das dritte Ausführungsbeispiel eines elektrostatischen Motors wird durch die Fig. 6 bis 11 in den unterschiedlichen Bewegungsphasen dargestellt.The third exemplary embodiment of an electrostatic motor is represented by FIGS. 6 to 11 in the different movement phases.
Es läßt sich unmittelbar durch entsprechende Erweiterungen aus dem zweiten Motor ableiten. Aus diesem Grund tragen die funktionsgleichen Elemente in beiden Beispielen identische Bezeichnungen.It can be done directly through appropriate extensions derive from the second motor. For this reason they wear functionally identical elements in both examples identical Designations.
A1, A2, A3, A4 und B1, B2, B3, B4 sind zusätzlich eingeführte Statorelemente, auf denen mittels der geladenen Rotorelemente durch Influenz Ladungen generiert werden, wie weiter unten beschrieben wird. Für die reine Motorfunktion sind sie unerheblich. A1, A2, A3, A4 and B1, B2, B3, B4 are additional introduced stator elements, on which by means of the loaded Rotor elements are generated by influencing charges, such as is described below. For the pure engine function they are irrelevant.
Wegen der besseren Übersicht werden (mit Ausnahme der Fig. 11) von den 6 vorhandenen Rotorelementen jeweils nur zwei (D1, D2) gezeigt und es werden auch nur die Wirkungen dieser zwei Rotorelemente untersucht.For the sake of a better overview (with the exception of FIG. 11) only two (D1, D2) of the 6 existing rotor elements are shown and only the effects of these two rotor elements are examined.
Zur Vereinfachung und zum Zweck anschaulicher Darstellbarkeit sei auch im dritten Realisierungsbeispiel zunächst vorausgesetzt, daß die Streukapazitäten zwischen benachbarten Statorelementen bzw. einem Rotorelement und einem entfernten Statorelement vernachlässigbar klein sind gegenüber der Rotor-Stator-Kapazität im Totpunkt (Cm) und den beiden geladenen Kapazitäten Cq, die wiederum die Antriebsenergie zur Verfügung stellen.For simplification and for the purpose more descriptive Representability is also in the third implementation example initially provided that the stray capacities between adjacent stator elements or a rotor element and a distant stator element are negligibly small compared to the rotor-stator capacitance at the dead center (Cm) and the two loaded capacities Cq, which in turn are the Provide drive energy.
In realen Motorkonstruktionen führen diese unvermeidlichen Streukapazitäten zu einer Reduzierung der maximal erreich baren Leistungsdaten, an der nachfolgend dargestellten prinzipiellen Funktionsweise ändern sie jedoch nichts.In real engine designs, these lead to inevitable Stray capacities to reduce the maximum achieved performance data, shown on the following In principle, however, they do not change anything.
Im dritten Realisierungsbeispiel sind insgesamt 12 Stator- Elemente vorhanden. Diese Anzahl kann natürlich variiert werden, ohne daß dies das Funktionsprinzip beeinflußt.In the third implementation example, a total of 12 stator Elements available. This number can of course vary without affecting the principle of operation.
Fig. 6 zeigt den Rotor in seiner Ausgangsposition α = 0. Die Kondensatoren C3+ und C3- seien in dieser Position entladen. Fig. 6 shows the rotor in its starting position α = 0. The capacitors C3 and C3 + are discharged in this position.
Die Elektroden D1 und E1 bzw. D2 und E2 sind jeweils im Bereich des Rotorwinkels 0 < α < π/6 elektrisch leitend miteinander verbunden.The electrodes D1 and E1 or D2 and E2 are each in the Range of rotor angle 0 <α <π / 6 electrically conductive connected with each other.
Wenn man die maximale Kapazität zwischen Rotor- und Statorelement wieder mit Cm bezeichnet, befinden sich in der zweiten Rotor-Totposition α = π/6 völlig identisch mit den beiden vorhergehenden Beispielen die Ladungsmengen +Qm bzw. -Qm auf den sich gegenüberstehenden Elektrodenpaaren D1/A1 bzw. D2/A3, da über die Dioden D3- bzw. D3+ diese Ladungsmengen auf die Statorelemente fließen konnten.If you have the maximum capacity between rotor and Stator element, again designated with Cm, are in the second rotor dead position α = π / 6 completely identical to the two previous examples the charge amounts + Qm or -Qm on the opposing pairs of electrodes D1 / A1 or D2 / A3, because of this via diodes D3- or D3 + Amounts of charge could flow onto the stator elements.
Dies wird in Fig. 7 dargestellt.This is shown in Fig. 7.
Unter Vernachlässigung der Diodendurchlaßspannung liegen die Rotorelemente A1 und A3 in dieser Rotorposition auf Massepotential.Neglecting the diode forward voltage the rotor elements A1 and A3 in this rotor position Ground potential.
Völlig identisch mit den vorangehenden Beispielen gelten wieder die Beziehungen:Apply completely identical to the previous examples relationships again:
Für den im Bereich des Rotorwinkels 0 < α < π/6 unter den beiden dargestellten Rotorelementen gewonnenen mechanischen Energieanteil gilt genauso:For that in the range of the rotor angle 0 <α <π / 6 under the mechanical elements obtained in the two rotor elements shown Energy share also applies:
Die Kontaktierung der Rotorelemente wird nun aufgehoben, D1 und D2 bewegen sich im gesamten Rotorwinkel-Bereich π/6 < α < 5π/6 mit der konstanten Ladungsmenge +Qm bzw. -Qm weiter, wie in den Fig. 8 und 9 dargestellt.The contacting of the rotor elements is now canceled, D1 and D2 move in the entire rotor angle range π / 6 <α <5π / 6 with the constant amount of charge + Qm or -Qm, as shown in FIGS . 8 and 9.
Im Mittel wird in diesem Winkelbereich kein mechanisches Drehmoment generiert, weil in dieser Phase aus den speisenden Kondensatoren Cq keine Energie entnommen wird und das elektrostatische Energieniveau E4 des Rotors in den Positionen α = π/6 und α = 5π/6 völlig identisch ist:On average, there is no mechanical in this angular range Torque generated because in this phase from the no energy is taken from the supplying capacitors Cq and the electrostatic energy level E4 of the rotor in the Positions α = π / 6 and α = 5π / 6 are completely identical:
Nach Erreichen der Winkelposition α = 5π/6 wird diese elektrostatische Energie in der weiter oben bereits beschriebenen Art wieder zurückgewonnen. Um dies zu verdeutlichen, sind in der Fig. 9 die dazu notwendigen Bauelemente aus der Fig. 3 noch einmal für beide Polaritäten eingezeichnet.After reaching the angular position α = 5π / 6, this electrostatic energy is recovered in the manner already described above. In order to clarify this, the components required for this from FIG. 3 are drawn in again for both polarities in FIG. 9.
Im Winkelbereich 5π/6 < α < π werden die Rotorelemente D1 und D2 mit dem Massepotential verbunden, wie in Fig. 10 angedeutet ist.In the angular range 5π / 6 <α <π, the rotor elements D1 and D2 are connected to the ground potential, as indicated in FIG. 10.
In diesem Winkelbereich wird wieder ein mechanisches Drehmoment generiert. Bei Erreichen der Winkelposition π gelten für die Rotorladung Qn und die neue Ladung Qs auf den Kondensatoren Cq die Beziehungen:In this angular range there is again a mechanical one Torque generated. When the angular position π is reached apply to the rotor charge Qn and the new charge Qs the capacitors Cq the relationships:
Für den im Bereich des Rotorwinkels 5π/6 < α < π unter den beiden dargestellten Rotorelementen gewonnenen mechanischen Energieanteil gilt wieder entsprechend:For that in the range of the rotor angle 5π / 6 <α <π under the mechanical elements obtained in the two rotor elements shown The proportion of energy again applies accordingly:
Bevor der gesamte Ablauf mit vertauschten Rotorelementen D1, D2 erneut stattfinden kann, wird wiederum der in den beiden Rotor-Stator-Kapazitäten Cm gespeicherte Energie anteil E5 zurückgewonnen:Before the entire process with reversed rotor elements D1, D2 can take place again, the turn in the stored rotor-stator capacitances Cm share of E5 recovered:
Die Fig. 11 zeigt alle 6 Rotorelemente, die mit einem Winkelversatz von π/3 alle oben beschriebenen Bewegungs phasen nacheinander durchlaufen. Fig. 11 shows all 6 rotor elements which pass through all the above-described movement phases in succession with an angular offset of π / 3.
Die abgegebene mechanische Motorleistung verdreifacht sich entsprechend gegenüber dem Rotor mit nur 2 Elementen.The mechanical engine power delivered triples correspondingly compared to the rotor with only 2 elements.
Die Energie der beiden Antriebs-Kondensatoren Cq wäre nach einigen Rotorumdrehungen weitgehend aufgebraucht. Aus diesem Grund müssen für den kontinuierlichen Betrieb diese Kondensatoren entweder zyklisch nachgeladen oder durch eine Festspannungsquelle ersetzt werden. In Fig. 11 sind Festspannungsquellen Uv eingezeichnet.The energy of the two drive capacitors Cq would be largely used up after a few rotations of the rotor. For this reason, these capacitors must either be recharged cyclically or replaced by a fixed voltage source for continuous operation. Fixed voltage sources Uv are shown in FIG .
Hiermit ist die Beschreibung der reinen Motorfunktionen des dritten Ausführungsbeispiels abgeschlossen.This is the description of the pure engine functions of the third embodiment completed.
In der europäischen Patentanmeldung EP 0 722 213 A2 mit dem Titel "Elektrostatischer Generator" wird ein Influenzgenerator mit mindestens einer Rotor- und zwei Statorelektroden beschrieben, bei dem die geschaltete Energieentnahme nur in den Winkelpositionen erfolgt, an denen sich das elektrostatische Energieniveau des Rotors in seinem Minimum befindet.In European patent application EP 0 722 213 A2 with the Title "Electrostatic Generator" is a Influence generator with at least one rotor and two Stator electrodes described, in which the switched Energy is only drawn in the angular positions which are the electrostatic energy level of the rotor is at its minimum.
Das mit einer bestimmten Ladung versehene Rotorelement generiert dabei alternierend auf der ersten und zweiten Statorelektrode durch Influenz eine gleichgroße Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen, die dann bei Weiterbewegen des Rotors in einem jeweils dafür vorgesehenen Kondensator gesammelt wird.The rotor element with a specific charge generated alternately on the first and second Stator electrode with an equally large charge due to influence opposite sign, which then move on of the rotor in a respective condenser is collected.
Die in jener Patentantanmeldung wesentlichen elektrischen und mechanischen Größen sind dabei als Funktion des Rotorwinkels α explizit angegeben.The essential electrical ones in that patent application and mechanical quantities are a function of the Rotor angle α explicitly specified.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das in der o.a. Patentanmeldung beschriebene Generatorprinzip mit den weiter oben ausführlich dargestellten Grundlagen eines elektrostatischen Motors in vorteilhafter Weise konstruktiv zu verbinden. The aim of the present invention is that in the o.a. Patent application described generator principle with the Fundamentals of a detailed above electrostatic motor in an advantageous manner constructive connect to.
Daraus ergibt sich z. B. die Möglichkeit, aus einer mäßig hohen Spannung für den Antrieb des elektrostatischen Motors ein sehr hohes Spannungspotential oder auch sehr hochgespannte Impulse für z. B. Zündzwecke usw. zu gewinnen.This gives z. B. the possibility of a moderate high voltage for driving the electrostatic motor a very high voltage potential or very tense impulses for z. B. ignition purposes etc. to win.
Dies wird nachfolgend näher beschrieben. Wie bereits bei der Darstellung der Motor-Funktionen sollen auch hier wieder aus Gründen der Anschaulichkeit die energetischen Gegebenheiten nur an einigen definierten Positionen des Rotors beschrieben werden.This is described in more detail below. As with the representation of the motor functions should also here again for reasons of clarity the energetic Conditions only in some defined positions of the Rotors are described.
Da die Vorgänge für beide Ladungspolaritäten völlig identisch sind, genügt die Betrachtung eines einzigen der beiden geladenen Rotorelemente. Es werden zum einfacheren Vergleich mit der Patentanmeldung EP 0 722 213 A2 für die beteiligten Funktionselemente weitgehend identische Bezeichnungen verwendet.Since the processes for both charge polarities completely are identical, the consideration of a single one is sufficient two loaded rotor elements. It will be easier Comparison with the patent application EP 0 722 213 A2 for the Functional elements involved are largely identical Designations used.
Ausgangspunkt ist die in Fig. 7 dargestellte Rotorposition α = π/6, die Kontaktierung der Rotorelektrode D2 sei bereits aufgehoben, die beiden Schalter S3+ und S4+ sind geöffnet.The starting point is the rotor position α = π / 6 shown in FIG. 7, the contacting of the rotor electrode D2 is already canceled, the two switches S3 + and S4 + are open.
Auf D2 befindet sich die Ladungsmenge -Qm, auf dem zugehörigen Statorelement A3 eine gleichgroße positive Ladungsmenge +Qm.The charge quantity -Qm is on D2, on which associated stator element A3 an equally large positive Amount of charge + sqm.
Während sich der Rotor zur Position α = π/3 bewegt, werden diese Ladungen auf A3 frei. Sie können wegen der Sperrwirkung der Diode D3+ jedoch nicht nach Masse abfließen und sammeln sich auf dem Kondensator C3+.As the rotor moves to position α = π / 3, these charges on A3 free. You can because of Blocking effect of the diode D3 +, however, not to ground drain off and collect on the capacitor C3 +.
Die Kapazitäten C3+, C5+, C3- und C5- müssen nicht zwingend als konkrete Bauelemente vorhanden sein, sondern können auch durch die konstruktiv definierte Kapazität zwischen den Statorelektroden und einer leitenden äußeren Gehäusewand gebildet werden.The capacities C3 +, C5 +, C3- and C5- do not have to be be present as concrete components, but can also by the constructively defined capacity between the stator electrodes and a conductive outer Housing wall are formed.
Über die Diode D5+ fließen während dieser Rotorbewegung entsprechend dem Influenzprinzip gleichzeitig positive Ladungen zur Statorelektrode B3.The diode D5 + flows during this rotor movement according to the principle of influence, positive at the same time Charges to the stator electrode B3.
Bei Erreichen der Rotorposition α = π/3 befindet sich die gesamte Ladungsmenge +Qm der Statorelektrode A3 auf C3+, auf B3 ist durch Influenz ebenfalls die Ladung +Qm gebunden.When the rotor position α = π / 3 is reached total amount of charge + Qm of stator electrode A3 on C3 +, on B3 the charge is also + Qm due to influence bound.
Die Spannung am Kondensator C3+ beträgt damit Qm/C3+. Sie läßt sich also durch die Höhe der (Motor-)Speisespannung und das Kapazitätsverhältnis Cm/C3+ genau festlegen. The voltage across capacitor C3 + is therefore Qm / C3 +. It can therefore be determined by the level of the (motor) supply voltage and the capacity ratio Cm / C3 + exactly establish.
Durch kurzzeitiges Schließen des Schalters S3+ wird nun die im Kondensator C3+ vorhandene Energie E6 mittels einer bereits weiter oben ausführlich beschriebenen Schaltungs anordnung (D1+, D2+, L1+) auf den Kondensator C6+ und den Verbraucher RL+ übertragen:By briefly closing switch S3 + the Energy E6 present in capacitor C3 + by means of a circuit already described in detail above arrangement (D1 +, D2 +, L1 +) on the capacitor C6 + and the Transfer consumer RL +:
Während sich dann der Rotor aus der Position α = π/3 zur Position α = π/2 bewegt, läuft dieser Vorgang erneut völlig identisch mit den dann beteiligten Statorelementen B3 und A4 ab. In der Rotorposition α = π/2 wird wiederum die Energiemenge E6 des Kondensators C5+ durch kurzzeitiges Schließen des Schalters S4+ an den Verbraucherstromkreis übertragen.Then the rotor moves from the position α = π / 3 to Position α = π / 2 moves, this process runs again completely identical to the then involved stator elements B3 and A4 off. In the rotor position α = π / 2 the turn Energy quantity E6 of the capacitor C5 + due to short-term Close switch S4 + on the consumer circuit transfer.
Je nach Anzahl der vorhandenen Influenzelektroden An, Bn wiederholt sich dieser Ablauf, bis das Rotorelement D2 die Position der Statorelektrode F2 erreicht hat.Depending on the number of influent electrodes An, Bn this process is repeated until the rotor element D2 Position of the stator electrode F2 has reached.
Wenn der Rotor mit 6 Elektroden (im Winkelabstand π/3) bestückt ist, erhöht sich entsprechend die je Winkelschritt übertragene Ladungsmenge und Energie, da die beteiligten Statorelemente An bzw. Bn parallel geschaltet sind.If the rotor with 6 electrodes (at an angular distance π / 3) populated, increases accordingly per angular step transferred amount of charge and energy because of the involved Stator elements An and Bn are connected in parallel.
Wird die gesamte Anordnung, zumindest jedoch der Rotor und die Stator-Elemente, in ein hermetisch dichtes, evakuiertes Gehäuse eingeschlossen, werden unkontrollierte Funkenüberschläge und Korona-Entladungen vermieden. Es empfiehlt sich in diesem Fall, das Drehmoment über eine geeignete Magnetkupplung durch die Gehäusewand zu übertragen. If the entire arrangement, but at least the rotor and the stator elements, in a hermetically sealed, evacuated Enclosures included become uncontrolled Sparks and corona discharges avoided. It In this case, it is recommended that the torque be exceeded suitable magnetic coupling through the housing wall transfer.
Die beigefügten 11 Skizzen verdeutlichen den technischen Sachverhalt der Erfindung. Es folgt die Kennzeichnung der Figuren:The attached 11 sketches illustrate the technical Facts of the invention. The labeling follows of the figures:
Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung (Schnitt) der Grundform eines elektrostatischen Motors in der ersten Bewegungsphase (Rotorwinkel = 0). Fig. 1 shows the schematic representation (section) of the basic shape of an electrostatic motor in the first movement phase (rotor angle = 0).
Fig. 2 stellt die schematisierte Grundform des elektro statischen Motors in der zweiten Bewegungsphase dar (Rotorwinkel = π). Fig. 2 shows the schematic basic form of the electrostatic motor in the second movement phase (rotor angle = π).
Fig. 3 zeigt ein Schaltungsbeispiel zur Rückgewinnung der in den Totpunkten zwischen Rotor- und Statorelektrode verbleibenden elektrostatischen Feldenergie. FIG. 3 shows a circuit example for the recovery of the electrostatic field energy remaining in the dead centers between the rotor and stator electrodes.
Fig. 4 zeigt die bipolare Variante eines elektrostatischen Motors mit einem positiv und einem negativ geladenen Rotorelement in der 1. Bewegungsphase (Rotorwinkel = 0). Fig. 4 shows the bipolar variant of an electrostatic motor having a positively and a negatively charged rotor member in the first movement phase (rotor angle = 0).
Fig. 5 zeigt die Motorvariante aus Fig. 4 in der zweiten Bewegungsphase (Rotorwinkel = π/2). FIG. 5 shows the motor variant from FIG. 4 in the second movement phase (rotor angle = π / 2).
Fig. 6 stellt die um 8 Influenzelektroden erweiterte bipolare Motorvariante in der ersten Bewegungsphase (Rotorwinkel = 0) dar. Zur besseren Übersicht werden zunächst nur 2 der sechs vorhandenen Rotorelemente gezeigt. FIG. 6 shows the bipolar motor variant expanded by 8 influence electrodes in the first movement phase (rotor angle = 0). For a better overview, only 2 of the six existing rotor elements are shown at first.
Fig. 7 zeigt den Motor aus Fig. 6 in der zweiten Bewegungsphase (Rotorwinkel = π/6). FIG. 7 shows the motor from FIG. 6 in the second movement phase (rotor angle = π / 6).
Fig. 8 zeigt den Motor aus Fig. 6 in der dritten Bewegungsphase (Rotorwinkel = π/3). FIG. 8 shows the motor from FIG. 6 in the third movement phase (rotor angle = π / 3).
Fig. 9 zeigt den Motor aus Fig. 6 in der sechsten Bewegungsphase (Rotorwinkel = 5π/6), in der die zwischen Rotor- und Statorelektrode verbleibende elektrostatische Feldenergie zurückgewonnen wird. FIG. 9 shows the motor from FIG. 6 in the sixth movement phase (rotor angle = 5π / 6), in which the electrostatic field energy remaining between the rotor and stator electrodes is recovered.
Fig. 10 zeigt den Motor aus Fig. 6 in der siebten Bewegungsphase (Rotorwinkel = π). FIG. 10 shows the motor from FIG. 6 in the seventh movement phase (rotor angle = π).
Fig. 11 zeigt den Motor aus Fig. 6 mit allen sechs Rotorelektroden. Die Ladekondensatoren sind jetzt durch Festspannungsquellen ersetzt. FIG. 11 shows the motor from FIG. 6 with all six rotor electrodes. The charging capacitors are now replaced by fixed voltage sources.
Claims (10)
- a) daß die wieder frei werdenden Ladungen der zusätzlichen Influenzelektrode(n) mittels geeigneter Schaltmittel zunächst in einem Stator-Kondensator (C3x, C5x) gesammelt werden
- b) und daß mittels geeigneter Schaltelemente dieser Kondensator während definierter Bereiche der Rotorposition für die influenzierten Ladungen elektrisch leitend über brückt wird
- c) und daß eine Energieentnahme aus diesem Stator-Kondensator (C3x, C5x) nur dann erfolgt, wenn die Kapazität zwischen Influenz-Elektrode(n) und Rotor-Element(en) ihr Minimum erreicht hat.
- a) that the again released charges of the additional influence electrode (s) are first collected by means of suitable switching means in a stator capacitor (C3x, C5x)
- b) and that by means of suitable switching elements, this capacitor is electrically conductively bridged over defined areas of the rotor position for the influenced charges
- c) and that energy is drawn from this stator capacitor (C3x, C5x) only when the capacitance between the influence electrode (s) and rotor element (s) has reached its minimum.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1996132679 DE19632679A1 (en) | 1996-08-14 | 1996-08-14 | Electrostatic motor with at least one electrode and two stator electrodes for generating mechanical torque |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1996132679 DE19632679A1 (en) | 1996-08-14 | 1996-08-14 | Electrostatic motor with at least one electrode and two stator electrodes for generating mechanical torque |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19632679A1 true DE19632679A1 (en) | 1998-02-19 |
Family
ID=7802563
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1996132679 Withdrawn DE19632679A1 (en) | 1996-08-14 | 1996-08-14 | Electrostatic motor with at least one electrode and two stator electrodes for generating mechanical torque |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19632679A1 (en) |
-
1996
- 1996-08-14 DE DE1996132679 patent/DE19632679A1/en not_active Withdrawn
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