DE1112570B

DE1112570B - Electrostatic rotating field motor

Info

Publication number: DE1112570B
Application number: DEH17617A
Authority: DE
Inventors: Georg A Holzapfel
Original assignee: GEORG A HOLZAPFEL
Current assignee: GEORG A HOLZAPFEL
Priority date: 1953-07-21
Filing date: 1953-07-21
Publication date: 1961-08-10

Description

Elektrostatischer Drehfeldmotor Gegenstand der Erfindung ist ein elektrostatischer Drehfeldmotor für kleine Leistungen.Electrostatic rotating field motor The invention relates to an electrostatic motor Rotary field motor for small powers.

In den bekannten, an eine Wechselspannung angeschlossenen, elektrischen Motoren wird das Drehmoment am Rotor in der Regel durch die Kraft erzeugt, die ein Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter ausübt. In der einfachsten Ausführung eines elektrischen Kleinstantriebes läuft eine einfache Metallscheibe oder -trommel als Induktionsläufer in einem magnetischen Drehfeld.In the known, electrical connected to an alternating voltage Motors, the torque on the rotor is usually generated by the force that a Magnetic field exerts on a current-carrying conductor. In the simplest version a small electric drive runs a simple metal disc or drum as an induction runner in a rotating magnetic field.

Erfindungsgemäß erhält man in der Konstruktion noch einfachere elektrische Kleinantriebe durch die Verwendung eines elektrostatischen an Stelle eines magnetischen Drehfeldes. Ein elektrostatisches Drehfeld erzeugt z. B. in dem als Synchronoskop bekannten elektrostatischen Meßgerät die Bewegung eines unsymmetrisch im Drehfeld gelagerten Drehflügels durch unmittelbare Interferenz mit dem elektrischen Feld der am metallischen Drehflügel liegenden zu vergleichenden Wechselspannung. Auch bei anderen Vorschlägen elektrostatischer Maschinen wird dem aus einem rotationssymmetrischen Isolierkörper und metallischen Belägen zusammengesetzten (heterogenen) Rotor über Kollektoren oder Schleifringe ein Potential von einer äußeren Stromquelle zugeführt. Die Umsymmetrie bzw. die heterogene Ausbildung des Rotors einerseits und die Notwendigkeit einer Stromzuführung zum Rotor andererseits machen diese bekannten Anordnungen unbrauchbar für eine Verwendung insbesondere als schnelle elektrostatische Kleinmotoren.According to the invention, even simpler electrical ones are obtained in construction Small drives through the use of an electrostatic instead of a magnetic one Rotating field. An electrostatic rotating field generates z. B. in that as a synchronoscope known electrostatic measuring device the movement of an asymmetrical in the rotating field mounted rotary vane due to direct interference with the electric field the alternating voltage to be compared on the metallic rotary vane. Even in other proposals for electrostatic machines, it becomes a rotationally symmetrical one Insulating body and metallic coverings composite (heterogeneous) rotor over Collectors or slip rings are supplied with a potential from an external power source. The asymmetry or the heterogeneous design of the rotor on the one hand and the necessity a power supply to the rotor, on the other hand, make these known arrangements unusable for use particularly as fast electrostatic small motors.

Kennzeichnend für den Erfindungsgegenstand ist dem Bekannten gegenüber ein kollektor- und schleifringloser, nach Bedarf homogener, d. h. von Metallbelägen freier Rotor mit symmetrischer Lagerung, welcher allein durch seine Formgebung im elektrischen Drehfeld rotiert, wie im folgenden erläutert wird.What is characteristic of the subject of the invention is what is known a collector and slip ring less, more homogeneous as required, d. H. of metal coverings free rotor with symmetrical bearing, which by its shape in the rotating electric field rotates, as will be explained below.

Ein elektrisch nichtleitender oder ein metallischer Körper erfährt in einem beliebigen elektrischen Feld eine Polarisierung, die in einer Verschiebung molekularer Ladungen in Feldrichtung bzw. in einer Anhäufung entgegengesetzter Ladungen auf gegenüberliegenden Oberflächen des Körpers besteht. Nach dem Prinzip der maximalen Polarisierung dielektrischer Körper in elektrischen Feldern muß das mit den influenzierten Ladungen verknüpfte elektrische Moment am Körper ein Drehmoment erzeugen, sofern dieser nicht gerade rotationssymmetrisch gestaltet und gelagert ist. Das also auf einen länglichen Körper in einem konstanten elektrischen Feld wirkende Drehmoment verschwindet mit einer einmaligen Entnahme von Feldenergie unter Kapazitätsvergrößerung der Anordnung sobald sich die Körperlängsachse in die Feldrichtung gedreht hat.An electrically non-conductive or a metallic body experiences in any electric field a polarization resulting in a shift molecular charges in the direction of the field or in an accumulation of opposing charges insists on opposing surfaces of the body. According to the principle of maximum Polarization of dielectric bodies in electrical fields must match the induced ones Charges linked to electrical moment on the body produce a torque provided this is not exactly designed and stored rotationally symmetrical. So that on Torque acting on an elongated body in a constant electric field disappears with a single extraction of field energy with an increase in capacity the arrangement as soon as the longitudinal axis of the body has rotated in the field direction.

Erfindungsgemäß wird diese an sich bekannte, mit der Polarisation eines Körpers auftretende Influenz elektrischer Ladungen bzw. eines elektrischen Momentes nun durch ein elektrisches Drehfeld vorgenommen und auf den Rotor eines elektrostatischen Motors angewendet. Vorteilhaft verwendet man dabei einen homogenen Rotor, welcher sowohl aus einem leitenden als auch aus einem nichtleitenden Material in einem Stück gefertigt sein kann.According to the invention, this is known per se, with the polarization a body occurring influence of electrical charges or an electrical Moment now made by an electric rotating field and on the rotor of a electrostatic motor applied. It is advantageous to use a homogeneous one Rotor, which is made of both a conductive and a non-conductive material can be made in one piece.

In einem einfachen Beispiel der Erfindung wird in Fig. 1 ein stabförmiger Rotor 4 symmetrisch in der Achse des elektrostatischen Drehfeldes einer röhrenförmigen, z. B. dreiphasigen Plattenanordnung 1, 2, 3 gelagert. Da die Rotorladungen erfindungsgemäß vom Drehfeld unmittelbar influenziert werden, brauchen dem Rotor nicht wie sonst bei elektrostatischen Maschinen üblich über Bürsten od. dgl. Ladungen bzw. ein Potential von einer äußeren Stromquelle zugeführt zu werden. Die Drehmomentbildung kommt vielmehr durch das Bestreben des Rotors zustande, unter maximaler Polarisierung sich in die jeweilige Feldrichtung zu drehen. Da erfindungsgemäß das Feld umläuft, rotiert auch der stabförmige Rotor, und zwar synchron mit dem Drehfeld. Bei Belastung wird der Rotor gegen die umlaufende Feldrichtung um einen belastungsabhängigen Winkel verdreht und seine Polarisierung vermindert, so daß die an den Stabenden influenzierten Ladungen den Rotor wieder in die Feldrichtung zu drehen suchen und damit dauernd ein Drehmoment aufbringen. Der Rotor entnimmt dann dem Drehfeld neben der kapazitiven Blindleistung dauernd auch Wirkleistung. Die Gestaltung des Rotors nach der Erfindung ist dabei nicht auf einen stabförmigen Rotor beschränkt, sondern kann bis zu der Grenze variiert werden, die durch das Fehlen eines Drehmomentes trotz Influenzierung eines elektrischen Momentes bei rotationssymmetrischen Rotoren gegeben ist.In a simple example of the invention, a rod-shaped rotor 4 is shown symmetrically in the axis of the electrostatic rotating field of a tubular, e.g. B. three-phase plate assembly 1, 2, 3 stored. Since the rotor charges are directly influenced by the rotating field according to the invention, the rotor does not need to be supplied to the rotor via brushes or similar charges or a potential from an external power source, as is usual with electrostatic machines. Rather, the torque is generated by the effort of the rotor to rotate with maximum polarization in the respective field direction. Since, according to the invention, the field revolves, the rod-shaped rotor also rotates, namely synchronously with the rotating field. When loaded, the rotor is rotated against the rotating field direction by a load-dependent angle and its polarization is reduced, so that the charges induced at the rod ends try to turn the rotor again in the field direction and thus constantly apply a torque. The rotor then continuously draws active power from the rotating field in addition to the capacitive reactive power. The design of the rotor according to the invention is not limited to a rod-shaped rotor, but can be varied up to the limit that is given by the lack of torque despite the influence of an electrical moment in rotationally symmetrical rotors.

Für die Erzeugung der zum Betrieb des beschriebenen elektrostatischen Drehfeldmotors notwendigen, hochgespannten und phasenverschobenen Wechselspannungen können Wechselstromgeneratoren, Transformatoren und Phasenschieber bekannter Bauart verwendet werden. Die Beschleunigung des Rotors auf die synchrone Drehzahl beim Anfahren muß dabei in einem Zeitintervall erfolgen, welches klein ist gegen die Periodendauer. Zum Anlassen sind also niedrige Frequenzen notwendig. Da der beschriebene Synchronmotor besonders für hohe Drehzahlen verwendbar ist, ist - mit Rücksicht auf den Anlaßvorgang - eine in weiten Grenzen veränderliche Frequenz der speisenden Wechselspannung notwendig, und zwar soll die Spannungsamplitude bei jeder Frequenz möglichst gleich hoch bleiben.For the generation of the electrostatic to operate the described High-voltage and phase-shifted alternating voltages required by the rotating field motor can alternators, transformers and phase shifters of known design be used. The acceleration of the rotor to the synchronous speed at Start-up must take place in a time interval that is small compared to the Period duration. Low frequencies are therefore necessary for starting. Since the described Synchronous motor is particularly suitable for high speeds, is - with consideration on the starting process - a widely variable frequency of the feeding AC voltage is necessary, namely the voltage amplitude should be at each frequency stay as high as possible.

Dies erreicht man erfindungsgemäß durch die Verwendung von elektrischen Schwebungen, wie sie nach dem Schaltschema der Fig. 2 z. B. für eine dreiphasige Ausführung des beschriebenen Motors erzeugt werden: Die beiden einphasigen Wechselspannungen zweier Generatoren G, von denen einer mit einer festen, der andere mit einer variablen Frequenz betrieben wird, werden durch Phasenschieber P in zwei dreiphasige Wechselspannungen aufgespalten und durch Transformatoren T hochgespannt. Die Mischung der drei hochgespannten Wechselspannungspaare erfolgt durch Demodulatoren D, etwa durch die an sich bekannte Diodenmischung, und ergibt die variable dreiphasige Schwebungsfrequenz für die Phasenplatten 1, 2, 3. Die frequenzabhängigen Phasenschieber und Transformatoren werden in dieser Schaltung mit der um die Schwebungsfrequenz nur relativ gering variierenden Generatorfrequenz betrieben, wodurch eine frequenzunabhängige Spannungsamplitude gewährleistet ist. Die Mischung (Interferenz) frequenzvariabler Wechselströme wird also erfindungsgemäß, im Gegensatz zum bekannten Synchronoskop-Prinzip, außerhalb des eigentlichen Motors vorgenommen, wodurch die beschriebenen zuleitungsfreien Rotoren mit symmetrischer Lagerung hier verwendbar sind.This is achieved according to the invention through the use of electrical Beats as they are according to the circuit diagram of FIG. B. for a three-phase Execution of the motor described are generated: The two single-phase alternating voltages two generators G, one with a fixed one, the other with a variable one Frequency is operated by phase shifter P into two three-phase alternating voltages split up and stretched high by transformers T. The mix of the three high-tensioned AC voltage pairs are carried out by demodulators D, such as those known per se Diode mixing, and gives the variable three-phase beat frequency for the phase plates 1, 2, 3. The frequency-dependent phase shifters and transformers are used in this Circuit with the generator frequency varying only relatively slightly around the beat frequency operated, whereby a frequency-independent voltage amplitude is guaranteed. The mixing (interference) of variable-frequency alternating currents is thus according to the invention, in contrast to the well-known synchronoscope principle, outside the actual motor made, whereby the lead-free rotors described with symmetrical Storage are usable here.

Während elektrostatische Maschinen in ihrer spezifischen Leistung (Leistung/Volumen/Gewicht) für große und mittlere Leistungen von elektromagnetischen und elektrodynamischenMaschinenweitübertroffen werden, sind sie für kleine Leistungen vergleichbar und für kleinste Leistungen sogar günstiger als Anordnungen mit Magneten oder mit stromdurchflossenen Ankerleitern. Voraussetzung ist eine Preßgas- oder Vakuumisolierung. Infolge ihres einfachen Aufbaues und des Fortfalls von Sprüheinrichtungen zur Ladungsübertragung, welche in den bekannten elektrostatischen Maschinen in der Regel ein gasförmiges Medium erfordern, ist mit den elektrostatischen Motoren nach der Erfindung auch ein einwandfreier Betrieb im Vakuum möglich, wobei außerdem noch Verluste durch Gasreibung vermieden werden. Hierbei kann entweder nur der Rotor oder auch der ganze Motor in eine Vakuumröhre eingebaut werden.While electrostatic machines in their specific performance (Power / volume / weight) for large and medium powers of electromagnetic and electrodynamic machines are far exceeded, they are for small powers comparable and even cheaper for the smallest services than arrangements with magnets or with current-carrying armature conductors. A precondition is a compressed gas or Vacuum insulation. As a result of their simple structure and the elimination of spray devices for charge transfer, which in the known electrostatic machines in the Usually a gaseous medium is required, according to the electrostatic motors the invention also a perfect operation in a vacuum possible, and also still Losses due to gas friction can be avoided. Either only the rotor or the whole motor can be installed in a vacuum tube.

Die Anwendungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus seiner einfachen Konstruktion und Wirkungsweise.The applications of the subject matter of the invention result from his simple construction and mode of operation.

Neben metallischen sind auch isolierende Rotoren verwendbar. Mit dem Fehlen von Rotorströmen tritt ferner keine Joulesche Wärme im Rotor auf. Diese Eigenschaften machen den Erfindungsgegenstand besonders für sehr hochtourige Motoren geeignet, wie sie etwa für Stroboskope, Kreiselgeräte u. ä. gebraucht werden.In addition to metallic rotors, insulating rotors can also be used. With the Furthermore, in the absence of rotor currents, there is no Joule heat in the rotor. These properties make the subject of the invention particularly suitable for very high-speed engines, as they are used for stroboscopes, gyroscopes and the like.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electrostatic rotating field motor, marked by a homogeneous conductive or non-conductive, in an electrical rotating field symmetrically mounted and through this with influenced charges or an influenced electrical moment provided rotor, which has the shape of a to the rotor axis perpendicular lying rod.

2. Electrostatic rotating field motor according to claim 1, characterized by using electrical beats to generate the one that feeds the plates AC voltages of variable frequency.

3. Electrostatic three-field motor according to Claim 1, characterized in that either only the rotor or also the whole engine is built into a vacuum tube. Considered publications: German Patent Nos. 391621, 443 083, 712 845, 880 353; Rudolf P e i n t i ng e r, "Elektro Meßkunde", Vienna, 1948, pp. 70 and 71.