Die Erfindung bezieht sich auf eine parametrische elektrische Maschine, bestehend aus wenigstens einem Kondensator mi zeitlich veränderlicher Kapazität in Serie mit einer mindestens eine Induktionsspule um¬ fassenden Induktivität und einem Ohm'schen Widerstand.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es wurde bereits vorgeschlagen, mechanische Energie in elektrische durch periodische Änderung der elektrischen Größen eines Schwingkreises umzuformen. Bei einem solchen "parametrischen Generator" wird z.B. in einem aus einem Kondensator und einer Induktionsspule bestehen¬ den Serienschwingkreis die Kapazität zeitlich periodisch geändert. Wird die Kapazität eines Kondensators ver¬ kleinert, so muß, da die Ladung des Kondensators auf engeren Raum, d.h. auf eine kleinere Kapazität zusammen- ^• gedrängt wird, Arbeit geleistet werden. Energiequelle ist hierbei jener Mechanismus, der die Kapazität verkleinert. Wird die Kapazität vergrößert, so ist es nicht notwendig, dem System Energie zuzuführen, da die gleichnamigen Ladungen sich von selbst einander abstoßen und auf der vergrößerten Kapazität von selbst einen größeren Raum einnehmen. Es findet daher bei periodischer Verkleinerung und Vergrößerung der Kapazität immer nur einer Energie¬ fluß vom Antriebsmechanismus in den Schwingungskrei≥ - statt (Verwandlung mechanischer in elektromagnetische ^' Energie) .

Von einem parametrischen Generator sind einige Vorteile gegenüber herkömmlichen, auf dem Induktionsprinzip be¬ ruhenden Generatoren zu erwarten, bei denen - soweit sie

OMPI

nicht mit Permanentmagneten arbeiten (z.B. Fahrrad¬ dynamo) - das notwendige Magnetfeld durch Erregerspulen erzeugt wird, in deren Wicklungen naturgemäß Joule'sehe Verluste auftreten, die so groß sind, daß ab einer ge-

5 wissen Generatorleistung eine direkte Wasserkühlung not¬ wendig wird. Aber auch in den Läuferwicklungen können erhebliche Wärmeverluste entstehen. Der parametrische Generator hingegen ist weitgehend frei von Wärmever¬ lusten. Ferner können mit einem parametrischen Generator

10 unmittelbar relativ hohe Spannungen (im kV-Bereich) er¬ zeugt werden. Weitere Vorteile sind die einfache Bauart ^"" und das geringe Gewicht eines parametrischen Generators.

Die bisherigen Versuche, einen parametrischen Generator zu bauen, schlugen jedoch fehl. Einerseits gelang es

15 nicht, einen von wechselnden Belastungen durch die Ver¬ braucher unabhängigen stabilen periodischen Wechselstrom zu erzeugen; vielmehr kam es entweder -zu exponentiell anwachsenden Stromstärken und damit zum Durchbrennen der Induktionsspulen oder zur raschen Dämpfung der Wechsel-

20 Stromschwingung. Anderseits gelang es auch nicht, mit einem parametrischen Generator sinusoidale Wechselstrom¬ schwingungen zu erzeugen. Der Grund hiefür ergibt sich aus der Betrachtung der Differentialgleichung für den parametrischen Schwingkreis, welche bei zeitlich

25. periodischer Kapazität wie folgt lautet

dt o o o o

Hier bedeuten L die (zunächst) als konstant angenommene

30 Induktivität, C den Mittelwert der Gesamtkapazität definiert durch Cmm. )/2, wobei C ax den größten und Cmm. den kleinsten Wert der Kap ^c azität bedeuten. Die

Kapazitätsänderung^ wird mitΔC = (Cmax- Cmm. )/2 bezeichnet.

R ist der (zunächst) konstante Ohm' sehe Widerstand der

OM

Induktivität ^' und Q(t) ist die Ladung am Kondensator.

Die Differentialgleichung (I) ist eine gedämpfte

Mathieu'sche Differentialgleichung, die im allgemeinen instabile Lösungen besitzt, d.h. Spannung, Ladung und Strom gehen entweder exponential gegen unendlich oder gegen Null. Nur für ganz bestimmte Werte der Parameter

Ro, Lo, Co und ΔC kommt es zu einer stabilen periodischen Schwingung, die sich aber nicht nach einer Sinusfunktion sondern nach einer Mathieu ^' funktion mit der Zeit verändert. Kaum ein Versorgungsnetz wird aber an elektrischen Spannungen, die sich nach Mathieu- . funktionen als Funktion der Zeit verhalten, interessiert sein.

Zur Behebung dieses Mangels wurde vorgeschlagen (DE-PS 633 254), einen parametrischen Schwingkreis mit variabler Kapazität oder Induktivität durch Einspeisen einer sinusoidalen Wechselspannung dazu zu zwingen, diese Fremderregung durch parametrische Effekte ^* zu verstärken ("power amplifier").

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung hingegen liegt die Aufgabe zugrunde, eine parametrische elektrische Maschine zu schaffen, mit der es ohne notwendige Fremderregung möglich ist, stabile sinusoidale Wechselströme zu erzeugen (Generator) und die auch zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie (Motor) verwendbar ist, und zwar durch Anschluß an ein Stromversorgungsnetz, welches einen sinusförmigen Wechselstrom liefert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß im

Schwingkreis, der Maschine die Bedingung

gilt, wobei C die (Gesamt-)Grundkapazität des Kondensators (bzw. der Kondensatoren) , Δ.C die mechanische Änderung der (Gesamt-)Kapazität des Kondensators (bzw. der Kondensatoren) , L die (Gesamt-) Induktivität der Induktionsspule(n) und R der (gesamte) Ohm'sehe Widerstand der Induktionsspule(n) - einschließlich allfälliger zusätz- • licher rein Ohm'scher Widerstände im belastungsfreien Zustand sind, und daß zumindest ein Parameterglied (L, R, C ) des Schwingkreises eine. Funktion des im Schwingkreis fließenden Stromes I ist.

C und __C stehen - wie oben bei Gleichung (I) - zuπi höchsten Wert der (Gesamt-) Ka ^c pazität Cmax und zum niedrigsten Wert der (Gesamt-) ap * ^• azität Cmm. des Kondensators (der Kondensatoren) in folgender Beziehung:

r = Cmax + ^* Cmin _{/ r} _ Cmax - Cmin o 2 ^^ 2

Im einfachsten Fall besteht die "Kapazität" des Schwing- kreises aus einem einzigen Kondensator mit veränderlicher Kapazität und die "Induktivität" aus einer einzigen Induktionsspule mit einem Kern aus ferromagnetischem Material. Die "Kapazität" kann jedoch auch aus Parallel- bzw. Serienschaltungen von mehreren Kondensatoren (von denen wenigstens einer eine zeitlich veränderliche

Kapazität aufweist) und die "Induktivität" aus mehreren parallel oder in Serie geschalteten Induktionsspulen (von denen wenigstens eine einen ruhenden Kern aus ferro¬ magnetischem Material besitzt) bestehen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es mög¬ lich ist, die Differentialgleichung (I) in eine Schwingungsgleichung überzuführen, die Sinusfunktionen als Lösungen besitzt, nämlich dann, wenn die Schwingungs- gleichung ein nichtlineares Glied erhält. Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, daß sich ein solches nichtlineares Glied der Schwingungsgleichung technisch dadurch realisieren läßt, daß zumindest ein Parameterglied (L, R, C ) des Schwingkreises eine Funktion des im Schwingkreis fließenden Stromes I = Q' = ^ ist. Nimmt man beispielsweise an, daß die Induktivität dem folgenden Gesetz gehorcht

L = L _Q (1 + g(Q'))

so ergibt sich für den parametrischen Schwingkreis die

Bei geeigneter und auch technisch realisierbarer Wahl von g(Q') hat die Differentialgleichung (II) eine stabile sinusoidale Lösung (nach einigen periodischen nichtsinus- förmigen Einschwingvorgängen) , vorausgesetzt, es gilt die erfindungsgemäße Schwellenbedingung

sowie .eine ,der möglichen Resonanzbedingungen. Eine davon lautet:

O PI

Obgleich die Schwellenbedingung die Werte C ,R /L also der Parameterglieder des belastungsfreien Schwing¬ kreises enthält, gilt sie als Ungleichung auch im be¬ lasteten Zustand.

Beim Generator bedeutet die Einhaltung der Schwellen¬ bedingung, daß dem Generator zumindest soviel an me¬ chanischer Energie zugeführt wird, als in den Ohm'schen Widerständen Verluste auftreten. Beim Motor garantiert die Einhaltung der Schwellenbedingung, daß die zuge- führte elektrische Energie gleich groß ist den Ver¬ lusten in den Ohm'schen Widerständen.

Das erfindungsgemäße Merkmal, wonach zumindest ein Parameterglied (L,R,C) eine Funktion des im Schwing¬ kreis fließenden Stromes ist (wodurch es zur Nicht- linearität der Schwingungsgleichung und zu sinusoidalen Lösungen kommt)bedeutet, daß im Schwingkreis der Maschine eine Induktionsspule und/oder ein Wider¬ stand und/oder ein Kondensator vorhanden sein muß, dessen Induktivität bzw. Widerstand bzw. Kapazität sich in Abhängigkeit von der Stromstärke ändert. Dazu gibt es verschiedene technische Ausführungsmöglichkeiten.

Eine erfindungsgemäße Möglichkeit besteht darin, daß wenigstens eine Induktionsspule der Induktivität des Schwingkreises einen ruhenden Kern aus magnetischem Material enthält. Um die durch den Kern aus ferro- magnetischem Material bedingten "Eisenverluste" mög¬ lichst gering zu halten, ist es zweckmäßig, für den . ._ Kern der Induktionsspule -ein verlustarmes Ferro- magneticum zu verwenden, dessen Hysteresisschleife also eine möglichst kleine Fläche einschließt. Die

Eisenverluste sollen zweckmäßig in der Größenordnung von 1 bis 3 W/kg (Verlustziffer V _1Q bei 50 Hz und 1 T = 10 kG Maxi alreduktion) liegen. Außerdem soll die

Hysteresiskurve möglichst steil sein, sodaß die Abhängig¬ keit ^■ —r sehr groß ist.

Eine andere technische Möglichkeit der Nichtlineari¬ sierung der Schwingungsgleichung besteht z.B. in der Ein- Schaltung eines Thermowiderstandes in Serie zur Induk¬ tivität des Schwingkreises, also eines Widerstandes, der sich in Abhängigkeit von der Stromstärke (und Temperatur) ändert, oder in der Verwendung eines Kondensators, dessen Kapazität, z.B. infolge der besonderen Eigenschaften sei- nes Dielektrikums, von der ihn durchfließenden Stromstärke abhängt.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Merkmale gelingt es, einen echten parametrischen Generator zu schaffen, der selbst bei starken stochastisch veränderlichen Werten für den Ohm'schen Widerstand, die Induktivität und die Kapa¬ zität der an den Generator angeschlossenen Verbraucher einen frequenz- und amplitudenstabilen, sinusförmigen Wech¬ selstrom liefert, im Gegensatz zu den üblichen frequenz¬ empfindlichen Wechselstromgeneratoren.

Ferner ist es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Merk¬ male möglich, einen parametrischen Motor zu schafffen, der aus einem normalen Wechselstromnetz gespeist werden kann und der sich auch durch leichte Bauweise sowie (je nach Wahl der Para ter) durch die Möglichkeit der Erzeugung hoher Drehzahlen und des direkten Anschlusses an hohe Spannungen (im kV-Bereich) auszeichnet.

Beschreibung der Zeichnungsfiguren

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnun¬ gen durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.-.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen ^• parametrischen Generators,

Fig. 2 zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators mit zeitlich veränderlicher Kapazität und

einer dazu in Serie geschalteten ^" Induktionsspule mit Eisenkern.

Fig. 3 zeigt in Ansicht eine Rotorplatte und Fig. 4 eine Statorplatte des Kondensators nach Fig. 2. Fig. 5 und Fig. 6 zeigen weitere Schaltbilder des erfindungsgemäßen parametrischen Generators.

Beschreibung von bevorzugten Ausfühirungs- beispielen

Gemäß Fig. 1 besteht der parametrische Generator aus einem Kondensator 1 mit zeitlich periodisch veränder¬ licher Kapazität und einer Induktionsspule 2 mit einem Kern 3 aus ferromagnetischem Material. Mit 4 ist ein Verbraucher bezeichnet, der in diesem Falle zur In¬ duktionsspule 2 parallel geschaltet ist.

Der Kondensator 1 besteht, wie aus Fig. 2 ersichtlich, aus Statorplatten 5 und Rotorplatten 6. Die Rotorplatten 6 sitzen in elektrisch leitender Verbindung auf der Welle 7,die von einem symbolisch dargestellten mechani¬ schen Antrieb 8, z.B. einem Motor oder einer Turbine, angetrieben wird. Die Statorplatten 5 werden von elektrisch leitenden Stangen 9 gehalten. Die Stator¬ platten 5 und Rotorplatten 6 sind im wesentlichen gleich aufgebaut und bestehen, wie aus Fig. 3 (Rotorplatt ^' e) und 4 (Statorplatte) ersichtlich, 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 1 in Serie geschaltete Induk¬ tionsspule 2 besteht aus der Spulenwicklung 12 und dem Eisenkern 3, der im vorliegenden Fall ein E-I-Kern ist, aufgebaut aus technischen Dynamoblechen IV von 0,35 mm

Dicke und einer Verlustziffer ( --) von 1,3 W/kg. Der nicht dargestellte Verbraucher wird z.B. 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 dies¬ bezügliche.Einstellmöglichkeiten aufweist. Die Länge der Periode der zeitlichen Veränderung der Kapazität 'des Kondensators 1 hängt von der Drehzahl des Motors bzw. der Turbine, sowie im Falle des dargestellten Ausführungsbeispielr. - von der Anzahl der Sektoren 10,11 der Rotorplatten 6 bzw. Statorplatten 5 ab. Um die Resonanzbedingungen zu erfüllen, kann man daher z.B. die Drehzahl des Antriebes 8, beispielsweise mit Hilfe, eines stufenlos verstellbaren Getriebes, variieren. Statt dessen kann man auch die elektromagnetischen Größen des Schwingkreises einstellbar ausbilden, etwa die Induktivität der Induktionsspule 2 durch Einstellung des Luftspaltes zwischen Joch (I-Stück) 3' und dem

E-Stück des Eisenkernes 3, oder durch Serienschaltung einer zusätzlichen kleinen variablen Kapazität die Gesamtkapazität verändern.

Mit einem erfindungsgernäßen parametrischen Generator mit _Q = 80 H, Co = 2,13.10 ^"9 F, ΔC = 0,22 C _Q , R _Q = 10 kll sowie einem Eisenkern aus Dynamoblech IV von 0,35 mm Dicke und einem Eisenverlust ( ^v -ι _Q ) ^von 1 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 L _Q , C , ΔC entsprechend zu variieren.

Gemäß Schaltbild nach Fig. 1 ist der Verbraucher 4 parallel zur Induktionsspule 2 angeschlossen. Es be¬ steht jedoch auch die Möglichkeit - wie aus Fig. 5 ersichtlich - den Verbraucher 4' mit dem Konden- sator 1 und der Induktionsspule 2 in Serie zu schalten. In der Praxis wird es aber gemäß Fig. 2 am günstigsten sein, den Verbraucher 4" über einen Transformator an den Schwingkreis des parametrischen Generators anzu¬ schließen, wobei die Spulenwicklung 12 der Induktivität des Schwingkreises die Primärwicklung des Transformators bildet und der Eisenkern 3 der Induktivität des Schwing¬ kreises so ausgebildet ist, daß er die Primärwicklung 12 und Sekundärwicklung 14 magnetisch miteinander koppelt. Es muß nicht unbedingt die gesamte Spulenwicklung ^' 12 der Induktivität des Schwingkreises gleichzeitig auch Primärwicklung des Transformators sein. Z.B. kann auch - wenn die Induktivität des Schwingkreises aus mehreren -Induktionsspulen besteht - bloß ein Teil der Induktionsspulen die Primärwicklung des Transformators bilden.

Die zeitlich periodisch veränderliche Kapazität kann auch auf technisch andere Weise als im beschriebenen Ausführungsbeispiel gelöst werden, z.B. dadurch, daß man das Dielektrikum des Kondensators als Zahnrad ausbildet und dieses, angetrieben durch einen Motor, eine Wasserturbine od.dgl. zwischen den Kondensator¬ platten drehen läßt. Weiters ist die Verwendung eines Zylinderkondensators möglich, der aus zwei gegeneinander rotierbaren, abwechselnd in Abschnitten aus leitendem und dielektrischem Material gegliederten, koaxial in¬ einandergeschobenen zylindrischen Walzen besteht.

Der in den Zeichnungen dargestellte Kondensator läßt sich (nach allgemeinen thermodynamischen Prinzipien) auch als Motor verwenden, wenn man in Fig. 2 an die Klemmen 13 eine Wechselspannung anlegt und den Rotor- platten 6 des Kondensators 1 bzw. der Kondensator¬ welle 7 ein Anf ngsdrehmoment erteilt, um die "Resonanzbedingung" zu erfüllen. In der Folge kommt es dann zur positiven, und negativen Aufladung der Sektoren 10 und zu elektrostatischen Abstoßungskräften bzw. Drehmomenten.