Elektrostatischer Asynchronmotor

In der Magnettechnik gibt es die bekannten Gleichstrommotore, die mit Kommutatoren arbeiten. Analog dazu gibt es in der Elektrostatik die Motore wie z.B. den elektrostatische Scheiben- und Walzenläufer. Die Kommutation erfolgt hier über Sprühentladungen und ist keineswegs kontaktlos im elektrischen Sinn.
Auf der Generatorseite gibt es im magnetischen Bereich die Gleichstromgeneratoren, als einfache Umkehrung des Motorprinzips. Analog dazu gibt es in der Elektrostatik den Bandgenerator und die Influenzmaschine.
Als Beispiel für mit Wechselstrom betriebene Maschinen gibt es in der Magnettechnik die Drehstrom Asynchronmaschinen, die eine breite Anwendung finden. Diese Maschinen gehen auf die Erfindungen von Nikola Tesla zurück, der das Wechselstromsystem in Form des mehrphasigen Drehstroms einführte. Diese Maschinen nutzen die induktive Übertragung der Leistung zum Rotor und arbeiten daher völlig kontaktlos.

In der Elektrostatik fehlt aber bis jetzt eine dazu analog aufgebaute Maschine. Vor allem die kontaktlose Übertragung der Leistung zum Rotor, die hier dann natürlich nur auf kapazitiven Wege erfolgen kann, gibt es bis jetzt noch nicht und das führt auch zu großen Problemen im Verständnis der Testatika, die ja ebenfalls völlig kontaktlos arbeitet. Wie mit den Versuchen beim Elektroskop gezeigt, kann ohne ableitende Berührung keine statische Ladungstrennung erzeugt werden. Es ist dann nur im dynamischen Fall die Erzeugung von Wechselspannung möglich. Das lässt bereits vermuten, dass es auch in der Elektrostatik Maschinen geben muss, die mit Wechsel- oder sogar Drehspannung betrieben werden können. Die Versuche mit diesem Motor sollen helfen, die Funktionsweise der Testatika besser zu verstehen, denn sie könnte nach einem ähnlichen Prinzip arbeiten.

Ein Grund, warum sich die Elektrostatik in der Antriebstechnik nicht durchsetzen konnte, ist sicher die geringe Leistungsdichte von elektrostatischen Systemen. Wenn wir dieses Problem genauer betrachten, so führt uns das in der Magnettechnik auf die Wicklungen. Stellen sie sich nur einmal vor, wie es wäre, wenn jede Wicklung immer nur aus einer Windung bestehen würde. Dann wären extrem hohe Ströme für den Betrieb der Geräte nötig, so wie es in der Elektrostatik eben extrem hohe Spannungen sind, und sie wären vermutlich nicht sehr leistungsfähig. Dieses Problem führt auch bei der N-Maschine zu einer relativ geringen Leistungsfähigkeit. Erst durch das mehrfache Aufwickeln des Drahtes zu einer Spule hat man in der Magnettechnik die einmalige Möglichkeit, mit einem relativ geringen Strom ein starkes Magnetfeld aufzubauen. Diese Analogie fehlt bis jetzt leider in der Elektrostatik. Ein Lösungsansatz könnte über die Hochfrequenz laufen, womit sich höhere Ströme in elektrostatischen Systemen aufbauen lassen.



1. Versuchsaufbau

Um zu zeigen, dass auch ein mit Wechselspannung betriebener, elektrostatischer Asynchronmotor machbar ist, habe ich dieses Modell gebaut. Es ähnelt dem elektrostatischen Scheibenläufer, nur wird hier ein etwas komplizierterer Stator verwendet. Er besteht wie der Läufer aus 20 Segmenten. Jedes 5. Segment ist untereinander verbunden. Dadurch entstehen insgesamt 5 Pole mit je 4 Segmenten. Das sind die 4 Phasen, die von der Versorgung zur Verfügung gestellt werden müssen.

Dazu werden zwei Ölofenzündtrafos mit 2x5kV Ausgangsspannung verwendet. Diese sind in der Mitte geerdet und liefern daher immer zwei um 180° phasenverschobene Spannungen. Damit können bereits zwei Segmente eines Pols versorgt werden. Die anderen beiden, dazwischenliegenden, benötigen eine 90° Phasenverschiebung. Das wird erreicht, indem man einen zweiten Trafo über einen Kondensator an das Netz anschaltet. Der Kondensator erzeugt eine um 90° voreilende Spannung am Trafo. Mit der 180° Drehung der Sekundärwicklung erhält man so 90° und +90°.
Der Anschluss der Segmente erfolgt gemäß der zeitlichen Abfolge der 4 Phasen in Drehrichtung gesehen immer mit -90°, 0° ,+90° und +180°. Das ist eine 4phasige Drehspannung.
Auf dem Stator haben wir somit ein elektrostatisches Drehfeld, dessen Maximum hier gegen den Uhrzeigersinn über die Scheibe läuft.
Um damit jetzt den Rotor zu beeinflussen, muss er speziell gebaut sein. Der Stator überträgt die Ladungen auf den Rotor gemäß dem magnetischen Asynchronmotor berührungslos und ohne Kommutator, hier eben ohne Sprühentladungen. Die Ladungen können also nur durch Influenz, sprich durch kapazitive Kopplung, übertragen werden. Ein Segment, also ein Kondensator, bekommt, solange es isoliert ist, die gegenpolige Ladung influenziert und wird so immer vom derzeitigen Maximum des Feldzeigers angezogen, es folgt also dem Drehfeld. Damit wäre aber nur ein synchroner Lauf möglich und der Motor könnte nicht von selbst anlaufen, weil beim Vorbeiziehen des Feldes zuerst eine Anziehung gegen die Drehrichtung und dann eine gleich große in Drehrichtung erfolgt. In Summe bleibt kein Drehmoment übrig.
In diesem Zusammenhang möchte ich noch speziell auf den als Reluktanzmotor bekannten Maschinentyp hinweisen. Er wird z.B. in netzfrequent-synchronisierten Uhren eingesetzt. Er wird oft mit einem Asynchronmotor verwechselt, da er zum Anlauf einen Kurzschlusskäfig benutzt. Er kann aber nur aufgrund einer unterschiedlichen magnetischen Leitfähigkeit im Rotor, sprich einer speziellen Formgebung, in den synchronen Lauf gelangen. Nichts anderes ist in der Elektrostatik eine Scheibe mit hinreichend großen Segmenten und somit auch kein Synchronmotor im eigentlichen Sinn. Wenn wir im Folgenden also von Asynchronmotoren sprechen, meine ich damit immer einen von der Leitfähigkeit her völlig homogenen Rotor, der zumindest theoretisch mit unendlich vielen und unendlich kleinen Segmenten versehen werden könnte, ohne die Funktion dadurch zu verändern.
Um einen solchen mit einem Drehfeld zu beeinflussen, muss der Kondensator teilweise entladen werden. Das erreicht man durch ein Verbinden aller Segmente des Läufers mit hochohmigen Widerständen. Das ist zu vergleichen mit dem Kurzschlussläufer beim magnetischen Asynchronmotor. Die Abstimmung der Widerstände hat so zu erfolgen, dass sich das Segment nicht sofort auf die volle Spannung aufladen bzw. nachher auch nicht sofort entladen kann. Dadurch verschiebt sich das Verhältnis der Kräfe in Drehrichtung des Feldes. In Summe überwiegt die Anziehung in Drehrichtung und der Rotor kann so auch aus dem Stillstand beschleunigen, was ein wesentliches Merkmal von Asynchronmotoren ist.

Rotor Bei diesem ersten Funktionsmodell wurde der Widerstand in Form eines Netzes aus Graphitlinien auf der Rückseite der Scheibe verwirklicht. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass es wahrscheinlich nur mit dem Netz selbst ebenfalls funktioniert, da sich dann die Ladungen in den Freiräumen zwischen den Linien an der Scheibe sammeln und durch das Gitter langsam abgeleitet werden. Denkbar wäre ein eventuell segmentiertes Gitternetz, damit über den gesamten Umfang kein Kurzschluss entsteht.
So ein Design ähnelt dann der Testatika in wesentlichen Punkten und bietet vor allem eine sinnvolle Erklärung für die Verwendung von Gittern.

Drehfelder und ohmsche Verluste
Auch die Tatsache, dass die Erzeugung einer Rotation aus einem Drehfeld offenbar unmittelbar mit einer gewissen Verlustleistung verbunden ist, spricht für eine Freie Energiemaschine auf Drehfeldbasis. Denn die in den Rotorwiderständen vernichtete Energie könnte wieder in das System zurück gespeist werden, wie das beim Schleifringläufer Motor gemacht wird. Die Tatsache, dass es ohne Widerstände genauso wenig funktioniert, wie mit einer komplett leitenden Scheibe zeigt schon, dass ein Drehfeldeffekt immer gewisse Verluste benötigt, die im Normalfall eben in den Widerständen auftreten.
Analog dazu würde auch ein magnetischer Drehfeldmotor mit einem Klasse 1 Supraleiter als Kurzschlussläufer ebenfalls nicht funktionieren, weil die Feldlinien in diesem Fall überhaupt nicht in den Rotor eindringen können (=100% Diamagnetismus). Der Rotor kann nur aufgrund des Widerstandes eine Kraft ausbilden, weil nur durch den Abbau des Stromes die Symmetrie im Drehfeld gebrochen werden kann. (siehe auch Funktionsprinzip)
Interessant ist in diesem Zusammenhang auch der magnetische Widerstandsläufer, der durch einen erhöhten Widerstand im Kurzschlussläufer die Drehzahlkennlinie weicher werden lässt, also den Drehfeldmotor ähnlicher einem Gleichstrommotor macht. Das wird auch beim Schleifringläufer durch externe Rotorwiderstände realisiert. Man könnte sogar sagen, dass der Widerstand den Motor besser macht, denn ein idealer Drehfeldmotor, sprich ein Synchronmotor, ist eigentlich ein sehr schlechter Motor. Er ist nicht selbst anlaufend und kann nur auf einer Drehzahl arbeiten.
Wenn ein Drehfeld also immer einen gewissen Verlust im Rotor benötigt um eine Drehung hervor rufen zu können, kann man doch umgekehrt auch sagen, dass es durch Abziehen von Energie aus einem idealen Rotor zur Ausbildung der Rotation kommt. Jetzt wird auch klar, warum die Testatika elektrostatisch arbeiten muss. Denn nur in der Elektrostatik ist der ideale Rotor mit einfachen Mitteln, also ohne Supraleiter, machbar. Ein völlig verlustfreier Rotor ist hier einfach die isolierende Scheibe mit den leitenden Segmenten, die ihre Ladung über einen hinreichend langen Zeitraum behalten können. In der Magnettechnik wäre es undenkbar einen Strom in einer kurzgeschlossenen Spule über längere Zeit zu speichern.
Man könnte die zur Rotation nötigen Verluste dem idealen Rotor jetzt sozusagen nur vortäuschen, indem man eine gewisse Menge Energie von ihm abnimmt, sie aber nicht in Wärme vernichtet, sondern vorerst einmal nur zwischenspeichert. Dadurch kommt es zur Ausbildung des Drehfeldes, wie auch im normalen Betriebsfall mit den Widerständen, es wird also mechanische Energie erzeugt. Die aufgespeicherte elektrische Energie speist man dann zeitlich versetzt (Stichwort Kugelexperiment) und phasenrichtig so in den Stator ein, das sie das Drehfeld weiter unterstützt. Ganz ähnlich wie auch schon beim Scheibenläufer festgestellt wurde, dass man den Strom nicht unbedingt über die Spannungsquelle führen muss. Analog zur Selbsterregung über Kondensatoren in der Magnettechnik, erfolgt sie hier über die Spulen, um mit den Kapazitäten eine Schwingung hervorrufen zu können. Für höhere Frequenzen kommen dann sinngemäß Teslatrafos in Verwendung als kapazitive Trafos zur Anwendung.

Aufbau
Sowohl der Stator, als auch der Rotor werden auf Standard 1,6mm kupferbeschichteten Leiterplatten geätzt. Zu beachten ist, dass der Isolierabstand der Statorsegmente nicht für die volle Spannung von 5kV ausreicht. Im Experiment zeigt sich, das ein sicherer, überschlagsfreier Betrieb bis max. 150V Eingangsspannung in die Zündtrafos möglich ist. Es könnten also auch Trafos mit einer kleineren Ausgangsspannung (~3kV) verwendet werden. Kommen die Standardzündtrafos mit 5kV zum Einsatz, so muss ein entsprechender Vorwiderstand (Glühlampe) oder ein Vorschalttrafo mit 110V Ausgangsspannung in der Netzzuleitung verwendet werden, damit es nicht zu Überschlägen am Stator kommt.

Der Rotor wird auf der Rückseite in einem Abstand von 5mm mit einem Netz aus Graphitstrichen überzogen. Der Rotor muss auf einem extrem leichtgängigen Lager aufgesetzt werden. Dazu kommen nur Kunststofflager ohne Schmiermittel in Frage. Alle geschmierten, oder mit Dichtringen ausgestattete Lager sind völlig ungeeignet. Steht kein Kunststofflager zur Verfügung, so kann eventuell aus einem normalen Lager das Schmiermittel ausgewaschen werden, um es leichtgängig zu machen.

Layout von Stator und Rotor
Layout Die Abmessungen der Statorprint betragen 150x150mm, gekennzeichnet durch die quadratische Umrandung. Die weißen Flächen werden weggeätzt, die schwarzen bleiben bestehen. Zwei, der 4 Phasen müssen auf der Rückseite mit je 5 Drahtbrücken pro Phase auf die einzelnen Pole aufgeteilt werden. Dafür sind für eine Phase an der Innenseite und für die andere an der Außenseite der Segmente entsprechende Bohrungen für Durchkontaktierungen vorgesehen. Beim Einlöten der Drahtbrücken ist darauf zu achten, dass keine Spitzen entstehen. Eventuell müssen die Lötstellen abgefeilt werden.
Der Rotor wird auf eine Print mit 140x140mm geätzt. Die Scheibe wird nachher entlang des äußeren Kreises ausgeschnitten und sollte dann einen Durchmesser von 130mm haben. Zu beachten ist, dass der äußere Kupferring nicht bestehen bleibt, da es sonst zu Überschlägen und Kurzschlüssen kommen kann. Gegebenenfalls muss die obere Kante etwas abgefeilt werden.


2. Versuchsaufbau

Das 1. Modell hatte einige Unzulänglichkeiten. Zum einen ist die Erzeugung der 90° Phase über den Kondensator Last- und Spannungsabhängig und daher unsicher. Zum anderen ist der Stator nicht für die volle Nennspannung der Trafos geeignet.

Neuer Stator
Stator=
Um die Spannungsfestigkeit des Stators zu erhöhen, ist eine geringere Polzahl nötig. Dieser 2 polige Stator ist aus 2mm dicken Al-Blättchen gemäß der Zeichnung auf einer Kunststoffplatte aufgebaut.

Rotor Zu dem Stator passend ist ein Rotor mit größeren Blättchen nötig. Hier wurden dazu auf dem alten Rotor jeweils zwei Segmente mit einem Kupferblech zu einem großen zusammengefasst. Das ergibt einen 10 teiligen Rotor, der gut zum 8 teiligen Stator passt, da er ähnlich dem Muller-Motor oder dem diamagnetischen Motor nicht in einer überdeckenden Stellung "einrasten" kann. Als Widerstände wurden wieder die bewähren Bleistiftstriche verwendet, diesmal in V-Form um über die größere Länge den Widerstandswert besser einstellen zu können.

Das Problem der unsicheren 90° wurde durch eine spezielle Anschaltung an das Drehstromnetz gelöst. Denn auch in der Drehspannung steckt ein 90° Winkel und zwar zwischen einer Außenleiterspannung, hier U23 und einer Phasenspannung, hier UN1. U23 wird noch zusätzlich über den Trenntrafo Tr3 von 400V auf 230V herabgesetzt und dann erst dem Hochspannungstrafo zugeführt. Über den Schalter S1 kann die Spannung an Tr1 umgepolt und so die Drehrichtung des Feldes geändert werden.

MPEG-Video 859kB Die wichtigste Frage ist, ob die Drehung nicht doch durch irgendwelche unerwünschten Sprühentladungen hervorgerufen wird. Das Video zeigt zunächst den Selbstanlauf des Motors nach dem Einschalten der Spannung. Dann wurde das Drehfeld mit S1 während des Betriebs umgepolt. Der Rotor bremst dann ab und beschleunigt in der Gegenrichtung. Das ist ein guter Beweis für den Drehfeldantrieb.
Wie wir vom Scheibenläufer wissen, kann eine durch Sprühentladungen hervorgerufene Rotation durch Umpolen der Spannung nicht in der Drehrichtung geändert werden. Dazu müsste die Geometrie der Anordnung verändert werden. Da es hier jedoch ohne Umbau funktioniert, ist es sehr wohl ein echter Drehfeldeffekt ist, der ihn zum Laufen bringt.
Im statischen Betriebsfall nach einigen Minuten erreicht er eine doch recht hohe Drehzahl von über 400U/min. Wenn man bedenkt, dass die zur Rotation nötige Leistung nur kapazitiv über den Luftspalt zum Rotor übertragen werden kann und diese Kapazität pro Blättchen weniger als 1pF ausmacht, ist das schon sehr eindrucksvoll.

Neuer Rotor
Layout Für 50Hz sind die Segmente auf der alten Scheibe eindeutig zu klein. Es ist eine größere Kapazität nötig, um mehr Leistung auf den Rotor einkoppeln zu können. Aus diesem Grund wurde eine Scheibe mit 165mm Außendurchmesser und mit 9 großen Segmenten nach diesem Layout angefertigt. An den 9 Kontaktstellen in der Mitte können Widerstände aufgelötet werden und so sind endlich auch die undefinierten Bleistiftstriche beseitigt.

Mit Hilfe von extrem hochohmigen (GOhm!) und leider auch hochpreisigen Widerständen, wurden mit dem 2. Modell und der 9 poligen Scheibe einige Messreihen gemacht. Dazu wurde die Schaltung über einen 3-phasen Frequenzumrichter gespeist und für verschiedene Frequenzen und Widerstände die Enddrehzahlen nach je 5 Minuten Hochlaufzeit gemessen. Es zeigt sich deutlich, dass mit steigenden Widerstandswerten, das Drehzahlmaximum zu niedrigeren Frequenzen hin abfällt. Das ist soweit logisch, wenn man zugrunde legt, dass der Widerstand die Kapazität des Blättchen innerhalb einer Schwingungsperiode entladen muss. Trotzdem ist z.B. bei 60Hz mit 1GOhm eine höhere Drehzahl zu erreichen, als mit 1,47GOhm, da die Drehzahl natürlich zusätzlich auch noch von der Drehfeldgeschwindigkeit bestimmt wird.


Das fertige Modell

Endlich nach fast einem Jahr Entwicklungszeit ist es nun soweit, dass ich hier das fertige Modell präsentieren kann. Das war wirklich eine kniffelige Sache bis es so zum Laufen kam, wie ich wollte. Das größte Problem war einfach das, dass es keine vergleichbaren Geräte gibt auf die man zurückgreifen könnte und ich alles selbst erarbeiten und empirisch ermitteln musste. Das hier vorgestellte Motorprinzip ist somit etwas wirklich Neues !

Das fertige Modell verwendet den 8 teiligen Stator und den 9 teiligen Rotor aus dem 2. Versuchsaufbau. Aufgebaut wurde das Ganze über zwei Ölofenzündtrafos, welche die Versorgung übernehmen.

Drehzahl Nach mehreren Minuten Hochlaufzeit erreicht der Motor eine doch recht beachtliche Drehzahl von über 660U/min. Die synchrone Drehzahl liegt bei diesem 8 teiligen / 2 poligen Stator bei 1500U/min. Diese Drehzahl kann er nie erreichen, da dann das Spannungsmaximum genau synchron mit der Scheibe laufen würde, die Differenzfrequenz also Null wäre und somit auch keine Leistung mehr über die kapazitive Kopplung übertragen werden könnte.

MPEG-Video 791kB Auch beim fertigen Modell funktioniert natürlich die Umsteuerung über das Drehfeld, was eindeutig den Drehfeldantrieb beweist. Wenn sie genau hinhören, so erkennen sie sofort den Unterschied zu einem normalen elektrostatischen Motor. Da alle Kanten und Spitzen gerundet sind, gibt es überhaupt keine zischenden oder knisternden Sprühentladungen mehr, wie sie ja beim Betrieb des Scheiben- oder Walzenläufer zur Funktion unumgänglich sind und wie man sie auch bei elektrostatischen Geräten vermuten würde. Doch dieser Asynchronmotor läuft unter dem leisen Brummen der Trafos, fast wie von Geisterhand getrieben an und klingt total untypisch für einen elektrostatischen Motor.

Versuch im Vakuum

Im Vakuum Um noch eindrucksvoller diesen neuartigen elektrostatischen Antrieb zu demonstrieren, wurde ein Versuch im Vakuum durchgeführt. Normale elektrostatische Maschinen, wie der Scheibenläufer oder Walzenläufer, die auf einen Ladungstransport durch einen Ionenstrom in der Luft angewiesen sind, können im Vakuum nicht funktionieren. Da dieses Modell aber auf keinen Ionenstrom angewiesen ist und eine rein kapazitiv gekoppelte Energieübertragung nutzt, funktioniert es natürlich auch im Vakuum.
Zur Erzeugung des Vakuums wurde wieder die bewährte Kombination aus einer zweistufigen Drehschieberpumpe und einer Turbomolekularpumpe verwendet. Dies ist notwendig, um ein so hohes Vakuum erzeugen zu können, damit es zu keinen Glimmentladungen durch die hohen Spannungen kommt, wodurch Isolierteile zerstört werden könnten.
Um dieses große Modell evakuieren zu können, wurde ein Exsikkator aus Glas zu einer Vakuumglocke umfunktioniert und über eine Aluminiumplatte direkt auf die Turbomolekularpumpe montiert. Bei einem Druck unterhalb von 10^-4mbar wurde die Versorgung eingeschaltet und der Motor lief wie zu erwarten war von selbst an und erreichte aufgrund der fehlenden Luftreibung eine sehr hohe Enddrehzahl von etwa 1000 U/min, was schon sehr nahe an der synchronen Drehzahl von 1500 U/min liegt.

Die Verkabelung der Segmente auf dem Stator wurde auf die Unterseite der Grundplatte verlegt, damit keine unerwünschte Feldbeeinflussung im Bereich der Elektroden entsteht. Die Verbindungen sind ähnlich wie beim Scheibenläufer und Kelvingenerator aus 4mm dicken Al-Stäben gefertigt, um Sprühentladungen zu vermeiden.

Um einen gefahrlosen Betrieb des Gerätes zu ermöglichen, wurde an den 4 Hochspannungsausgänge direkt an den beiden Trafos je ein 27MOhm Widerstand in Serie geschaltet, um den Strom zu begrenzen. Durch diese Maßnahme können die Blättchen des Stators auch im Betrieb ohne weiteres berührt werden.
Diese Widerstände (R2...R5 im Schaltplan) müssen die Ausgangsspannung der Trafos aushalten. Das ist ganz wichtig, denn das Leben des Benutzers hängt daran ! Stehen keine geeigneten Widerstände zur Verfügung, so müssen unbedingt genügend Widerstände in Serie geschaltet werden, um die Spannungsfestigkeit zu gewährleisten !

Um wieder auf die einfache, einphasige Versorgung zurückgreifen zu können, musste eine etwas kompliziertere Speisung der Trafos verwendet werden. Im Gegensatz zum ersten Modell erfolgt hier die Versorgung mit voller Nennspannung der Trafos, und die sind damit auch voll in der Sättigung. Mit Hilfe von C1 und C2 wird eine 90° Phasenverschiebung eingestellt. Diese kann aber durch die Verluste im Trafo nicht erreicht werden und so ist es notwendig, mit R1 diese Verluste auch in der Phasenschieberschaltung nachzubilden. R1 dient also nicht nur zur Entladung von C1, sondern ist für das Erreichen der 90° Phasenverschiebung von entscheidender Bedeutung, er setzt etwa 10W an Verlustleistung um und ist zur besseren Kühlung mit der Grundplatte verschraubt. Für andere Trafotypen sind diese Bauteilwerte nicht direkt einsetzbar und es muss dann experimentell auf 90° Phasenverschiebung abgeglichen werden.

4 ~ Drehspannung Kontrollieren kann man die richtige Phasenlage mit Hilfe eines Oszilloskops mit passenden Hochspannungstastkopf. Bei externer Triggerung auf die Netzspannung, sollte sich so ein Bild wie hier dargestellt ergeben. Zwischen zwei benachbarten Statorplatten muss immer 90° Phasenverschiebung herrschen und die Phasenfolge muss sich in Drehrichtung konsequent fortpflanzen. Die Abweichung von der Sinusform ist für im Leerlauf und in Sättigung betriebene Trafos völlig normal.
Wer keinen Hochspannungstastkopf hat und was riskieren will, der kann auch den vorher gut abisolierten, normalen Tastkopf nur in die Nähe einer Statorplatte halten. Durch die kapazitive Kopplung wird genug Spannung übertragen, um zumindest die Phasenlage, nicht aber Größe der Spannungen kontrollieren zu können.

Verwendete Bauteile für das fertige Modell
Tr1, Tr2: Ölofenzündtrafos Type: ZA 23 100 E2
2x5kVeff, 23mA
R1: 10kOhm Widerstand mit mind. 10W Belastbarkeit
R2,R3,R4,R5: 27MOhm Widerstände mit mind. 7,5kV Spannungsfestigkeit (lebenswichtig !)
C1: 1µF Kondensator mit mind. 400V Wechselspannungsfestigkeit
C1 bildet mit dem Trafo Tr2 einem Serienschwingkreis. Die Spannungserhöhung an C1 beträgt etwa 350V. Ein Kondensator mit der gängigen Spannung von 250V ist daher nicht ausreichend !
C2: 1µF Kondensator mit mind. 250V Wechselspannungsfestigkeit
Stator: Stator 8 Segmente aus 2mm dickem Al, Kanten gerundet (siehe Zeichnung)
Grundplatte aus 6mm dickem Makrolon (dunkles Plexiglas)
Luftspalt: Zwischen Statoroberseite und Rotorunterseite: 3mm
Rotor: Layout 1,6mm Epoxyd Printplatte mit 160mm Durchmesser, 9 Segmente mit der Größe des Stators aufgeätzt (siehe Layout)
Rotorwiderstände: 1GOhm [1000MOhm (!)] mit 350V Spannungsfestigkeit
9 Stk. in Sternschaltung
Lager: 2 Stk. leichtläufige Kunststofflager Type: CM626 ohne Schmierung !
Kontrollieren kann man die Lager, indem man die Scheibe mit der Hand anwirft, sie sollte dann in etwa 1 Minute lang nachlaufen.

Funktionsprinzip

Funktionsprinzip Zur Erklärung der Funktion betrachten wir ein Segment des Rotors, das sich gerade in einer Stellung zwischen zwei Statorsegmenten befindet. Auf dieses Rotorsegment koppeln die beiden Statorphasen 1~ und 2~ über C1 und C2 kapazitiv an. Die Ersatzschaltung für dieses eine Segment lässt sich durch Einbringen einer virtuellen Masse am Sternpunkt der Rotorwiderstände zeichnen. Das ist zulässig, da sich alle Ströme auf dem Rotor in einem symmetrischen Drehfeld zu Null addieren und so am Sternpunkt ebenfalls Nullpotential anliegt. Dieser könnte ohne weiteres mit dem N-Leiter des speisenden Drehsstromsystems verbunden werden, ohne dass es zu einem Stomfluss käme und aus diesem Grund kann er genau so gut weggelassen werden und wird praktisch auch nicht ausgeführt. Über den gedachten N-Leiter lässt sich das Zeigerdiagramm für die Ersatzschaltung zeichnen. U1 und U2 sind die um 90° verschobenen Spannungen des speisenden, 4phasigen Drehstromsystems. An der, dem Widerstand zugewandten Seite der Kondensatoren, addieren sich die Ströme i1 und i2 zum Gesamtstrom i. Dieser verursacht an dem Widerstand R den Spannungsabfall UR. Mit UR lassen sich die Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2 gemäß den Maschengleichungen U1=UC1+UR und U2=UC2+UR zusammensetzen. Dabei wird der für die Kraftwirkung so wichtige Effekt sichtbar. Durch die 90° Phasenverschiebung von U2 gegenüber U1 erfolgt die Addition bei UC2 in einem anderen Winkel, wodurch sich für UC2 eine größere Spannung ergibt. Aus diesem Ungleichgewicht ergibt sich die eigentliche Kraftwirkung. Da der Betrag von UC2 größer ist als der von UC1 ist in dem Teilkondensator C2 auch die elektrostatische Anziehung größer, als die in C1. Das führt zu einer Bewegung des Rotors nach rechts, was auch der für dieses Beispiel zugrunde gelegten Drehfeldrichtung entspricht.

Vereinfacht könnte man die Funktion auch so beschreiben, dass sich das Segment beim Vorbeilaufen des Spannungsmaximums durch den Widerstand nur langsam auflädt und der aktuellen Spannung nicht unmittelbar folgen kann. Es bleibt ein Ladungsüberschuss übrig, der erst verzögert abgeleitet werden kann und der an der Ablaufenden Seite zu einer stärkeren Anziehung führt, den Rotor sozusagen ein Stück mitnimmt, bis die Überschussladung abgeleitet ist.

Eine Parallele dazu sind in der Magnettechnik die Wirbelströme, wie sie in leitfähigen Materialien auftreten. Deren Magnetfeld versucht immer dem erzeugenden Magnetfeld entgegen zu wirken, stößt sich also von ihm ab, wie bei der Levitation über Supraleiter. In realen, mit einem Widerstand behafteten Materialien, ist das aber nur für kurze Zeit möglich, da sich die Wirbelströme rasch abbauen. Dadurch wird es erst möglich, mit einem Magnet, den man rasch über ein Kupferblech hinwegzieht, das Kupferblech ein Stück in Bewegungsrichtung mitzuziehen. Das ist nur möglich, weil auf der ablaufenden Seite die Wirbelströme schon geringer sind, als auf der dem Magneten zulaufenden Seite. Würde ein Supraleiter anstelle des Kupfers verwendet werden, dann wären die abstoßenden Kräfte auf beiden Seiten genau gleich groß, der Supraleiter würde zwar hin- und hergeworfen, in Summe aber trotzdem nicht von der Stelle kommen. Das ist auch der Grund, warum ein magnetischer Asynchronmotor mit einem Supraleiter als Rotor nicht funktionieren kann.

Ausblick

HFAsyn = HF-Motor
Noch viel interessanter und ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Testatika, ist die Anspeisung des Motors mit Hochfrequenz. Denn dann wird über die doch sehr geringe Kapazität eine weitaus größere Leistung auf den Rotor übertragen als bei 50Hz. Die ersten Versuche mit zwei CW-Teslatrafos bei 650kHz, die ähnlich dem kapazitiven Trafo zur Schirmung mit Gitterblech umgeben sind und von denen einer über den Drehkondensator in der Phase verschoben wird, schlugen fehl. Es kann so zwar eine enorme Leistung von etwa 40 Watt auf die Rotorwiderstände übertragen werden, aber zu einer Rotation ist es dabei nicht gekommen. Das Problem ist, dass die Widerstände wegen dem schnellen Umladen der Segmente niederohmiger werden müssen. Der Idealwert liegt etwa bei 100kOhm, was bei der hohen Spannung zu einer beträchtlichen Verlustleistung und damit verbunden zu einem starken Abfall der Statorspannung führt.

Erst mit zwei baugleichen 40W-Mittelwellensender, deren Endstufe bis zum "Stehkragen" ausgefahren wurde und die so zusammen etwa 120W liefern hat es geklappt. Je ein Sender speist dazu einen Teslatrafo ohne Phasenschieberkondensator. Das Problem der Synchronisation löst sich durch die Rückwirkung der Last auf den Oszillator von selbst. Welch ein Glück, dass die Sender nicht zu 100% entkoppelt sind. Wenn beide Sender auf annähernd gleiche Frequenz abgestimmt werden, rasten sie aufeinander ein. Die nötige 90° Phasenverschiebung wird dann durch ganz leichtes Verstimmen eines Senders eingestellt.
Mit diesem aufwendigen Aufbau hat sich der Rotor mit 10 Segmenten und 107kOhm (39k+68k) Widerständen in Sternschaltung auf dem 8 poligen Stator ganz langsam, gerade mal gedreht. Nach wenigen Minuten hat sich dann das ganze Widerstandsgeflecht aufgrund der enormen Verlustleistung von selbst entlötet und ist in sich zusammengebrochen.

Darum wäre es weit besser, die Leistung nicht in Widerständen zu vernichten, sondern über weitere Einrichtungen von den Segmenten wieder abzuziehen und in die Versorgung zurückzuspeisen. Nur das Ankoppeln an die Segmente darf in diesem Fall nicht mehr kapazitiv erfolgen, weil sonst die Phasenverschiebung, die normal über die Widerstände aufgebaut wird, nicht eingehalten werden kann. Eine sehr gute Lösung wäre eine induktive Kopplung über eine auf der Scheibe mitrotierende Spulen und eine feststehende Stator Spule in der gleichen Achse. Das Magnetfeld "weiß" ja nicht, dass es in sich rotiert (gleiches gilt auch für die N-Maschine) und so hat man direkten Zugriff auf die Rotorspannung und nicht nur einen kapazitiven Durchgriff vom Stator.
Bei noch viel höheren Frequenzen, werden diese Spulen immer kürzer und können irgendwann durch gerade Leitungsstücke ersetzt werden. Das könnten bei der kleinen 300W Testatika, die aufgrund ihrer kurzen Spulenlängen sicher mit Frequenzen jenseits von 10MHz arbeitet, die U-förmigen Bleche sein, die auf der Vorderseite der Scheibe immer mit den Enden zur Scheibe hin stehen. Der von der Scheibe bzw. den Statorsegmenten abfließende Strom erzeugt in dem stehenden Blech ein Magnetfeld, das induktiv an die Scheibe ankoppeln kann und die Leistung von der Scheibe in die außen liegenden Schwingkreise zurückspeist. Auch die diesen Blechen vorgeschalteten Spulen deuten auf eine induktive Verwendung hin. Das macht durchaus Sinn, den auf der Rückseite der Scheibe sind die Bleche immer flächig zur Scheibe angebracht, was die kapazitive Kopplung darstellt über die Leistung auf die Scheibe aufgebracht wird.

Dabei ist allerdings die Frequenzerniedrigung durch die Rotation ein Problem, denn die Differenz zwischen Rotor- und Statorfrequenz steckt ja in der Rotation. Dadurch ist die von der Scheibe abgeführte Leistung in ihrer Frequenz niedriger und nicht mehr "kompatibel" zu der zugeführten. Dem könnte man mit einer zweiten Scheibe Abhilfe verschaffen, die gegen das Drehfeld läuft und so die Frequenz wieder auf den ursprünglichen Wert erhöht, womit wir dann schon sehr nahe an der 3kW Testatika mit ihren zwei gegenläufigen Scheiben wären. Das Ganze hat nur einen kleinen Haken, die gegen das Drehfeld laufende Scheibe würde vermutlich auch ein negatives Drehmoment erzeugen, also genau jene Leistung verschlingen, welche die andere Scheibe erzeugt und in Summe würde nichts mehr übrig bleiben, oder etwa doch ?

Eine weit bessere Lösung wäre es, sich die Frequenzerniedrigung gezielt zunutze zu machen und die tiefere Frequenz einfach in die Versorgung zurückzuspeisen. Aus der Addition der beiden Frequenzen ergibt sich dann eine Schwebung, so wie mit den Versuchen beim Schleifringläufer gezeigt wurde, ist das Trägersignal dann mit der Rotationsfrequenz der Scheibe amplitudenmoduliert. Wenn das phasenrichtig für zwei 90° zueinander stehenden Zweige gemacht wird, so läuft das Modulationsmaximum mit der Rotationsfrequenz ebenfalls wie ein Drehfeld um den Stator um. Das könnte dazu benutzt werden, um die Scheibe in den Generatorbetrieb zu bringen. Denn bei dem HF-Drehfeld hat man immer das Problem, dass die Scheibe aus mechanischen Gründen niemals in den übersynchronen Lauf kommen kann, der für den Generatorbetrieb aber unerlässlich ist. Mit der Differenzfrequenz haben wir aber ein sehr langsam rotierendes Drehfeld in Form des Modulationsmaximums, über das die Scheibe im synchronen Generatorbetrieb Leistung abgeben könnte.

Mit einem verlustärmeren Hochfrequenzmotor ergebe sich auch eine völlig neue Möglichkeit zum Bau eines elektrostatischen  Hochspannungsgenerators. Denn der Motor könnte natürlich auch als Generator arbeiten, wenn die Scheibe angetrieben wird. Zu Erregung des asynchronen Generators würden dabei analog zur Magnettechnik, bei der Kondensatoren nötig sind (siehe Versuche beim Schleifringläufer), die beiden Teslatrafos, die ja große Induktivitäten sind, dienen. Ein solcher Generator würde hochgespannte Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz der Teslatrafos erzeugen. Das wäre ein völlig neues Konzept von elektrostatischen Maschinen. 

Info zum Buch
Der elektrostatische Asynchronmotor findet sich auch in diesem Buch, wo versucht wird, durch Grundlagenexperimente und neue theoretische Ansätze mehr Licht in das Thema der Freien Energie zu bringen. Nähere Informationen zum Buch.
Titel:  Grundlagen und Praxis der Freien Energie
Alternative Theorien und interessante Experimente
Autoren: Harald Chmela und Wolfgang Wiedergut
Verlag: Erschienen im August 2004 im Franzis Verlag
ISBN Nr.: 3-7723-4400-3

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