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7/25/2019 Us 3013201
1/3
D e c . 1 2 , 1 9 6 1
SELF-EXCITED VARIABLE CAPACITANCE ELECTROSTATIC GENERATOR
2
V
-
T,
. l
5
2
F 4 5
F 1 3 2
7
,
_L1
_:
L
r
:2 I ] 1 6
x
T
_ l_
?
R 1
ID] L
37 ---(1-____.
22
_g
1
1 3 5 S 2 1 2
D
l 8
l 9 _
?fnz
2/31; ,5 u [4
H83
1 /
I
c .
H . GOLDIE 3,013,201
F i l e d
May 3 1 , 1 9 6 0
3
If:
T 4
-
7/25/2019 Us 3013201
2/3
U n i t e d S t a t e s
P a t e n t 0
1
3 , 0 1 3 , 2 0 1
SELF-EXCITED
V A R I A B L E
CAPACITANCE
ELECTROSTATICGENERATOR
C h a r l e s
H . G o l d i e ,
B e d f o r d , M a s s . ,
a s s i g n o r t o H i g h
V o l t a g e E n g i n e e r i n g
C o r p o r a t i o n , B u r l i n g t o n ,
M a s s ,
a c o r p o r a t i o n
o f
M a s s a c h u s e t t s
F i l e d
M a y 1 , 1 9 6 0 ,
S e r . N o . 3 2 , 8 2 1
4
C l a i m s .
( C l . 322-2)
T h i s i n v e n t i o n r e l a t e s
t o
e l e c t r o s t a t i c g e n e r a t o r s where
in t h e c h a r g e
t r a n s f e r
mechanism makes u s e
o f
c a p a c i t i v e
e l f e c t s
b e t w e e n
c h a r g e d b o d i e s
a n d e l e c t r o d e s
upon
w h i c h
c h a r g e i s t o b e i n d u c e d , a n d i n p a r t i c u l a r
t o
t h e s e l f
e x c i t a t i o n o f s u c h g e n e r a t o r s .
The i n v e n t i o n
m a y
b e s t
b e
u n d e r s t o o d from
t h e f o l l o w
i n g d e t a i l e d d e s c r i p t i o n t h e r e o f ,
h a v i n g
r e f e r e n c e
t o
t h e
a c c o m p a n y i n g d r a w i n g s i n w h i c h :
FIG.
1
i s
a
v d i a g r a m
i l l u s t r a t i n g
o n e
form
o f
a
v a r i a b l e
capacitance
e l e c t r o s t a t i c
g e n e r a t o r ;
F I G .
2
i s a n o t h e r d i a g r a m f u r t h e r
i l l u s t r a t i n g t h e
a r r a n g e m e n t
o f
F I G . 1 ;
FIG. 3
i s
a
d i a g r a m
i l l u s t r a t i n g a m o d i ? c a t i o n o f
t h e
a p p a r a t u s
o f
F I G . 1
a n d e m b o d y i n g
t h e i n v e n t i o n ; a n d
FIG. 4 i s
a
d i a g r a m
i l l u s t r a t i n g a p o r t i o n o f t h e
ap
p a r a t u s o f FIG.
3 .
R e f e r r i n g
t o
F I G . 1 o f t h e d r a w i n g s , t h e r e i n i s s h o w n
a
r o t o r
1 and a s t a t o r 2 . Th e r o t o r 1
h a s
a
c h a r g e
t h e r e o n
a n d
i n F I G .
1 ,
i t i s
c h a r g e d
p o s i t i v e l y . A
ower
s u p p l y
3 i s i n d ic a t e d f o r
m a i n t a i n i n g
t h e
c h a r g e
on t h e
r o t o r
1 .
R e f e r r i n g
n o w t o FIG. 2 ,
i t
w i l l
b e s e e n
t h a t t h e s t a t o r
2 i s
c o n n e c t e d
t o g r o u n d b y
a r e s i s t i v e p a t h 4
w h i c h i s
c o n n e c t e d
i n p a r a l l e l
w i t h
a t
l e a s t
one
r e c t i ? e r
5
s o t h a t
c u r r e n t
can
? o w
i n
o n l y
one
d i r e c t i o n between t h e
s t a t o r
2 an d
ground.
I n
t h e d e v i c e s h o wn i n FIGS. 3 and
4
t h e r o t o r s e r v e s
a s a
c a p a c i t i v e l i n k between
a
s t a t i o n a r y
c h a r g i n g
e l e c
t r o d e
and
a
s t a t o r .
R e f e r r i n g
t h e r e t o , a r o t o r 1 1 p e r i o d i
c a l l y p a s s e s
c l o s e t o
a s t a t o r
1 2 .
However, i n s t e a d o f
c a r r y i n g i t s
o w n c h a r g e
a s i n t h e d e v i c e o f F I G S . 1 a n d
2 , t h e n e c e s s a r y i nd u c i n g c h a r g e
on
t h e r o t o r 1 1 i s i t s e l f
i n d u c e d
on
t h e
r o t o r 1 1
by t h e c h a r g i n g e l e c t r o d e
1 3 .
T hu s when
one
end o f t h e r o t o r 1 1 i s i n t h e v i c i n i t y o f
t h e
s t a t o r e l e m e n t 1 2
and
t h e
o p p o s i t e
end
o f
t h e r o t o r
e l e m e n t 1 1
i s i n t h e c l o s e v i c i n i t y
o f t h e
c h a r g i n g e l e c
t r o d e 1 3 , a
n e g a t i v e
c h a r g e i s i n d u c e d o n
t h a t
p o r t i o n
o f
t h e r o t o r 1 1 which i s n e a r t h e c h a r g i n g e l e c t r o d e 1 3 w i t h
t h e
r e s u l t t h a t p o s i t i v e c h a r g e
a p p e a r s a t
t h e o p p o s i t e
end
o f
t h e r o t o r
11 s i n c e
t h e r o t o r
1 1
m u s t
i t s e l f
be
e l e c t r i c a l l y n e u t r a l .
Th e i n v e n t i o n w i l l
n o w
be d e s c r i b e d w i t h r e f e r e n c e t o
t h e a p p a r a t u s shown i n FIGS. 3 and 4 , b u t i t w i l l b e
c l e a r f r o m t h e f o r e g o i n g t h a t t h e
i n v e n t i o n c o u l d e q u a l l y
w e l l
b e u s e d w i t h
a
d e v i c e o f
t h e t y p e shown
i n FIGS.
1
and 2 .
The
p r i n c i p a l
a d v a n t a g e o f
t h e d e v i c e
shown
i n FIGS.
3
and 4 i s
t h e
f a c t
t h a t i t e l i m i n a t e s t h e n e c e s
s i t y
f o r
a b r u s h
on t h e
r o t o r
t o
s u p p l y c h a r g e
t h e r e t o ,
s i n c e
t h e c h a r g e o n t h e - r o t o r
i s
i n d u c e d c a p a c i t i v e l y .
R e f e r r i n g b a c k b r i e ? y t o F I G S .
1
and
2 ,
i t
w i l l b e
r e c a l l e d
t h a t t h e i n v e n t i o n i s
c o n c e r n e d w i t h
t h e c o n
s t r u c t i o n
o f a s e l f - e x c i t e d g e n e r a t o r
w i t h
no e x t e r n a l
e n e r g y o t h e r t h a n
s h a f t
power
s u p p l i e d . That i s t o s a y ,
t h e
o b j e c t i v e
i s a
c o m p l e t e l y
s e l f - c h a r g i n g g e n e r a t o r .
R e f e r r i n g
t o FIGS. 1
and 2 ,
i t
w i l l be
s e e n t h a t
d i r e c t
f e e d b a c k o f t h e o u t p u t t o t h e i n d u c t i o n p l a t e
i s
r u l e d
o u t by
t h e p o l a r i t y
s w i t c h i n h e r e n t i n t h i s
t y p e o f
m a
c h i n e .
The
d i ? i c u l t y
i s a v o i d e d by
t h e two s e c t i o n
u n i t
shown i n
FIGS.
3
and
4 . Here a f r a c t i o n
o f
t h e
o u t p u t
v o l t a g e o f e a c h
s e c t i o n
i s f e d t o t h e i n d u c t i o n p l a t e o f
t h e o t h e r .
The
a c t i o n o f t h e c i r c u i t i s b e s t
u n d e r s t o o d
b y
l o o k
i n g ? r s t a t
t h e
l o w e r
s e c t i o n o n l y . The
r o t o r 1 1 i s a n
5
1 5
2 0
25
35
40
4 5
5 0
55
60
6 5
7 0
r 3,013,201
P a t e n t e d D e c . 1 2 , 1 9 6 1
2
e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d
? a t f a n - l i k e
r o t o r mounted on an
i n s u l a t i n g
s h a f t 1 4
d r i v e n by a n a p p r o p r i a t e motor o r
o t h e r
p r i m e
mover
1 5 .
As
i t
r o t a t e s ,
t h e r o t o r
1 1
p e r i o d i c a l l y c o v e r s
t h e
s t a t o r 2 a n d t h e c h a r g i n g e l e c
t r o d e
1 3 ,
w h i c h a r e e a c h i n s u l a t e d a n d s e c t o r - s h a p e d .
The c h a r g i n g e l e c t r o d e
1 3 i s m a i n t a i n e d a t a
p o s i t i v e
DC
o t e n t i a l w i t h r e s p e c t
t o g r o u n d .
As
t h e r o t o r
1 1
r o t a t e s
i n t o
a
p o s i t i o n
c o v e r i n g t h e c h a r g i n g e l e c t r o d e
1 3
a n d
t h e
s t a t o r 1 2 , t h e
c a p a c i t a n c e
b e t w e e n
t h e c h a r g
i n g
e l e c t r o d e 1 3
a n d t h e s t a t o r
1 2
i n c r e a s e s
a n d n e g a t i v e
c h a r g e
i s
i n d u c e d
from
g r o u n d t h r o u g h a r e c t i ? e r 1 6 t o
t h e s t a t o r
1 2 . A s
t h e
r o t o r
1 1
uncovers
t h e s t a t o r 12
a n d t h e c h a r g i n g e l e c t r o d e 1 3 , t h e c a p a c i t a n c e d e c r e a s e s
a n d t h e s t a t o r 1 2 r i s e s i n p o t e n t i a l n e g a t i v e
w i t h
r e s p e c t
t o g r o u n d . T he r e c t i ? e r
1 6
b l o c k s
a n y
? o w o f n e g a t i v e
c h a r g e
from
t h e s t a t o r 1 2 and a s
t h e
n e g a t i v e
p o t e n t i a l
o f t h e s t a t o r 12 r i s e s , c u r r e n t ? ow s t h r o u g h
a s e c o n d
r e c t i ? e r
1 7
t o
t h e
l o a d
1 8 .
A
r a c t i o n
V2
f
t h i s
n e g a
t i v e l o a d v o l t a g e i s a p p l i e d t o t h e c h a r g i n g
e l e c t r o d e
o r
i n d u c t i o n
p l a t e 1 3 o f
t h e s e c o n d o r u p p e r s e c t i o n by
means
o f t h e p o t e n t i o m e t e r
1 9
T h e c h a r g i n g y a c t i o n
i n
t h i s s e c o n d s e c t i o n i s
i d e n t i c a l
t o
t h a t
i n t h e ? r s t s e c t i o n
e x c e p t f o r
r e v e r s e d
p o l a r i t i e s
a n d t h e o u t p u t o f t h e s e c o n d
s e c t i o n
i s
c o r r e s p o n d i n g l y .
f e d - b a c k
t o
t h e
? r s t s e c t i o n
i n d u c t i o n p l a t e 1 3 v i a a
s e c o n d
p o t e n t i o m e t e r 2 0 . T he
v a r i a b l e r e s i s t o r s
o f
t h e p o t e n t i o m e t e r s
1 9 ,
2 0 c o n t r o l
t h e o u t p u t
v o l t a g e
a n d p o w e r b y a d j u s t i n g t h e f e e d b a c k
ratios.
The c i r c u i t i s r e g e n e r a t i v e ;
i t
r e m a i n s o n l y
t o
s u p p l y
a s m a l l
r e f e r e n c e v o l t a g e
t o
s t a r t
i n
t h e
r i g h t d i r e c t i o n .
T h e use o f
s t a t o r
and
r o t o r m a t e r i a l s
with
s u i t a b l e
con
t a c t
p o t e n t i a l s
i s o n e
s o l u t i o n
t o
t h i s ;
a s m a l l
b a t t e r y
2 1 ,
w h i c h
m i g h t
b e ,
f o r
e x a m p l e , o f t h e n u c l e a r
t y p e ,
i n
one i n d u c t i o n l i n e
a s s h o wn
i s a n o t h e r s o l u t i o n . S u i t
a b l e v o l t a g e
l i m i t i n g
d e v i c e s
s u c h a s c o r o n a
t u b e s
2 2
would
b e a d d e d
e i t h e r a c r o s s t h e i n d u c t io n p l a t e 1 3 o r ,
a s s h o w n i n FIG. 3 , a c r o s s
t h e
l o a d 1 8 a s c h e c k s t o
p r e v e n t e x c e s s i v e
v o l t a g e b u i l d - u p .
A number o f f e a t u r e s
i n h e r e n t
w i t h
t h i s
c i r c u i t
a r e o f
interest.
The u s u a l
s l i p r i n g s a n d
b r u s h e s
a r e
e l i m i n a t e d
b y t h e
u s e o f
t h e s t a t o r 1 2 and t h e c h a r g i n g e l e c t r o d e 1 3 , and
an i s o l a t e d
r o t o r
11
r a t h e r
than a s i n g l e s t a t o r
2
and a
r o t o r
1 m a i n t a i n e d a t
c o n s t a n t in d u c t i o n
p o t e n t i a l a s
shown i n
FIGS. 1 and
2 .
I n s p i t e o f
t h e
f a c t
t h a t
t h e
s e c o n d s e c t i o n
w a s
added
f o r t h e p u r p o s e o f s e l f - e x c i t a t i o n , b o t h
o u t p u t
v o l t a g e s
a r e
added
t o g e t h e r a c r o s s t h e
l o a d
1 8 ,
1 8 .
The
a r r a n g e
ment
p i c t u r e d i s
m e r e l y f o r e x p l a n a t i o n o f t h e s e l f ~
e x c i t a t i o n p r i n c i p l e . T h e g r o u n d s h o w n ,
f o r
e x a m p l e ,
i s
n o t r e q u i r e d ; a n d f o r h i g h e r v o l t a g e s , t h e u n i t s m a y
be c a s c a d e d w i t h
a
c o m m o n
i n s u l a t i n g
d r i v e s h a f t
1 4 .
For a g i v e n t o t a l v o l t a g e
o u t p u t ,
t h e
number
o f r o t o r
s t a t o r
s e t s i s t h e s a m e f o r t h i s s e l f - c h a r g e g e n e r a t o r
a s f o r a g e n e r a t o r r e q u i r i ng a u x i l i a r y c h a r g i n g s u p p l i e s .
Two o l e s
a r e shown
f o r
s i m p l i c i t y ;
i n an
a c t u a l
ma
c h i n e
a
g r e a t e r number would b e
m or e
p r a c t i c a l .
Th e
s y s t e m a l s o
a p p l i e s e q u a l l y w e l l
t o
o t h e r
g e o m e t r i c a l
a r r a n g e m e n t s ,
s u c h a s
t h e
c o n c e n t r i c or segmented
d r u m
d e s i g n m e n t i o n e d
i n
US. P a t e n t
A p p l i c a t i o n
S e r i a l N o .
8 2 9 , 8 2 3 .
H a v i n g
t h u s
d e s c r i b e d t h e
p r i n c i p l e s o f t h e
i n v e n t i o n ,
t o g e t h e r
w i t h
a n
i l l u s t r a t i v e
embodiment
t h e r e o f ,
i t
i s
t o b e u n d e r s t o o d
t h a t , a l t h o u g h
s p e c i ? c t e r m s a r e e m
p l o y e d , t h e y a r e u s e d i n a
g e n e r i c
and d e s c r i p t i v e
s e n s e
and n o t f o r p u r p o s e s o f
l i m i t a t i o n ,
t h e s c o p e o f t h e i n
v e n t i o n b e i n g s e t f o r t h
i n
t h e f o l l o w i n g c l a i m s .
I
c l a i m :
1 . A e l f - e x c i t e d v a r i a b l e - c a p a c i t a n c e
D . - C . g e n e r a t o r
c o m p r i s i n g i n
c o m b i n a t i o n
a
? r s t and
a s e c o n d
e l e c t r o d e ,
a
t h i r d
a n d a
f o u r t h
e l e c t r o d e
c a p a c i t i v e l y c o u p l e d
t o s a i d
? r s t
and
s e c o n d e l e c t r o d e s
r e s p e c t i v e l y , means
f o r v a r y
-
7/25/2019 Us 3013201
3/3
3 , 0 1 3 , 2 0 1
i n g
t h e
c a p a c i t a n c e
b e t w e e n s a i d ? r s t a n d t h i r d e l e c t r o d e s
and b e t w e e n
s a i d s e c o n d and
f o u r t h
e l e c t r o d e s ,
a ? r s t
r e c t i ? c a t i o n m e a n s between s a i d t h i r d and
fourth
e l e c
t r o d e s , a load one end o f .
w h i c h
i s connected
t o
s a i d
t h i r d
e l e c t r o d e
through
a
s e c o n d
r e c t i ? c a t i o n
m e a n s
and
t h e o t h e r
end
o f
which
i s
c o n n e c t e d
t o s a i d
f o u r t h
e l e c
t r o d e
t a r o u g h a
t h i r d
r e c t i ? c a t i o n
m e a n s , s a i d
r e c t i ? c a
t i o n
m e a n s
b e i n g
t h u s
c o n n e c t e d i n s e r i e s
and
w i t h t h e
s a m e o r i e n t a t i o n , and
m e a n s
f o r
u t i l i z i n g a p o r t i o n o f
t h e v o l t a g e a c r o s s
s a i d l o a d
t o
c h a r g e s a i d ? r s t and s e c o n d
e l e c t r o d e s
in m u t u a l l y
o p p o s i t e
s e n s e s .
2 .
A
e l f - e x c i t e d
v a r i a b l e - c a p a c i t a n c e D . - C . g e n e r a t o r
comprising i n
combination
a
? r s t and a
second r o t o r ,
a
? r s t and a s e c o n d
s t a t o r c a p a c i t i v e l y
c o u p l e d
t o s a i d
? r s t
and
s e c o n d r o t o r
r e s p e c t i v e l y ,
means f o r
r o t a t i n g
s a i d
r o t o r s s o a s
t o vary t h e
c a p a c i t a n c e between
s a i d ? r s t
r o t o r and s a i d ? r s t s t a t o r and between s a i d
s e c o n d
r o t o r
and s a i d
second s t a t o r , a
? r s t
r e c t i ? c a t i o n m e a n s
be
tween s a i d s t a t o r s , a l o a d one end o f
wh ich
i s connected
t o s a i d ? r s t s t a t o r through
a
second r e c t i ? c a t i o n m e a n s
and
t h e
o t h e r
end
o f
which
i s c o n n e c t e d
t o
s a i d
s e c o n d
s t a t o r through a t h i r d r e c t i ? c a t i o n means, s a i d r e c t i ? c a
t i o n
m e a n s b e i n g
t h u s c o n n e c t e d i n s e r i e s and w i t h
t h e
s a m e o r i e n t a t i o n , and
m e a n s f o r u t i l i z i n g
a
p o r t i o n
o f
t h e v o l t a g e a c r o s s s a i d l o a d t o c h a r g e .
s a i d
r o t o r s i n
m u t u a l l y o p p o s i t e s e n s e s .
3 .
A e l f - e x c i t e d
v a r i a b l e - c a p a c i t a n c e D . ~ C . g e n e r a t o r
c o m p r i s i n g
i n c o m b i n a t i o n a ? r s t and a s e c o n d c h a r g i n g
e l e c t r o d e , a ? r s t and a
second
s t a t o r , a ? r s t r o t o r c a p a c i
t i v e l y
c o u p l i n g
s a i d ? r s t c h a r g i n g
e l e c t r o d e
a n d s a i d
? r s t
s t a t o r ,
a s e c o n d
r o t o r c a p a c i t i v e t y
c o u p l i n g
s a i d
1 0
1 5
20
25
3 0
4
s e c o n d c h a r g i n g
e l e c t r o d e
and
s a i d
s e c o n d
s t a t o r ,
means
f o r
r o t a t i n g s a i d r o t o r s s o a s t o
v a r y
t h e
c a p a c i t a n c e
between s a i d c h a r g i n g e l e c t r o d e s
and
s a i d s t a t o r s , a ? r s t
recti?cation
m e a n s
b e t w e e n s a i d
s t a t o r s ,
a lo ad o n e en d
o f
which s
c o n n e c t e d
t o s a i d ? r s t
s t a t o r through a second
r e c t i ? c a t i o n
m e a n s
and
t h e o t h e r
end
o f
which
i s
con
n e c t e d t o s a i d s e c o n d s t a t o r t h r o u g h a
t h i r d
r e c t i ? c a
t i o n m e a n s , s a i d r e c t i ? c a t i o n
means b e i n g t h u s
c o n n e c t e d
i n s e r i e s and w i t h t h e s a m e o r i e n t a t i o n , and m e a n s f o r
u t i l i z i n g
a
p o r t i o n o f t h e v o l t a g e a c r o s s s a i d l o a d t o
c h a r g e s a i d
c h a r g i n g e l e c t r o d e s
i n
m u t u a d l y o p p o s i t e
s en ses.
4 - . A e l f - e x c i t e d v a r i a b l e - c a p a c i t a n c e
D . - C , g e n e r a t o r
c o m p r i s i n g i n c o m b i n a t i o n a ? r s t and
a s e c o n d
c h a r g i n g
e l e c t r o d e , a ? r s t and a second s t a t o r , 2 1 ? r s t r o t o r
c a p a c i
t i v e l y
c o u p l i n g
s a i d ? r s t
c h a r g i n g e l e c t r o d e
a n d s a i d ? r s t
s t a t o r ,
a s e c o n d r o t o r
c a p a c i t i v e l y
c o u p l i n g
s a i d
s e c o n d
c h a r g i n g e l e c t r o d e and
s a i d
s e c o n d s t a t o r , m e a n s
f o r
r o t a t i n g s a i d r o t o r s
s o
a s t o vary t h e c a p a c i t a n c e between
s a i d
c h a r g i n g e l e c t r o d e s and
s a i d
s t a t o r s , a
? r s t
r e c t i ? c a
t i o n
m e a n s
between
s a i d s t a t o r s ,
a
l o a d
one end
o f
wh ich
i s c o n n e c t e d
t o s a i d ? r s t
s t a t o r through a second r e c t i ? c a
t i o n m e a n s
and t h e
o t h e r end o f
whi c h i s connected
t o
s a i d
s e c o n d s t a t o r t h r o u g h
a t h i r d
r e c t i ? c a t i o n
means,
s a i d
r e c t i ? c a t i o n
m e a n s b e i n g t h u s
c o n n e c t e d
i n s e r i e s a n d
w i t h
t h e
s a m e o r i e n t a t i o n , means f o r u t i l i z i n g a
p o r t i o n
o f t h e
v o l t a g e
a c r o s s s a i d
l o a d
t o
c h a r g e
s a i d c h a r g i n g
e l e c t r o d e s
i n
m u t u a l l y o p p o s i t e s e n s e s , a n d v o l t a g e
l i m i t
i n g m e a n s
a c r o s s s a i d
l o a d .
No r e f e r e n c e s c i t e d .