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 .