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www.kilovolt.chNach der kleinen CD-Influenzmaschine, die im Schnellverfahren entstand, wollte ich diesmal etwas ernsthafteres bauen. Die ursprüngliche Idee war, diesmal statt CDs Vinyl-Schallplatten mit 30cm Durchmesser zu verwenden. Schlussendlich musste ich dann doch noch auf Plexiglas wechseln, mehr dazu jedoch später.
Die fertige Maschine ist auf dem folgenden Bild zu sehen. Sie schafft im besten Fall bei trockener Luft etwa 11cm Schlagweite, womit ich zufrieden bin.
Selbstbau-Influenzmaschine mit 30cm Scheibendurchmesser
Nachfolgend möchte ich Schritt für Schritt erklären, wie diese Maschine entstand. Sie lässt sich fast ausschliesslich mit Material aus dem Baumarkt erstellen. Folgende Arbeitsgänge müssen dafür eingeplant werden: Sägen, Bohren, Fräsen, Schleifen, Gewinde drehen und malen. Es wurde mit Holz, Plexiglas und Metall gearbeitet. Werkzeugmaschinen werden nicht viele benötigt. Mir standen für den Bau ein Akkuschrauber, eine Bohrmaschine, eine elektrische Stichsäge und eine kleine Proxxon-Fräse zur Verfügung.
Es gibt im Internet diverse gute Seiten zum Bau von Influenzmaschinen. Für mein Maschinchen habe ich mich hauptsächlich an diesen beiden Links orientiert, habe aber dann doch vieles wiederum etwas angepasst oder komplett anders gelöst:
http://steampunkworkshop.com/how-build-wimshurst-influence-machine-part-1
Dem aufmerksamen Betrachter dürfte nicht entgangen sein, dass in der endgültigen Version der Maschine keine Schallplatten mehr verbaut sind, sondern Scheiben aus Acrylglas (PMMA). Dies hat den simplen Grund, dass die Platten zu stark verwellt waren um einen sauberen Gleichlauf zu erreichen. Man hätte dies höchstens teilweise durch eine zentrisch aufgebrachte, zusätzliche kleinere Scheibe aus dickerem Material etwas korrigieren können. Schlussendlich habe ich dann jedoch die Scheiben nochmals komplett neu gefertigt, diesmal aus 3mm dickem Plexiglas, was sehr viel mehr Stabilität ergibt. Leider habe ich davon keine Fotos, deshalb zeigen alle Fotos von der Bauphase hier noch die Version mit den Schallplatten. Ich habe dazu ins Plexiglas ein 8mm-Loch gebohrt, dann eine Schallplatte an der Plexiplatte festgeschraubt und mit einem wasserfesten Stift den Rand der Schallplatte nachgezogen. Auf diese Weise hatte ich einen schönen Kreis mit 30cm Durchmesser und vor allem mit hundertprozentig zentrischem Loch. Dies musste natürlich zweimal durchgeführt werden. Danach habe ich die Scheiben einfach mit einer elektrischen Sticksäge ausgeschnitten, was wider Erwarten sehr gut ging. Wichtig ist nur, ein Sägeblatt mit möglichst feinen Zacken zu verwenden, damit es sich in der Acrylglasplatte nicht verhakt. Ich habe dazu eines verwendet, das ursprünglich für Bleche mit <1.5mm Dicke vorgesehen war.
Erste Scheiben im Entstehungsprozess
Jede Scheibe enthält insgesamt 24 Segmente aus selbstklebender Alufolie. Die Anzahl muss geradzahlig sein, da die Neutralisatorenpinsel jeweils die gegenüberliegenden Segmente kurzschliessen. Vor dem Bekleben habe ich zuerst eine 24er-Einteilung auf der Platte eingezeichnet, um eine einigermassen gleichmässige Verteilung zu erreichen. Dazu habe ich zuerst Achteleinteilungen gezeichnet, danach diese nochmals gedrittelt, indem ich die Sekanten in jeweils drei gleiche Stücke unterteilt habe und dann den Mittelpunkt mit diesen Einteilungen verbunden habe. Am Schluss bekommt man 24 Linien vom Mittelpunkt zum Rand der Platte und kann entsprechend auf jede Linie ein Segment kleben. Für die Segmente habe ich zuerst eine Schablone aus Pappkarton gefertigt, mit welcher ich auf der Alufolie den Umriss vorzeichnen konnte. Damit die Folie besser geschnitten werden konnte, habe ich einzelne Alufolienstreifen auf einer Folie, auf der ursprünglich Klebeetiketten geklebt haben, aufgebracht und gleich mit der Folie ausgeschnitten. Erst nach dem Ausschneiden habe ich die Folie dann entfernt. Dies hat den Vorteil, dass die Alusegmente weniger zerknittert werden.
Die Lagerung der Platten auf der Achse dürfte eine der Hauptschwierigkeiten darstellen. Hier haben mir die beiden oben erwähnten Links sehr geholfen mit ihrem einfachen und doch genialen Ansatz. Als Lager wurden die Rollen von Inlineskates direkt auf die Platten geschraubt, und diese dann einfach auf einer M8-Gewindestange als Achse aufgebracht. Die beiden Skaterrollen müssen vorgängig noch mit einer Riemenlaufrinne versehen werden, um den Riemenantrieb überhaupt zu ermöglichen.
Rolle mit Kugellager und eingefräste Riemenlaufrinne
Die Riemenlaufrinne kann sehr einfach angebracht werden. Man schraubt die Rolle auf einer M8-Schraube mit M8 Mutter fest. Dieses Konstrukt spannt man in einer Bohrmaschine ein. Nun lässt man das ganze laufen und drückt mit einer schmalen Feile auf die Rolle, wodurch eine ziemlich gleichmässige Rinne eingefräst wird. Diese sollte nicht zu oberflächlich sein, damit die Riemen beim Betrieb der Maschine nicht aus der Rille springen. Bei diesem Vorgang entsteht leider eine ziemliche Krümel-Sauerei und es stinkt evt. etwas nach verbranntem Gummi, wenn man zu fest drückt. Zum Schluss habe ich die Skaterrollen noch schwarz bemalt. Dafür habe ich schwarze Holzfarbe genommen, was für Gummi sicher nicht ideal ist, aber dennoch gut funktioniert in der Praxis ;-)
Platte mit aufgebrachten Skaterrollen als Lager Provisorisch aufgebrachte Platten auf einer M8-Gewindestange zum Test
Die fertigen Skaterrollen werden (falls nicht schon geschehen) mit Kugellagern versehen und dann mit Senkkopfschrauben auf die Platten aufgebracht. Die Schraubenköpfe dürfen nicht vorstehen, damit sie später den Lauf der Platten nicht behindern.
Nun erfolgte der Bau des Grundgestells, das relativ schnell gefertigt war. Es wird eine Grundplatte aus Holz benötigt, welche in meinem Fall zuerst mit Mahagoni-Holzlasur gestrichen wurde. Dann wurden die zwei Seitenteile aus Holz gefertigt und testweise auf das Grundbrett montiert. Die Abmasse dieser Teile sind nicht kritisch, aber sie müssen natürlich genau gleich sein, da sonst die Achsen und damit auch die Platten schräg eingebaut werden. Zur Befestigung der Seitenteile an der Grundplatte habe ich jeweils drei Löcher durch die Grundplatte gebohrt und dann die Seitenhalterungen mit langen Schrauben (von unten her) ans Grundbrett fixiert (zusätzliche Winkel waren nicht nötig). Vorgängig wurden die Seitenhalterungen mit zwei grossen Löchern versehen für die M8 Gewindestangen des Antriebs und der Plattenachse. Das ganze zusammengebaut sieht dann etwa wie folgt aus:
Gestell und testweise montierte Scheiben
Die Neutralisatoren sind eigentlich zwei Arme, für jede Platte einen, die an ihren Enden Kupferpinsel befestigt haben, welche wiederum die jeweils gegenüberliegenden Segmente im Betrieb berühren (entladen). Diese wurden sehr einfach gefertigt. Dazu habe ich einen Feststellring genommen und diesen seitlich gebohrt. Die Bohrungen sollten natürlich möglichst sauber gegenüberliegend sein, was jedoch ohne Bohrturm gar nicht so einfach ist. Danach wurden die Bohrungen M4-Gewinde versehen und entsprechende Gewindestangen eingeschraubt. Der Feststellring kann nun auf der Gewindeachse der Scheiben drehbar aufgebracht werden. An den Enden der Gewindestangen wurden mittels Kabelschuhen die Kupferpinsel befestigt bzw. angelötet. Die Kupferpinselchen sollten möglichst feine Litze sein, um nachher die Scheiben nicht zu sehr zu zerkratzen. Es eigene sich auch Kohlefasern, beispielsweise aus Laserdruckern oder Kopierapparaten. Die Gewindestangen der Neutralisatoren wurden mit 6mm Alu-Röhrchen überzogen, weil dies besser aussieht. Bei den Neutralisatoren spielt die Oberfläche eigentlich keine Rolle. Bei allen anderen, spannungsführenden Teilen sollten scharfe Kanten und Ecken vermieden werden, um Sprühverluste zu minimieren.
BearbeiteterFeststellring mit Bohrungen und Gewinde
Der Antrieb erfolgt über eine Welle
(ebenfalls M8-Gwindestange) unterhalb der Scheiben, auf welcher zwei Räder mit Laufrinnen befestigt sind
und eines für die Handkurbel. Die Räder sind bei mir Holzräder aus dem
Baumarkt, die ursprünglich mit einem dünnen Gummiring bestückt waren. Nach
dem entfernen dieses Gummirings war bereits eine perfekte Laufrinne gegeben. Im
Prinzip kann man beliebige Räder verwenden, nur sollten diese nicht zu klein
ausfallen gegenüber den Skaterrollen, da sich sonst keine vernünftige
Übersetzung ergibt und man entsprechend schnell kurbeln muss, um eine gute
Drehzahl der Scheiben zu erhalten. Sollte die Laufrinne fehlen, so muss diese wie bei den Skaterrollen noch
angebracht werden. Anschliessend wurden die Räder schwarz eingefärbt. Ich habe insgesamt
gleich drei solche Räder verwendet. Zwei für den Riemenantrieb der Scheiben, und eines für die Handkurbel. Die Räder wurden mit Muttern und
Unterlegscheiben auf einer M8-Gewindestange befestigt, welche als Antriebswelle
dient.
Die Riemen für den Antrieb habe ich auf Ebay gefunden. Es handelt sich um Audioersatzteile, Antriebsriemen für Plattenspieler, Tonbandlaufwerke etc.
Antriebsräder aus dem Baumarkt Drittes Rad mit zusätzlicher Bohrung für Kurbelgriff
Das Projekt ist an diesem Punkt schon relativ weit fortgeschritten. Wir haben den Antrieb, die Scheiben, das Gestell und die Neutralisatoren. Hier kann man bereits einen ersten kleinen Test durchführen. Man baut alles provisorisch zusammen und dreht an der Kurbel oder an der Welle, falls man noch keine Kurbel hat. Die Drehung muss relativ leicht möglich sein und die Scheiben dürfen einander nicht berühren und sollten auch nicht zu stark eiern. Der Plattenabstand sollte nicht mehr als etwa 3mm betragen. Es müsste nun stark knistern und nach Ozon riechen. Ist dies nicht der Fall, so sollte man die Pinsel überprüfen, ob diese die Platten auch tatsächlich berühren und ob sie wirklich jeweils die gegenüberliegenden Segmente der Platten verbinden.
Um die Ladungen der Scheiben zu den
Kondensatoren zu leiten, braucht es Abnehmer, welche zu den Kondensatoren und
Funkenstreckenelektroden führen. Die Abnehmer sind
nichts anderes als zwei simple Spitzen auf jeder Seite beider Platten, an denen die
Segmente vorbeifliegen. Diese Spitzen müssen und sollen die Platten nicht
berühren, denn die Ladungsabnahme funktioniert auch so und es wird so kein
mechanischer Abrieb verursacht. Bei allen Metallteilen von den Abnehmern
bis zu den Elektroden der Funkenstrecke und den Kondensatoranschlüssen sollten
möglichst keine scharfkantigen Teile verwendet werden, um Sprühverluste zu
minimieren. Ich habe dies so realisiert, dass ich die Verbindung von den
Abnehmern bis zur Funkenstrecke mit 8mm Gewindestangenstücken versehen habe und
um die Gewindestangen noch M8-Rundbolzen (kleines Bild oben links im Text) geschraubt habe, damit die
Oberfläche glatt wird. Die Gewindestange wurde auf der einen Seite angespitzt (einspannen
und schleifen in der Bohrmaschine), um gleich eine Seite des Abnehmers zu bilden.
Zusätzlich habe ich seitlich in die Gewindestange ein kleines Loch gebohrt,
damit dort später eine Kupferschlaufe eingelötet werden konnte für die andere
Seite des Abnehmers. Mechanisch fixiert wurden die Gewindestangen mittels einer
Plexiglasstrebe, welche mittig an der oberen Achse der Maschine festgeschraubt
wurde. Das hierfür verwendete Plexiglas-Vierkantstück hatte die Abmessungen
15mm*15mm*245mm) und wurde bei der Firma Opitec (www.opitec.ch) günstig
bezogen, da es im Baumarkt nicht erhältlich war.
Gebohrte Plexiglasstrebe Bohrung M4 von unten
Das Plexiglasvierkantstück wurde mit drei M8-Bohrungen versehen (Vorsicht, das
Plexi splittert rasch, wenn sich der Bohrer auch nur geringfügig verkantet! Am
besten Nur Akkuschrauber verwenden mit schwachem Drehmoment). Bei den zwei
äusseren Bohrungen muss anschliessend von unten noch je eine M4-Bohrung
vorgenommen werden, welche auf die bereits bestehende M8-Bohrung trifft. Diese
zusätzlichen M4-Bohrungen dienen dann später den Kondensatoranschlüssen.
Die Entladestäbe transportieren die
Ladungen zu den Kugeln der Funkenstrecke. Sie sollen im Winkel verstellbar sein,
müssen überall genügend abgerundet sein und sollen die Doppelkugeln tragen.
Warum sieht man eigentlich an allen Influenzmaschinen immer diese Doppelkugeln?
Dies hat einen simplen Grund. Je nach Polarität schlägt eine Entladung
bevorzugt von der grossen Kugel in die Kleine ein und umgekehrt. Da man die
Polarität im Vorfeld nicht sagen kann und sich diese bei hoher Luftfeuchtigkeit
oder bei längerem Nicht-Gebrauch ändern kann, ist es von Vorteil, wenn man die
Entladestäbe so anordnen kann, dass der Funke seine bevorzugte Richtung
einhalten kann. Die Entladestäbe wurden folgendermassen gebaut: Am einen Ende
wird ein M8 Rundbolzen befestigt, indem man zwei seitliche Bohrungen vornimmt
und M4 Gewinde reinschneidet. Da wird dann eine auf die gewünschte Länge
zugeschnittene M4 Gewindestange reingedreht. Über die Gewindestange kommt ein
Röhrchen, das eine glatte Aussenhülle ermöglicht, um Sprühverluste zu
vermeiden (im Bild unten ist ein eloxiertes Aluröhrchen abgebildet, besser
ist jedoch ein Messingröhrchen, Durchmesser ca. 6mm). Am anderen Ende kommt die
Doppelkugel. Hierfür habe ich zwei Kugeln aus dem Baumarkt verwendet. Die
grössere Kugel stammt aus dem Bereich der Vorhänge, die kleinere war als
Schubladengriff gedacht. Die grössere Kugel wurde durchbohrt und ebenfalls mit
einem M4-Gewinde versehen und gleich auf die Gewindestange geschraubt. Sie hält
das Röhrchen auf der Gewindestange auch gleich fest. Auf das vorstehende
Gewindestück wird nun die zweite Kugel geschraubt, welche ebenfalls mit einer
(nicht durchgehenden!) Bohrung und einem Gewinde präpariert wurde. Ein Stück
der Gewindestange (ca. 4cm oder so) muss hinten über den M8-Gewindebolzen
hinausragen, denn dort wird dann anschliessend der Griff befestigt. Griffe
bekommt man ebenfalls im Baumarkt, als Ersatzgriffe für Feilen beispielsweise.
Das Ganze sieht dann etwa so aus:
Einzelteile für Entladestäbe Entladestab mit Griff und Doppelkugeln
Beide Entladestäbe können anschliessend sehr einfach auf die vorgefertigten M8-Gewindestangen der Abnehmer geschraubt werden. Wichtig ist der Einbau eines oder mehrere Federringe, um eine kleine "Knautschzone" zu haben, in der die Position der Entladestäbe problemlos verstellt werden kann, aber eine gegebene Position auch gehalten wird.
An diesem Punkt ist die Maschine bereits so weit, dass man eine kleine, dauerhafte Entladung generieren kann zwischen den Kugeln, falls alles richtig gemacht wurde. Nun müssen nur noch die Hochspannungskondensatoren gefertigt werden.
Die
Leydenerflaschen speichern die Energie
der Influenzmaschine und geben sie dann in Form einer einzigen, knallenden
Entladung ab, wenn die Durchbruchspannung der Funkenstrecke erreicht ist. Sie
bestehen lediglich aus einer inneren Folie, einem isolierenden Behälter und
einer äusseren Folie. Zuerst habe ich es mit Trinkgläsern versucht, was aber
leider nur sehr schlecht funktionierte, da das Glas vermutlich mit irgend einem
halb leitenden Zusatz versetzt war (evt. Mineralsalze oder ähnliches für
bessere mechanische oder thermische Eigenschaften), wodurch die Gläser wie ein
Kurzschluss wirkten. Dann habe ich testweise graue PP-Abflussrohre genommen, was
zwar gute Ergebnisse brachte, aber dafür nicht so toll aussah. Schlussendlich
entschied ich mich auch hier für Plexiglasrohre. Diese haben einen Durchmesser
von 4cm und eine Wandstärke von etwa 3mm. Selbstverständlich könnte man auch
andere Abmessungen verwenden, dies ist nicht kritisch.
Zum Aufbau der Leydenerflaschen: Diese wurden innen und aussen mit selbstklebender Alufolie beklebt. Innen wurde eine Kontaktierung mit Kupferpinseln vorgenommen, die wiederum über Kabelschuhe an der im Kondensator verlaufenden Gewindestange befestigt waren. Diese Kupferpinsel berühren die Innenfläche des Kondensators. Man sieht dies ansatzweise auf dem nebenstehenden Bild.
Leydener Flasche
Desweiteren besteht ein solcher Kondensators aus einem Holzdeckel (kleine Holzrolle mit ca. 4cm Durchmesser, ebenfalls aus dem Baumarkt) und einem Boden (grössere Holzrolle mit ca. 6cm Durchmesser, auch aus dem Baumarkt). Diese waren bereits mittig gebohrt und mussten nur noch schwarz angemalt werden. Die Gewindestange wird dort durchgezogen und am Deckel mit einer Metallkugel mit M4-Gewinde befestigt. Damit der Kondensator gegen das Grundbrett gut isoliert ist (wir haben da immerhin Spannungen im Bereich von bis zu einigen hundert kV), wurde die Gewindestange, die den oberen Pol darstellt, nicht durchgehend bis zum Boden geführt. Am Boden wurde ein 50mm langer Kunststoffabstandsbolzen angebracht, welcher bereits auf beiden Seiten ein M4-Gewinde hatte. Solche Kunststoffbolzen bekommt man beispielsweise bei Distrelec AG, www.distrelec.ch). Der Bolzen selber wurde dann durch ein Loch im Boden am Grundbrett festgeschraubt. Die Gewindestange wurde absichtlich nicht ganz in den Bolzen reingeschraubt, damit die Höhe der Gewindestange schlussendlich noch variiert werden konnte. Das ist wichtig, weil beim Einbau des Kondensators möchte man, dass die Gewindestange schlussendlich in die Bohrung der Plexiglasstrebe reingeht und die grosse M8 Gewindestange des Abnehmers berührt und somit der Kontakt zwischen Abnehmer und Kondensatorinnenfläche hergestellt ist. Selbst wenn irgendwo noch eine kleine Lücke sein sollte, so ist die Spannung doch genug hoch, um den Kondensator zu laden. Idealerweise sollte man aber schon darauf achten, direkten Kontakt zwischen den Teilen zu haben. Es ist daher besser, wenn die Kondensatorgewindestange auch wirklich die Abnehmergewindestange berührt bzw. leicht drauf drückt. Wenn man das mal hat, so müssen nur noch die Aussenflächen der Kondensatoren miteinander verbunden werden (Serieschaltung beider Leydenerflaschen). Ich habe dies schlussendlich so gelöst, dass ich einfach eine Drahtverbindung unter der Grundplatte durchgezogen habe. Zuerst wollte ich dies oberhalb machen, indem ich in der Mitte der Kondensatoren einen Keramikisolator angebracht habe und dort den Draht befestigen wollte, damit dieser dann auf die beiden Aussenflächen der Leydenerflaschen drückt, aber dies bewährte sich nicht so recht, und so ist nun halt der Keramikisolator ohne Funktion zurückgeblieben.
Diverses Material zum Bau der Leydenerflaschen
Wenn alles wie vorgesehen zusammengebaut wurde, so ist die Maschine nun bereit zum Test. Für lange Entladungen empfiehlt es sich, die Neutralisatoren möglichst steil einzustellen (siehe Foto meiner Maschine). Eine steile Einstellung führt zu einer höheren Spannung, während eine flachere Position einen höheren Strom ermöglicht. Es kann sein, dass ab einer gewissen, sehr steilen Einstellung der Neutralisatoren der Output wieder schlechter wird, weil der Strom nicht mehr ausreichend ist, um die Koronaverluste der Maschine zu decken. Sollte dies der Fall sein, fährt man mit einer etwas flacheren Einstellung besser.
Um die Maschine ein erstes Mal zu testen, sollten die Entladekugeln nicht zu weit voneinander entfernt sein. Nach einigem Kurbeln sollte ein Rauschen und knistern zu hören sein, ein Zeichen dafür, dass die Maschine korrekt arbeitet und Spannung aufgebaut wird. Sollte kein Überschlag stattfinden, berühren Sie dennoch keine Leiter! Unbedingt immer zuerst die Kondensatoren kurzschliessen, andernfalls kann man einen richtig happigen (wenngleich meist ungefährlichen) Schlag abbekommen. Wenn die Maschine keine Spannung aufbaut, können folgende Punkte überprüft werden:
Die Neutralisatorenpinsel müssen die Segmente zwingend berühren, immer die jeweils gegenüberliegenden. Es passiert gerne, dass die Pinsel nur nahe den Platten liegen, diese aber nicht wirklich berühren bzw. auf einer Art Luftpolster der drehenden Platte schweben.
Die Laufrichtung der Scheiben und die Stellung der Neutralisatoren müssen aufeinander abgestimmt sein. Wenn man auf eine Scheibe blickt und diese im Uhrzeigersinn dreht, so muss der zugehörige Neutralisatorbügel von links oben nach rechts unten zeigen.
Die Luftfeuchtigkeit darf nicht zu hoch sein (maximal etwa 50 bis 60%).
Die Scheiben müssen sauber sein und gegenläufig drehen
Der Abstand zwischen den Scheiben sollte nicht mehr als etwa 3mm betragen
Nachfolgend noch einige Bilder zur fertigen Maschine:
