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Elektrizitätszähler mit Trommelanker Die Erfindung bezieht sich auf
einen Elektrizitätszähler mit Trommelanker nach dem Ferraris-Prinzip und bezweckt,
die Fehlerkurve durch Verringerung des Einflusses der Strom- und Spannungsdämpfung
zu verbessern.
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Der durch den Einfluß der Stromdämpfung verursachte Fehler ist durch
folgende Beziehung gegeben:
Die Spannungsbremsung verursacht einen FehlerF, der sich folgendermaßen ausdrücken
läßt:
Dabei bedeutet n0 die maximale Drehzahl des Zählers ohne Bremsmagnet, auch synchrone
Zählerdrehzahl genannt, n die jeweilige, unter Einfluß des Bremsmagneten sich einstellende
Betriebsdrehzahl des Zählermotors, K das Verhältnis von maximaler magnetischer Induktion
des Spannungstriebflusses zu maximaler Induktion des Stromtriebflusses bei Nennspannung
und Nennt last, n, die Nenndrehzahl, as das Verhältnis vom jeweiligen Strom zum
Nennstrom, cru das Verhältnis von jeweiliger Spannung zur Nennspannung.
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Aus den Fehlergleichungen ist zu entnehmen, daß der durch die Stromdämpfung
entstehende Fehler um so kleiner wird, je größer das Verhältnis nOlnn und je größer
das Induktionsverhältnis IC ist. Der durch die Spannungsdämpfung hervorgerufene
Fehler verkleinert sich zwar auch, wenn das Verhältnis nOlnB größer gemacht wird;
er ist jedoch im Gegensatz zum Strombremsungsfehler von dem Induktionsverhältnis
K in der Weise abhängig, daß er um so kleiner wird, je kleiner dieses Verhältnis
ist. Infolge der gegensinnigen Verhaltungsweise des Induktionsverhältnisses K beim
Strom- und Spannungsbremsfehler kann durch eine Veränderung des Indulitionsverhältnisses
keine Verbesserung der Fehlerkurve des Zählers erzielt werden. Eine Verbesserung
der Fehlerkurve läßt sich nur noch erreichen, indem das Drehzahlverhältnis no!ltn,
das bei beiden Fehlern durch seine Vergrößerung eine Verringerung von Spannungs-und
Strombremsungsfehler bewirkt, vergrößert wird.
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Das Drehzahlverhältnis nOlnn kann nun einmal durch Vergrößerung der
maximalen Zählerdrehzahl nO und zum andernmal durch Verkleinerung der Nenndrehzahl
nn größer gemacht werden. Einer Verkleinerung der Nenndrehzahl ist dabei durch den
hiermit wachsenden Einfluß der Zählwerksreibung eine untere Grenze gesetzt, die
bei etwa 11 U/min liegen dürfte. Das besondere Augenmerk ist mithin auf eine Erhöhung
der maximalen Zählerdrehzahl nu zu richten.
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Diese ist allgemein durch den Ausdruck -k = k f p [U/mini p bestimmt.
Hierin bedeutet f die Netzfrequenz in Hz, p die wirksame Polpaarzahl des Zählermotors,
k den Korrekturfaktor.
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Der Faktor k berücksichtigt dabei den Einfluß sämtlicher Oberwellenfelder,
die bei nicht sinusförmiger Feldverteilung im Luftspalt des Zählermotors wirksam
sind.
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Sie ergeben sich aus der Fonrieranalyse der vorhandenen Feldverteilungskurven
des Spannungs- und des Stromtriebflusses.
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Die größte überhaupt mögliche synchrone Zählerdrehzahl bei f = 50
Hz von n0 = 3 000 U/min wird erreicht, wenn der Zählermotor die kleinstmögliche
Polpaarzahl p = 1 besitzt und andererseits eine Feldverteilungskurve aufweist, der
ein Korrekturfaktor k = 1 entspricht. Da der Korrekturfaktor k seinen Höchstwert
1 nur dann erreicht, wenn eine rein sinusförmige Feldverteilung sowohl des Spannungstriebflusses
als auch des Stromtriebflusses vorliegt, kann sich also die maximal mögliche synchrone
Zählerdrehzahl n, = 3 000 U/min nur einstellen, wenn bei der Polpaarzahl p = 1 Spannungs-
und Strompole entsprechend ausgebildet sind.
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Die Polpaarzahl wird bei allen Induktionszählern durch die Beziehung
p = z dlil bestimmt. Dabei ist z der Umfang des Spurkreises und i die Länge der
Grundwelle der Feldverteilung. Die Grundwellenlänge der Feldverteilungskurve ist
von der Dimensionierung der Pole bzw. durch die Länge der von den Polen überdeckten
Bereiche gegeben. Bei Scheibenzählern (Fig. 1) ist es daher aus rein konstruktiven
Gründen nicht möglich, p = 1 zu machen; es sei denn, man würde die Trieb-
systempole
um den ganzen Umfang der Scheibe herum anordnen. Bei Elektrizitätszählern mit Trommelanker
hingegen bereitet die Erfüllung der Beziehung p 1 keine Schwierigkeiten, weil bei
einem Trommelanker durch die konzentrische Anordnung der Pole der Trommelläufer
auf seinem gesamten Umfang vom Triebsystem überdeckt wird und damit die Grundwellenlänge
dem Umfang des Läufers entspricht. Obwohl der Trommelankerzähler im Gegensatz zu
dem Scheibenankerzähler den Vorteil hat, daß ein großer Teil der im Läufer auftretenden
Ströme mit dem Triebfluß in Wirkung tritt und daher zur Drehmomentbildung herangezogen
werden kann, hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, daß der Verlauf der
Feldvefteilungskurven B, und Bf bei den bisherigen Ausführungen nicht im ausreichenden
Maße sinusförmig ist (Fig. 3). Die nicht ganz sinusförmige Feldverteilung ist zwangläufig
dadurch gegeben, daß bei den bekannten Ausführungen über die gleichen Pole des Triebsystems
sowohl der Spannungsals auch der Stromtriebfluß geführt wird (Fig. 2). Es ist daher
nicht möglich, durch geeignete Polform eine exakte sinusförmige Feldverteilung sowohl
des Spannungs- als auch des Stromtriebflusses zu erzielen, denn jede durch geeignete
Polform erreichte Verbesserung der Feldverteilungskurve des einen Triebflusses hat
erhöhten Ober wellengehalt der Feldverteilungskurve des anderen Triebflusses zur
Folge (s. Fig. 3).
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Unter Berücksichtigung der obigen Überlegungen ist es Aufgabe der
Erfindung, durch einen für Trommelzähler neuartigen Aufbau des Triebsystems eine
sinusförmige Feldverteilung sowohl des Spannungstriebflusses als auch des Stromtriebflusses
zu erzielen, d. h. die Zählerdrehzahl in die Nähe der maximalen synchronen Drehzahl
zu bringen und damit eine Verbesserung der Fehlerkurve zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß das Spannungs- und
Stromeisen des Triebsystems magnetisch und räumlich voneinander getrennt in zwei
zueinander parallelen senkrecht zur Achse des Trommelankers verlaufenden Ebenen
angeordnet sind und daß zur Erzielung einer exakt sinusförmigen Feldverteilung des
Spannungs-und des Stromtriebflusses die Pole des Spannungs- und des Stromeisens
nach einer im Elektrogroßmaschinenbau bekannten Weise ausgebildet sind.
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Der Luftspalt zwischen dem im Querschnitt kreisförmigen Innenkern
und den Polflächen erweitert sich dabei von seiner schmalsten Stelle aus nach beiden
Seiten mit dem reziproken Cosinus des Winkels, der vom Mittelpunkt des Innenkerns
als Scheitel durch die zur schmalsten und zur jeweils betrachteten Stelle verlaufenden
Schenkel gebildet wird. Die jeweilige Luftspaltbreite läßt sich also durch die Beziehung
bL = Glcos ß ermitteln (Fig. 4), wobei bLo die Breite der schmalsten Stelle des
Luftspaltes, öL die Breite der unter dem Winkel ß betrachteten Stelle des Luftspaltes
ist.
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Wenn die Strom- und Spannungseisen, wie oben erwähnt, in zwei parallelen
Ebenen übereinander senkrecht zur Läuferachse angeordnet sind und von einem gemeinsamen
Trommelläufer durchsetzt werden, muß dieser Läufer so gestaltet sein, daß die in
ihm auftretenden Ströme mit beiden Triebflüssen in vollem Umfang verkettet sind.
Nur so kann eine Drehmomentbildung überhaupt auftreten. Dies wiederum wird dadurch
erreicht, daß ein die Luftspalte der beiden übereinander angeordneten Triebsysteme
durchsetzender zylindrischer Läufer mit einer größeren Zahl gleichmäßig über den
Umfang verteilter, axial verlaufender, möglichst schmaler Schlitze (etwa 0,3 mm
breit) versehen ist, deren Länge sich über die gesamte axiale Ausdehnung der beiden
Polsysteme erstreckt (s. Fig. 5).
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Die Laufeigenschaften und die Größe des erzielten Drehmomentes sind
dabei im wesentlichen abhängig von der Zahl der Läuferschlitze und deren Dimensionierung.
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Um zu erreichen, daß über die gesamte Länge jedes Läufersteges im
wesentlichen nur achsparallele Ströme auftreten und daß ausgeprägte Haltepunkte
vermieden werden, muß die Schlitzzahl bzw. Stegzahl Z so gewählt werden, daß die
Stegbreite bst klein wird gegenüber der Polteilung, d. h. es muß sein bst = bs <
9.
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Andererseits darf die Stegzahl wieder nicht größer sein, als zur
hinreichenden Erfüllung der angegebenen Beziehung erforderlich ist, damit der durch
die Schlitze bedingte Querschnittsverlust und damit der Drehmomentverlust nicht
zu groß wird. Soll bei möglichst großer Schlitzzahl der Ouerschnittsverlust klein
bleiben, so muß die Schlitzbreite entsprechend klein gehalten werden.
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(Technisch durchführbar erscheint eine Schlitzbreite von 0,3 mm.)
Mit Rücksicht hierauf soll nach der Erfindung das Verhältnis der Summe von Stegbreite
und Schlitzbreite zum halben Läuferumfang etwa 0,08 und das Verhältnis von Schlitzbreite
zur Summe von Stegbreite und Schlitzbreite kleiner oder gleich 0,1 sein. Dementsprechend
sollte der Läuferumfang nicht kleiner als das 250fache der erzielbaren Schlitzbreite
betragen, d. h. bei einer geringsten ausführbaren Schlitzbreite von 0,3 mm darf
der Läuferdurchmesser nicht kleiner sein als 24 mm.
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In der Zeichnung ist zur Erläuterung der Erfindung in Fig. 1 Ankerscheibe
und Triebsystem eines normalen Scheibenzählers gezeigt; Fig. 2 zeigt ein Reispiel
für einen bekannten Trommelzähler; Fig. 3 stellt die entsprechende Feldverteilungskurve
eines derartig bekannten Trommelzählers nach Fig. 2 dar; in Fig. 4 ist die erfindungsgemäße
Polausbildung gezeigt; Fig. 5 zeigt den teilweise aufgeschnittenen Trommelläufer,
der bei der Erfindung zur Anwendung gelangt; Fig. 6 zeigt ein lionstruktionsbeispiel
eines nach der Erfindung konstruierten Trommelzählers in teilweise geschnittener
Seitenansicht; in Fig. 7 ist der Trommelzähler nach Fig. 6 als Draufsicht auf die
Schnittebenen A-B gezeigt.
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Innerhalb des Rahmens 1 ist zwischen den Lagerträgern 2 und 3 die
Läuferachse 4 in ihren Lagern 5 gelagert. Auf dieser Achse 4 sitzt, umfaßt von den
Zählerbremsmagneten 6, die Bremsscheibe 7. Auf der Achse 4, diese zylindrisch umfassend,
ist der Läufer 8 angeordnet, dessen Ausbildung in Fig. 5 gezeigt ist. Der Läufer
ist unten offen und über die Teile des Innenkerns 11 (s. Fig. 7), der aus einem
Innenkern 9 für das Spannungssystem und einem Innenkern 10 für das Stromsystem besteht,
gestülpt. Für den Phasenabgleich und den Vortrieb ist der Innenkern des Spannungssystems
mit einer Längsnut 17 versehen, die Kurzschlußwindungen aufnehmen kann. Jeweils
in der gleichen Ebene mit den zugehörigen Innenkernen sind um den Läufer herum das
Spannungseisen 12 und das Stromeisen 13 angeordnet. Strom- und Spannungseisen bilden
jeweils zwei gegenüberstehende Pole, die gemäß Fig. 4 ausgebildet und um 90° gegeneinander
versetzt sind (s. Fig. 7 links). Das Spannungseisen trägt zu beiden Seiten je eine
abnehmbare Spannungsspule 14 und bildet mit diesem das Spannungssystem. Die Polflächen
des Spannungssystems sind mit dem magnetischen Nebenschluß 15 über Luftspalte 16
verbunden.
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Ähnlich wie das Spannungssystem ist räumlich darunter das Stromsystem
angeordnet und aufgebaut. Jedoch ist das ganze System um 90" zum Spannungssystem
versetzt, so daß auch die Pole des Stromsystems um diesen Winkelbetrag zu den Polen
des Spannungssystems versetzt sind. Diese Anordnungsweise ist deutlich aus Fig.
7 zu ersehen, die im Schnitt A bis zur Mittellinie einen Blick auf das Spannungssystem
und in dem Schnitt von der Mittellinie bis B auf das Stromsystem gestattet.
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Strom- und Spannungssystem sind auf dem Systemträger 18 befestigt,
während der Innenkern auf dem Innenkernträger 19 sitzt, der wiederum über die Flansche
20 mit dem Systemträger 18 und dem Rahmen 1 in Verbindung steht. Eine Einstellschraube
21, die der Vortriebseinstellung dient, ist unterhalb des Stromsystems angeordnet.
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Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Lehren läßt sich ein derartiger
Zähler konstruktiv auch anders aufbauen, so daß auf konstruktive Einzelheiten des
Beispiels nicht näher eingegangen werden soll.
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PATENTSPROCHE: 1. Elektrizitätszähler mit Trommelanker, der nach
dem Ferrarisprinzip arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungs- und Stromeisen
des Triebsystems magnetisch und räumlich voneinander getrennt in zwei zueinander
parallelen senkrecht zur Achse des Trommelankers verlaufenden Ebenen angeordnet
sind, und daß zur Erzielung einer exakt sinusförmigen Feldverteilung des Spannungs-
und des Stromtriebflusses die Pole des Spannungs- und des Stromeisens nach einer
im Elektrogroßmaschinenbau bekannten Weise ausgebildet sind.