DE1018989B - Elektrizitaetszaehler mit Trommelanker - Google Patents

Elektrizitaetszaehler mit Trommelanker

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DE1018989B
DE1018989B DEL25300A DEL0025300A DE1018989B DE 1018989 B DE1018989 B DE 1018989B DE L25300 A DEL25300 A DE L25300A DE L0025300 A DEL0025300 A DE L0025300A DE 1018989 B DE1018989 B DE 1018989B
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electricity meter
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DEL25300A
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Karl Mosig
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R11/00Electromechanical arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. of consumption
    • G01R11/36Induction meters, e.g. Ferraris meters

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Faktor k berücksichtigt dabei den Einfluß sämtlicher Oberwellenfelder, die bei nicht sinusförmiger Feldverteilung im Luftspalt des Zählermotors wirksam sind.
  • Sie ergeben sich aus der Fonrieranalyse der vorhandenen Feldverteilungskurven des Spannungs- und des Stromtriebflusses.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Die Laufeigenschaften und die Größe des erzielten Drehmomentes sind dabei im wesentlichen abhängig von der Zahl der Läuferschlitze und deren Dimensionierung.
  • 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.
  • 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.
  • (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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. 2. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen dem im Querschnitt kreisförmigen Innenkern und den Polflächen sich von seiner schmalsten Stelle aus nach beiden Seiten mit dem reziproken Cosinus des Winkels erweitert, der vom Mittelpunkt des Innenkerns als Scheitel durch die zur schmalsten und zur jeweils betrachteten Stelle verlaufenden Schenkel gebildet wird.
    3. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole von Spannungs-und Stromeisen um 90" gegeneinander versetzt sind.
    4. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Verkettung der in dem Läufer auftretenden Ströme mit den beiden Triebflüssen und zur Drehmomentbildung der die Luftspalte der beiden übereinander angeordneten Triebsysteme durchsetzende zylindrische Läufer mit einer größeren Zahl gleichmäßig über den Umfang verteilter axial verlaufender Schlitze (21) versehen ist (Fig. 5).
    5. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Schlitze sich über die gesamte axiale Ausdehnung der beiden Polsysteme erstreckt.
    6. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite so schmal wie möglich, etwa 0,3 mm, gewählt ist.
    7. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der zwischen zwei Schlitzen befindlichen Stege sehr viel kleiner als der halbe Läuferumfang ist.
    8. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung guter Laufeigenschaften das Verhältnis der Summe von Stegbreite und Schlitzbreite zum halben Läuferumfang etwa 0,08 und das Verhältnis der Schlitzbreite zur Summe von Steg- und Schlitzbreite kleiner oder gleich 0,1 ist.
    9. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferumfang gleich oder größer als das 250fache der kleinsten technisch erzielbaren Schlitzbreite ist.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 858 572, 837879.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE837879C (de) * 1948-12-07 1952-05-02 Siemens Ag Ferraristriebsystem fuer Zaehler od. dgl.
DE858572C (de) * 1950-09-29 1952-12-08 Siemens Ag Triebsystem fuer Induktionszaehler

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE837879C (de) * 1948-12-07 1952-05-02 Siemens Ag Ferraristriebsystem fuer Zaehler od. dgl.
DE858572C (de) * 1950-09-29 1952-12-08 Siemens Ag Triebsystem fuer Induktionszaehler

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