DE1262441B - Elektrodynamisches Messgeraet - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Deutsche KL:

GOIr

Nummer: 1262441

Aktenzeichen: B 81608IX d/21 e

Anmeldetag: 24. April 1965

Auslegetag: 7. März 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrodynamisches Meßgerät, welches insbesondere für die Leistungsmessung oder als Meßsystem für Elektrizitätszähler vorteilhaft Anwendung finden kann.

Die bekannten, gebräuchlichen elektrodynamischen Meßgeräte besitzen eine feststehende, in den meisten Fällen zweiteilig ausgebildete Stromspule mit gleichbleibendem Wicklungssinn, durch die der Verbraucherstrom fließt und die aus verhältnismäßig starkem Draht hergestellt ist. Innerhalb der geteilten Stromspule ist eine Spannungsspule, die aus vielen Windungen dünnen Drahtes besteht und an der die Klemmenspannung des Verbrauchers liegt, beweglich so angeordnet, daß die Achsen von Strom- und Spannungsspule senkrecht aufeinanderstellen. Die Drehachse der Spannungspule liegt zentral innerhalb der zweiteiligen Stromspule. Die Stromzuführung zur drehbar gelagerten Spannungsspule erfolgt im allgemeinen durch Spiralfedern oder Spannbänder, die gleichzeitig die mechanische Gegenkraft bei Drehung der Spannungsspule hervorbringen.

Werden die Spulen von einem Strom durchflossen, so hat die bewegliche Spule das Bestreben, ihre magnetische Achse in die Richtung derjenigen der festen Spule einzustellen.

Bei derart aufgebauten elektrodynamischen Meßgeräten hat man auch bereits auf die Stromspule eine zusätzliche Wicklung mit entgegengesetztem Wicklungssinn aufgebracht, um den in der Stromspule entstehenden Effekt, der durch den Strom der parabgeschalteten Spannungsspule erzeugt wird, zu kompensieren.

Um das Meßergebnis durch einen zu großen Drehwinkel der Spannungsspule nicht zu verfälschen, sind sogenannte Torsionsinstrumente bekanntgeworden, bei welchen der Drehwinkel der Spannungsspule außerordentlich gering ist. Mit Hilfe eines drehbaren Knopfes, der mit der beweglichen Spule über eine Spiralfeder oder ein Spannband verbunden ist, wird die Nullage der Drehspule eingestellt, indem durch Verdrehen des Knopfes das Gegendrehmoment der Feder oder des Spannbandes den an der drehbaren Spule befestigten Zeiger wieder auf den Nullstrich bringt. Das Meßergebnis wird sodann auf der mit dem drehbaren Knopf verbundenen Skala abgelesen.

Es ist auch bereits ein astatisches Meßgerät nach dem Dynamometerprinzip bekanntgeworden, bei dem zwei feststehende Stromspulen mit entgegengesetztem Wicklungssinn bzw. entgegengesetzter Stromrichtung und zwei bewegliche Spulen, die ebenfalls entgegengesetzten Wicklungssinn bzw. Stromrichtung aufweisen, in je zwei parallelen, von der zentralen Dreh-Elektrodynamisches Meßgerät

Anmelder:

Max Baermann, 5060 Bensberg, Wulfshof

Als Erfinder benannt:

Max Baermann, 5060 Bensberg

achse paarweise gleich weit abstehenden Ebenen angeordnet sind. Die eine bewegliche Spule ist somit der einen Stromspule und die gegenüberliegende bewegliche Spule der anderen Stromspule zugeordnet, um den Einfluß homogener Fremdfelder auszuschalten. In ihrem Aufbau unterscheiden sich diese beiden Systeme jedoch nicht von den bekannten dynamometrischen Anordnungen.

Bei diesen bekannten Ausführungen mit zentral gelagerter Drehachse kann der Kraftarm zwischen Drehpunkt und wirksamen Schenkeln der beweglichen Spule nur verhältnismäßig klein ausgebildet werden. Es kann somit auch nur ein verhältnismäßig kleines Drehmoment erzielt werden. Die Empfindlichkeit kann bei derart aufgebauten Geräten auch nicht ohne weiteres erhöht werden, weil der Abstand der Stromspulen zur Drehachse nicht beliebig vergrößert werden kann, denn er ist abhängig von der Größe der Spannungsspule, die sich mit ihren beiden wirksamen Schenkeln innerhalb der Stromspule bewegen muß. Überdies beanspruchen diese elektrodynamischen Meßgeräte ein verhältnismäßig großes Volumen. Besonders macht sich dieser Mangel jedoch dann bemerkbar, wenn die Leistung oder der Stromverbrauch von Mehrphasenstrom gemessen werden soll, denn für diesen Zweck benötigt man für jede Phase eine separate elektrodynamische Meßanordnung, die auf eine gemeinsame Drehachse wirkt.

Bei den bekannten Ausführungen mit innerhalb der Spannungsspule gelagerter Drehachse können diese separaten Meßanordnungen nur übereinander angeordnet werden. Aus diesem Grund besitzen die bekannten Drehstromzähler eine verhältnismäßig große Bauhöhe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein elektrodynamisches Meßgerät hoher Empfindlichkeit zu schaffen, das bei großem Drehmoment eine kleine Bauweise bei einfachem Aufbau besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine außerhalb der Spulenanordnung gelagerte

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Schwenkspule, die so innerhalb der aus zwei Spulenhälften mit entgegengesetztem Wicklungssinn bestehenden Stromspule angeordnet ist, daß auf die beiden aktiven Schenkel der Schwenkspule bei Stromdurchgang eine Kraft in der gleichen Richtung wirkt.

Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrodynamischen Meßgerät, bei dem der Drehpunkt der beweglichen Spule außerhalb der Spulenanordnung gelegt ist, wobei es gelungen ist, trotzdem die beiden wirksamen Schenkel der Spannungsspule zur Erzeugung des Drehmomentes auszunutzen, kann die Spulenanordnung selbst sehr klein gehalten werden, weil der Abstand der beiden für das Drehmoment wirksamen Schenkel der Spannungsspule gering sein kann. Es ist somit möglich, auch den Abstand der zwei Spulenhälften der Stromspule zueinander klein zu halten. Durch diese Bauweise wird das Gewicht der Spannungsspule und damit das Trägheitsmoment beachtlich verkleinert, dagegen das Drehmoment nicht beeinflußt, weil die kürzeren, nicht aktiven Schenkel der Spannungsspule keinen Einfluß auf das Drehmoment ausüben, dagegen die längeren, senkrechten, wirksamen Schenkel voll für das Drehmoment ausgenutzt werden. Diese Bauweise gestattet es ferner, praktisch ohne Vergrößerung der Masse der beweglichen Spule das Drehmoment durch Verkleinerung oder Vergrößerung des Hebelarmes — Mitte Spannungsspule zum Drehpunkt — den gewünschten Verhältnissen anzupassen.

Besonders vorteilhaft ist das elektrodynamische Meßgerät nach der Erfindung zur Messung von Mehrphasenstrom, insbesondere für Elektrizitätszähler, anwendbar, da mehrere nach der Erfindung ausgebildete Meßsysteme in einer Ebene zur Drehachse mit ihrer beweglichen Spule an einer zentral angeordneten Drehachse angebracht werden können.

Bei Drehstrom werden z. B. drei derartige Meßsysteme in einer Ebene im Winkel von 120° zueinander angeordnet, deren bewegliche Spulen über Verbindungsstege an der zentral angeordneten Drehachse befestigt sind. Eine derartige Anordnung der Spannungsspulen ist zwar bei eisengeschlossenen Dynamometern bereits bekannt, jedoch ist hierbei nur ein senkrechter Schenkel der Spannungsspule für das Drehmoment wirksam.

Auf besonders einfache Weise kann nach der vorliegenden Erfindung eine astatische Anordnung erzielt werden, indem auf jeder Seite der zentral angeordneten Drehachse gegenüberliegend eine bewegliche Spannungsspule, die von den Stromspulen umgeben ist, angebracht wird, die mit der Drehachse über Verbindungsstege verbunden ist, wobei die Stromrichtung in der einen beweglichen Spule entgegengesetzt der Stromrichtung in der gegenüberliegenden Spule ist.

Zwei Ausführungsbeispiele, und zwar für Einphasen- und Dreiphasenstrom, sind an Hand der Zeichnungen nachfolgend beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht des elektrodynamischen Meßgerätes zur Leistungsmessung, teilweise geschnitten,

F i g. 2 eine Vorderansicht auf die innerhalb der feststehenden Stromspulen angeordnete Spannungsspule,

F i g. 3 eine schematische Darstellung im Querschnitt durch die Spulenanordnung, aus der die Richtung des durch die Spulendrähte fließenden Stromes und die Wirkungsweise ersichtlich sind,

F i g. 4 eine Seitenansicht des elektrodynamischen Meßgerätes für Dreiphasenstrom im Längsschnitt,

F i g. 5 ein ausgestanztes Kupferband, welches zur Wicklung der Stromspulen dient,
F i g. 6 eine Draufsicht auf das elektrodynamische Meßgerät in Dreiphasenanordnung, teilweise geschnitten.

Das elektrodynamische Meßgerät gemäß F i g. 1 besteht aus der Grundplatte 1, auf der ein Sockel 2

ίο befestigt ist, welcher zur Halterung der beiden Stromspulen 3 und 4 dient. Die Stromspulen bestehen aus dem Spulenkörper 5, der die Wicklung 6, die aus wenigen Windungen dicken Drahtes besteht, trägt. Innerhalb der feststehenden Stromspulen ist die Spannungsspule7, die aus vielen Windungen dünnen Drahtes besteht, derart beweglich angeordnet, daß der senkrechte Schenkel 8 derselben von der Stromspule 3 und der senkrechte Schenkel 9 der Spannungsspule von der Stromspule 4 umgeben ist.

Der Drehpunkt der Spannungspule ist außerhalb der sie umgebenden Stromspulen angeordnet. Zu diesem Zweck ist auf der Grundplatte der Lagerbügel 10 befestigt, an dessen Schenkelenden 11 die Drehachse 12 in zur Vereinfachung nicht dargestellten Steinschrauben gelagert ist. Auf der Drehachse ist eine Büchse 13 fest angebracht, in die der Tragarm 14 eingreift, an dessen anderem Ende die Spannungsspule befestigt ist.

Um das Gewicht der Spannungsspule auszugleichen, ist auf der dem Tragarm gegenüberliegenden Seite ein Rohr IS in die Büchse eingelassen, an dessen Ende sich ein Gegengewicht 16 befindet. Auf der Drehachse sind weiterhin die beiden Spiralfedern 17 befestigt, die das Gegendrehmoment zu dem durch die zu messenden Ströme hervorgerufenen Drehmoment bilden und gleichzeitig zur Stromführung für die Spannungsspule dienen.

Die äußeren Enden der Spiralfedern sind mit Gewindestiften 18 verbunden, die in einer Isolierbüchse 19 am Lagerbügel mittels Muttern 20 verschraubt sind.

An der Spannungsspule ist ein Zeiger 21 angebracht, der den Ausschlag auf der Skala 22 anzeigt.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, · wie die Spannungsspule 7 innerhalb der Stromspulen 3, 4 angeordnet ist. Die Bewegung der Spannungsspule innerhalb der Stromspulen erfolgt in der eingezeichneten Pfeilrichtung.

Die die beiden senkrechten Schenkel 8 und 9 der Spannungsspule 7 umgebenden Stromspulen 3 und 4 sind derart gewickelt, daß die Stromrichtung in der Stromspule 3 entgegengesetzt der Stromrichtung in der Stromspule 4 ist.

Der Stromverlauf und die Ausbildung des Magnetfeldes um die Spulendrähte der Spannungsspule und der Stromspulen ist aus F i g. 3 anschaulich entnehmbar, die einen waagerechten Schnitt durch die Spannungsspule und Stromspule zeigt.

Zur Vereinfachung der Darstellung sind von jeder Stromspule jeweils drei Spulendrähte und von der Spannungsspule ein Spulendraht aufgezeichnet.

Wird an die Spannungsspule die Netzspannung angelegt, so fließt durch dieselbe ein Strom, der — so sei hier angenommen — in dem senkrechten Schenkel 8 von oben nach unten, d. h. in die Bildebene hinein, fließt und mit einem Kreuz bezeichnet ist, während im gleichen Augenblick der Strom in dem

senkrechten Schenkel 9 von unten nach oben, d. h. aus der Bildebene heraus, fließt und mit einem Punkt bezeichnet ist. In dem Schenkel 8 bildet sich um den Leiter ein Magnetfeld, welches im Uhrzeigersinn verläuft, wie aus den eingezeichneten Pfeilrichtungen ersichtlich ist. Im Schenkel 9 bildet sich dagegen ein Magnetfeld aus, das entgegen dem Uhrzeigersinn verläuft, wie aus den eingezeichneten Pfeilen erkennbar ist.

Die den senkrechten Schenkel 8 der Spannungsspule umgebende Stromspule 3 ist so gewickelt, daß der Strom an den mit einem Kreuz bezeichneten Spulendrähten in die Bildebene eintritt und an den mit einem Punkt gekennzeichneten Spulendrähten aus der Bildebene austritt. Es ergeben sich die um die Leiter gezeichneten Magnetfelder.

Das gleiche gilt entsprechend für die den senkrechten Schenkel 9 der Spannungsspule umgebende Stromspule 4. Wie man jedoch erkennen kann, ist die Stromrichtung in der Stromspule 4 gegenüber der Stromrichtung in der Stromspule 3 entgegengesetzt gerichtet.

Betrachtet man die von der Spannungsspule und von den Stromspulen hervorgerufenen Magnetfelder, so erkennt man, daß auf der einen Seite die Magnetfelder von Strom- und Spannungsspule entgegengerichtet sind, während sie auf der anderen Seite in gleicher Richtung verlaufen. Demzufolge wird sich die Spannungsspule in der dargestellten Pfeilrichtung bewegen.

F i g. 4 zeigt das elektrodynamische Meßgerät für Dreiphasenstrom, wobei es im Prinzip wie das Gerät nach den F i g. 1 bis 3 aufgebaut ist.

Innerhalb des Spulengehäuses 23 sind die Stromspulen 24 angeordnet, die als Doppelspule gewickelt sind. Die Wicklung besteht aus einem Kupferband 25, das eine U-förmige Gestalt gemäß F i g. 5 aufweist und aus einer Kupfertafel ausgestanzt ist. Dieses Kupferband ist derart aufgewickelt, daß aus jedem Schenkel eine Spule entsteht, wobei die Schenkelenden mit den Anschlußschrauben 26 verbunden sind. Auf diese Weise fließt der Strom in der einen Spule entgegengesetzt dem Strom in der anderen Spule.

Innerhalb der Stromspulen ist die bewegliche Spannungsspule 27 derart angeordnet, daß der eine senkrechte Schenkel von der einen Stromspule und der andere senkrechte Schenkel von der anderen Stromspule umgeben ist.

Da das vorliegende Gerät für Dreiphasenstrom Verwendung finden soll, müssen drei Meßeinrichtungen vorgesehen werden, die aus je einer Spannungsspule, die von einer Doppelspule, durch welche der Verbraucherstrom fließt, umgeben ist, bestehen.

Wie aus F i g. 6 ersichtlich ist, sind die drei Dynamometer-Anordnungen I, II, III im Winkel von 120° zueinander angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird es ermöglicht, diese drei Dynamometer-Meßeinrichtungen in einer Ebene anzuordnen, wobei die Spannungsspulen an einer gemeinsamen Drehachse 28 über Tragarme 29 befestigt sind. Die Drehachse ist in einem Oberlager 30 und in einem Unterlager 31, welche in dem Lagerbügel 32 eingesetzt sind, gelagert. Über die Drehachse ist ein Isolierrohr 33 geschoben, auf dem die das Gegendrehmoment bildenden Spiralfedern 34, 35, 36, 37 befestigt sind. Die Spiralfedern 34,35, 36 dienen als Stromzuführung für die Spannungsspulen der Dynamometer-Anordnungen I, II, III, während die Stromrückführung gemeinsam über die Spiralfeder 37 vorgenommen wird. Auf dem Isolierrohr sind fernerhin die Tragringe 38 befestigt, in welche die Tragarme 29 eingreifen, an welchen die Spannungsspulen befestigt sind.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, welche insbesondere zur Leistungsmessung dienen, beschränkt. In Verbindung mit einem Antriebs- und Zählsystem kann das nach der Erfindung vorgeschlagene elektrodynamische Meßgerät infolge seiner Meßgenauigkeit als Elektrizitätszähler verwendet werden. In diesem Fall ist die Drehachse mit Steuergliedern verbunden, deren elektrische Eigenschaften sich unter dem Einfluß von Wärmestrahlen, Lichtstrahlen, Magnetfeldern oder radioaktiven Strahlen ändern, wie z. B. Hall-Generatoren, Fotowiderständen u. dgl., welche entsprechend dem Ausschlag der Spannungsspule eine Regelung der Drehzahl des Antriebsmotors, welcher direkt oder indirekt das Zählwerk antreibt, bewirken.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrodynamisches Meßgerät mit einer innerhalb der feststehenden Stromspulen beweglich angeordneten Spule, gekennzeichnet durch eine außerhalb der Spulenanordnung gelagerte Schwenkspule, die so innerhalb der aus zwei Spulenhälften mit entgegengesetztem Wicklungssinn bestehenden Stromspule angeordnet ist, daß auf die beiden aktiven Schenkel der Schwenkspule bei Stromdurchgang eine Kraft in der gleichen Richtung wirkt.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur astatischen Anordnung auf jeder Seite der zentral angeordneten Drehachse gegenüberliegend eine bewegliche Spule, die von den Stromspulen umgeben ist, angebracht und mit dieser verbunden ist, wobei die Stromrichtung in der einen beweglichen Spule entgegengesetzt der Stromrichtung in der gegenüberliegenden beweglichen Spule ist.

3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Mehrphasenstrom, beispielsweise Drehstrom, eine den zu messenden Phasen entsprechende Anzahl von innerhalb der aus zwei Spulenhälften bestehenden Stromspulen beweglich angeordneten Spulen vorgesehen ist, die mit einer zentral liegenden Drehachse verbunden sind.

4. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden senkrechten Schenkel der beweglichen Spule eine größere Länge aufweisen als die waagerechten Schenkel derselben, vorzugsweise im Verhältnis 2:1.

5. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Eisenleitstücke am oberen und unteren Teil der Stromspulen in einer Ebene parallel zur Drehrichtung der beweglichen Spule angebracht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 153 672;
USA.-Patentschrift Nr. 2 205 228.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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