DE220137C

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Publication number: DE220137C
Application number: DENDAT220137D
Authority: DE

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 220137 -. KLASSE 21 e. GRUPPE

CED. O'KEENAN in PARIS.

Motor-Elektrizitätszähler. Patentiert im Deutschen Reiche vom 1. März 1908 ab.

Für diese Anmeldung ist bei der Prüfung gemäß dem Unionsvertrage vom

20. März 1883

14. Dezember 1900 auf Grund der Anmeldung in Frankreich vom i.März 1907 anerkannt.

die Priorität

Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Vorrichtung zur Beseitigung jener Ungenauigkeiten in den Angaben von Elektrizitätszählern mit Kollektormotoren, die auf Verzögerungen in der Bewegung der Kollektoren infolge von Bürstenreibung beruhen, Störungen, die namentlich bei geringen Belastungen und beim Anlaufen sich unangenehm bemerkbar machen.

Die Erfindung besteht darin, daß man den Bürsten eine selbständige, in einer zum Kollektor annähernd senkrechten Ebene und im allgemeinen mit größerer Geschwindigkeit als die Umfangsgeschwindigkeit des Kollektors sich vollziehende Bewegung gegenüber dem Kollektor gibt. Die gewünschte Bewegung kann auf verschiedene Weise hervorgebracht werden, insbesondere mit Hilfe elektromagnetischer Anordnungen.

In den Zeichnungen ist die Erfindung dargestellt. Fig. ι ist ein schematischer Durchschnitt durch den Kollektor. Fig. 2 und 3 zeigen in Seitenansicht und in teilweiser Oberansicht einen Zähler, dessen Motorbürsten nach der Erfindung in der Weise angeordnet sind, daß den Bürsten Längsschwingungen erteilt werden. Fig. 4 und 5 zeigen in Seiten- und Oberansicht eine Anordnung, mit Hilfe derer die Bürsten in Querschwingungen versetzt werden. In Fig. 6 ist in Oberansicht eine Anordnung dargestellt, bei der die Bürsten aus Reibungsscheiben bestehen. Fig. 7 zeigt eine etwas geänderte Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 6, bei der die eine Bürste als Reibungsscheibe, die andere als gewöhnlicher federnder Streifen ausgebildet ist. Fig. 8 und 9 zeigen in Seiten- und Oberansicht einen Motor, bei dem die neue Anordnung nicht nur in bezug auf die Bürsten, sondern auch auf die beiden Lagerzapfen angewendet ist. Fig. 10 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung.

Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist in Fig. 1 erläutert. C stellt schematisch einen Querschnitt durch den Kollektor eines Zählermotors mit senkrecht liegender Achse dar, b und b¹ sind die Bürsten, die ihm den Strom zuführen.

Fließt durch die Bürsten und demgemäß auch durch den Kollektor und den Anker Strom von einer gewissen Stärke, so wird der Anker sich drehen, beispielsweise im Sinne des Pfeiles F.

Die Reibungskräfte wirken der Drehung des Ankers entgegen und sind in hohem Grade unabhängig von der relativen Geschwindigkeit der aufeinander reibenden Teile. Im vorliegenden Fall, in dem sich der Kollektor im Sinne des Pfeiles F dreht, stellt die Reibung der beiden Bürsten b und b¹ auf dem Kollektor zwei tangential wirkende Kräfte f und f¹ dar, die der Drehbewegung entgegenwirken, und

deren Wert konstant bleibt, wie groß auch die Drehgeschwindigkeit sein möge, wenigstens bei den bei Motorzählern gebräuchlichen Geschwindigkeitsgrenzen.

Diese Kräfte f und f¹ haben die Wirkung, die Drehung zu verzögern und demgemäß zu verhindern, daß die Drehuhgsgeschwindigkeit genau proportional dem Gang der zu messenden elektrischen Energie ist, besonders bei kleinen

ίο Belastungen, die mehr oder weniger der Anlaufstromstärke sich nähern.

Wenn man nun die Bürsten auf irgendeinem durch B dargestellten Isolierstück befestigt und diesem während der Drehung des Ankers eine horizontale Verschiebung erteilt, im Sinne des Pfeiles F¹, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die höher ist als die Umfangsgeschwindigkeit des Kollektors, so wird die Geschwindigkeit, in der der Kollektor sich gegenüber der Bürste b verschiebt, vergrößert, während die durch die Tangentialkraft f dargestellte Reibung dennoch dieselbe bleibt, da diese ja unabhängig von der Geschwindigkeit ist. Die Reibung der Bürste b an der Kollektoroberfläche wird also genau dieselbe sein, als wenn die Bürste in Ruhe verbliebe, und demgemäß bleibt auch die auf eine Verzögerung der Drehung hinwirkende Tangentialkraft f dieselbe.

Die Relativgeschwindigkeit der Verschiebung auf der Bürste b¹ gegenüber dem Kollektor während der Bewegung des Isolierstückes B ändert sich aber ihrem Sinne nach, und demgemäß ändert sich das Vorzeichen der Reibungskraft, welche dieser Verschiebung entgegenwirkt. Indem diese Kraft also der Verschiebung der Bürste b¹ entgegenwirkt, wirkt sie in demselben Sinne wie die auf den Anker wirkende Antriebskraft, während sie doch in ihrer absoluten Größe ungeändert bleibt.

Demgemäß üben die Reibungskräfte f und f¹ während der Verschiebung der Bürsten b und δ¹, im Sinne des Pfeiles F¹, auf den Kollektor Kräfte aus, die einander entgegengesetzt sind, und wenn diese Kräfte einander gleich sind, so halten sie einander völlig das Gleichgewicht. In diesem Falle würde also die von ihnen ausgehende schädliche Wirkung völlig

Erstes Kraftmoment + K' (f¹ —f) t,

zweites Kraftmoment .... — K (f¹ —f) t,

Summe der Momente .... = O,

Es ist also notwendig, daß die Verschiebungen des Bürstenträgers B nach beiden Seiten aus der Ruhelage hin isochron sind, wenn f in bezug auf seinen absoluten Wert von f¹ abweicht. Ist f gleich f¹, d. h. werden beide Bürsten gleich stark angedrückt, so kompensiert sein, und die Angaben des Zählers würden auch bei schwachen Belastungen nicht mehr von der Bürstenreibung beeinflußt werden.

Aber zur Erlangung dieses Ergebnisses ist es nicht einmal unbedingt nötig, daß die Tangentialkräfte f und f¹ einander gleich ■ sind. Wenn man nämlich, während alle übrigen Bedingungen ungeändert bleiben, das Isolierstück B in einer dem Pfeil F¹ entgegengesetzten Richtung verschiebt, so kehren sich die Verhältnisse um: Die Reibungskraft f, die in, dem vorher beschriebenen Fall verzögernd wirkte, wirkt nun im Sinne des Antriebes, während ihr absoluter Wert ungeändert bleibt; die Kraft f¹ dagegen behält denselben Wert in Größe und Richtung, den sie bei Stillstand der Bürsten besitzt.

Man hat also drei verschiedene Möglichkeiten ins Auge zu fassen:

1. Gewöhnlicher Motorzähler (oder sonstiger Apparat) mit festen Bürsten:
Reibungskräfte \ — f I daher wirkt die re-

( ) sultierende Kraft _g

entgegengesetzt^ — f¹ ) — (f+f¹)
) ( verzögernd.

2. Zähler mit bewegten Bürsten im ersten Sinne:

Reibungskräfte

-f

+ f¹

Resultierende

3. Zähler mit bewegten Bürsten im zweiten Sinne:

+ / ( Resultierende

Reibungskräfte

Addiert man die Resultierenden unter 2. und 3., so ergibt sich:

Resultierende Reibungskraft während einer Hin- und Rückbewegung der Bürsten von gleicher Dauer = f¹+ f — f — f¹ = O.

Die resultierende Reibungskraft ist also gleich O, und demgemäß ist die Kompensation vollständig, wenn die Zeit t, während welcher die .Teilresultante (f¹ — f) wirkt, dieselbe ist wie diejenige, während welcher die Teilresultante (f — f¹) wirkt, denn die Antriebskräfte während der Zeiten t sind dann identisch und die Vorzeichen entgegengesetzt:

wobei K eine Konstruktionskonstante ist.

braucht auch diese Bedingung nicht eingehalten . zu werden.

Man sieht auch, daß die Kompensation unabhängig ist von dem Auflagedruck der Bürsten, und daß diese daher immer genügend angedrückt gehalten werden können, um unvoll-

kommenen Kontakt im Kollektor zu vermeiden, ohne daß damit eine Herabsetzung der Empfindlichkeit des Zählers verbunden wäre. Das ist ein Resultat, das sicherlich überraschend erscheint.

In den Fig. 2 und 3 ist schematisch die Anwendung des hier entwickelten Erfindungsgedankens auf einen Motorzähler dargestellt. / ist der Anker, C der Kollektor, b, b das Bürstenpaar auf der Vorderseite des Kollektors. b\ b¹ sind die an der Rückseite des Kollektors anliegenden Bürsten, während D die Lagerpfanne ist.
Die Vorrichtung, durch welche die Bürsten in isochrone Schwingungen versetzt werden, ist gemäß dieser Ausführungsform nichts anderes als ein N e e f scher Hammer, wie er bei Induktionsapparaten und den Läutewerken verwendet wird. Er besteht aus einem Elektromagneten A, einem federnden Anker E mit dem Polstück G und dem Bürstenträger B. Der Anker ist mit einem Kontakt c versehen, der mit einem festen Kontakt p in Berührung kommen kann.

Der Strom, der den Elektromagneten A erregt, wird also abwechselnd geschlossen und unterbrochen, und dadurch wird der Anker E mit dem Polstück G und dem Bürstenträger D in hin und her gehende Schwingungen versetzt.

Zur Regelung des Erregerstromes kann ein Widerstand R mit oder ohne Selbstinduktion vorgesehen werden.

Die Klemmen g und h der Elektromagnetwicklung können direkt an die Spannungsleitung u des Zählers oder aber an irgendeine andere Stromquelle angeschlossen werden. Man kann allerdings alle beliebigen Anordnungen treffen, um den Stromverbrauch der die Schwingung der Bürste erzeugenden Vorrichtung möglichst klein zu machen. Man kann den Elektromagneten auch in die Spannungsleitung des Ankers bei Wattstundenzählern einschalten. Endlich kann man auch zur Vermeidung der Funkenbildung zwischen den Kontakten c und ft einen induktionslosen Widerstand oder auch einen Kondensator i einschalten.

Natürlich kann man auch den zur Erregung des Elektromagneten A erforderlichen wellenförmigen Strom auf andere Weise erzeugen anstatt durch Stromunterbrechungen, indem man z. B. zwischen p und c Mikrophonkontakte einschaltet, z. B. Kohlenkörner 0. dgl.

Anstatt den Bürsten die beschriebenen Längs- oder Seitenschwingungen zu erteilen, kann man sie auch in quer- oder kreisförmig verlaufende Schwingungen versetzen, deren Schwingungsmittelpunkt in der Nähe der Kollektorachse oder ihrer Verlängerung liegt. Eine solche Anordnung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Hierbei liegen die Spulen des Elektromagneten A senkrecht zu den Bürsten b, b¹. Die Blattfedern E und das Polstück G sind so befestigt, daß sie Querschwingungen ausführen, was durch den doppelten Pfeil j in Fig. 5 dargestellt ist. (Die in Fig. 5 punktiert gezeichnete Stellung der Bürsten zeigt die Bürstenschwingung in sehr übertriebenem Maßstabe.)

Bei dieser Anordnung weicht die Wirkungsweise ein wenig von der Art der Kompensation ab, die durch die Längsverschiebungen erreicht werden, insofern, als in der ersten halben Schwingungsperiode die beiden Reibungskräfte f und f¹ in demselben Sinne wirken und sich addieren, anstatt sich entgegenzuwirken, und als in der zweiten halben Schwingungsperiode die Kräfte in entgegengesetztem Sinne wirken. Dennoch wird die Kompensation am Ende jeder vollständigen Schwingungsperiode der Bürsten erreicht, da die Antriebsmomente abwechselnd gleich und von entgegengesetzten Vorzeichen sind.

An Stelle von schwingenden Bürsten b, b¹ können eine, zwei oder mehrere Reibungsscheiben b (Fig. 6 und 7) verwendet werden. Diese Scheiben werden von einem Motor in Drehung versetzt, der unabhängig sein kann von demjenigen des Zählers, z. B. von einem Uhrwerk. Bei Verwendung solcher Scheiben muß aber der Druck gegen den Kollektor bei beiden Scheiben gleich sein, so daß die Bedingung f = f¹ erfüllt ist.

Zur Hervorrufung der Schwingungen der Bürsten kann man anstatt eines N e e f sehen Hammers jede andere Einrichtung benutzen, durch die Schwingungen erzielt werden, z. B. einen durch Wechselstrom erregten Elektromagneten, einen Metallfaden oder eine eingeschlossene Gasmenge, die sich unter dem Einfluß des Stromes ausdehnt, mechanische, etwa durch ein Uhrwerk angetriebene Vorrichtungen, Feder oder Gewichte und dergleichen mehr.

Die neue Anordnung ist in gleicher Weise bei allen bekannten Motorzählern verwendbar. Bei solchen Zählern jedoch, die Kompoundierungsarbeit verzehren, wie z. B. die Thomson sehen Wattstundenzähler, muß man diese unterdrücken, weil sonst die Zähler auch bei Leerlauf anzeigen würden.

Man kann auch die Vorrichtung zur Bewegung der Bürsten dazu benutzen, um auch die Einwirkung der Zapfenreibung zu beseitigen, was ja in bekannter Weise dadurch erreicht wird, daß man die unteren und oberen Lager K und D um die Gleichgewichtslage in Schwingungen versetzt. Nach den Fig. 8 und 9 kann das z. B. dadurch geschehen,, daß man sie mit dem schwingenden Anker E verbindet, der von dem Elektromagneten aus bewegt wird.

Wenn der Anker E starr ist, so kann man eine Schraubenfeder G¹ anordnen, die mit

einem Ende am Rahmen P des Zählers und mit dem anderen an dem Lager D oder dem Ring N befestigt ist. Der obere Anker E ist an einem vertikalen starren Stab M befestigt, der seinerseits die Bürsten b, b¹ trägt, so daß die Ankerschwingungen auch auf diese Bürsten übertragen werden.

Außer den erwähnten rein mechanischen Mitteln zur Hervorbringung der Bürstenver-Schiebungen lassen sich, wie bemerkt sein mag, auch noch andere Mittel verwenden, z. B. dasjenige, die Bürstenschwingungen mit Hilfe von ■ den Bodenerschütterungen, denen die großstädtischen Straßen ausgesetzt sind, zu erzielen. Zu diesem Zwecke braucht man nur die Blattfeder E mit einer schweren Kugel oder sonstigen Masse H zu versehen (vgl. Fig. 10), die in der Höhenlage verstellbar ist. Dadurch kann man das Trägheitsmoment der Blattfeder regeln und erreichen, daß die Bürsten in Schwingungen versetzt werden, die nach Periode und Phase abweichen von denjenigen, welche die Bodenerschütterungen der Straße dem Kollektor erteilen. So erhält man dann eine Relativbewegung zwischen dem Kollektor und den Bürsten, die in gewissen Fällen nützlich sein kann.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Motor-Elektrizitätszähler, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten mit einer Vorrichtung versehen sind, die ihnen eine selbständige, in einer zur Kollektorachse annähernd senkrechten Ebene und im allgemeinen mit größerer Geschwindigkeit als die Umfangsgeschwindigkeit des Kollektors sich vollziehende Bewegung gegenüber diesem erteilt, zum Zweck, die auf Verzögerung der Drehungsgeschwindigkeit gerichtete Wirkung der Reibung zwischen Kollektor und Bürsten aufzuheben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten an einer leicht beweglichen Feder befestigt sind, deren Masse, gegebenenfalls durch Aufsetzen eines Gewichtes, groß genug gemacht ist, um durch die vom Straßenverkehr herrührenden Erschütterungen des Erdbodens in Schwingungen versetzt zu werden, deren Periode und Phase nach Belieben verschieden gemacht werden können von den auf denselben Ursachen beruhenden Schwingungen des Kollektors.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten oder eine derselben durch auf dem Kollek-

. tor mit gleichem Druck reibende Scheiben ersetzt werden, die von irgendeinem Antrieb aus selbständig in Drehung versetzt werden, wobei eine Scheibe, die sich in entgegengesetztem Sinne dreht wie der Kollektor, eine größere Umfangsgeschwindigkeit besitzen muß als dieser, so daß sie ihm einen Reibungsantrieb erteilt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.