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Elektrischer Uhrantrieb Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Antrieb in einer Uhr, bei dem fest angeordnete Spulen mit am Pendel angebrachten Dauermagnetan- ordnungen so zusammenwirken, dass sie auf elektromagnetischem Wege Steuerimpulse an eine Empfängerspule abgeben und Antriebsimpulse aus einer Treibspule aufnehmen.
Jede Beeinflussung eines schwingenden Pendels ändert dessen Amplitude und Frequenz und hat somit Änderungen des Ganges, also seiner Genauigkeit, auf die es bei einem Uhrpendel besonders ankommt, zur Folge. Dabei sind Einwirkungen durch die Lagerreibung, die es umgebende Luft und die vom Pendel abzugebende Steuerenergie unvermeidbar. Wenn jedoch die Steuerenergie gerade bei Nulldurchgang des Pendels entnommen und alle Verluste durch einen entsprechenden Antriebsimpuls gerade bei Nulldurchgang kompensiert werden, wird das Pendel mit ausserordentlicher Ganggenauigkeit schwingen. Bei einem mechanisch angetriebenen Pendel können aus konstruktiven Gründen diese Forderungen, Steuer- und Antriebsimpuls bei Nulldurchgang des Pendels zu übertragen, im allgemeinen nicht erfüllt werden.
Aber auch bekannte Pendel mit elektromagnetischer Beeinflussung gestatten nicht, einen sehr kurzen Impuls gerade beim Nulldurchgang des Pendels zu übertragen.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen elektrischen Antrieb zu schaffen, bei dem an einem Pendel angebrachte Dauermagnetanordnungen so mit zwei im Uhrgehäuse fest angeordneten Spulen (Empfänger- und Treibspule) in Umgebung des Pendel-Null- durchganges zusammenwirken, dass die Pendelbeeinflussung in der Pendel-Nullage ihren grössten Wert erreicht, und der zeitliche Impulsverlauf symmetrisch zu diesem Höchstwert ist, dabei sein Vorzeichen nicht ändert und die Kräfte nur während Bruchteilen des Pendelweges und tangential zur Bewegungsrichtung wirken.
Dabei sind die einander beeinflussenden Bauelemente, die Magnetanordnungen bzw. die Spulen (Empfänger- und Treibspule) so anzuordnen und zu bemessen, dass der gewünschte Erfolg bei einfacher Justiermöglichkeit erzielt wird.
Der elektrische Uhrantrieb nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch das Zusammenwirken von zwei im Abstand gegenüberstehenden Magnetanordnungen mit einer Empfängerspule, deren im Spuleninnern allein durch einen Spulenstrom erzeugte Feldlinien senkrecht zur Symmetrieebene der gegenüberstehenden Magnetanordnungen stehen, so dass bei schwingendem Pendel der die Empfängerspule durchsetzende Dauermagnetfluss sich stetig zwischen zwei Grenzwerten ändert, während er in Ruhelage des Pendels das arithmetische Mittel dieser Grenzwerte bildet.
Durch diese Zuordnung von Dauermagnetanordnung und Empfängerspule entsteht in dieser ein kurzer, zur Pendelruhelage kraftsymmetrischer Impuls, der verstärkt zum Antrieb eines Uhrwerkes und über eine Treibspule zur Deckung der Pendelverluste dienen kann. Hierbei ist es vorteilhaft, auch die Treibspule in gleicher Weise wie die Empfängerspule anzuordnen, weil so die Symmetrie des zu übertragenden Kraft- impulses gewahrt bleibt.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus nachstehender Beschreibung von vier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstandes.
Es zeigen schematisch: Fig. 1 den bisher üblichen Aufbau eines auf elektromagnetischem Wege beeinflussten Uhrpendels, Fig. 2 das erste Ausführungsbeispiel in Ansicht, Fig. 2a ein Diagramm des die Spulen bei schwingendem Pendel durchsetzenden Dauermagnetflusses und der in der Empfängerspule entstehenden EMK als Funktion des Pendelweges,
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Fig. 3 und 3a ein weiteres Ausführungsbeispiel mit homogener Feldverteilung in einem schmalen Luftspalt der Dauermagnetanordnung in zwei Ansichten, Fig.3b ein weiteres, dem vorhergehenden sehr ähnliches Ausführungsbeispiel,
bei dem eine Hälfte der Magnetanordnung weggelassen wurde, Fig. 3c ein Diagramm des die Empfängerspule entsprechend Fig. 3b bei schwingendem Pendel durchsetzenden Dauermagnetflusses und die in ihr entstehende EMK als Funktion des Pendelweges, Fig.4 und 4a ein der Fig.3b ähnliches Ausführungsbeispiel mit ringförmiger Dauermagnetan- ordnung, deren den Luftspalt begrenzende Polflächen senkrecht zur Schwingungsebene stehen.
Gemäss Fig. 1 besteht ein elektrischer Antrieb für Uhren üblicherweise aus einem Pendel 1, einem linsenförmigen Teil 2, einem am Pendel 1 angebrachten Stabmagneten 3, der meist etwa wie die Pendelbahn gekrümmt ist und in zwei im Uhrgehäuse 4, das nur teilweise dargestellt wurde, justierbar angeordnete Spulen 5, 6 eintaucht, welche über einen Verstärker 7 zusammenwirken. Schwingt das Pendel 1, so taucht der Stabmagnet 3 mehr oder weniger in die Empfängerspule 5 ein und induziert in dieser eine EMK, welche durch den Verstärker 7 verstärkt wird. Ein Teil dieser Energie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Räderwerkes der Uhr, während der andere Teil durch die Treibspule 6 die Verluste des Pendels 1 deckt, so dass dieses in Rückkopplungsschaltung schwingt.
In Fig. 2 ist ein nach links ausgeschwungenes Pendel 1 dargestellt, an dem unterhalb seines linsenförmigen Teiles 2 zwei Magnetanordnungen aus je zwei schmalen Magnetplatten 8 aus hochkoerzitivem Material und einem Weicheisenzylinder 9 bestehend, mittels eines nicht ferromagnetischen Bügels 10 befestigt sind. Diese Magnetanordnungen sind so angebracht, dass sich gleichnamige Pole (z. B. N, N) ge- genüberstehen und ihre von den magnetischen Feldlinien nicht durchstossene Ebene 11 (Symmetrieebene beider Pole) mit der Pendelachse 12 zusammenfällt und auf der Schwingungsebene des Pendels 1, die hier der Zeichenebene entspricht, senkrecht steht.
Die Empfängerspule 13 und die Treibspule 14 sind konzentrisch gemeinsam so auf einen Spulenträger gewickelt, dass sie symmetrisch zu der den Spulenzylin- der senkrecht durchschneidenden Spulenmittelebene 15 liegen. Der Spulenträger ist justierbar am nur teilweise dargestellten Uhrgehäuse 4 befestigt und so eingestellt, dass seine Spulenmittelebene 15 mit der Pendelachse 12 in Pendelruhelage 16 zusammenfällt und auf der Schwingungsebene des Pendels 1 senkrecht steht.
Die im Innern jeder Spule allein durch einen in ihr fliessenden Strom entstehenden Feldlinien stehen dann in Pendelruhelage 16 senkrecht auf der von den Dauermagnetfeldlinien nicht durchstossenen Ebene 11, und die Spulen liegen mit ihren wirksamen Hälften hierzu symmetrisch.
Dadurch erhält der die Spulen durchsetzende Dauermagnetfluss einen zur Pendel-Nullage 16 symmetrischen Verlauf, er ändert sich stetig zwischen zwei Grenzwerten und ist in Pendel-Nullage 16 Null, bildet also das arithmetische Mittel beider Grenzwerte. Weiterhin hat die in der Empfängerspule 13 induzierte EMK ihren höchsten Wert bei Pendel-Nulldurchgang, dauert nur einen kurzen Bruchteil des Pendelweges und ist zur Pendel- Nullage 16 symmetrisch, wie das Diagramm gemäss Fig.2a zeigt, das den Flussverlauf $ in den beiden Spulen 13,
14 und den EMK-Verlauf e in der Empfängerspule 13 als Funktion des Pendelweges s darstellt. Dabei entsteht durch Zusammensetzen jeder Magnetanordnung aus je zwei Polplatten 8 und einem langen Weicheisenzylinder 9 in letzterem praktisch kein magnetischer Spannungsabfall, so dass daraus keine magnetischen Kraftlinien austreten, also der Flussverlauf in der Empfängerspule 13 konstant bleibt, sowie die Polplatten 8 durch sie hindurchgeschwungen sind.
Durch Verwendung konzentrischer Spulen 13, 14 mit ihren Wicklungshälften symmetrisch zur Mittelebene 15 des Spulenträgers und Anbringen der Magnetanordnungen mit ihrer von den Dauermagnet feldliniert nicht durchstossenen Ebene 11 in der Pendelachse 12 sind einfache Voraussetzungen für ein leichtes und genaues Einstellen der elektrischen Antriebseinrichtung in Uhren gegeben.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig.3 und 3a erzeugt die gleichen Fluss- und Spannungsverhältnisse, die Fig.2a darstellt. Die Magnete bestehen aus vier schmalen Dauermagnetplatten 17 und die Magnete gemäss Fig. 3b bestehen aus zwei Dauermagnetplatten 17, welche jeweils durch den Weicheisenbügel 18 zu einer Magnetanordnung zusammengefasst und damit am Pendel 1 befestigt sind. In beiden Fällen entsteht ein enger Luftspalt mit homogener Feldverteilung, dessen ihn begrenzende Polflächen parallel zur Schwingungsebene liegen, so dass also die homogenen Feldlinien senkrecht zur Schwingungsebene des Pendels 1 verlaufen.
Eine schmale rechteckige Empfängerspule 19 und eine weitere rechteckige Treibspule 20 sind so an dem nur teilweise dargestellten Uhrgehäuse 4 verstellbar angebracht, dass die mittlere Spulenebene beider Spulen 19, 20 mit der Schwingungsebene des Pendels zusammenfällt und die Spulenseite der Treibspule 20 symmetrisch zum rechten Abschlussrand 21 des Bügels 18 bei Pendel in Ruhelage liegen. Die Empfängerspule 19 liegt in Fig. 3b bei Pendel in Ruhelage dagegen mit ihren Spulenseiten symmetrisch zum linken Abschlussrand 22 des Bügels 18, während sie in Fig. 3a bei Pendel in Ruhelage mit beiden Spulenseiten symmetrisch zur Pendelachse 12 liegt.
Dabei sind in Fig.3a die vier Dauermagnetplatten 17 so angeordnet, dass die Feldlinien in der linken Hälfte in die Zeichenebene hinein, aber in der rechten Hälfte aus der Zeichenebene heraus gerichtet sind, so dass sich also die Richtung der Feldlinien an der Pendelachse 12 umkehrt, während in Fig.3b die Feldlinien nur in die Zeichenebene hineingerichtet sind.
Das Diagramm in Fig. 3c zeigt den Flussverlauf 1D, der die Empfänger- und Treibspule 19, 20 durchsetzt, und den EMK-Verlauf e, der in der Empfänger-
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spule 19 induzierten Spannung bei schwingendem Pendel als Funktion des Pendelweges s für das Ausführungsbeispiel gemäss Fig.3b.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 und 4a entspricht im wesentlichen dem der Fig.3b, nur sind hier die den Luftspalt begrenzenden Polflächen senkrecht zur Schwingungsebene des Pendels angeordnet und statt einer Kombination aus zwei Dauermagnetplatten und einem Weicheisenbügel wird ein geschlitzter Dauermagnet 23 verwendet.
Durch die feste Kopplung der Empfänger- und Treibspule insbesondere entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel tritt eine unerwünschte elektrische Rückkopplung (Pfeifen) ein. Diese kann durch ein zweites, hier nicht dargestelltes Spulenpaar mit gleichen Daten und gleicher Zuordnung in den Zuleitungen zur Empfänger- bzw. Treibspule vermieden werden, wobei diese Hilfsspulen ausserhalb des magnetischen Wirkungsbereichs des Pendels angebracht werden müssen und gegeneinander so gekoppelt sind, dass sie die Rückkopplung kompensieren.
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Electric clock drive The invention relates to an electrical drive in a clock, in which fixed coils interact with permanent magnet arrangements attached to the pendulum in such a way that they emit control pulses to a receiver coil by electromagnetic means and pick up drive pulses from a drive coil.
Any influence on a swinging pendulum changes its amplitude and frequency and thus changes the rate, i.e. its accuracy, which is particularly important in a clock pendulum. The effects of bearing friction, the surrounding air and the control energy to be emitted by the pendulum are unavoidable. If, however, the control energy is withdrawn when the pendulum crosses zero and all losses are compensated by a corresponding drive pulse just when the pendulum crosses zero, the pendulum will oscillate with exceptional accuracy. In the case of a mechanically driven pendulum, for structural reasons, these requirements of transmitting control and drive pulses when the pendulum crosses zero can generally not be met.
But even known pendulums with electromagnetic interference do not allow a very short pulse to be transmitted just when the pendulum crosses zero.
The invention has set itself the task of creating an electric drive in which permanent magnet arrangements attached to a pendulum interact with two coils (receiver and drive coil) fixed in the watch case in the vicinity of the pendulum zero passage so that the pendulum influence in the Pendulum zero position has reached its greatest value, and the temporal pulse course is symmetrical to this maximum value, its sign does not change and the forces only act during fractions of the pendulum path and tangential to the direction of movement.
The components that influence one another, the magnet arrangements or the coils (receiver and drive coil) are to be arranged and dimensioned in such a way that the desired success is achieved with simple adjustment options.
The electric clock drive according to the invention is characterized by the interaction of two spaced apart magnet arrangements with a receiver coil, whose field lines generated in the interior of the coil by a coil current alone are perpendicular to the plane of symmetry of the opposing magnet arrangements, so that when the pendulum oscillates the permanent magnetic flux penetrating the receiver coil is steady changes between two limit values, while it forms the arithmetic mean of these limit values when the pendulum is at rest.
This assignment of the permanent magnet arrangement and the receiver coil creates a short pulse that is symmetrical in terms of force relative to the pendulum rest position, which can serve to drive a clockwork and, via a drive coil, to cover the pendulum losses. It is advantageous here to also arrange the drive coil in the same way as the receiver coil, because in this way the symmetry of the force pulse to be transmitted is preserved.
Further details emerge from the following description of four exemplary embodiments of the subject matter of the invention shown in the drawing.
The following are shown schematically: Fig. 1 shows the structure of a clock pendulum influenced by electromagnetic means, Fig. 2 shows the first embodiment example, Fig. 2a shows a diagram of the permanent magnetic flux passing through the coils when the pendulum oscillates and the emf occurring in the receiver coil as a function of Pendulum path,
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3 and 3a a further embodiment with homogeneous field distribution in a narrow air gap of the permanent magnet arrangement in two views, FIG. 3b another embodiment very similar to the preceding one,
in which one half of the magnet arrangement has been omitted, Fig. 3c shows a diagram of the permanent magnetic flux penetrating the receiver coil according to Fig. 3b when the pendulum oscillates and the emf generated in it as a function of the pendulum path, Fig. 4 and 4a an embodiment similar to Fig. 3b ring-shaped permanent magnet arrangement, whose pole faces delimiting the air gap are perpendicular to the plane of oscillation.
According to Fig. 1, an electric drive for clocks usually consists of a pendulum 1, a lens-shaped part 2, a bar magnet 3 attached to the pendulum 1, which is usually curved roughly like the pendulum track and in two in the clock case 4, which was only partially shown, adjustably arranged coils 5, 6 immersed, which interact via an amplifier 7. If the pendulum 1 swings, the bar magnet 3 dips more or less into the receiver coil 5 and induces an EMF in it, which is amplified by the amplifier 7. Part of this energy is used to drive a gear train, not shown, of the clock, while the other part covers the losses of the pendulum 1 through the driving coil 6, so that it oscillates in a feedback circuit.
2 shows a pendulum 1 swung to the left, to which two magnet assemblies, each consisting of two narrow magnetic plates 8 made of high-coercive material and a soft iron cylinder 9, are attached by means of a non-ferromagnetic bracket 10 below its lens-shaped part 2. These magnet arrangements are attached in such a way that poles of the same name (e.g. N, N) face each other and their plane 11, which is not pierced by the magnetic field lines (plane of symmetry of both poles), coincides with the pendulum axis 12 and is on the plane of oscillation of pendulum 1, which here corresponds to the plane of the drawing, is perpendicular.
The receiver coil 13 and the drive coil 14 are concentrically wound together on a coil carrier in such a way that they are symmetrical to the coil center plane 15 which perpendicularly cuts through the coil cylinder. The coil carrier is adjustably attached to the clock case 4, which is only partially shown, and is set so that its coil center plane 15 coincides with the pendulum axis 12 in the pendulum rest position 16 and is perpendicular to the oscillation plane of the pendulum 1.
The field lines created in the interior of each coil solely by a current flowing in it are then in the pendulum rest position 16 perpendicular to the plane 11 not penetrated by the permanent magnetic field lines, and the coils are symmetrical with their effective halves.
As a result, the permanent magnetic flux passing through the coils has a profile symmetrical to the pendulum zero position 16, it changes continuously between two limit values and is zero in the pendulum zero position 16, i.e. it forms the arithmetic mean of both limit values. Furthermore, the EMF induced in the receiver coil 13 has its highest value at the pendulum zero crossing, lasts only a short fraction of the pendulum path and is symmetrical to the pendulum zero position 16, as the diagram according to FIG. 2a shows, which shows the flux curve $ in the two coils 13,
14 and the EMF curve e in the receiver coil 13 as a function of the pendulum path s. By putting together each magnet arrangement from two pole plates 8 and a long soft iron cylinder 9, there is practically no magnetic voltage drop in the latter, so that no magnetic lines of force emerge from it, i.e. the flux curve in the receiver coil 13 remains constant and the pole plates 8 are swung through them.
By using concentric coils 13, 14 with their winding halves symmetrical to the center plane 15 of the coil carrier and attaching the magnet arrangements with their plane 11 in the pendulum axis 12, which is not pierced by the permanent magnet, simple prerequisites for easy and precise setting of the electric drive device in clocks are given.
The exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 3a generates the same flow and voltage ratios that FIG. 2a shows. The magnets consist of four narrow permanent magnet plates 17 and the magnets according to FIG. 3b consist of two permanent magnet plates 17 which are each combined by the soft iron bracket 18 to form a magnet arrangement and thus attached to the pendulum 1. In both cases, a narrow air gap with a homogeneous field distribution arises, the pole faces of which delimiting it lie parallel to the plane of oscillation, so that the homogeneous field lines run perpendicular to the plane of oscillation of pendulum 1.
A narrow rectangular receiver coil 19 and another rectangular drive coil 20 are adjustably attached to the clock case 4, which is only partially shown, that the middle coil plane of both coils 19, 20 coincides with the plane of oscillation of the pendulum and the coil side of the drive coil 20 is symmetrical to the right end edge 21 of the Strap 18 are in the rest position with pendulum. In FIG. 3b, when the pendulum is in rest position, the receiver coil 19 lies with its coil sides symmetrical to the left end edge 22 of the bracket 18, while in FIG. 3a it lies with both coil sides symmetrically to the pendulum axis 12 when the pendulum is in rest position.
In FIG. 3a the four permanent magnet plates 17 are arranged in such a way that the field lines in the left half are directed into the plane of the drawing, but in the right half are directed out of the plane of the drawing, so that the direction of the field lines on the pendulum axis 12 is reversed , while in Fig.3b the field lines are directed only into the plane of the drawing.
The diagram in Fig. 3c shows the flux curve 1D, which passes through the receiver and drive coil 19, 20, and the EMF curve e, which in the receiver
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coil 19 induced voltage when the pendulum oscillates as a function of the pendulum path s for the embodiment according to Figure 3b.
The embodiment according to FIGS. 4 and 4a essentially corresponds to that of FIG. 3b, only here the pole faces delimiting the air gap are arranged perpendicular to the plane of oscillation of the pendulum and instead of a combination of two permanent magnet plates and a soft iron bracket, a slotted permanent magnet 23 is used.
As a result of the fixed coupling of the receiver and drive coils, particularly in accordance with the first exemplary embodiment, undesired electrical feedback (whistling) occurs. This can be avoided by a second pair of coils, not shown here, with the same data and the same assignment in the supply lines to the receiver or drive coil, whereby these auxiliary coils must be attached outside the magnetic range of action of the pendulum and are mutually coupled in such a way that they provide feedback compensate.