Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Hemmung mit einem Hemmrad mit radial abragenden, voneinander distanzierten, aus magnetischem Material bestehenden Zähnen, ferner mit einem mit dem Hemmrad magnetisch gekoppelten, im wesentlichen W-förmigen Schwingelement, welches an einem seiner beiden freien Enden ein magnetisches Polstück trägt, und ferner mit einem Transistor-Motor, auf dessen Rotorwelle das Hemmrad angeordnet ist.
Solche Anordnungen sind bereits beispielsweise durch die deutsche Auslegeschrift Nr. 1 177 077, die französische Patentschrift Nr. 1 469 345 oder das japanische Gebrauchsmuster Nr. 34 148/65 insoweit bekanntgeworden, dass dort die Magnete des Schwingelementes gegen die Zähne des Hemmrades quer zu dessen oder in dessen Ebene schwingen.
Es hat sich aber bei solchen Ausführungen gezeigt, dass schon geringe Erschütterungen oder Stösse in der Lage sind, die Rotation des Hemmrades unstabil zu machen oder gar zu unterbrechen, da die magnetische Kopplung zwischen Hemmrad und Schwingelement unzureichend ist.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun die Schaffung einer magnetischen Hemmung, welche die Nachteile bekannter Ausführungen vermeidet und insbesondere stossfest ist und ein kleines Bauvolumen bei Erzeugung einer relativ grossen magnetischen Kopplung zwischen Oszillator und Hemmrad gestattet. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass sich die freien Enden des Schwingelementes in einer Ebene distanziert und parallel der Ebene des Hemmrades befinden, wobei sich das das Polstück tragende freie Ende des Schwingelementes in Richtung des Zentrums des Hemmrades erstreckt, bis in eine Lage, bei der sich die dem Hemmrad zugewendete Seite des Polstückes über einem der Zähne des Hemmrades befindet, derart, dass das Polstück in einer im wesentlichen mit der Drehrichtung des Hemmrades übereinstimmenden Richtung schwingbar ist.
Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A eine perspektivische Darstellung einer Hemmung,
Fig. 1B eine Schaltungsanordnung für den Antrieb der Hemmung gemäss Fig. 1A,
Fig. 2 einen Ausschnitt der Hemmung gemäss Fig. 1A, in Seitenansicht,
Fig. 3 eine Draufsicht der Anordnung gemäss Fig. 2,
Fig. 4 einen Schnitt durch ein Detail der Hemmung, in grösserem Massstab,
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Resonanzverlaufes an der Hemmung,
Fig. 6 bis 8 Schaltungsanordnungen bekannter Antriebskreise einer Hemmung,
Fig. 9 und 10 den Spannungsverlauf und den Stromverlauf an einem Element der Schaltungsanordnung,
Fig. 11 eine Spannungscharakteristik und
Fig. 12 die Ausgangscharakteristik der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit der Temperatur.
Die in Fig. 1A dargestellte Hemmung umfasst einen Oszillator 1, welcher gemäss Fig. 3 von im wesentlichen W-förmiger Gestalt ist und in seinem Schwerpunkt an der Stelle 17 mit einem Träger 8 verbunden ist. Der Träger 8 ist mittels Schrauben 18 an einem fest mit einer Platine 15 verbundenen Körper 16 angeordnet. Das freie Ende des Trägers 8 trägt hierbei ein Belastungsgewicht 9. Ferner umfasst der Oszillator 1 an seinen freien Enden einen Permanentmagnet 2 bzw. ein Ausgleichgewicht 2'.
Mit 3 ist ein Hemmrad bezeichnet, welches im Detail in Fig. 4 veranschaulicht ist. Dieses Hemmrad 3 ist über eine Nabe 7 mit einer Achse 6 verbunden. Frei drehbar auf der Achse 6 befindet sich eine Hülse 12, welche einen Rotor 4 trägt. Der Rotor 4 ist aus einem zylindrischen Permanentmagneten gebildet mit wechselnden N-Polen und S-Polen an seinem Umfang. Die Hülse 12 trägt an ihrem in der Darstellung unteren Ende einen gezahnten Abschnitt 12', mittels welchem die Drehbewegung des Rotors ausgelöst wird, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird. Ferner ist an der Achse 6 ein Zahnrad 13 befestigt, welches an der Hülse 12 mit seiner oberen Stirnseite anliegt.
Am unteren Achsenende ist eine nachfolgend noch näher zu beschreibende Schnecke 22 aufgezogen und am oberen Achsenende zudem eine Schraubenfeder 11 vorgesehen, welche mit ihrem einen Ende mit dem Hemmrad 3 und mit ihrem anderen Ende mit dem Rotor 4 fest verbunden ist.
Gemäss Fig. 1 ist die vorbeschriebene Achse 6 zwischen zwei Lagerbügel 14 und 14' frei drehbar geführt, welche Bügel hier aus der Platine 15 ausgeformt und im rechten Winkel zu dieser ausgebogen sind. Eine weitere Platine 20 erstreckt sich ferner parallel zur Platine 15 und ist mit dieser über Distanzstücke 19 verschraubt. Die vorbeschriebene Schnecke 22 auf der Achse 6 ist in Eingriff mit einem Zahnrad 23, welches seinerseits mit einem Zahnrad 24 in Eingriff steht, welches Getriebe die Verbindung des Echappement mit dem Stunden-, Minuten- und Sekundenzeiger einer Uhr herstellt. Die Zahnräder sind hierbei in den beiden Platinen 15 und 20 gelagert. Im weiteren ist eine Spulenanordnung 5 vorgesehen, welche eine Treibspule für den Rotor 4 und eine Detektorspule umfasst, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird.
Die Spulenanordnung 5 ist mittels Schrauben 26 über einen Isolationsträger 25 an der Platine 15 angebracht. In Nachbarschaft des Permanentmagneten 2 am einen Zinken des Oszillators list ein Geschwindigkeitseinstellglied 34 aus magnetischem Material vorgesehen, welches sich auf einem in die Platine 15 eingewindeten Stellstift 35 befindet, der derart heraus- oder hineingeschraubt werden kann, dass sich der Abstand zwischen Einstellglied 34 und Magnetstück 2 ändert und damit die Frequenz des Oszillators 3 und in der Folge davon die Drehzahl des Hemmrades beeinflusst wird.
Das Hemmrad 3 besteht aus magnetischem Material und weist gleichmässig am Umfang verteilte, radial abragende Zähne 36 auf. Der Oszillator 1 ist hierbei so gelagert, dass seine Längsachse parallel zur Ebene des Hemmrades 3 verläuft und der Permanentmagnet 2 am einen Zinken des Oszillators über dem Hemmrad 3 und dessen vom Träger 16 am weitesten entfernten Zähnen 36 zu liegen kommt. Zudem ist ein von Hand betätigbarer Antreibhebel 21 vorgesehen zum Anstossen des unteren Teiles 12' der Hülse 12 und gleichzeitig des Zahnrades 13, so dass die Achse 6 und der Rotor 4 in der Startphase in eine vorgegebene Richtung angestossen werden können.
Wie bereits erwähnt, stützt sich der Oszillator 1 an einem Träger 8 ab, welcher mit einem Belastungsgewicht ausgerüstet ist. Dieses Belastungsgewicht dient der Verminderung der Amplitude unerwünschter Schwingungen des Oszillators, so dass dessen Genauigkeit beachtlich gesteigert werden kann.
Das ist der Fall, wenn, wie in Fig. 5 im Diagramm dargestellt, beide Zinken des Oszillators in der gleichen Phase schwingen, also, in asymmetrischer Art und Weise bei einer kleineren Frequenz f1, die Schwingungsamplitude kleiner ist als bei umgekehrter Phase oder Schwingungen in symmetrischer Art und Weise bei einer höheren Frequenz f2. Dies bedeutet, dass die Resonanzschärfe bei der Frequenz f1 gering ist und der Oszillator für eine grössere Genauigkeit unfähig ist, da dieser bei dieser Frequenz schwingt. Wenn ferner die Oszillatorfrequenz gering ist wie f1, ist der Ausgang des mit dieser Frequenz f1 korrespondierend drehenden Motors unzureichend und somit die synchrone Rotation des Hemmrades 3 unstabil.
Um also solche unerwünschten Schwingungen des Oszillators in asymmetrischer Art und Weise bei einer niedrigen Frequenz f1 zu vermeiden, ist das Belastungsgewicht 9 vorgesehen zur Absorption solcher Schwingungen mit der Frequenz f. Hierbei befindet sich das Gewicht 8 am dem Trägerbefestigungspunkt 8' gegenüberliegenden Ende des Trägers 8 bezüglich der Lagerstelle 17. Hierdurch kann der Oszillator 1 nur noch in symmetrischer Art und Weise bei der höheren Frequenz f2 schwingen, was eine grössere Genauigkeit und synchrone Rotation des Hemmrades 3 bewirkt.
Zur Steuerung der Spulenanordnung der Hemmung ist die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1B vorgesehen. Hierbei bezeichnet 27 die Detektorspule und 28 die Treibspule. Ferner umfasst die Schaltungsanordnung einen PNP-Transistor 29, einen NPN-Transistor 30, einen Kondensator 31, eine Gleichstromquelle 32 und ein Temperaturkompensationsglied 33. Ein Ende a der Detektorspule 27 ist mit der Basis des Transistors 29 und das andere Spulenende b mit dem einen Ende der Treibspule 28 sowie mit dem Emitter des Transistors 29 verbunden. Das andere Ende d der Treibspule 28 ist mit dem Kollektor des Transistors 30 verbunden. Die Basis des Transistors 29 und der Emitter des Transistors 30 sind über das Temperaturkompensationselement 33 miteinander verbunden. Ferner befindet sich die Gleichstromquelle 32 zwischen dem Kollektor des Transistors 29 und dem Kollektor des Transistors 30.
Der Kondensator 31 hingegen ist zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 29 geschaltet.
Das vorbeschriebene Echappement arbeitet nun wie folgt:
Wird bei an der Spulenanordnung 5 angelegtem Gleichstrom der Handbetätigungshebel 21 betätigt, erfahren Achse 6 und Permanentmagnet 4 einen Anstoss in gleicher Drehrichtung. Da nun das Hemmrad 3 mit dem Permanentmagneten bzw. Rotor 4 durch die Feder 11 gekoppelt ist, wird das Hemmrad 3 vom angestossenen Rotor 4 in der gleichen Drehrichtung mitgenommen. Dreht aber das Hemmrad 3 in der vorbeschriebenen Weise, wird der Oszillator 1 jedesmal dann erregt, wenn ein Zahn des Hemmrades 3 am Permanentmagnet 2 am einen Zinken des Oszillators 1 vorbeiwandert, da ja dieser Permanentmagnet 2 mit den magnetischen Zähnen des Hemmrades magnetisch gekoppelt ist.
Wenn dann diese Erregerfrequenz mit der vorgegebenen Frequenz des Oszillators 1 übereinstimmt, gelangt letzterer in den Zustand der Resonanz. Das Hemmrad 3 ist dann auf eine Geschwindigkeit beschränkt, welche der spezifischen Frequenz des Oszillators 1 entspricht.
Wie vorbeschrieben, ist ein Geschwindigkeitsregler 34 vorgesehen, welcher sich auf einem Stellstift 35 befindet, um den Regler 34 in Richtung der Ausschwingungen des.
Oszillators verschieben zu können, so dass der Regler 34 mehr oder weniger gegen den einen Pol des Permanentmagnetes 2 wirksam werden kann. Hierdurch lässt sich, wie ohne weiteres ersichtlich ist, die Frequenz des Oszillators regeln und somit die Drehzahl pro Zeiteinheit des Hemmrades 3 regulieren.
In den Fig. 6, 7 und 8 sind herkömmliche Schaltungsanordnungen für den Speisekreis dargestellt. Bei der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 6 ist die Detektorspule 27 zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 29, die Gleichstromquelle 32 und die Treibspule 28 in Serie zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 29 und der parasitäre Schwingungen unterdrückende Kondensator 31 zwischen Basis und Kollektor des Transistors 29 geschaltet.
Bei der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 7 wird ein NPN Transistor 29 verwendet, wobei ferner ein Sperrkondensator
36 für den Gleichstrom und ein Widerstand 37 vorgesehen sind. Diese Elemente verursachen einen Ausgang, welcher in Abhängigkeit der Umgebungstemperaturschwankungen ändert, so dass, in Verwendung als Transistor-Motor, der Antrieb des Motors unstabil wird. Wenn hier nämlich die Temperatur steigt, verschiebt sich die Basis-Spannung VB-Basis Strom IB-Charakteristik gemäss gestrichelter Linie in Fig. 10 und der Basis-Strom steigt vom Punkt igl zum Punkt ia2 an.
Dies hat aber zur Folge, dass die Kollektor-Spannung vom Punkt icl zum Punkt icz der in Fig. 9 gezeigten Kollektor Spannung Vc-Kollektor-Strom Ic-Charakteristik ändert und somit der Ausgang der Schaltungsanordnung zunimmt. Fällt hingegen die Spannung, wenn etwa der Transistor nahe seinem Sättigungspunkt arbeitet, ändert die Spannung vom Punkt E1 zum Punkt E2 (Fig. 9) und der Kollektorstrom ändert vom Punkt iC2 zum Punkt ic3 (Fig. 9), so dass der Ausgang am Kreis abnimmt. Ist hingegen der Transistor ungesättigt, wird jede geringste Änderung des Basis-Stromes den Ausgang beeinflussen. Um dies zu verhindern,wurde gemäss der Schaltungsanordnung nach Fig. 8 vorgeschlagen, eine Diode 38 zwischen dem einen Ende der Treibspule 28 und der Basis des Transistors 29 zu schalten.
Hierbei wird aber die Kompensation von der Temperatur des Transistors 29 und der Diode 38 abhängig.
Um nun den Basis-Strom des Transistors 29 dauernd konstant zu halten, wird nunmehr der Kompensationsstrom ia bestimmt durch die Spannung VBE über Basis und Emitter und dem Widerstandswert des Temperaturkompensationselementes 33
Steigt hier die Umgebungstemperatur, ändert die VB-IB-Charakteristik des Transistors entsprechend der gestrichelten Linie in Fig. 10 und der Basis-Strom nimmt zu von iB1 zu iB2. Um diesen Ansteig zu verringern, muss der Kompensationsstrom iB zunehmen.
Da also der Basis-Stromdes Kompensations-Transistors 30 zunimmt, bleibt der Basis-Strom des Transistors 29 konstant (Fig. 1B), Für weitere Kompensationen möglicher Unterschiede zwischen den Kennlinien beider Transistoren 29 und 30 kann das Temperaturkompensationsglied 33 positiven oder negativen Koeffizienten aufweisen. Wenn ferner die Motorlast vermindert wird, nimmt die Motordrehzahl zu und die Induktionsspannung der Detektorspule 27 steigt, so dass der Basis-Strom iB ebenfalls zunimmt. Anderseits nimmt die Anschluss-Spannung ep und ed der Detektorspule 27 bzw. der Treibspule 28 zu.
Infolgedessen nimmt die Emitter-Basis-Spannung VBE des Kompensationstransistors 30 zu, so dass der Kompensationsstrom iB zunimmt und eine Zunahme des Basis-Stromes i des Transistors 29 verhindert; der Motor also mit konstanter Drehzahl rotiert.
Der vorbeschriebene Effekt ist dem Diagramm gemäss Fig. 11 zu entnehmen, wo die ausgezogene Kurve den Spannungsverlauf gemäss der beschriebenen Schaltungsanordnung und wo die gestrichelte Linie den Spannungsverlauf gemäss herkömmlicher Schaltungsanordnung zeigt. Das Diagramm gemäss Fig. 12 zeigt die Änderungen am Ausgang in Abhängigkeit der Temperatur, wobei die gestrichelte Linie die Verhältnisse ohne Kompensationsmittel veranschaulicht.
Aus dem Vorbeschriebenen ergibt sich somit zunächst, dass durch das Kuppeln von Achse 6 und Hemmrad 3 mittels der Feder 11, welche von geringer Steifigkeit ist, jede Erschütterung von aussen gedämpft oder absorbiert wird durch die Federwirkung der Schraubenfeder, so dass hier durch die magnetische Kopplung zwischen Hemmrad und
Oszillator nicht beeinflusst werden kann.
Ferner ergibt sich durch die Anordnung des Oszillators mit seiner Längsachse parallel der Ebene des Hemmrades und der Erstreckung seiner Zinkenenden in Nachbarschaft der vom Befestigungspunkt des Oszillators am weitesten ent fernten Zähne des Hemmrades ein wesentlich geringeres
Bauvolumen für die Hemmung als dies bisher möglich war, wo sich die Oszillatorzinken im wesentlichen in das Zentrum des Hemmrades oder nahe dem Lagerungspunkt des Oszillators erstrecken.
Durch die W-Form des Oszillators 1 und seiner Lagerung im Schwerpunkt 17 werden zudem alle von den Platinen 15 und 20 abgegebenen Stösse zum Schwerpunkt des Oszillators 1 übertragen, so dass dieser von diesen Stössen oder Erschütterungen praktisch unbeeinfiusst bleibt.
Nicht zuletzt werden nunmehr alle Einflüsse durch Um -gebungstemperaturänderungen und Laständerungen ausgeschaltet, indem einerseits im Antriebsschaltkreis ein Kompensationstransistor so vorgesehen wird, dass seine Basis und sein Kollektor mit der Abzapfung und dem kollektorseitigen Anschluss der Treibspule in Verbindung stehen und der Emitter dieses Transistors über ein Temperaturkompensationsglied mit der Basis des anderen Transistors verbunden ist, anderseits der Ausgang des Kreises durch Spannungsabhängigkeit des Kompensations-Transistors von der Detektorspule und der Treibspule konstant bleibt.