gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektromagnetischer Transduktor für ein elektronisches Zeitmessgerät, welcher Transduktor einerseits ein magnetisches Element, bestehend aus einem zylindrischen Becher und einem koaxial in diesem befestigten Stabmagnet, der mit dem Becher einen Luftspalt bildet und dessen Querschnitt sich von der Basis gegen sein freies Ende hin verjüngt, und anderseits eine in den genannten Luftspalt ragende Spule aufweist, wobei das magnetische Element relativ zur Spule beweglich ist.
Beispielsweise die schweizerischen Patentschriften 338 154 und 353 311 beschreiben elektronische Zeitmessgeräte mit einer selbsterregten Stimmgabel und elektromagnetischen Transduktoren, welche von einer Batterie über einen Transistorstromkreis gespeist werden. Die Schwingbewegung der Gabel wird mit Hilfe eines Bewegungstransformators in eine die Zeiger der Uhr antreibende Drehbewegung umgewandelt.
Im Falle dieser elektronischen Uhr trägt jede Stimmgabelzinke ein magnetisches Element, welches gegenüber einer ortsfesten Spule schwingt. Die eine Spule weist eine Antriebshauptwicklung auf, während sich die andere Spule aus einer zusätzlichen Antriebswicklung und einer Abfühlwicklung zusammensetzt. Die beiden Antriebswicklungen sind in Reihe geschaltet und mit dem Ausgangsstromkreis des Transistors verbunden. Die Abfühlwicklung liegt am Eingangsstromkreis des Transistors. In der Abfühlwicklung wird infolge der Schwingbewegung der Gabel eine Wechselspannung induziert, die den Transistor jeweils über eine bestimmte Dauer in einen leitenden Zustand versetzt, so dass Antriebsimpulse für die Aufrechterhaltung der Gabelschwingung erzeugt werden.
Wenn das Problem vorliegt, ein batteriegespeistes Zeitmessgerät in einem kleinen Gehäuse unterzubringen, ist man auf einen hohen elektrischen und mechanischen Wirkungs-grad des Systems angewiesen. Energieverluste verkürzen nicht nur die Lebensdauer der Speisebatterie, die im allgemeinen Miniaturabmessungen haben muss, sondern beeinträchtigen auch die Wirkungsweise des Systems. Es ist im Hinblick auf eine Verkleinerung der Abmessungen eines Gerätes und die Beibehaltung einer guten Betriebssicherheit von Bedeutung, dass die Transduktoren möglichst kompakt sind und wenig Energie verbrauchen.
Die in den angegebenen Druckschriften dargestellten Transduktoren weisen als magnetisches Element einen zylindrischen Becher kreisrunden Querschnittes und einen in diesem Becher koaxial angeordneten, zylindrischen Stabmagnet auf. In den derart gebildeten Luftspalt ragt jeweils eine ortsfeste Spule.
In der USA-Patentschrift 3 221 190 ist eine verbesserte Ausführung des Transduktors gezeigt. Anstelle eines konstanten Querschnittes hat der Stabmagnet einen gegen sein freies Ende linear abnehmenden Querschnitt. Dieser konische Stabmagnet wirkt mit einer in den Luftspalt ragenden Spule zusammen, welche ebenfalls konisch ausgebildet ist, damit im Bereiche der höchsten magnetischen Flussdichte innerhalb des Luftspaltes möglichst viele Windungen vorhanden sind.
Transduktoren mit einem konischen Stabmagnet sind zwar erheblich wirkungsvoller als solche mit einem zylindrischen Magnet. Die erzielte Verbesserung erlaubt jedoch noch nicht die Schaffung einer Stimmgabeluhr geringer Dimensionen, wie sie etwa für Damenarmbanduhren üblich sind.
Der Grund für die erwähnte Schwierigkeit liegt darin, dass bei einer Verkleinerung eines zylindrischen oder konischen Magneten der Energieverbrauch für den Antrieb einer gleichen Stimmgabel zwecks Kompensation des Absinkens des elektromechanischen Kopplungsfaktors ansteigt. Dieser Kopplungsfaktor ist ein direktes Mass des Betrages der im Transduktor in mechanische Energie umgewandelten elektrischen Energie. Je kleiner also der elektromechanische Kopplungsfaktor ist, umso grösser wird der Bedarf an elektrischer Leistung für einen vorbestimmten Betrag an mechanischer Leistung. Bei Verwendung einer einzelligen Batterie, wie sie heute in elektronischen Uhrwerken benützt werden, müsste man nach kurzer Zeit die Batterie auswechseln.
Eine Vergrösserung der Batterieabmessungen kommt auch nicht in Frage, da man ja mit der Verkleinerung des Transduktors ja vor allem geringe Abmessungen der Uhr anstrebt. Man muss sich vor Augen halten, dass die Abmessungen der Speisequelle ein wesentlicher Parameter bei der Bestimmung der Gesamtausmasse eines Uhrwerkes sind, und dass die gegenwärtigen Batterieabmessungen der Miniaturisierung elektronischer Uhrwerke Grenzen setzen.
In der Praxis kann eine Leistungsanforderung der Stimmgabel von über etwa 15 Mikrowatt mit den vom Publikum noch akzeptierten Uhrenabmessungen nicht mehr befriedigt werden. Würde man unter Zugrundelegung der beschriebenen Transduktoren die Transduktorenabmessungen zwecks Platzeinsparung verkleinern, dann müsste man wegen der grösseren Gabelamplitude eine erheblich grössere Leistungsaufnahme in Kauf nehmen.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist in der Schaffung eines Transduktors der eingangs definierten Art mit besonders hohem Wirkungsgrad für elektronische Zeitmessgeräte zu sehen. Gemäss der Erfindung ist diese technische Aufgabe dadurch gelöst, dass der Querschnitt des Stabmagneten von seiner Basis gegen sein freies Ende hin derart in einer nichtlinearen Weise bis auf einen Wert von wenigstens angenähert Null abnimmt, dass die magnetische Flussdichte an allen Stellen des Stabmagneten mindestens angenähert konstant ist, wobei mindestens angenähert der gesamte magnetische Fluss auf den Luftspalt beschränkt ist, und dass der Querschnitt der Spule zwecks optimaler Ausnutzung des im Luftspalt vorhandenen Raumes in bezug auf den Querschnitt des Stabmagneten mindestens angenähert komplementär verläuft.
Als Resultat einer solchen Formgebung des Stabmagneten, der - wie sich weiter unten zeigen wird - etwa die Form eines Geschlosses annimmt, ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:
A) Dank des hohen Wirkungsgrades ist es möglich, die Dimensionen des Transduktors und damit die Grösse des Uhrwerkes, von welchem er einen Teil bildet, herabzusetzen.
Trotz der Verkleinerung kann man auch gleichzeitig die Leistungsaufnahme des Werkes verringern, wodurch man mit einer kleineren Speisebatterie auskommt.
B) Auf Grund der Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich die Batterie kleiner gestalten, was zu einer weiteren Verkleinerung des Werkvolumens führt, ohne die Leistungsaufnahme über eine zulässige Grenze anzuheben.
C) Eine Verkleinerung des Werkvolumens eröffnet viele neue Möglichkeiten für den Entwurf von Damenuhren und anderen miniaturisierten Zeitmessgeräten.
D) Die dank der Erfindung ermöglichte Miniaturisierung ist ohne nachteilige Folgen auf die Genauigkeit der Zeithaltung.
Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung des elektromagnetischen Transduktors in einer elektronischen Uhr mit einer Stimmgabel, Mitteln zum Umwandeln der Schwingbewegung der Gabel in eine das Räderwerk der Uhr antreibende Drehbewegung, und ferner Mitteln zum Aufrechterhalten der Schwingbewegung der Gabel. Dabei trägt mindestens eine Zinke der Stimmgabel ein magnetisches Element mit einem sich in nichtlinearer Weise verjüngenden Stabmagnet. Ausserdem ist die mit dem Magnetelement zusammenwirkende Spule mit einem festen Teil der Uhr verbunden und zwecks Aufrechterhaltung der Schwingung der Gabel durch elektrische Impulse gespeist.
Im folgenden sind das Prinzip der Erfindung und ein Ausführungsbeispiel derselben anhand der Zeichnung erläutert.
Es stellen dar:
Fig. 1 eine perspektivische und zum Teil schematisch gehaltene Übersicht der wesentlichsten Teile eines mit zwei in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgestalteten Transduktoren versehenen elektronischen Uhrwerkes,
Fig. 2 eine zum Teil geschnittene Ansicht des in Fig. 1 ersichtlichen Transduktorsystems,
Fig. 3 eine Seitenansicht des Transduktors,
Fig. 4 eine vergrösserte und teilweise geschnittene Ansicht eines Transduktors,
Fig. 5 eine schematische Perspektivansicht einer idealisierten Magnetanordnung,
Fig. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht eines bekannten Transduktors mit einem zylindrischen Stabmagnet,
Fig. 7 eine teilweise geschnittene Ansicht eines bekannten Transduktors mit einem konischen Stabmagnet.
Bei dem insbesondere in Fig. 1 erkennbaren elektronischen Uhrwerk ist als Frequenznormal eine Stimmgabel 10 vorgesehen. Des weiteren enthält das Uhrwerk einen elektronischen Antriebsstromkreis 11, ein Räderwerk 12 üblicher Art für den Antrieb der Zeiger und ferner einen Bewegungsumwandler mit einem von der Stimmgabel über eine Antriebsklinke betätigten Klinkenrad 13.
Sämtliche Komponenten des Antriebsstromkreises sind in Montageeinheiten oder Moduln Fl und F2 untergebracht, die ihrerseits an einer flachen Werkplatte 14 befestigt sind. Die Werkplatte ist in einem Gehäuse, wie etwa einem Gehäuse einer Damenarmbanduhr gehalten. Der an sich bekannte elektronische Stromkreis besteht aus einem Transistor TR und anderen Komponenten Cb und R < . Er ist durch eine Batterie V gespeist.
Die Stimmgabel 10 ist mit flexiblen Zinken 15 und 16 aus gestattet. welche unter sich in bekannter Weise über eine verhältnismässig steife Basis 17 verbunden sind. Diese geht in einen nach oben gerichteten, mittels Schrauben 19 und 20 an der Werkplatte befestigten Fuss 18 über. Um das freie Schwingen der Gabelzinken nicht zu stören, ist die Werkplatte in ihrem mittleren Teil ausgeschnitlen.
Der Antrieb der Stimmgabel 1() vollzieht sich mit Hilfe von Transduktoren T, und R2. Der Transduktor T1 setzt sich zusammen aus einem am Ende der Zinke 15 sitzenden magenetischen Element 21 und einer stationären Spule, welche aus einer Antriebswicklung 22 und einer Abfühlwicklung 23 besteht und auf einen auf der einen Seite offenen, rohrförmigen Träger 24 gewickelt ist. Der Träger 24 sitzt an der Montageeinheit F,. Die Wicklungen 22 und 23 können neben- oder übereinander gewickelt sein.
Der zweite Wransduktor T setzt sich aus einem an der Zinke 16 befestigten magnetischen Element 25 und einer auf einem rohrförmigen Träger 27 gewickelten Antriebsspule 26 zusammen.
Die beiden Transduktoren T1 und T2 sind abgesehen von der Tatsache. dass der Transduktor eine zusätzliche Wicklung aufweist, gleichartig. Ausbildung und Verhalten der Transduktoren sind ähnlich zu Gestaltung und Verhalten eines elektrodynamischen Lautsprechers mit Permanentmagnet, mit dem Unterschied allerdings, dass im vorliegenden Falle der Magnet und nicht die Spule beweglich ist.
Aus den Fig 2 und 3 ist ersichtlich, dass das magnetische Element 21 aus einem zylindrischen Becher 21a aus einem ferromagnetischen Material, wie etwa Eisen, und einem darin koaxial fest angeordneten permanenten Stabmagnet 21b besteht. Die Befestigung des beispielsweise aus Alnico hergestellten Stabmagneten an der Abschlusswand des Bechers ist derart, dass ein magnetischer Kreis entsteht, dessen Kraftlinien den durch den Stabmagnet und den diesen umgebenden Zylinder begrenzten Luftspalt durchdringen. Der Querschnitt des Stabmagneten nimmt in Richtung gegen sein freies Ende aus weiter unten erläuterten Gründen in einer solchen Weise ab, dass das Längsprofil nach einer bestimmten Funktion kon- tinuierlich geschweift ist.
Der zylindrische Becher ist nach zueinander diametrisch gegenüberliegenden, parallelen Flächen ausgeschnitten, so dass sich Längsschlitze 21d und 21e bilden (Fig. 3). Dies führt zu einer wesentlichen Reduktion der Transduktorabmessungen mit verhältnismässig geringem Streufluss. Dank der reduzierten Platzbeanspruchung des Transduktors bezüglich der Tiefe lässt sich das Werk kompakter gestalten. Ausserdem verhindern die Schlitze die Entstehung eines Dämpfungskolbeneffektes durch die Kompression der Luft zwischen Magnetelement und der Spule. Zu diesem Zwecke sind auch in den Spulenträgern Öffnungen angebracht.
Die Spulenträger 24 und 27 sind bezüglich ihrer Form hornartig und dem Verlauf der Stabmagneten angepasst. Die Befestigung und Ausbildung der Spulen und ihrer Träger ist im übrigen so, dass die magnetischen Elemente in axialer Richtung unbehindert schwingen können.
Während des Betriebes bewirkt ein an die Antriebsspulen der Transduktoren T1 und T2 gelegter Antriebsimpuls eine axiale Schubkraft auf die magnetischen Elemente in einer durch die Polarität des Impulses und die Polarisierung des Permanentmagneten bestimmten Richtung. Die Auslenkung der in dieser Weise zum Schwingen angeregten Gabelzinke hängt von der Stärke des Impulses ab.
Infolge der Schwingbewegung der Stimmgabelzinken und der magnetischen Elemente wird in der Antriebswicklung und in der Abfühlwicklung eine Gegen-EMK erzeugt, welche eine Wechselspannung mit der Frequenz der Stimmgabelschwingung ist.
Die Transduktoren haben drei Aufgaben. Einerseits treiben sie die Stimmgabel durch Umwandlung der an die Spulen abgegebenen elektrischen Impulse an. Anderseits steuern sie die Amplitude der Gabel durch Abfühlen der während jedes Zyklus induzierten Wechselspannung. Schliesslich steuern sie den Moment, in welchem der Antriebsimpuls an die Antriebswicklungen abzugeben ist.
Anhand der Fig. 4 lassen sich das Zusammenwirken der Transduktorkomponenten und die für die Optimalisierung des Transduktors wesentlichen Faktoren erläutern.
Wie schon erwähnt, ist der stabförmige Permanentmagnet 21b innerhalb des zylindrischen Bechers 21a koaxial angeordnet. Dieser Becher ist als hochpermeables Rückschlussglied ausgebildet; er definiert mit dem Stabmagnet 21b einen Luftspalt. 1Jm den Magnet am besten auszunützen, ist es notwendig, die Flussdichte möglichst konstant und die Streuung möglichst klein zu halten. In diesem Zusammenhang vgl.
den Artikel von S. Evelshed Permanent Magnets in Theory and Practice - J. Institute of Electrical Engineers, 13, Mai 1920 (Band 58, Seite 797).
Es zeigt sich nun, dass der Stabmagnet 21b geschweift und geschossähnlich auszubilden ist, wenn man dafür sorgen will, dass der aus dem Magnet austretende Fluss mit zunehmendem Abstand vom Boden des Bechers trotz des zunehmenden magnetischen Widerstandes konstant bleiben soll.
Ausserdem soll der Querschnitt des Stabmagneten am freien Ende bis auf Null zurückgehen.
Beim Gegenstand der Erfindung soll also der Querschnittsverlauf derart sein, dass die magnetische Flussdichte an allen Stellen des Stabmagneten mindestens angenähert konstant ist. Ausserdem ist dafür Sorge zu tragen, dass der Querschnitt der Spule in bezug auf den Querschnitt des Stabmagneten wenigstens angenähert komplementär verläuft.
Dank dem komplementären Verlauf der Spule, deren äussere Form mit Rücksicht auf die Form des Bechers 21a zylindrisch ist, ist es möglich, den vorhandenen Raum bestens auszunützen. Im Bereich der Mündung des Luftspaltes ist die Anzahl der Drahtwindungen am grössten.
Theoretische Überlegungen für den Entwurf
Beim Entwurf eines elektrodynamischen Transduktors der vorliegenden Art mit optimalem Wirkungsgrad ist nicht nur der vom Permanentmagnet ausgehende magnetische Fluss in Betracht zu ziehen, sondern auch das für das Unterbringen der diesem Magnetfluss ausgesetzten Stromleiter verfügbare Raumvolumen.
Es tritt also im Transduktor eine Wechselwirkung zwischen dem durch den Stabmagnet erzeugten Magnetfeld und dem beim Stromdurchgang durch die Drähte auftretenden Feld auf. Folglich sind für die Optimierung die Feldstärke des Stabmagneten, die Feldstärke der Spule und die Masse des magnetischen Elements zu berücksichtigen.
Die Kennzeichnen der magnetischen Kreise und der für die Herstellung dieser Kreise verwendeten Materialien lassen sich wie folgt in magnetischen Quantitäten und Einheiten beschreiben: Magnetomotorische Kraft
In einem Elektromagnet wird die Magnetisierung durch den Stromflussin Leitern hervorgerufen, die ihrerseits mit einem magnetischen Stromkreis zusammenwirken. Im vorliegenden Falle ist eine Spule im ringförmigen Luftspalt zwischen dem permanentmagnetischen Stab und dem hochpermeablen Becher angeordnet. Das totale Mass der Magnetisierungswirkung einer solchen Spule wird magnetomotorische Kraft F genannt und in Gilbert ausgedrückt.
Magnetischer Fluss
Das totale Mass des in einem magnetischen Kreis durch die magnetomotorische Kraft hervorgerufenen magnetischen Flusses wird magnetischer Fluss Ai genannt. Eine Änderung des magnetischen Flusses bewirkt in einem mit dem magnetischen Kreis gekoppelten elektrischen Leiter eine EMK.
Diese ist in jedem Augenblick proportional zur zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses.
Magnetischer Widerstand
Die die magnetomotorische Kraft und den magnetischen Fluss verbindende Eigenschaft wird als magnetischer Widerstand R oder Reluktanz bezeichnet.
Dieser Widerstand ergibt sich durch folgende Relation:
F lt
R wobei 0 = magnetischer Fluss in Maxwell, F = magnetomotorische Kraft in Gilbert und R = magnetischer Widerstand in cgs-Einheiten.
Magnetische Feldstärke
Die längs eines magnetischen Kreises wirkende magnetomotorische Kraft verteilt sich entsprechend der Anordnung der Leiterwindungen und dem magnetischen Widerstand des Kreises. Die längs dem magnetischen Stromkreis pro Län- geneinheit auftretende magneto motorische Kraft wird magne-.
tische Feldstärke H oder auch magnetische Erregung genannt und durch folgende Gleichung dargestellt:
DF
H = dl , wobei H = magnetische Feldstärke in idrsted, F = magnetomotorische Kraft in Gilbert und 1 = Länge in cm.
Magnetische Flussdichte
Diese auch als magnetische Induktion bezeichnete Grösse B ergibt sich durch:
B - dA wobei B = magnetische Flussdichte in Gauss, sP magnetischer Fluss in Maxwell und A = Fläche in cm2.
Damit ein Teil eines magnetischen Kreises bildender Permanentmagnet am besten ausgenützt wird, ist eine möglichst gleichmässige Verteilung der magnetischen Flussdichte innerhalb des Magneten erforderlich. Es wird sich weiter unten ergeben, dass im vorliegenden Falle diese Forderung durch einen von der Basis in Richtung gegen das freie Ende im Querschnitt abnehmenden Stab erfüllbar ist. Da der austretende magnetische Fluss an jeder Stelle des Magneten vom magnetischen Widerstand des magnetischen Stromkreises abhängt, muss man dafür Sorge tragen, dass die Abnahme des Querschnittes des Stabmagneten derart ist, dass jeweils die Verkleinerung der Fläche der Verkleinerung des magnetischen Flusses entspricht. Es muss folglich die Flussdichte B konstant sein. Ausserdem soll der Querschnitt des Stabmagnetes bis auf Null abnehmen, damit der gesamte Fluss durch den Luftspalt verläuft.
Es sei zunächst ein Transduktor mit einem idealen Magnet betrachtet, welcher in einem'Luftspalt ein magnetisches Feld ohne irgendwelche Streufeldverluste erzeugt. In Fig. 5 sind zwei Permanentmagnete M und M2 ersichtlich, zwischen welchen ein Luftspalt liegt und welche einen Teil eines magnetischen Kreises bilden. Zu diesem Magnetkreis gehört auch ein hochpermeables Rückflussjoch J. Das totale Transduktorvolumen V0 setzt sich zusammen aus Wo = um +Vg, wobei Vm das Volumen der Magnete und Vg das I,uftspalt- volumen darstellt. Das Volumen des Jochs und das nicht wirksame Luftvolumen sind für den betrachteten Idealfall vernachlässigt. Durch die Magnetflusserhaltungsregel ergibt sich: (1) Bm Am =Bg Ag.
Ferner ist als Folge der Energieerhaltungsregel zu setzen
EMI3.1
Die Gleichsetzung von H und B ist für den Luftspalt zulässig. Nach der Multiplikation von Gleichung (1) mit Gleichung (2) erhält man: Bm Am Hm Lm =Bg Ag Bg Lg oder (3) Bm l, ESm Vm = Bg2Vg.
Wenn nun die rechte Seite dieser Gleichung mit V5 und die linke Seite mit dem äquivalenten Wert VO-Vm multi- pliziert wird, resultiert: (4) Bm lIm Vm (V0-V = Bg2Vg2.
Unter Abnahme, dass im betrachteten idealen System der ganze Luftspalt mit ideal verlegten Leitern ausgenützt wird, ist das Luftspaltvolumen Vg ein Mass des magnetischen Feldes, welches durch einen konstanten, durch die Leiter fliessenden Strom erzeugt wird. Wenn man ferner davon ausgeht, dass der Querschnitt der Leiter und damit die Anzahl der Windungen pro Flächeneinheit festliege, sieht man, dass B5 Vg oder (Bg Vg)2 das Wechselwirkungsglied darstellt, welches einen möglichst grossen Betrag annehmen soll. Es sei von nachfolgender Definition ausgegangen: (5) q = (Bg Vg)2 = Bm Hrn Vm (V0-V.
Diese Quantität lässt sich in bezug auf das Magnetvolumen durch Differenzierer' und Gleichsetzung des Resultates zu Null maximalisieren: d9 Bm Hm H, Brn + VOVm) = O dVm oder
Vm = Vo/2.
Nach dem Einsetzen dieses Resultates in Gleichung (5) kommt man zu Gleichung (6) qmax = Bm Hrn V02 -4.
Diese Quantität kann des weiteren in bezug auf die Betriebsbedingungen des Magneten durch einen Entwurf für Energiespitzenbetrieb weiter maximalisiert werden. Es ist allerdings keine Gewähr dafür gegeben, dass sich die beiden Optimierungsanforderungen gleichzeitig erfüllen lassen. In der Praxis ist es daher voraussichtlich gar nicht erwünscht, entweder Vm = V,/2 oder Brn Hm = Maximum für ein bestimmtes magnetisches Material zu erreichen. Bei bestimmten Voraussetzungen hinsichtlich Transduktorvolumen bzw. -abmessungen ist es hingegen möglich, ein magnetisches Material zu wählen, welches das höchste qrnax ergibt. Die bisherigen Betrachtungen gehen von idealen Voraussetzungen aus und sind lediglich theoretische Richtlinien.
Im folgenden sollen nun diese Erkenntnisse bei einem elektromagnetischen bzw. elektrodynamischen Transduktorsystem für einen mechanischen Vibrator wie eine Stimmgabel oder eine Schwinglamelle angewandt werden. Aus praktischen Gründen haben Magnet und Spule einen kreisrunden Querschnitt. Dies ist jedoch kein grundlegendes Erfordernis.
Der in Fig. 6 dargestellte, an einer Stimmgabelzinke Z befestigte Transduktor ist mit einem zylindrischen Stabmagnet Rc ausgestattet bnd dient als Approximation des anhand Fig. 5 besprochenen idealen Systems. Auch hier kann der hohlzylinderförmige Luftspalt G zwischen Magnet Rc und dem zylindrischen Becher Cc als Arbeitsspalt betrachtet werden. In diesen Spalt ragt die zylindrische Spule Sc.
Dasselbe gilt auch für den ebenfalls bekanntgewordenen Transduktor nach Fig. 7, Dieser enthält einen konischen Magnet Rt, d. h. einen Permanentmagnet, dessen Querschnitt linear abnimmt. Auch hier geht praktisch der ganze magnetische Fluss durch die in den Luftspalt zwischen Magnet Rt und Becher Cc ragende, ebenfalls konische Spule St.
Im Falle des idealen Magneten gemäss Fig. 5 wurden keine näheren Angaben über dessen Form gegeben. Ein konstanter Querschnitt ist dort jedoch Voraussetzung, wenn keine Verluste auftreten sollen und die Flussdichte Brn über den ganzen Magnet konstant sein soll. Ist jedoch das magnetische Element aus einem Magnetstab und einem Rückschlussbecher zusammengesetzt, dann muss der Querschnitt des Stabes abnehmen, damit im Bereich des Stabendes kein Streufluss auftritt. Aus diesem Grunde ist die Ausführung nach Fig. 7 eine Verbesserung gegenüber derjenigen nach Fig. 6.
Wesentlicher ist es jedoch mit Rücksicht auf eine gute Ausnützung des magnetischen Materials, dass die Flussdichte B innerhalb des Magneten gleichmässig ist. Der Querschnitt muss also proportional zum austretenden Fluss abnehmen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 lässt sich das Ohmsche Gesetzt des magnetischen Kreises aufschreiben. Der Fluss im Kreis ist: (7) d# = 2 y# dy B = magnetomotorische Kraft. Leitfähigkeit = (Hz) 2 # dz loge (R/y)
Dieses Resultat kann als das magnetische Profil beschreibende Differentialgleichung betrachtet werden. Die Formel erfüllt zwei Kriterien, nämlich erstens, dass kein Fluss am Ende des Magneten austritt, und zweitens, dass B (und H) im Magnet konstant ist.
Die Auflösung dieser Differentialgleichung nach y (mit den Grenzbedingungen, dass y = o bei z =L und y = r0 bei z = 0) führt zu der algebraischen Profilgleichung: (1Z2) (8) y (1 + 2 lOge R/y) = a (1 L2 wobei a2 = ro2 (1 + 2 logeR/ro).
Nach dieser qualitativen Bestimmung der Magnetform ist es notwendig, die quantitativen Abmessungen für den maximalen Transduktorwirkungsgrad zu ermitteln. Das ursprüngliche Optimierungsproblem für diese spezielle Anwendung lasse sich in Differentialform der induzierten Spannung wie folgt niederschreiben: dE = dn#d# = dn d4 > ddt, dt dz Tt' wobei dn = (R-zl-y) dz, wobei zl ein mechanisches Spiel zwischen Magnet und Leiter und 22 die Drahtdichte (Windungen pro Flächeneinheit) darstellt.
Wenn ferner ddt = v (Geschwindigkeit der Spule re dt lativ zum Magnet) und dÇ 2zHz dz logc (R/y) ist, dann gelangt man zu:
EMI4.1
Die Quantität e ist ein mechanisches Spiel am Boden des zylindrischen Bechers.
Das Maximalisierungsproblem reduziert sich auf die Bestimmung des Wertes von r0 (Radius des Magneten an der Basis), welcher ein Maximum der induzierten Spannung E ergibt. Für den vorliegenden Fall, wo der Transduktor Teil eines mechanischen Vibrators bildet, ist allerdings noch eine weitere geringfügige Verfeinerung notwendig.
Wenn man die Gleichung I E2 E2 m 1? 2R 2UQk2 für die durch einen Vibrator mit Transduktor aufgenommene Leistung prüft, wobei
R = äquivalenter Widerstand des Vibrators,
E = induzierte Spannung in der Transduktorspule, w = 2 zr Frequenz des Vibrators, 1 = Wirkungsgrad des Systems,
Q = Qualitätsfaktor des Vibrators, m = Masse des Transduktors und des Vibrators, k = elektromechanischer Kopplungsfaktor und
P = Leistung bedeutet, zeigt es sich, dass man im Gegensatz zu k2 in Wirklichkeit k2 maximalisieren soll.
Der Faktor k ist zwar ein m Mass für die Qualität; wenn es sich dagegen darum handelt, mit einer möglichst geringen Energiemenge auszukommen, - wie das bei Zeitmessgeräten der Fall ist, dann ist k das wichtigere Mass. m
Ein schrittweises Variieren von r0 von Null bis zu einem durch die Abmessungen des Rückschlussbechers gegebenen Wert, begleitet von einer numerischen Integration der Gleichung (9) und einer Berechnung von m, ergibt eine Kurve für k2/m, deren Maximum bei einem gewählten magnetischen Material die Wahl von ru für den optimierten Transduktor festlegt.
Diese neuen Lehren ergeben Abmessungen und Form des Magneten und der Spule, die einen optimalen Transduktor.
wirkungsgrad gewährleisten. Unter Umständen lassen sich auch mit Approximationen der Gleichung (8) praktisch optimale Resultate erzielen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, falls sich der Stab derart absatzweise verjüngt, dass die Flussdichte B im wesentlichen konstant ist. Dank der Erfindung kann man Transduktoren der hier interessierenden Art sehr klein gestalten und mit einer geringen Leistung betreiben.
Verbesserung im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik
Messungen ergaben, dass insbesondere mit sehr kleinen Transduktoren, wie sie etwa in einer Stimmgabeluhr für Damen Verwendung finden können, Betriebsresultate erzielbar sind, die den Wirkungsgrad der üblichen Transduktoren mit zylindrischem oder konischem Stabmagnet bei weitem übertreffen. Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Gegenüberstellung der für den Betrieb notwendigen Leistung bei einem Transduktor für eine elektronische Damenuhr. Die magnetischen Rückschlussbecher sind in allen drei Fällen gleich gross. Die betrachteten magnetischen Elemente unterscheiden sich lediglich durch die verschiedene Form der Stab magnete.
Tabelle I
Leistung zum Antrieb der Magnetform Stimmgabel km2 in willkürlichen
Einheiten Zylindrisch 7,0 Konisch 2,5 Geschossförmig 1,0 (gemäss Erfindung)
Diese Tabelle beleuchtet die Bedeutung der vorliegenden Erfindung. Die Leistungsaufnahme für den Antrieb einer Stimmgabel reduziert sich im Verhältnis von 7 :1 gegenüber derjenigen eines Transduktors mit zylindrischem Stabmagnet.
Dank diesem Vorteil hat man es in der Hand, ein Stimm gabelantriebssystem mit Transduktor viel kleiner auszuführen (was sonst infolge der Verringerung des Wirkungsgrades zu einer zu grossen Leistungsaufnahme führen würde) und hierbei erst noch den Stromverbrauch herabzusetzen, wodurch sich auch die Batterie kleiner ausführen lässt, was zu einer weiteren Reduktion der Abmessungen der Uhr gestattet.
Die Erfindung gestattet eine Verkleinerung von Abmessungen und Stromverbrauch bei Zeitmessgeräten. Der Nutzen ergibt sich auch aus der Tabelle II, in welcher das Quadrat des elektromagnetischen Kopplungsfaktors für die drei betrachteten Stabmagneten verglichen ist.
Tabelle II
Relative Wirksamkeit Magnetform k2 in willkürlichen Einheiten Zylindrisch 0,2 Konisch 0,6 Geschossförmig 1,0 (gemäss Erfindung)
PATENTANSPRUCH 1
Elektromagnetischer Transduktor für ein elektronisches Zeitmessgerät, welcher Transduktor einerseits ein magnetisches Element, bestehend aus einem zylindrischen Becher und einem koaxial in diesem befestigten Stabmagnet, der mit dem Becher einen Luftspalt bildet und dessen Querschnitt sich von der Basis gegen sein freies Ende hin verjüngt, und anderseits eine in den genannten Luftspalt ragende Spule aufweist, wobei das magnetische Element relativ zu der Spule beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Stabmagneten (21b) von seiner Basis gegen sein freies Ende hin derart in einer nichtlinearen Weise bis auf einen Wert von wenigstens angenähert Null abnimmt,
dass die magnetische Flussdichte an allen Stellen des Stabmagneten mindestens angenähert konstant ist, wobei mindestens angenähert der gesamte magnetische Fluss auf den Luftspalt beschränkt ist, und dass der Querschnitt der Spule zwecks optimaler Ausnutzung des im Luftspalt vorhandenen Raumes (22, 23) in bezug auf den Querschnitt des Stabmagneten (21b) mindestens angenähert komplementär verläuft.
UNTERANSPRÜCHE
1. Transuktor nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Längsprofil des Stabmagneten einen kontinuierlich abnehmenden Verlauf aufweist.
2. Transduktor nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Stabmagneten gegen sein freies Ende hin in Form von mehreren stufenförmigen Absätzen abnimmt.
3. Transduktor nach Patentanspruch I oder einem der Unteransprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Becher aneinander diametral gegenüberliegenden Seiten längsgeschlitzt ist.
PATENTANSPRUCH II
Verwendung des elektromagnetischen Transduktors nach Patentanspruch I in einer elektronischen Uhr mit einer Stimmgabel, Mitteln zum Umwandeln der Schwingbewegung der Gabel in eine das Räderwerk der Uhr antreibende Drehbewegung, und ferner Mitteln zum Aufrechterhalten der Schwingbewegung der Gabel, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zinke der Stimmgabel (10) ein magnetisches Element (21) mit einem sich in nichtlinearer Weise verjüngenden Stabmagnet (21b) trägt, und dass die mit dem Magnetelement zusammenwirkende Spule (22, 23) mit einem festen Teil der Uhr verbunden ist und zwecks Aufrechterhaltung der Schwingung der Gabel (10) durch elektrische Impulse gespeist wird.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.