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**.
The subject of the present invention is an electromagnetic transducer for an electronic timepiece, which transductor on the one hand a magnetic element consisting of a cylindrical cup and a coaxially fixed bar magnet in this, which forms an air gap with the cup and whose cross-section is free from the base The end tapers, and on the other hand has a coil protruding into said air gap, the magnetic element being movable relative to the coil.
For example, the Swiss patents 338 154 and 353 311 describe electronic timing devices with a self-excited tuning fork and electromagnetic transducers, which are fed by a battery via a transistor circuit. The oscillating movement of the fork is converted into a rotary movement that drives the hands of the watch with the help of a movement transformer.
In the case of this electronic watch, each tuning fork prong carries a magnetic element which oscillates in relation to a stationary coil. One coil has a main drive winding, while the other coil is composed of an additional drive winding and a sensing winding. The two drive windings are connected in series and connected to the output circuit of the transistor. The sensing winding is on the input circuit of the transistor. As a result of the oscillating movement of the fork, an alternating voltage is induced in the sensing winding, which puts the transistor in a conductive state for a certain period of time, so that drive pulses are generated to maintain the fork oscillation.
If you have the problem of accommodating a battery-powered timing device in a small housing, you have to rely on the system's high electrical and mechanical efficiency. Energy losses not only shorten the service life of the feed battery, which must generally have miniature dimensions, but also impair the functioning of the system. With a view to reducing the dimensions of a device and maintaining good operational reliability, it is important that the transducers are as compact as possible and consume little energy.
The transducers shown in the cited publications have a cylindrical cup of circular cross-section as the magnetic element and a cylindrical bar magnet arranged coaxially in this cup. A stationary coil protrudes into the air gap formed in this way.
An improved version of the transducer is shown in U.S. Patent 3,221,190. Instead of a constant cross-section, the bar magnet has a cross-section that decreases linearly towards its free end. This conical bar magnet interacts with a coil which protrudes into the air gap and which is also conical so that as many turns as possible are present in the area of the highest magnetic flux density within the air gap.
Transductors with a conical bar magnet are considerably more effective than those with a cylindrical magnet. However, the improvement achieved does not yet allow the creation of a tuning fork watch of small dimensions, such as are common for ladies' wristwatches.
The reason for the mentioned difficulty is that if a cylindrical or conical magnet is reduced in size, the energy consumption for driving the same tuning fork increases in order to compensate for the drop in the electromechanical coupling factor. This coupling factor is a direct measure of the amount of electrical energy converted into mechanical energy in the transducer. The smaller the electromechanical coupling factor, the greater the electrical power requirement for a predetermined amount of mechanical power. When using a single-cell battery, as is used today in electronic watch movements, the battery would have to be replaced after a short time.
Increasing the battery dimensions is also out of the question, since the reduction in the size of the transducer is primarily aimed at making the clock smaller. It is important to remember that the dimensions of the supply source are an essential parameter in determining the overall dimensions of a movement and that current battery dimensions limit the miniaturization of electronic movements.
In practice, a tuning fork power requirement of over 15 microwatts can no longer be satisfied with the watch dimensions that are still accepted by the public. If, on the basis of the transducers described, the transducer dimensions were to be reduced in order to save space, then one would have to accept a considerably higher power consumption because of the larger fork amplitude.
The problem on which the invention is based is to be seen in the creation of a transducer of the type defined at the beginning with a particularly high degree of efficiency for electronic timing devices. According to the invention, this technical object is achieved in that the cross section of the bar magnet decreases from its base towards its free end in a nonlinear manner to a value of at least approximately zero in such a way that the magnetic flux density at all points of the bar magnet is at least approximately constant is, wherein at least approximately the entire magnetic flux is limited to the air gap, and that the cross section of the coil is at least approximately complementary to the cross section of the bar magnet for the purpose of optimal use of the space available in the air gap.
As a result of such a shape of the bar magnet, which - as will be shown below - assumes the shape of a lock, there are in particular the following advantages:
A) Thanks to the high degree of efficiency, it is possible to reduce the dimensions of the transducer and thus the size of the movement of which it is part.
Despite the reduction in size, the power consumption of the movement can also be reduced at the same time, which means that a smaller feed battery can be used.
B) Due to the increase in efficiency, the battery can be made smaller, which leads to a further reduction in the volume of the movement without increasing the power consumption above a permissible limit.
C) A reduction in the volume of the movement opens up many new possibilities for the design of ladies' watches and other miniaturized timepieces.
D) The miniaturization made possible thanks to the invention has no adverse consequences for the accuracy of the time keeping.
The invention also relates to a use of the electromagnetic transducer in an electronic watch with a tuning fork, means for converting the oscillating movement of the fork into a rotary movement driving the gear train of the watch, and further means for maintaining the oscillating movement of the fork. At least one prong of the tuning fork carries a magnetic element with a bar magnet that tapers in a non-linear manner. In addition, the coil cooperating with the magnetic element is connected to a fixed part of the watch and is fed by electrical impulses in order to maintain the oscillation of the fork.
In the following the principle of the invention and an embodiment of the same are explained with reference to the drawing.
They represent:
1 shows a perspective and partially schematic overview of the most important parts of an electronic clockwork provided with two transducers designed in accordance with the invention,
FIG. 2 shows a partially sectioned view of the transductor system shown in FIG. 1,
3 shows a side view of the transducer,
4 shows an enlarged and partially sectioned view of a transducer,
5 shows a schematic perspective view of an idealized magnet arrangement,
6 is a partially sectioned view of a known transducer with a cylindrical bar magnet,
7 shows a partially sectioned view of a known transducer with a conical bar magnet.
In the electronic clockwork which can be seen in particular in FIG. 1, a tuning fork 10 is provided as the frequency standard. Furthermore, the clockwork contains an electronic drive circuit 11, a gear train 12 of the usual type for driving the hands and furthermore a movement converter with a ratchet wheel 13 actuated by the tuning fork via a drive pawl.
All components of the drive circuit are accommodated in assembly units or modules F1 and F2, which in turn are fastened to a flat work plate 14. The movement plate is held in a case such as a case of a ladies' wristwatch. The electronic circuit, known per se, consists of a transistor TR and other components Cb and R <. It is fed by a battery V.
The tuning fork 10 is equipped with flexible prongs 15 and 16 from. which are interconnected in a known manner via a relatively rigid base 17. This merges into an upwardly directed foot 18 fastened to the work plate by means of screws 19 and 20. In order not to disturb the free swinging of the forks, the work plate is cut out in its middle part.
The tuning fork 1 () is driven with the help of transducers T, and R2. The transducer T1 is composed of a magnetic element 21 located at the end of the prong 15 and a stationary coil, which consists of a drive winding 22 and a sensing winding 23 and is wound on a tubular carrier 24 open on one side. The carrier 24 sits on the mounting unit F 1. The windings 22 and 23 can be wound next to or on top of one another.
The second transducer T is composed of a magnetic element 25 fastened to the prong 16 and a drive coil 26 wound on a tubular carrier 27.
The two transducers T1 and T2 are apart from the fact. that the transducer has an additional winding, similar. The design and behavior of the transducers are similar to the design and behavior of an electrodynamic loudspeaker with a permanent magnet, with the difference, however, that in the present case the magnet and not the coil is movable.
It can be seen from FIGS. 2 and 3 that the magnetic element 21 consists of a cylindrical cup 21a made of a ferromagnetic material, such as iron, and a permanent bar magnet 21b arranged therein coaxially fixed. The fastening of the bar magnet made of Alnico, for example, to the end wall of the cup is such that a magnetic circuit is created whose lines of force penetrate the air gap delimited by the bar magnet and the cylinder surrounding it. For reasons explained below, the cross section of the bar magnet decreases in the direction towards its free end in such a way that the longitudinal profile is continuously curved according to a specific function.
The cylindrical cup is cut out according to diametrically opposite, parallel surfaces so that longitudinal slots 21d and 21e are formed (FIG. 3). This leads to a significant reduction in the dimensions of the transducer with a relatively low leakage flux. Thanks to the reduced space requirement of the transducer in terms of depth, the work can be made more compact. In addition, the slots prevent a damping piston effect from occurring due to the compression of the air between the magnetic element and the coil. For this purpose openings are also made in the coil carriers.
The coil carriers 24 and 27 are horn-like with regard to their shape and adapted to the course of the bar magnets. The fastening and design of the coils and their carriers is also such that the magnetic elements can oscillate freely in the axial direction.
During operation, a drive pulse applied to the drive coils of the transducers T1 and T2 causes an axial thrust force on the magnetic elements in a direction determined by the polarity of the pulse and the polarization of the permanent magnet. The deflection of the fork prong, which is excited to vibrate in this way, depends on the strength of the impulse.
As a result of the oscillating movement of the tuning fork prongs and the magnetic elements, a back EMF is generated in the drive winding and in the sensing winding, which is an alternating voltage with the frequency of the tuning fork oscillation.
The transducers have three tasks. On the one hand, they drive the tuning fork by converting the electrical impulses sent to the coils. On the other hand, they control the amplitude of the fork by sensing the alternating voltage induced during each cycle. Finally, they control the moment at which the drive pulse is to be delivered to the drive windings.
4, the interaction of the transducer components and the essential factors for optimizing the transducer can be explained.
As already mentioned, the rod-shaped permanent magnet 21b is arranged coaxially within the cylindrical cup 21a. This cup is designed as a highly permeable return link; it defines an air gap with the bar magnet 21b. In order to make the best use of the magnet, it is necessary to keep the flux density as constant as possible and the scatter as small as possible. In this context cf.
the article by S. Evelshed Permanent Magnets in Theory and Practice - J. Institute of Electrical Engineers, May 13, 1920 (vol. 58, page 797).
It can now be seen that the bar magnet 21b is to be designed to be curved and like a bullet if one wants to ensure that the flux emerging from the magnet should remain constant with increasing distance from the bottom of the beaker despite the increasing magnetic resistance.
In addition, the cross section of the bar magnet should go back to zero at the free end.
In the subject matter of the invention, the cross-sectional profile should therefore be such that the magnetic flux density is at least approximately constant at all points of the bar magnet. In addition, care must be taken that the cross section of the coil is at least approximately complementary with respect to the cross section of the bar magnet.
Thanks to the complementary course of the coil, the outer shape of which is cylindrical with regard to the shape of the cup 21a, it is possible to make optimal use of the space available. The number of wire windings is greatest in the area of the mouth of the air gap.
Theoretical considerations for the design
When designing an electrodynamic transducer of the present type with optimal efficiency, not only the magnetic flux emanating from the permanent magnet must be taken into account, but also the space available for accommodating the current conductors exposed to this magnetic flux.
So there is an interaction in the transducer between the magnetic field generated by the bar magnet and the field that occurs when the current passes through the wires. Consequently, the field strength of the bar magnet, the field strength of the coil and the mass of the magnetic element must be taken into account for the optimization.
The characteristics of the magnetic circuits and the materials used to make these circuits can be described in terms of magnetic quantities and units as follows: Magnetomotive force
In an electromagnet, magnetization is caused by the flow of current in conductors, which in turn interact with a magnetic circuit. In the present case, a coil is arranged in the annular air gap between the permanent magnetic rod and the highly permeable cup. The total measure of the magnetizing effect of such a coil is called the magnetomotive force F and is expressed in Gilbert.
Magnetic river
The total amount of the magnetic flux produced in a magnetic circuit by the magnetomotive force is called the magnetic flux Ai. A change in the magnetic flux causes an EMF in an electrical conductor coupled to the magnetic circuit.
At any given moment, this is proportional to the change in the magnetic flux over time.
Magnetic resistance
The property that connects the magnetomotive force and the magnetic flux is referred to as magnetic resistance R or reluctance.
This resistance results from the following relation:
F lt
R where 0 = magnetic flux in Maxwell, F = magnetomotive force in Gilbert and R = magnetic resistance in cgs units.
Magnetic field strength
The magnetomotive force acting along a magnetic circuit is distributed according to the arrangement of the conductor windings and the magnetic resistance of the circuit. The magnetomotive force occurring along the magnetic circuit per unit of length becomes magnetic.
Table field strength H or also called magnetic excitation and represented by the following equation:
DF
H = dl, where H = magnetic field strength in idrsted, F = magnetomotive force in Gilbert and 1 = length in cm.
Magnetic flux density
This quantity B, also known as magnetic induction, results from:
B - dA where B = magnetic flux density in Gauss, sP magnetic flux in Maxwell and A = area in cm2.
In order that a permanent magnet forming part of a magnetic circuit is best used, a distribution of the magnetic flux density within the magnet that is as uniform as possible is necessary. It will be seen further below that in the present case this requirement can be met by a rod which decreases in cross section from the base in the direction towards the free end. Since the emerging magnetic flux depends on the magnetic resistance of the magnetic circuit at every point of the magnet, care must be taken to ensure that the decrease in the cross section of the bar magnet is such that the reduction in the area corresponds to the reduction in the magnetic flux. The flux density B must therefore be constant. In addition, the cross-section of the bar magnet should decrease to zero so that the entire flux runs through the air gap.
Let us first consider a transducer with an ideal magnet which generates a magnetic field in an air gap without any stray field losses. In Fig. 5 two permanent magnets M and M2 can be seen, between which there is an air gap and which form part of a magnetic circuit. This magnetic circuit also includes a highly permeable return yoke J. The total transductor volume V0 is made up of Wo = um + Vg, where Vm represents the volume of the magnets and Vg the air gap volume. The volume of the yoke and the ineffective air volume are neglected for the ideal case under consideration. The rule of maintaining magnetic flux gives: (1) Bm Am = Bg Ag.
Furthermore, the energy conservation rule is to be set as a consequence
EMI3.1
Equating H and B is permissible for the air gap. After multiplying equation (1) by equation (2), we get: Bm Am Hm Lm = Bg Ag Bg Lg or (3) Bm l, ESm Vm = Bg2Vg.
If the right side of this equation is multiplied by V5 and the left side by the equivalent value VO-Vm, the result is: (4) Bm lIm Vm (V0-V = Bg2Vg2.
Assuming that in the ideal system under consideration the entire air gap is used with ideally laid conductors, the air gap volume Vg is a measure of the magnetic field which is generated by a constant current flowing through the conductors. If one also assumes that the cross-section of the conductor and thus the number of turns per unit area is fixed, one sees that B5 Vg or (Bg Vg) 2 represents the interaction element which should assume the largest possible amount. The following definition is assumed: (5) q = (Bg Vg) 2 = Bm Hrn Vm (V0-V.
This quantity can be maximized in relation to the magnet volume by differentiators' and equating the result to zero: d9 Bm Hm H, Brn + VOVm) = O dVm or
Vm = Vo / 2.
After inserting this result into equation (5) one arrives at equation (6) qmax = Bm Hrn V02 -4.
This quantity can furthermore be maximized further with regard to the operating conditions of the magnet by designing for energy peak operation. However, there is no guarantee that the two optimization requirements can be met at the same time. In practice it is therefore probably not desirable at all to achieve either Vm = V, / 2 or Brn Hm = maximum for a specific magnetic material. With certain requirements with regard to the transducer volume or dimensions, however, it is possible to choose a magnetic material which gives the highest qrnax. The previous considerations are based on ideal conditions and are merely theoretical guidelines.
In the following, these findings will now be applied to an electromagnetic or electrodynamic transducer system for a mechanical vibrator such as a tuning fork or a vibrating lamella. For practical reasons, the magnet and coil have a circular cross-section. However, this is not a basic requirement.
The transducer shown in FIG. 6 and fastened to a tuning fork prong Z is equipped with a cylindrical bar magnet Rc and serves as an approximation of the ideal system discussed with reference to FIG. Here, too, the hollow cylindrical air gap G between magnet Rc and the cylindrical cup Cc can be viewed as a working gap. The cylindrical coil Sc protrudes into this gap.
The same also applies to the transductor according to FIG. 7, which has also become known. This contains a conical magnet Rt, ie. H. a permanent magnet whose cross-section decreases linearly. Here, too, practically the entire magnetic flux goes through the likewise conical coil St., which protrudes into the air gap between magnet Rt and cup Cc.
In the case of the ideal magnet according to FIG. 5, no further details about its shape were given. However, a constant cross section is a prerequisite there if no losses are to occur and the flux density Brn is to be constant over the entire magnet. However, if the magnetic element is made up of a magnetic rod and a yoke cup, then the cross section of the rod must decrease so that no leakage flux occurs in the area of the rod end. For this reason, the embodiment according to FIG. 7 is an improvement over that according to FIG. 6.
However, with a view to making good use of the magnetic material, it is more important that the flux density B within the magnet is uniform. The cross-section must therefore decrease proportionally to the exiting river.
With reference to FIG. 3, Ohm's law of the magnetic circuit can be written down. The flux in the circle is: (7) d # = 2 y # dy B = magnetomotive force. Conductivity = (Hz) 2 # dz loge (R / y)
This result can be viewed as the differential equation describing the magnetic profile. The formula fulfills two criteria, namely first that no flux emerges at the end of the magnet and second that B (and H) in the magnet is constant.
The solution of this differential equation for y (with the boundary conditions that y = o at z = L and y = r0 at z = 0) leads to the algebraic profile equation: (1Z2) (8) y (1 + 2 looge R / y) = a (1 L2 where a2 = ro2 (1 + 2 logeR / ro).
After this qualitative determination of the magnet shape, it is necessary to determine the quantitative dimensions for the maximum transductor efficiency. The original optimization problem for this special application can be written down in the differential form of the induced voltage as follows: dE = dn # d # = dn d4> ddt, dt dz Tt 'where dn = (R-zl-y) dz, where zl is mechanical play between magnet and conductor and 22 represents the wire density (turns per unit area).
Furthermore, if ddt = v (speed of the coil relative to the magnet) and dÇ 2zHz dz logc (R / y), then one arrives at:
EMI4.1
The quantity e is a mechanical play at the bottom of the cylindrical cup.
The maximalization problem is reduced to the determination of the value of r0 (radius of the magnet at the base), which gives a maximum of the induced voltage E. In the case at hand, where the transducer forms part of a mechanical vibrator, a further slight refinement is necessary.
Using the equation I E2 E2 m 1? 2R 2UQk2 checks for the power absorbed by a vibrator with transducer, whereby
R = equivalent resistance of the vibrator,
E = induced voltage in the transducer coil, w = 2 zr frequency of the vibrator, 1 = efficiency of the system,
Q = quality factor of the vibrator, m = mass of the transducer and the vibrator, k = electromechanical coupling factor and
P = performance means that, in contrast to k2, one should in reality maximize k2.
The factor k is indeed a measure of the quality; if, on the other hand, it is a question of getting by with the smallest possible amount of energy - as is the case with timing devices, then k is the more important measure. m
A stepwise variation of r0 from zero to a value given by the dimensions of the return cup, accompanied by a numerical integration of equation (9) and a calculation of m, results in a curve for k2 / m, the maximum of which for a selected magnetic material is the Choice of ru for the optimized transducer.
These new teachings give the dimensions and shape of the magnet and coil that make an optimal transducer.
ensure efficiency. Under certain circumstances, practically optimal results can also be achieved with approximations of equation (8). This can be the case, for example, if the rod tapers in increments such that the flux density B is essentially constant. Thanks to the invention, transducers of the type of interest here can be made very small and operated with low power.
Improvement compared to the previous state of the art
Measurements have shown that, particularly with very small transducers, such as those used in a tuning fork watch for ladies, operating results can be achieved that by far exceed the efficiency of conventional transducers with cylindrical or conical bar magnets. The following table shows a comparison of the power required for operation with a transducer for an electronic ladies' watch. The magnetic return cups are the same size in all three cases. The magnetic elements under consideration differ only in the different shape of the bar magnets.
Table I.
Power to drive the Magnetform tuning fork km2 in arbitrary
Units Cylindrical 7.0 Conical 2.5 Bullet-shaped 1.0 (according to the invention)
This table highlights the importance of the present invention. The power consumption for driving a tuning fork is reduced by a ratio of 7: 1 compared to that of a transducer with a cylindrical bar magnet.
Thanks to this advantage, it is possible to make a tuning fork drive system with a transducer much smaller (which would otherwise lead to excessive power consumption due to the reduction in efficiency) and to reduce the power consumption first, which means that the battery can also be made smaller which allowed a further reduction in the dimensions of the watch.
The invention allows a reduction in size and power consumption in timing devices. The benefit also results from Table II, in which the square of the electromagnetic coupling factor for the three considered bar magnets is compared.
Table II
Relative effectiveness Magnet shape k2 in arbitrary units Cylindrical 0.2 Conical 0.6 Bullet-shaped 1.0 (according to the invention)
PATENT CLAIM 1
Electromagnetic transducer for an electronic timepiece, which transductor on the one hand a magnetic element consisting of a cylindrical cup and a coaxially fixed bar magnet in this, which forms an air gap with the cup and whose cross-section tapers from the base towards its free end, and on the other hand has a coil projecting into said air gap, the magnetic element being movable relative to the coil, characterized in that the cross section of the bar magnet (21b) from its base towards its free end in a non-linear manner up to a value of at least decreases approximately to zero,
that the magnetic flux density is at least approximately constant at all points of the bar magnet, at least approximately the total magnetic flux is limited to the air gap, and that the cross section of the coil for the purpose of optimal use of the space (22, 23) present in the air gap with respect to the Cross section of the bar magnet (21b) runs at least approximately complementary.
SUBCLAIMS
1. Transuctor according to claim I, characterized in that the longitudinal profile of the bar magnet has a continuously decreasing course.
2. Transductor according to claim I, characterized in that the cross section of the bar magnet decreases towards its free end in the form of several step-shaped paragraphs.
3. Transductor according to claim I or one of the dependent claims 1 and 2, characterized in that said cup is longitudinally slotted on diametrically opposite sides.
PATENT CLAIM II
Use of the electromagnetic transducer according to claim I in an electronic watch with a tuning fork, means for converting the oscillating movement of the fork into a rotary movement driving the gear train of the watch, and further means for maintaining the oscillating movement of the fork, characterized in that at least one prong of the tuning fork (10) carries a magnetic element (21) with a non-linearly tapering bar magnet (21b), and that the coil (22, 23) cooperating with the magnetic element is connected to a fixed part of the watch and for the purpose of maintaining the oscillation of the fork (10) is fed by electrical impulses.
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