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Triebwerk für Uhren Die Erfindung bezieht sich auf Triebwerke für
Uhren, deren das Uhrwerk antreibende, von einem Hemmregler ablaufgeregelte mechanische
Kraftquelle in periodischen Zeitabständen durch .ein elektrisches Antriebssystem
nachspannbar ist.
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Es ist bei elektrischen Uhren bekannt, die mechanische Kraftquelle
zum Antrieb des Werks in vom Triebwerk oder vom Gehwerk, z. B. durch periodische
Kontakt- oder Kollektorbürstenbetätigung gesteuerten Zeitabständen elektromagnetisch
oder elektromotorisch wieder nachzuspannen. Als Kraftquelle dienen bei diesen Uhren
Federkraftspeicher oder Gewichte, gegebenenfalls beide vereint, um eine möglichst
konstante Antriebskraft über eine gewisse Zeitspanne zur Verfügung zu haben. Eine
solche Uhr hat somit zwei Antriebe, einen mechanischen, das Werk treibenden und
einen elektrischen, den Kraftspeicher aufladenden. Der Aufwand ist daher verhältnismäßig
hoch, da außer dem Elektromagnet oder Elektromotor noch eine Feder mit Federhaus,
Lager, Sperrmittel, Zwischengetriebe usw. erforderlich sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es zunächst, die beiden Antriebsmechanismen
praktisch zu einem zu vereinigen und dadurch eine wesentliche Einsparung an Teilen
zu erzielen. Dabei soll der Kraftspeicher durch Mittel ersetzt werden, die bei einer
elektrischen Nachspanneinrichtung ohnehin vorhanden sind.
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Es sind zunächst bereits gewichts- und triebfederlose Antriebe von
Uhren bekannt, bei denen der schwingende Gangordner - Pendel oder Unruh -kurzfristig
bei jeder Schwingung, also durch »Impulse« in seinem Takt, durch magnetische Wechselwirkung
zwischen einem von ihm getragenen Magnet und kurzfristig erregten Triebspulen angetrieben
wird und seinerseits selbst das Zweigerwerk antreibt. Diese Uhren verlangen sehr
präzise Fertigung und Justierung, sind also verhältnismäßig teuer, und die »mechanische
Belastung« des Gangordners durch den Zeigerwerkantrieb ist ungünstig.
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Andererseits sind auch Uhren mit klassischem Hemmungsgangordner, der
also nur den Ablauf des periodisch nachspannbaren mechanischen Kraftspeichers »zeitgerecht«
hemmt, bekannt, bei denen das Gewicht eines durch eine Schnecke beim »Nachspannvorgang«
axial aus dem Statorfeld herausdrehbaren Rotors so groß gemacht ist, daß dieser
selbst während der Ablaufperiode als Antriebsgewicht der Uhr dient und sich wieder
in das Statorfeld herabsenkt. Wenn hier auch »zusätzlich« zum Gewicht durch die
Anziehung des Stators auf den Rotor »magnetische Rückstellkräfte« auftreten, so
sind diese doch im Verhältnis zur Kraft des Gewichts nur klein. Es handelt sich
also praktisch um einen »Gewichtsantrieb«, der bekanntlich an eine bestimmte Lage
(vertikale Rotorwelle) gebunden ist. Das heißt, die hier auch an sich vorhandene
Ersparnis an Bauteilen wird durch ein erhebliche Beschränkung der Betriebsmöglichkeit
erkauft; die Aufgabe wird also nur unvollkommen gelöst.
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Schließlich sind mit klassischen Hemmungsgangordnern arbeitende gewichts-
und triebfederlose Uhren bekannt, bei denen ein »ständig« umlaufender Elektromotor
das Zeigerwerk treibt und in seiner Drehzahl von der intermittierend arbeitenden
Unruhhemmung geregelt werden soll. Abgesehen davon, daß das eine erhebliche mechanische
Beanspruchung der Hemmung darstellt, ist diese Regelung vor allem bei Änderung der
Spannung der Motorstromquelle unzureichend, weil bekanntlich mit der Kraft, die
auf die Hemmung ausgeübt wird, sich deren Isochronismusbedingungen stark ändern.
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Die Erfindung bezweckt nun, eine gewichts- und triebfederlose Uhr
ohne die Nachteile der bekannten Systeme zu schaffen, wobei das Uhrwerk praktisch
ausschließlich mittels anziehender oder abstoßender magnetischer Kräfte angetrieben
wird, ohne daß einerseits die einfache klassische Hemmung aufgegeben wird, ohne
daß ihr zusätzliche mechanische Belastungen zugemutet werden und indem dabei doch
während des ganzen Antriebes hinreichend konstante Kraft zugeführt wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Triebwerk für Uhren, deren das Zeigerwerk
antreibende und von einem Hemmungsgangordner ablaufgehemmte mechanische
Kraftquelle
periodisch nachspannbar ist, wobei ein Dauermagnetfeld nach Lagenveränderung des
nachspannenden Trieborgans rückführende magnetische Kräfte in das Uhrwerk treibendem
Sinne auf das Trieborgan ausübt und die Lagenveränderung beim Nachspannvorgang durch
elektrische Triebelemente bewirkt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während
des normalen Antriebsvorganges des Uhrwerks durch das lagenveränderliche Element
die magnetischen Kräfte alle anderen Kraftkomponenten, z. B. eines Gewichtes, weit
überwiegen und das elektrische Antriebssystem des lagenveränderlichen Elements so
ausgebildet bzw. mit solchen Mitteln ausgestattet ist, daß während des ganzen Arbeitshubes
die magnetischen Kräfte praktisch konstant sind, vorzugsweise unter periodischer
Einschaltung des elektrischen Antriebssystems.
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Es ist, und zwar durch den Erfinder selbst, bereits vorgeschlagen,
bei einer Fed'eraufzugsuhr mit Aufzug durch einen Verschiebeankermotor nach Aufzug
den Verschiebeanker in Achsrichtung unter Kontaktöffnung durch die Triebfeder zu
verschieben, wobei das Uhrwerk von der Feder über eine Schnecke angetrieben wird,
dagegen nach dem vorbestimmten Federablauf den Verschiebeanker ausschließlich durch
die magnetische Anziehungskraft wieder in die Kontaktschließstellung zu bringen.
Hier wirkt also nur während der schnellen Rückbewegung die magnetische Anziehungskraft
antreibend, während im »Normalbetrieb« die Federkraft das Uhrwerk antreibt. Beim
Gegenstand der vorliegenden Erfindung dagegen ist auf eine normale Triebfeder ganz
verzichtet, und im »Normalbetrieb« treibt die magnetische Anziehungskraft das Uhrwerk.
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Zwar tritt bei solchen Systemen, bei denen eine Motorankerverschiebung
zum Zwecke des Schaltens des Motorstromkreises angewendet wird, auch eine das Uhrwerk
zusätzlich treibende magnetische Kraft »während des Aufzugs« auf. Sie ist aber,
wie schon bei der obenerwähnten früheren Erfindung des gleichen Erfinders dargelegt,
nur von physikalischtheoretischer Bedeutung. Wenn man weiß, daß z. B. diese zusätzliche
magnetische Kraft a) nur während der Aufzugszeit zu der an sich vorhandenen Kraft
des Federspeichers oder des Gewichts additiv um eine Geringfügigkeit wirksam ist:
hat beispielsweise ein solches Federuhrwerk eine Antriebsperiode von 8 Minuten =
480 Sekunden, wobei die Aufzugszeit nur 1 Sekunde beträgt, so ist die magnetische
Kraft nur während dieser einen Sekunde, d. h. den vierhundertachtzigsten Teil der
Antriebsperiode mit wirksam, und b) nur mit einem Teilbetrag - der Hauptbetrag kommt
aus der Antriebsfeder - in dieser Sekunde beteiligt ist, ist klar, daß bei der vorliegenden
Erfindung der Hauptbetrag der Antriebsenergie einem magnetischen Feld, und zwar
in gegenüber anderen Antriebskräften weit überwiegendem Maße, entnommen wird.
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Es wird also bei der Erfindung im »Normalbetrieb« die Antriebskraft
dem Energiegehalt eines Dauermagnets beziehungsweise dessen Feld entnommen, das
direkt als Kraftspeicher wirksam ist.
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Als Antriebskraft dient für das Uhrwerk die Kraft, die frei wird,
wenn ein von einem Dauermagnet angezogener Körper oder ein gegenpoliger Dauermagnet
sich aufeinander zubewegen bzw. wenn ein von einem Dauermagnet abgestoßener ferromagnetischer
Körper oder gleichnamig polarisierter Dauermagnet sich voneinander fortbewegen.
Der bewegliche Körper steht einerseits mit dem magnetischen Kraftfeld in magnetischer
und andererseits mit dem anzutreibenden Werk in mechanischer Verbindung. Er ist
also ein »Umwandlungsglied« magnetischer in mechanische Kraft. Dabei ist es von
entscheidender Bedeutung für die Erfindung, daß diese magnetische Kraft auf die
Uhr optimal anzupassen ist. »Optimale Anpassung« bedeutet, daß der vom Kraftspeicher
abgegebene Arbeitsbetrag zu dem von der Uhr benötigten im Verhältnis 1: 1 stehen
muß und ferner, daß dieses Verhältnis während der Zeit des »Normalbetriebes« aufrechtzuerhalten
ist, also konstant sein muß.
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Das Magnetfeld des Dauermagnets kann gemäß zweckmäßiger Weiterbildung
der Erfindung als Topf oder Spalt ausgebildet sein, in dem der bewegliche Körper
dreh- oder axial verschiebbar angeordnet ist und durch den Magnetismus eine Ruhe-
bzw. Gleichgewichtsstellung einnimmt. Durch eine elektrische Nachspanneinrichtung
kann der bewegliche Körper aus dieser Stellung in eine Lage überführbar sein, in
der die dauermagnetischen Kräfte bestrebt sind, den beweglichen Körper in Richtung
der Ruhestellung zu ziehen bzw. zu drehen. Bei einem Motor mit Dauermagnetfeld werden
solche Kräfte als axiale Zugkräfte frei, wenn der Rotor zuvor seitlich aus dem Statorfeld
geschoben wurde. In drehendem Sinne wirksame Kräfte werden frei, wenn z. B. die
Magnetpole des Rotors eines Schrittschaltmotors nach einr Teildrehung nicht in Richtung
der Ständerpole ausgerichtet sind. Die Erzeugung dieser axial und/oder radial wirksamen
magnetischen Zug- oder Schubkräfte kann durch elektrisches, z. B. elektromagnetisches
oder elektromotorisches Verändern des Ruhegleichgewichtszustandes bzw. Verschieben
und! oder Verdrehen des beweglichen Körpers unter Überwindung der entgegenstehenden
magnetischen Fesselkräfte erfolgen. Eine axiale Verschiebung des Rotors kann in
der bei den bekannten Uhren mit axial verschiebbarer Rotorwelle bekannten Weise,
beispielsweise mittels einer auf der Rotorwelle angeordneten Schnecke erfolgen,
welche in ein Zahnrad des Uhrwerkes eingreift und einerseits beim Umlauf des Motors,
sich in dem Zahnrad schraubend, die Rotorwelle und damit den Rotor axial auslenkt,
andererseits bei stillstehendem Motor zahnstangenartig die magnetische Rückzugskraft
auf das genannte Zahnrad überträgt. Von der Rotorwelle bzw. der Schnecke kann ein
Schaltkontakt betätigt werden, welcher den Motorstromkreis einschaltet, wenn der
Rotor ins Statorfeld eingerückt ist, d. h. die axiale Zug- oder Schubkraft nachläßt,
und diesen wieder ausschaltet, wenn der Rotor um den Sollbetrag aus dem Statorfeld
herausgeschoben ist. Um entsprechend der erfindungsgemäßen Vorschrift die magnetischen
Schub-oder Zugkräfte über den gesamten Verschiebeweg möglichst konstant zu halten,
können bei einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung die Dauermagnetpole, insbesondere
zum Außenrand hin, entsprechend verformt, beispielsweise abgeschrägt sein. Es kann
aber auch gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ein magnetischer
Nebenschluß vorgesehen sein, welcher einen Teil des Dauermagnetfeldes gleichmäßig
auf eine größere
Distanz verteilt. Dieser beispielsweise zylindrische
magnetische Nebenschluß kann gleichzeitig der Homogenisierung des durch die Dauermagnetpole
ungleichmäßigen Magnetfeldes dienen, wodurch der Motor nicht nur größere Laufruhe,
sondern auch erhöhtes Anlaufmoment in jeder Lage zeigt. Ein leichterer Anlauf kann
außerdem noch durch eine zwischen dem Rotor bzw. der Rotorwelle und der auf der
Rotorwelle lose drehbar gelagerten Schnecke vorgesehene, elastische Schraubenfeder
erzielt werden, welche mit dem einen Ende an der Rotorwelle und mit dem anderen
Ende an der Schnecke befestigt ist. Diese Feder kann außerdem eine nichtlineare
Kurvencharakteristik besitzen, in dem sie z. B. über ihre Länge steigenden Windungsdurchmesser
aufweist und dadurch geeignet ist, Fehler im Kraftverlauf des magnetischen Rückzugs
auszugleichen. Diese Feder dient also nicht als Triebfeder, sondern nur als Ausgleichs-
und Kupplungsfeder.
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Weitere Einzelheiten zweckmäßiger Ausführungen der Erfindung sind
in der Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Gesamtansicht einer Uhr mit einem Triebwerk
nach der Erfindung; Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Gleichstromkleinstmotor
mit Dauermagnetstatorfeld und einem axial verschiebbaren Rotor.
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Das Hemm- und Anzeigewerk der in. Fig.1 dargestellten Uhr entspricht
der bei Batterieuhren mit Magnetaufzug üblichen Bauweise. Es weist eine Unruh 1
mit Spiralfeder 2, einen Anker 3, ein Hemmungsrad 4, ein Sekundenrad 5 mit einem
Zeiger 6, ein Zwischenrad 7, ein Minutenrad 8 mit einem Minutenzeiger 9, eine Minuten-Stunden-Übersetzung
10 und ein Stundenrad 11 mit einem Stundenzeiger 12 auf. In das das Hemwerk der
Uhr mit deren Anzeigewerk verbindende Zwischenrad 7 greift eine Schnecke 14 ein,
welche auf einer Welle 15 eines Elektromotors 13 lose drehbar angeordnet ist. Über
eine Schraubenfeder 18 ist die Schnecke 14 mit einem auf der Welle 15 fest sitzenden
Ring 17 verbunden. An der der Feder 18 abgewandten Seite weist die Schnecke 14 ferner
noch einen Anschlagbund 16 auf, welcher bei axialem Verschieben der Schnecke 14
in Richtung eines Pfeiles eine Kontaktfeder 19 berührt und über einen Gegenkontakt
20 einen Stromkreis zwischen einer Batterie 21 und dem Motor 13 schließt.
Zur Einregelung des Schaltzeitpunktes bzw. des Verschiebeweges der Welle 15 bzw.
der Schnecke 14 ist der Gegenkontakt 20 auf einer Justierschraube 22 angebracht.
Der Kontakt 19, 20 soll geschlossen werden, wenn ein Rotor 23, welcher auf der Welle
15 befestigt ist, in den Stator des Motors 13 so weit eingerückt ist, daß die von
einem dauermagnetischen Stator- oder Rotorfeld erzeugte Rückzugskraft nahezu verbraucht
ist.
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Der Aufbau eines gleichzeitig als Antriebskraftquelle für das Uhrwerk
geeigneten Motors ist in Fig. 2 dargestellt. Der Rotor 23, welcher eine Wicklung
27 trägt, steht hier im magnetischen Gleichgewicht, d. h. in einer Sellung, in welcher
von einem durch Dauermagnetpole 28 und 29 des Stators erzeugten Magnetfeld auf ihn
keine axialen Zugkräfte wirksam sind. Die Welle 15 trägt außerdem noch einen Kollektor
24 zum Anschluß der Wicklung 27. Auf ihm liegen Bürsten 25, 26 auf. Das Statorfeld
ist außen über einem Weicheisenzylinder 30 geschlossen. An Stelle ausgeprägter Pole
28, 29 und des Zylinders 30 könnte selbstverständlich auch ein ringförmiger Magnetwerkstoffstator
mit entsprechend wechselnder Magnetisierung vorgesehen sein. Die Rotorwelle 15 ist
dreh- und axial verschiebbar in Lagerträgern 31, 32 geführt und im axialen Spiel
beispielsweise durch eine axial verstellbare Lager- und Anschlagbüchse 33 begrenzbar.
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Wie Fig. 2 weiterhin zeigt, ist im Luftspalt 34 zwischen den Statorpolen
28, 29 und dem Rotor 23 ein Weicheisenzylinder 35 aus ferromagnetischem Werkstoff,
insbesondere Weicheisen, vorgesehen, welcher zügig eingebracht und von Hand verschiebbar
ist. Dieser zylindrische Ring 35 dient als magnetischer Nebenschluß und der gleichmäßigen
Verteilung des magnetischen Feldes über einen bestimmten axialen Bereich, um bei
einem Verschieben des Rotors 23 in Richtung des Nebenschlußringes 35 über den ganzen
Verschiebeweg die Rückzugskraft des magnetischen Feldes auf den Rotor 23 möglichst
konstant zu halten. Außerdem wird durch den Nebenschlußring 35 noch das magnetische
Feld im Luftspalt 34,
welches von den Dauermagnetpolen 28, 28 erzeugt ist,
homogenisiert, d. h., die Feldlinien werden auf die gesamte Fläche gleichmäßig verteilt.
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Das in Fig.1 dargestellte Hemm- und Anzeigewerk der Uhr entspricht
dem bei Batterieuhren allgemein üblichen Aufbau. Die Antriebskraft wird auf das
Zwischenrad 7 übertragen. Als Kraftquelle dient das im vorhergehenden beschriebene
Triebwerk, welches abtriebsseitig die Schnecke 14 aufweist. Wie Fig. 1 veranschaulicht,
schließt der Bund 16 die Kontakte 19, 20, wenn der Rotor 23 in das Statorfeld des
Motors 13 hineingezogen ist, der Motor 13 wird an die Batterie 21 angeschlossen
und läuft an. Dabei schraubt sich die Schnecke 14 entgegen der Pfeilrichtung
a im Zwischenrad 7 zurück und schiebt den Rotor 23 nach oben aus dem Motor 13 um
einen bestimmten Betrag hinaus. Da unmittelbar nach dem Anlaufen des Motors 13 der
Bund 16 den Kontakt 19 wieder freigibt, erhält der Motor 13 nur einen kurzen Stromstoß,
der eine Drehung von mindestens einer Polteilung, höchstens aber von wenigen Umdrehungen
herbeiführt. Die Schraubenfeder 18 ermöglicht durch ihre Elastizität ein nahezu
unbelastetes Anlaufen und einen axialen Stoßausgleich. Da sich die Schnecke 14 auch
während des Aufzuges am Zwischenrand 7 abstützt, wird der Kraftfluß nie, d. h. auch
während des Aufzugs nicht, unterbrochen.
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Fig.2 veranschaulicht die im Motor bestehenden bzw. erzeugbaren Kräfte.
In der dargestellten Lage, d. h. bei voll in den Stator 28, 29, 30 eingeschobenem
Rotor 23, wird das Rotorpaket 23 gleichmäßig vom Statorfeld durchflutet. Wird der
Rotor 23 jedoch nach rechts in axialer Richtung verschoben, so treten naturgemäß
magnetische Kräfte auf, die bestrebt sind, den Rotor 23 in die dargestellte Ruhe-oder
Gleichgewichtslage zu ziehen. Der Verschiebeweg kann dabei durch die Anschlagbuchse
33 nach außen begrenzt werden, während die Innenbegrenzung gemäß Fig. 1 durch den
Anschlagbund 16 erfolgt, da mit dem Auftreffen des Bundes auf den Kontakt 19 der
Motor 13 jeweils wieder in Drehung versetzt wird. Durch den im Luftspalt 34 (Fig.
2) vorgesehenen Weicheisenzylinder 35 wird das von den Statorpolen 28, 29 erzeugte
magnetische Feld über einen gewissen axialen Bereich gleichmäßig verteilt. Dies
hat zur Folge, daß die vom Statorfeld auf
den Rotor ausgeübte Rückzugskraft
über den ganzen zulässigen axialen Verschiebeweg des Rotors 23 konstant oder wenigstens
nahezu konstant gehalten wird. Zur Justierung ist der Ring 35 von Hand verschiebbar;
das magnetische Feld kann also mehr oder weniger weit aus dem Stator nach außen
hinausgezogen werden. Um eventuell noch vorhandene Krümmungen der Kraftkurve auszugleichen,
kann die Feder 18 eine nichtlineare Kurvencharakteristik aufweisen. Dies ist beispielsweise
dadurch erreichbar, daß die Windungen verschiedenen Durchmesser haben. Bei gleichem
Drahtdurchmesser sind Schraubenfedern mit größerem Windungsdurchmesser bekanntlich
nachgiebiger als solche mit geringerem Windungsdurchmesser, folglich läßt sich auf
die angeführte Weise auch eine nichtlineare Charakteristik leicht erzielen. Dabei
soll die Feder 18 selbst nicht als Kraftspeicher in bei Federuhren üblichem Sinne,
sondern als Ausgleichsorgan für An- und Abtrieb dienen, d. h. Stöße abfangen, Ungleichmäßigkeiten
ausgleichen usw. Es kommen hier jedoch nur axiale Kräfte in Betracht, welche über
die zum Antrieb als Zahnstange wirkende Schnecke 14 auf das Zwischenrad 7
übertragen werden.
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Die Statormagnete 28, 29 führen somit, wie gemäß der Aufgabe verlangt
wurde, eine Doppelfunktion aus, nämlich einerseits als Motorfeld, andererseits als
Kraftfeld zur axialen Rotorbewegung zum Uhrenantrieb. Die Uhr nach der Erfindung
kann. daher nicht nur billiger erstellt werden als solche Uhren mit einem herkömmlichen
Triebwerk, sondern sie ist auch im Betrieb äußerst geräuscharm, da der Motor nie
auf hohe Drehzahl kommt, sondern praktisch nur in dem Bereich betrieben wird, in
dem sich die Welle im Lager abwälzt. Weiterhin hat dies den Vorteil, daß etwaige
Unwuchten im Rotor oder Unebenmäßigkeiten in der Feldverteilung nicht in Erscheinung
treten.