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Elektrischer Uhrenantricb Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen
Uhrenantrieb mit nur am Pendel angebrachten Dauermagneten und gegebenenfalls erforderlichen
Flußführungsstücken aus Weicheisen, die also gleichfalls mit dem Pendel schwingen,
d. h. nicht ortsfest sind, zur Erzeugung von Steuerimpulsen in einer symmetrischen,
feststehenden und eisenkernlosen Empfängerspule und zur Aufnahme von Antriebsimpulsen
aus einer symmetrischen, feststehenden, eisenkernlosen und über einen elektrischen
Verstärker kontaktlos von der Empfängerspule steuerbaren Treibspule, wobei sich
gleichnamige Pole der Dauermagnete in geringem Abstand so gegenüberstehen können,
daß die von den Dauermagnetfeldlinien nicht durchstoßene Ebene senkrecht zur Pendelschwingungsebene
steht und durch den Pendelaufhängepunkt geht.
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Einwirkungen auf ein schwingendes Pendel durch die Lagerreibung, die
umgebende Luft und die vom Pendel abzugebende Steuerenergie sind unvermeidbar, jede
Beeinflussung des schwingenden Pendels ändert jedoch seine Amplitude und Frequenz
und hat somit Änderungen des Ganges zur Folge. Wenn nun die Steuerenergie gerade
bei Nulldurchgang des Pendels entnommen und alle Verluste, vor allem die durch Lager-
und Luftreibung, durch einen entsprechenden Antriebsimpuls gerade bei Nulldurchgang
kompensiert werden, kann man doch das Pendel mit außerordentlicher Ganggenauigkeit
schwingen lassen. Diese Forderungen, Steuer- und Antriebsimpuls bei Nulldurchgang
des Pendels zu übertragen, sind aber bei einem mechanisch angetriebenen Pendel aus
konstruktiven Gründen nicht zu erfüllen. Aber auch bereits bekannte Anordnungen,
bei denen das Pendel mittels an ihm angebrachter Elektro- oder Dauermagnete von
einer feststehenden Treibspule auf elektromagnetischem Wege angetrieben wird und
die Steuerimpulse kontaktlos mittels einer ebenfalls feststehenden Empfängerspule
von den schwingenden Magnetanordnungen des Pendels abgegriffen und dann über einen
Verstärker der Treibspule wieder zugeführt werden, gestatten noch keinesfalls ohne
weiteres, einen sehr kurzen Impuls gerade beim Nulldurchgang des Pendels zu übertragen.
Deshalb mußte man sich damit begnügen, einen elektrischen Antrieb zu schaffen, bei
dem die am Pendel angebrachten Dauermagnetanordnungen so mit zwei im Uhrengehäuse
fest angeordneten Spulen (Empfänger- und Treibspule) zusammenwirken, daß die Pendelbeeinflussung
in Pendelnullage den größten Wert erreicht und der zeitliche Impulsverlauf symmetrisch
zu diesem Höchstwert ist, dabei sein Vorzeichen nicht ändert und die Kräfte nur
während Bruchteilen des Pendelweges und tangential zur Pendelbewegungsrichtung wirken.
Es sind schon Anordnungen bekannt, mit denen zur Nullage des Pendels symmetrische
Antriebsimpulse erzeugt werden sollen, und in den zugehörigen Diagrammen werden
sogar die von diesen Anordnungen abgegebenen Impulse als symmetrisch zur Nullage
wirkende Impulse dargestellt. Tatsächlich ermöglichen es aber die meisten der bekannten
Einrichtungen nicht, zur Nullage des Pendels streng symmetrische Antriebsimpulse
mit der für ein Präzisionspendel erforderlichen Genauigkeit zu erzeugen. Für die
Untersuchung, ob an einem Pendel angeordnete Magnete in einer Empfängerspule zur
Nullage des Pendels symmetrische Antriebsimpulse zu erzeugen vermögen, genügt die
Betrachtung der Verhältnisse bei ruhendem Pendel, da sich zwar die Pendelgeschwindigkeit
längs des Weges ändert, die Geschwindigkeitsänderung aber zu beiden Seiten der Pendelnullage
gleich groß und damit für die Symmetrie der dadurch erzeugten Antriebsimpulse bedeutungslos
ist. Je nach der Anordnung der Empfängerspule muß deshalb in Ruhelage des Pendels
eia zu einer Symmetrieebene der Empfängerspule kongruentes Magnetfeld vorhanden
und dieses so ausgebildet sein, daß bei schwingendem Pendel der die Empfängerspule
in einer sie in zwei gleichwirkende Halbspulen teilenden Symmetrieebene (fortan
;>wirksame Spulensymmetrieebene« genannt) durchsetzende Magnetfluß sich rasch stetig
zwischen zwei Grenzwerten ändert und bei Pendel in Nullage das arithmetische Mittel
dieser Grenzwerte bildet. Schwingt beispielsweise ein Pol eines Stabmagnets in eine
Solenoidspule hinein und steht die wirksame Spulensymmetrieebene auf dem Schwingungskreis
des Pendels senkrecht, so muß das von dem
Stabmagnet gebildete Magnetfeld
zu obengenannter wirksamer Spulensymmetrieebene völlig kongruent sein, denn nur
dann kann durch die Pendelschwingung in dieser Spule ein zur Nullage des Pendels
völlig symmetrischer Antriebsimpuls entstehen. Bei einer bekannten Anordnung taucht
beispielsweise ein Pol eines Stabmagnets in eine Solenoidspule ein, wobei ein mit
dem Pendelmagnet mitschwingender magnetischer Nebenschluß zwar das Magnetfeld des
Stabmagnets teilweise beeinflußt, es aber keinesfalls so korrigieren kann, daß es
bei Ruhelage des Pendels zur wirksamen Spulensymmetrieebene genau kongruent verläuft.
Nur zu der neutralen Zone senkrecht zu seiner Längsachse und bei einem runden Stabmagnet
zu allen durch die Längsachse gelegten Ebenen besteht ein kongruenter Feldverlauf.
Der Nebenschluß kann also die fehlende Kongruenz eines Magnets zwar verbessern,
aber bei der in der bekannten Anordnung ausgeführten Form, wo nur ein schmaler Eisenschluß
in ziemlicher Entfernung angeordnet ist, nie völlig herstellen. Bei einer anderen
bekannten Ausführungsform mit zwei symmetrisch zur Pendelruhelage angeordneten Dauermagneten,
die, mit Polen unterschiedlicher Polarität, in Pendelruhelage ein zur wirksamen
Spulensymmetrieebene der waagerecht angeordneten Empfänger- und Treibspulen kongruentes
Magnetfeld erzeugen, würde, wenn keine Kompensationseinrichtung vorgesehen würde,
bei Auslenkung des Pendels aus seiner Nullage durch die Empfänger- und Treibspulen
eine vertikale Kraftkomponente auf das Pendel einwirken, die entweder die Erdbeschleunigung
schwächt oder verstärkt und damit die Ganggenauigkeit des Pendels ungünstig beeinflußt.
Zur Vermeidung dieser Nachteile hat man daher bei dieser bekannten Anordnung unter
den waagerecht angeordneten Empfänger- und Treibspulen ein ruhendes Eisenstück vorgesehen,
so daß dann nur noch eine horizontale Kraftkomponente von diesen Spulen auf die
Magnetanordnungen ausgeübt wird, doch treten nun wiederum durch Verwendung eines
derartig großen, ruhenden Eisenstückes im Bereich des schwingenden Magnetfeldes
große Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste ein, die bei einem Pendel für Präzisionsuhren
untragbar sind. Der gleiche Nachteil in noch stärkerem Umfange tritt bei bekannten
Unruhuhren auf, bei denen man zur Symmetrietang der Antriebsimpulse die Spulen selbst
auf Eisenkerne aufgewickelt hat und in die Kerne kompensierende Zusatzmagnete eingebaut
hat. Im übrigen haben alle ortsfesten Eisenkerne auch noch den Nachteil, daß sie
auch nach Öffnung des Verstärkerschalters, also nach Impulsende nach dem Nulldurchgang
des Gangordners, durch die Remanenz bremsend auf den Gangordnermagnet einwirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Antrieb
mit einer am Pendel angebrachten Dauermagnetanordnung und zwei im Uhrengehäuse fest
angeordneten Spulen (Empfänger- und Treibspule) zu schaffen, der unter Vermeidung
der oben erwähnten Nachteile - also mangelnder Symmetrie des Antriebsimpulses zur
Pendelnullage bzw. Auftreten einer nennenswerten vertikalen Kraftkomponente bei
Schwingen des Pendels außerhalb der Nullage bzw. von Ummagnetisierungsverlusten
in einem feststehenden Eisenkörper durch das schwingende Magnetfeld bzw. von Bremskräften
nach Beendigung des Impulses - gestattet, mittels eines zur Pendelruhelage und zur
wirksamen Spulensymmetrieebene völlig kongruenten Magnetfeldes einen kurzen, seinen
Höchstwert in Pendelnullage aufweisenden Antriebsimpuls zu erzeugen, der dabei sein
Vorzeichen nicht ändert und seine Kraft nur während eines Bruchteils des Pendelweges
und tangential zur Bewegungsrichtung des Pendels wirken fußt. Dabei sind die einander
beeinflussenden Bauelemente, die Magnetanordnung bzw. die Spulen (Empfänger- und
Treibspule) so anzuordnen und zu bemessen, daß der gewünschte Erfolg bei einfacher
Justiermöglichkeit erzielt wird. Soweit bei einer der im folgenden beschriebenen
erfindungsgemäßen Anordnungen, die grundsätzlich keine »ortsfesten« Eisenstücke
aufweisen, durch das Streufeld überhaupt vertikale Kraftkomponenten auf das Pendel
auftreten können, sind diese im Verhältnis zur Hauptkomponente um eine Größenordnung
kleiner, also ohne praktischen Einfluß. Bei Uhren der eingangs genannten Gattung
mit sich mit gleichnamigen Polen gegenüberstehenden Dauermagneten wird die Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Magnetanordnungen jeweils aus der Hintereinanderschaltung
eines kurzen Dauermagnets, eines langen Weicheisenstückes und eines weiteren kurzen
Dauermagnets bestehen und so angeordnet sind, daß ihre Kraftflüsse gegeneinandergerichtet
und spiegelbildlich zur Pendelmittelebene verlaufen und daß in der Pendelmittellage
sowohl die wirksamen Spulenhälften der Empfängerspule als auch die der Treibspule
symmetrisch zu der von den Dauermagnetfeldlinien nicht durchstoßenen Ebene (Pendehnittelebene)
liegen. Bei einer anderen Lösung der Erfindungsaufgabe, gleichfalls mit kernlosen
Spulen, ist die Anordnung erfindungsgemäß so getroffen, daß die Dauermagnete und
gegebenenfalls erforderlichen Flußführungsstücke aus Weicheisen einen engen Luftspalt
mit homogener Feldverteilung bilden und daß die entsprechend schmale Empfängerspule
und die Treibspule in diesem homogenen Magnetfeld so angeordnet sind, daß die jede
der Spulen in zwei gleichwirkende Halbspulen teilende Symmetrieebene senkrecht zu
besagten homogenen Feldlinien steht und eine zu letzteren parallele, die größte
Induktionsänderung aufweisende Ebene, die in der die Spulen in zwei gleich wirkende
Halbspulen teilende Symmetrieebene bestehende, wirksame Spulenfläche halbiert, oder
daß, davon abweichend, die Treibspule mit nur einer Spulenseite so im homogenen
Magnetfeld angeordnet ist, daß über den ganzen Schwingungsbereich des Pendels sich
die Feldstärke des auf sie einwirkenden Magnetfeldes nicht ändert und auf die andere
Spulenseite kein Magnetfeld der Dauermagnete einwirkt. Durch diese Zuordnung von
Dauermagneten und Empfänger- bzw. Treibspulen entsteht ein zur wirksamen Spulenebene
kongruentes Magnetfeld, das bei schwingendem Pendel in der Empfängerspule einen
kurzen zur Pendelruhelage genau kraftsymmetrischen Impuls erzeugt, der verstärkt
zum Antrieb eines Uhrwerkes und über die Treibspule zur Deckung der Pendelverluste
dienen kann. Hierbei ist es vorteilhaft, die Treibspule in gleicher Weise wie die
Empfängerspule anzuordnen, weil so die Symmetrie des zu übertragenden Kraftimpulses
mit Sicherheit gewahrt bleibt.
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Als bekannt vorausgesetzt werden, außer der eingangs gewürdigten,
mit einem schwingenden Nebenfluß versehenen Pendelmagnetuhr und mit Doppelmagnetsystemen
bzw. Mehrfachmagnetsystemen in astatischer Anordnung ohne feststehende Eisenstücke
versehene Unruhuhren mit eisenkernlosen Spulen, bei
denen die Einstellung
des Impulseinsatzes erhebliche Justierungsschwierigkeiten macht, auch Mehrfachmagnetpendel
mit benachbarten Gleichpolen, aber hier nur mit Kontaktsteuerung; da hier Dauer
und Einsatz des Impulses auschließlich von dem mechanischen Kontakt abhängt, treten
hier die der Erfindung zugrunde liegenden Probleme gar nicht auf.
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Einzelheiten der Erfindung bzw. zweckmäßige Weiterbildungen derselben
sind in nachstehender Beschreibung von vier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert. Es zeigt schematisch Fig. 1 den Aufbau eines bekannten, auf elektromagnetischem
Wege beeinflußten Uhrenpendels, Fig. 2 das erste Ausführungsbeispiel in Ansicht,
Fig. 2 a ein Diagramm des die Spulen bei schwingendem Pendel durchsetzenden Dauermagnetflusses
und der in der Empfängerspule entstehenden EMK als Funktion des Pendelweges, Fig.
3 und 3 a ein weiteres Ausführungsbeispiel mit homogener Feldverteilung in einem
schmalen Luftspalt der Dauermagnetanordnung in zwei Ansichten, Fig. 3 b ein weiteres,
dem vorhergehenden sehr ähnliches Ausführungsbeispiel, bei dem eine Hälfte der Magnetanordnung
weggelassen wurde, Fig. 3 c ein Diagramm des die Empfängerspule entsprechend Fig.
3 b bei schwingendem Pendel durchsetzenden Dauermagnetflusses und die in ihr entstehende
EMK als Funktion des Pendelweges, Fig. 4 und 4 a ein der Fig. 3 b ähnliches Ausführungsbeispiel
mit ringförmiger Dauermagnetanordnung, deren den Luftspalt begrenzende Polflächen
senkrecht zur Schwingungsebene stehen.
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Gemäß Fig. 1 besteht ein bekannter elektrischer Antrieb für Uhren
aus einem Pendel 1, einer Linse 2, einem am Pendel 1 angebrachten Stabmagnet 3,
der ; meist etwa wie die Pendelbahn gekrümmt ist und in zwei im Uhrengehäuse 4,
das nur teilweise dargestellt wurde, justierbar angeordnete Spulen 5, 6 eintaucht,
welche über einen Verstärker 7 zusammenwirken. Schwingt das Pendel 1, so taucht
der Stabmagnet 3 < mehr oder weniger in die Empfängerspule 5 ein und induziert
in dieser eine EMK, welche durch den Verstärker 7 verstärkt wird. Ein Teil dieser
Energie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Uhrwerkes, während der andere
Teil durch die Treibspule 6 die Verluste des Pendels 1 deckt, so daß dieses in Rückkopplungsschaltung
schwingt. Bei einer bekannten, obenerwähnten Abart dieses Antriebes ist am Pendel
1 oberhalb der Spulen noch ein als magnetischer Rückschluß wirkender Eisenteil angebracht.
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1n Fig. 2 ist ein nach links ausgeschwungenes Pendel 1 dargestellt,
an dem unterhalb seiner Linse 2 zwei Magnetanordnungen, aus je zwei schmalen Magnetplatten
8 aus hochkoerzitivem Material und einem Weicheisenzylinder 9 bestehend, mittels
eines nicht ferromagnetischen Bügels 10 befestigt sind. Diese Magnetanordnungen
sind so angebracht, daß sich gleichnamige Pole (z. B. N,N) gegenüberstehen und ihre
von den magnetischen Feldlinien nicht durchstoßene Ebene 11 (Symmetrieebene beider
Pole) mit der Pendelmittellinie 12 zusammenfällt und auf der Schwingungsebene des
Pendels 1, die hier der Zeichenebene entspricht, senkrecht steht. Die Empfängerspule
13 und die Treibspule 14 sind konzentrisch gemeinsam so auf einen Spulenträger gewickelt,
daß sie symmetrisch zu der den Spulenzylinder senkrecht durchschneidenden Spulenmittelebene
15 liegen. Der Spulenträger ist justierbar am nur teilweise dargestellten Uhrengehäuse
4 befestigt und so eingestellt, daß seine Spulenmittelebene 15 mit der Pendelmittellinie
12 in Pendelruhelage 16 zusammenfällt und auf der Schwingungsebene des Pendels 1
senkrecht steht. Die im Innern jeder Spule allein durch einen in ihr fließenden
Strom entstehenden Feldlinien stehen dann in Pendelruhelage 16 senkrecht auf der
von den Dauermagnetfeldlinien nicht durchstoßenen Ebene 11, und die Spulen liegen
mit ihren wirksamen Hälften hierzu symmetrisch. Dadurch erhält der die Spulen durchsetzende
Dauermagnetfluß einen zur Pendel-Nullage 16 symmetrischen Verlauf, er ändert sich
stetig zwischen zwei Grenzwerten und ist in Pendel-Nulllage 16 Null, bildet also
das arithmetische Mittel beider Grenzwerte. Weiterhin hat die in der Empfängerspule
13 induzierte EMK ihren höchsten Wert bei Pendel-Nulldurchgang, dauert nur einen
kurzen Bruchteil des Pendelweges und ist zur Pendel-Nulllage 16 symmetrisch, wie
das Diagramm gemäß Fig. 2 a zeigt, das den Flußverlauf (P in den beiden Spulen 13,
14 und den EMK-Verlauf e in der Empfängerspule 13 als Funktion des Pendelweges s
darstellt. Dabei entsteht durch Zusammensetzen jeder Magnetanordnung aus je zwei
Polplatten 8 und einem langen Weicheisenzylinder 9 in letzterem praktisch kein magnetischer
Spannungsabfall, so daß daraus keine magnetischen Kraftlinien austreten, also der
Flußverlauf in der Empfängerspule 13 konstant bleibt, sowie die Polplatten 8 durch
sie hindurchgeschwungen sind. Durch Verwendung konzentrischer Spulen 13, 14 mit
ihren Wicklungshälften symmetrisch zur Mittelebene 15 des Spulenträgers und Anbringen
der Magnetanordnungen mit ihrer von den Dauermagnetfeldlinien nicht durchstoßenen
Ebene 11. in der Pendelmittellinie 12 sind einfache Voraussetzungen für ein leichtes
und genaues Einstellen der elektrischen Antriebseinrichtungen für Uhren gegeben.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und 3 a erzeugt die gleichen
Fluß- und Spannungsverhältnisse, die Fig. 2 a darstellt. Es besteht aus vier schmalen
Dauermagnetplatten 17, und das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 b besteht aus zwei
Dauermagnetplatten 17, welche jeweils durch den Weicheisenbügel 18 zu einer Magnetanordnung
zusammengefaßt und damit am Pendel 1 befestigt sind. In beiden Fällen entsteht ein
enger Luftspalt mit homogener Feldverteilung, dessen ihn begrenzende Polflächen
parallel zur Schwingungsebene liegen, so daß also die homogenen Feldlinien senkrecht
zur Schwingungsebene des Pendels 1. verlaufen. Eine schmale rechteckige Empfängerspule
19 und eine weitere rechteckige Treibspule 20 sind so an dem nur teilweise dargestellten
Uhrengehäuse 4 verstellbar angebracht, daß die mittlere Spulenebene beider Spulen
19, 20 mit der SchwingLingsebene des Pendels zusammenfällt und die Spu-Ienseite
der Treibspule 20 symmetrisch zur rechten Abschlußkante 21 des Bügels 18 bei Pendel
in Ruhelage liegen. Die Empfängerspule 1.9 liegt in Fig. 3 b bei Pendel in Ruhelage
dagegen mit ihren Spulenseiten symmetrisch zur linken Abschlußkante 22 des Bügels
18, während sie in Fig. 3 a bei Pendel in Ruhelage mit beiden Spulenseiten symmetrisch
zur Pendelmittellinie 12 liegt. Dabei sind in Fig. 3 a die vier Dauermagnetplatten
17 so angeordnet; daß die Feldlinien in der linken Hälfte in die Zeichenebene hinein,
aber in der rechten Hälfte aus der Zeichenebene heraus gerichtet sind, so daß sich
also die Richtung der Feldlinien an der Pendelmittellinie 12 umkehrt,
während
in Fig. 3 b die Feldlinien nur in die Zeichenebene hineingerichtet sind.
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Das Diagramm in Fig. 3 c zeigt den Flußverlauf $, der die Empfänger-
und Treibspule 19, 20 durchsetzt, und den EMK-Verlauf e, der in der Empfängerspule
19 induzierten Spannung bei schwingendem Pendel als Funktion des Pendelweges s für
das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 b.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 und 4 a entspricht im wesentlichen
dem der Fig. 3b, nur sind hier die den Luftspalt begrenzenden Polflächen senkrecht
zur Schwingungsebene des Pendels angeordnet, und statt einer Kombination aus zwei
Dauermagnetplatten und einem Weicheisenbügel wird ein geschlitzter Dauermagnet 23
verwendet.
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Durch die feste Kopplung der Empfänger- und Treibspule, insbesondere
entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel, tritt eine unerwünschte elektrische
Rückkopplung (Pfeifen) ein. Diese kann durch ein zweites, hier nicht dargestelltes
Spulenpaar mit gleichen Daten und gleicher Zuordnung in den Zuleitungen zur Empfänger-
bzw. Treibspule vermieden werden, wobei diese Hilfsspulen außerhalb des magnetischen
Wirkungsbereichs des Pendels angebracht werden müssen und gegeneinander so gekoppelt
sind, daß sie die Rückkopplung kompensieren.