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Gangordner mit Permanentmagneten für Zeitmeßgeräte, welcher mit einer
elektronischen Schaltung zusammenwirkt Zusatz zur Patentanmeldung S 60684 IX b /
83 b (Auslegeschrift 1113 185) Die Hauptpatentanmeldung S 60684 IXb/83 b betrifft
einen Gangordner, bei dem der mechanische Schwinger perinanentmagnetische Körper
aufweist, welche mit einer Eingangsspule und einer Ausgangsspule einer elektronischen
Schaltung, vorzugsweise einer Transistorschaltung, zwecks Aufrechterhaltung der
Schwingungen zusammenwirkt, wobei die die Verstärkervorrichtung steuernde Spule
und die von der Verstärkervorrichtung gesteuerte, den Schwinger antreibende Spule
als koaxial zueinander und unmittelbar benachbarte Flachspulen ausgebildet sind,
die im Luftspaltbereich eines astatischen Magnetsystems ang geordnet sind. Diese
besondere Ausbildungsforin der Spulenanordnung weist verschiedene Vorteile auf.
So ist die Spulenanordnung einfach herstellbar und bietet infolge der gegenseitigen
Anordnung der Spulen zueinander vorteilhafte Eigenschaften für die Anregung des
mechanischen Schwingers, insbesondere da das Maximum des Steuerimpulses und das
des Triebimpulses seitlich zusammenfallen und der im Nullagenbereich erfolgensollende
Impulseinsatz leicht justierbar ist. Das bewegte permanentmametische System wird
nach der Hauptpatentanmeldung durch ein ortsfestes Rückschlußteil auf der Unterseite
der Spulen zu einem astatischen System ergänzt. Hierdurch werden magnetische Störfelder
zwar weitgehend ausgeschaltet, jedoch können sich infolge der festen Anordnung des
Rückschlusses, z. B. durch in dem Rückschlußteil induzierte Wirbelströme und durch
restliche Kraftkomponenten, die brennend wirken, wieder gewisse Isochronismusstörungen
ergeben.
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Die Erfindung bezweckt die Ausschaltung derartiger Isochronismusstörungen
bei einer Gangordneranordnung gemäß der Hauptpatentanmeldung. Die Erfindung ist
gekennzeichnet durch die Verwendung eines Gangordners nach der Hauptpatentanmeldung
bei einem Unruh-Gangordner mit astatischem Magnetsystem, das gebildet wird durch
zwei entgegengesetzt polarisierte, auf dem Umfang von zwei Unruhkörpern angeordnete
Magneten, und zwar derart, daß mindestens die aktiven Leiterbündel sich mindestens
im Zeitpunkt der Impulsgabe im Luftspalt des astatischen Magnetsystems befinden.
Bei einer solchen Ausbildung des Magnetsystems werden die Einflüsse von magnetischen
Fremdfeldern weitgehend ausgeschaltet, da der Magnetkreis ständig, d. h.
auch außerhalb des Impulsbereiches, stark geschlossen ist. Da beide die Spulen umschließenden
magnetischen Teile bewegt werden, können in ihnen keine Wirbelströme induziert werden,
wodurch Isochronismusstörungen weitgehend ausgeschaltet werden.
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Es ist zwar ein astatisch ausgebildeter Gangordner bekannt, in dessen
Luftspalt die als Flachspulen ausgebildeten Spulen einer Transistorschaltung angeordnet
sind, jedoch sind die Spulen hier nicht gemäß der Hauptpatentanmeldung ausgebildet.
Die beiden Spulen liegen hier vielmehr in einer Ebene nebeneinander, wodurch die
Herstellung und die Justierung des Impulseinsatzes erschwert werden und sich Nachteile
bezüglich des Antriebes des mechanischen Schwingers ergeben, da in dem Augenblick,
indem sich der Permanentmagnet über der Steuerspule befindet und in dieser die Steuerspannung
ihr Maximum erreicht, der in der Antriebsspule durch die Steuerspannung hervorgerufene
maximale Antriebsstrom auf den Permanentmagneten nicht seine größte Wirkung ausüben
kann, da dieser sich eben nicht über der Antriebsspule befindet.
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Es ist andererseits durch die Erfinder bereits ein Unruh-Gangordner
vorgeschlagen worden, der für kontaktlos mittels einer Transistor-Rückkopplungsschaltung
gesteuerte Uhren bestimmt ist, bei welchem ein astatischer aus Permanentmagnetpaaren
gebildeter Schwungkörper plattenförmige, sich nur auf einen beschränkten Sektor
seines Umfanges erstreckende, mindestens angenähert in seiner Richtung verlaufende
Magneten aufweist, die jeweils an den beiden äußeren Plattenenden zwei gleichsinnige
Pole besitzen und
dazwischen entgegengesetzt magnetisiert sind,
wobei die beiden in Abstand stehenden Magnetplatten ebenfalls gegensinnig zueinander
polarisiert sind. Die Eingangs- und Ausgangsspule der Transistor-Rückkopplungsschaltung
sind dabei zwar auch als Flachspulen, aber nicht koaxial sondern wieder nebeneinanderliegend
angeordnet und so bemessen, daß in der Gleichgewichtslage der Unruh und nur in dieser
die aktiven Leiterabschnitte beider Spulen gleichzeitig und in gleichem Maße von
den durch die Pole an den äußeren Ankerenden und in der Mitte erzeugten magnetischen
Kraftfeldern durchsetzt werden.
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Dieser nicht vorveröffentlichte Vorschlag bringt also eine andere,
wegen der anderen Spulenlage auch nicht ohne weiteres vergleichbare und nicht glatt
äquivalente Lösung, der auch der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe
eines streuarmen und doch leicht justierbaren und exakte Antriebsbedingungen ermöglichenden
Steuer- und Antriebssystems.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch einen magnetischen Unruh-Gangordner
mit zwei übereinanderliegenden Flachspulen, Fig. 2 das zu dem Gangordner nach Fig.
1 gehörige Schaltschema, Fig. 3 einen weiteren Querschnitt durch den Gangordner,
nach Fig. 1, Fig. 4 und 5 die magnetischen Teile, welche bei einem Gangordner nach
Fig. 1 Verwendung finden können, Fig. 6 bis 9 eine weitere im Magnetsystem abgeänderte
Ausführungsform des Gangordners nach Fig. 1 bis 3, Fig. 10 und 11 magnetische Lagerungen,
die zweckmäßig für die Gangordner nach den Fig. 2 und 6 Verwendung finden können.
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Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Gangerdner besteht aus zwei kleinen
runden Schwungrädem, welche auf einer Achse 30 angeordnet sind, die eine Spiralfeder
31 trägt.
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Die Schwungräder bestehen aus den Schalen 32
und 33 aus nichtmagnetischem
Material. Sie sind mit einer Nabe 34 fest verbunden. Innerhalb dieser Schalen 32
und 33 sind die Teile 35, 36, 37 und 38 angebracht, die in den Fig. 3 und 5 getrennt
dargestellt sind. Diese Teile bilden koaxial angeordnete Ringe, die entsprechend
den Fig. 1. bis 3 angeordnet sind.
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Die Teile 36 und 38 sind zweipolige Permanentmagneten in Form von
Ringteilen. Der sie einschließende Mittelpunktwinkel (vgl. Fig. 4) beträgt 50°.
Die Magneten 36 und 38 sind einander gegenüberliegend mit einem kleinen Abstand
angeordnet, wobei ungleichnamige Pole einander gegenüberliegen (Fig. 3 und 4). Die
Ringteile 35 und 37 können aus einem nichtferromagnetischen Stoff wie z. B. Messing
bestehen. Für die Ringteile 35 und 37 kann aber auch ein dauermagnetisiertes Material
verwendet werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. In diesem Falle müssen jedoch die
aneinandergrenzenden Pole der Teile 35,
36 und der Teile 37 und 38 gleiche
Polarität aufweisen. In diesem Falle weist jeder der magnetischen Ringe zwei aneinandergrenzende
Pole N, N und S, S
auf, wodurch zwischen die Teile
NN und SS der Ringe in den durch die Pfeile (Fig. 3)
angedeuteten Bereichen konzentrierteMagnetflüsse erzeugtwerden.
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Es hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, die kurzen Magneten 36
und 38 aus einem Werkstoff herzustellen, der gleichzeitig eine hohe remanente Induktion
und eine hohe Koerzitivkraft besitzt. Ein solches Material wird durch metallurgische
Verfahren gewonnen, wodurch eine magnetische Vorzugsrichtung hervorgerufen wird,
die parallel zu der Linie 39 in Fig. 5 verläuft. Es kann z. B. ein Material
verwendet werden, wie es unter den Bezeichnungen »Alnico V«, »Triconal« und »Vicalloy
XI« bekannt ist.
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Zwischen den beiden einen Magnetfluß erzeugenden Ringen ist eine feste
Spulenanordnung vorgesehen, welche aus zwei übereinander angeordneten Flachspulen
BC und BE besteht. Diese Spulen bestehen aus feinstem Draht mit einem Durchmesser
kleiner als 0,05 mm, wobei die Windungszahl sehr hoch ist und z. B. über
1000 Windungen beträgt. Die Spulen sind in einem flachen Träger IS aus einem
Isolationsmaterial angeordnet. Die Form dieser Spulen ist in Fig. 2 dargestellt,
in welcher der Gangordner in seiner Nullage gezeigt ist.
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Man erkennt, daß die beiden seitlichen Bündel der Leiter sich jeweils
in den starken Magnetfeldern mit zur Achse 30 parallel, jedoch in entgegengesetzte
Richtungen verlaufenden Kraftlinien befinden. Diese als »wirksame Leiter« bezeichneten
Leiterteilstücke sind nach den von Null ausgehenden Radien ausgerichtet und, wenn
die Ringe schwingen, schneiden sie die magnetischen Kraftlinien, sobald der Gangregler
sich in der Nähe seiner Gleichgewichtslage (Fig. 2) vorbeibewegt. Die Form der Spulen
kann auch rund sein, wie Fig. 7 zeigt.
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Wenn sich der Gangregeler während seiner Bewegung von seiner Gleichgewichtslage
aus um einen zwischen 30 und 2701 liegenden Winkel entfernt, befinden
sich die Pole N und S der Ringe außerhalb der festen Spulen BC
und BE, und die Veränderung des Magnetflusses, der von den Windungen dieser
Spulen umfaßt wird, ist gleich Null oder sehr klein. Wenn demgegenüber sich der
Gangregler mit Maximalgeschwindigkeit zum Totpunkt bewegt, kehrt sich der von den
N-Windungen von BC umfaßte Kraftfluß plötzlich um, und die induzierende EMK (proportional
N 4/dt) erreicht ein Maximum. Das Vorzeichen dieser elektromotorischen Kraft
hängt von der Bewegungsrichtung des Gangreglers ab.
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Die Unterhaltung des eine sinusförmige Bewegung mit einer Amplitude
von etwa 270' ausführenden Gangordners wird mittels eines Elementes oder
eines Akkumulators G von wesentlich konstanter schwacher Spannung
U bewirkt. Die elektrische Schaltung geht aus Fig. 2 hervor. Die Antriebsimpulse
werden in Richtung f (einmal pro Periode) mittels der Spule BE ausgeübt.
Sie werden durch kurze Stromstöße I erzeugt, die durch den Flächentransistor TR
unter dem Einfluß der in der Wicklung BC induzierten periodischen Spannung abgegeben
werden.
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Die Eigenschaften und Vorteile der Ausführungsform nach Fig.
1 bis 5 ergeben sich aus verschiedenen Erscheinungen, die nachstehend
kurz beschrieben werden: Wenn der Gangordner sich um mehr als 10' aus seiner
Gleichgewichtslage entfernt, werden die inneren elektrischen Widerstände des Transistors
extrem hoch, und der von G abgegebene Strom wird vernachlässigbar klein.
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Wenn die Geschwindigkeit des Gangordners in Richtungf ein Maximum
erreicht, wird in der Spule BC eine relativ starke EMK induziert, welche die Erzeugung
eines kurzen Stromes i ermöglicht, den der
Transistor TR zwischen
den Klemmen Emitter e und Basis b in der durch die Pfeile in Fig. 2 angedeuteten
Richtung abgibt. Der Widerstand zwischen Emitter e und Kollektor c wird plötzlich
sehr klein, und ein relativ starker Stromstoß I aus G durchfließt die Wicklung BE.
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Die Schaltungen sind so getroffen, daß dieser Strom I elektromagnetische
Kräfte erzeugt, welche Arbeit leisten. Diese Kräfte sind relativ groß, denn es befinden
sich sehr viele wirksame Leiter senkrecht zur Bewegungsrichtung und zu den Kraftlinien
der vom Gangregler erzeugten Magnetfelder in dem Luft-Spalt.
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Die Erfahrung zeigt, daß man die Leistung, welche zur Erzeugung des
Stromes i in der von der Halbleiter-p-n-Verbindung zwischen e und b erforderlich
ist, auf einen geringen Wert reduzieren kann. Zu diesem Zweck kann man eine von
einem sehr feinen Draht gebildete, kleinen Raum einnehmende Spule BC verwenden,
und man kann eine Impedanz Z in den an der Basis b des Transistors angeschlossenen
Stromkreis schalten.
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Der Antriebsstrom I wird durch die in der Spule BE induzierte gegenelektromotorische
Kraft E automatisch begrenzt. Diese gegenelektromotorische Kraft nimmt einen immer
größeren Wert an, wenn die Amplitude und die Geschwindigkeit des Gangordners zunehmen.
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Diese Erscheinung gewährleistet auch Stabilität und Gangsicherheit;
denn wenn die Amplitude abzunehmen beginnt, z. B. infolge einer Verstärkung der
Lagerreibung, nimmt die infolge des Stromes i verlorene elektrische Leistung ab,
während die Antriebsleistung infolge I auf Grund der Verringerung der gegenelektromotorischen
Kraft E, die der Spannung U der Stromquelle G entgegengesetzt ist, zunimmt.
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Es ist zu bemerken, daß der Gangregler sich wie ein elektromagnetischer
Motor verhält, dessen momentaner elektrischer Wirkungsgrad ausgedrückt wird durch
Eine der erstrebten Hauptverbesserungen besteht darin, den Faktor # während der
Stromabgabe durch das Element zu erhöhen und so die Wirksamkeit der Steuerung durch
die Antriebsimpulse zu verbessern. ,Dieses Ergebnis wird durch folgende Mittel erreicht:
a) Verwendung einer konstanten, schwachen Speisespannung U, vorzugsweise
kleiner als 1,5 V; b) Verstärkung der induzierenden Magnetfelder und Wahl
der Windungszahl von BC derart, daß die gegenelektromotorische Kraft größer ist
als die Hälfte der Spannung U, wenn die normale Amplitude 270° erreicht;
e) Verringerung der Verlustwiderstände derart, daß die Steuerung mit einem
sehr schwachen pulsierenden Strom I erreicht wird, was die Herabsetzung der Verluste
(R12) durch Joule-Effekt ermöglicht, wobei R den Gesamtwiderstand des die Spule
BE enthaltenden Stromkreises darstellt; d) Vergrößerung der Kupfermasse der Wicklung
BE sowie des mittleren Umfanges der Windungen, um B verkleinern zu können. Die Bedingungen
b) bis d) erscheinen unvereinbar, denn die Vergrößerung des Volumens von BC zieht
die Schwächung des Magnetfeldes nach sich und die Erhöhung des Gewichtes der Induktionsmagneten
verursacht eine Verstärkung der Zapfenlagerreibungen.
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Verbesserungen durch Vermeidung dieser Schwierigkeit erzielen zweckmäßige
Weiterbildungen der Erfindung durch Verringerung der mechanischen Verluste des Gangreglers
unter Benutzung folgender Mittel: 1. Senkrechte Anordnung der Achse 30 des Gangreglers
und Verwendung eines Spurlagers, wie es bei elektrischen Zählern üblich ist; 2.
Führung der Achse 30 durch Miniaturkugellager oder magnetische Lager, welche die
Gleichtreibungen vermeiden oder vermindern und ein Weglassen von Schmiermitteln
ermöglichen; 3. Einschließen des Gangreglers nach Fig. 1 in ein Vakuum entsprechend
gewöhnlichen elektronischen Röhren und Betätigung der Steuerungen durch Fernwirkungen
durch das Vakuumgehäuse hindurch.
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Eine verbesserte Ausführungsform der Achslager 30 ist z. B. in den
Fig. 10 und 11 dargestellt.
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Eine weitere Ausführungvarlante eines Gangordners, zwar etwas weniger
vollkommen vom Standpunkt der Zeitmessung aus, aber wirtschaftlicher herzustellen,
ist in den Fig. 6 bis 9 dargestellt. Die beiden Schwungräder des Gangordners
sind hier einfache Stanzteile 42-42', die in Fig. 8 schaubildlich dargestellt
sind.
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Die Massen des Gangordners werden durch einen modernen dehnbaren Werkstoff
von hoher Koerzitivkraft gebildet und weisen eine zu den Pfeilen 44 parallele Richtung
starker Magnetisierung auf.
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Nur die Massen 42 und 43, die sich einerseits der Achse befinden,
sind stark magnetisiert, wie es die Buchstaben N (Nord) und S (Süd)
in Fig. 8 anzeigen. Kein Magnetpol darf auf den Armen und auf den Massen
42' und 43" erscheinen.
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In Fig. 7 ist die elektrische Schaltung der Wicklungen BC
und BE mit dem Transistor TR und dem Element G dargestellt. Um dem
Schema mehr Klarheit zu verleihen, ist die Spule BC seitlich der Spule BE dargestellt.
Aber in Wirklichkeit sind auch hier diese beiden Spulen übereinander,
d. h. koaxial angeordnet, und in isolierenden Körpern 45 versenkt angeordnet.
Ein periodisches Signal kann den Klemmen von BE oder den Enden eines Widerstandes
entnommen werden, der in einen der Stromkreise geschaltet ist, welche von den periodischen
Strömen i oder 1 durchflossen werden. Dieses Signal ermöglicht eine bequeme
Messung der Schwingungs-C periode mittels eines Vibrographen von vereinfachter Konstruktion
(ohne Mikrophon) Die Fig. 6 und 7 zeigen die Lagerung des Gangordners,
dessen Periode mit Hilfe eines Spiralrückers 46 üblicher Bauart geregelt wird.
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Die in den Fig. 6 und 9 dargestellten Anordnungen arbeiten
wie der oben besprochene Gangregler gemäß Fig 1 und 2.
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Die Fig. 10 zeigt die Einzelheiten der magnetischen Lagerungen,
die zweckmäßig bei den zuvor beschriebenen Gangreglem verwendet werden.
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Die bewegliche Achse besteht aus einem zylindrischen Stift
30 aus nichtmagnetischeni Material, der
an seinen Enden angebohrt
ist. In die Löcher eingeführte zylindrische Zapfen von kleinem Durchmesser 46 und
47 bilden Kleinstmagnete, deren tragende Kraft verhältnismäßig groß ist; man kennt
moderne Kleinstmagnete, die das Vieltausendfache ihres Eigengewichtes tragen können.
Sie üben auch starke Rückstoßkräfte aus, die im umgekehrten Sinne des Abstandes
der Pole sich ändern.
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Die Zapfen 46 und 47 bestehen aus nichtoxydierenden, höchst koerzitiven
Materialien, die zu Draht ausgezogen und vor der Härtungsbehandlung und Magnetisierung
kalt behandelt sein können; wenig zerbrechliche derartige Materialien sind unter
den Bezeichnungen »Comalloy«, »Cunite«, »Cunico«, »Silmanal«, »VicaHoy«, Platin-Kobalt-
und Platin-Eisenlegierungen usw. bekannt. Geeignete Oberflächenbehandlungen können
vorgesehen werden.
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Ein Zapfenlager ist in Fig. 11 dargestellt. Es enthält einen Ring
aus nichtmagnetischem Material 48, der radial von mindestens drei zylindrischen
Mikromagneten 49, 50 und 51 durchsetzt wird, die den Zapfen 46 und 47 entsprechen.
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Man gibt dem Spielraum zwischen den Zapfen und den Ringlagem die Größe,
die gewöhnlich in Uhrenlagern Anwendung finden, oder führt ihn etwas größer aus,
z. B. das 1,2- bis 3fache des normalen Spielraumes.
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Die den festen radialen Magneten und den magnetisierten Zapfen benachbarten
Enden müssen gleiche Polarität aufweisen, damit sie magnetische Rückstoßkräfte erzeugen
und den Zapfen im Loch des Lagers wirksam zentrieren. Die optimalen Rückstoßkräfte
können an Erstausführungen bestimmt und erforderlichenfalls durch die teilweise
Entmagnetisierung der Magnete durch ein Wechselfeld gemäßigt werden.
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Das Längsspiel der Achse 30 wird durch nichtmagnetische Widerlagerscheiben
52 und 53 begrenzt, in welche zylindrische Magnete 54 und 55 eingelassen sind, die
in der Verlängerung der Zapfen angeordnet sind, Wie es Fig. 10 zeigt.
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Wenn die Achse des Gangordners 30 horizontal oder schräg eingestellt
ist, sind die Magneten 54 und 55 der Widerlager so angeordnet, daß sie seitliche
Rückstoßkräfte auf die Achse 30 erhalten.
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Im Fall eines relativ schweren Gangordners mit vertikaler Achse 30
kann der obere Manget 55 umgekehrt sein, damit er eine nach oben gerichtete Anziehung
im zur Schwerkraft entgegengesetzten Sinne ausübt.
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Die Durchmesser der Magneten 47 und 49 sind entsprechend der Masse
des Gangordners und der vorauszusehenden Stärke der Stöße gewählt.
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Die Durchmesser der Zapfen und der radialen Magnete können sehr klein
sein, wenn man Materialien von großer magnetischer Konzentration, wie Platin-Kobalt-Legierungen
verwendet. Zum Beispiel kann dieser Durchmesser zwischen 0,1 und 0,3 mm liegen,
und der Preis ist nicht übermäßig hoch in Anbetracht der sehr geringen Menge magnetischen
Materials, das zur Einrichtung einer Lagerung erforderlich ist.
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Um die Magneten 50 und 54 bequem handhaben zu können, verwendet man
vorzugsweise Drähte von großer Länge, wie sie durch Ausziehen erhalten werden. In
diese Drähte 56 dreht man eine Reihe von Nuten g, e, wie in Fig. 1 ersichtlich ist,
um Teilstücke von geeigneter Länge abzugrenzen. Die Drähte werden vor dem Schneiden
auf ihrer ganzen Länge vorbehandelt, magnetisiert und poliert.
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Die Lager 48 (Fig. 11) werden zuvor gebohrt, und um einen Magnet wie
49 einzusetzen, wird das Ende eines Drahtes 56 eingeschoben und der herausstehende
Teil dann abgeschnitten. Dieser Vorgang wird erleichtert durch die Verengerung g,
welche das Abbrechen des Drahtes erleichtert. Das im Ring 48 befindliche Teilstück
des Drahtes bleibt magnetisiert.
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Nach dem Einsetzen der radialen Magnete wird ein Mantel 57 aus weichem
ferromagnetischem Material um das Lager 46 gelegt. Dieser Mantel bildet einen magnetischen
Schirm, der Streuung des aus den kleinen, in den Lagern sitzenden Magneten hervorgehenden
Kraftflusses verhindert.
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An Stelle der gebohrten Ringe 48 könnte man Ringe 48' verwenden, die
kreuzweise wie Schraubenköpfe gefräst sind (vgl. Fig. 11 C). In diesem Fall können
radiale Magneten 50 eingesetzt und in diesen radialen Nuten gehalten werden.