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Magnetischer Zeitgeber Zum Konstanthalten von Bewegungsabläufen elektrischer
oder mechanischer Einrichtungen sowie zum Betrieb von Uhren oder Zeitrelais werden
beispielsweise Pendel, Unruhen mit .Spiralfedern, Stimmgabeln, Molekülschwingungen
in Quarzkristallen oder elektrische Schwingungskreise als Zeitnormale verwendet,
welche die gewünschten Umläufe oder Schwingungen zeitlich regulieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwingungseinrichtung
anzugeben, deren Frequenz mit relativ einfachen Mitteln reguliert bzw. konstant
gehalten werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem magnetischen
Zeitgeber ein oder mehrere Magnete so angeordnet sind, daß sie mechanische Schwingungen
ausüben, deren Frequenzen allein durch die Masse der schwingenden Magnete und durch
die auf sie wirkenden magnetischen Kräfte bestimmt sind.
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Gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft, die beweglichen Magnete mechanisch
so zu lagern, daß sie in ihrer Magnetpolrichtung schwingen können.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist es nach der Erfindung auch möglich,
die Magnete mechanisch so zu lagern, daß sie Drehschwingungen ausführen können.
Im Falle der Schwingung in Magnetpolrichtung ist es besonders günstig, einen Magneten
zwischen zwei ruhenden Magneten schwingen zu lassen. Die Magnete werden daher bezüglich
ihrer Pole einander so zugeordnet, daß der schwingende Magnet von den beiden ruhenden
Magneten abgestoßen wird, so daß dieser um die stabile Gleichgewichtslage symmetrische
Schwingungen ausführt.
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Soll für Zeitgeber die Wirkung der Schwerkraft auf die schwingenden
Massen ausgeglichen werden, so lassen sich hierfür in vorteilhafter Weise mindestens
zwei Anordnungen verwenden, die jeweils aus einem Magneten bestehen, der zwischen
zwei fest gelagerten Magneten schwingungsfähig ist und die um einen gemeinsamen
Schwerpunkt schwingen. Zur Vermeidung von magnetischen Streufeldern können die Magnete
in bekannter Weise abgeschirmt sein.
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Die die Permanentmagnete in geringem Maße temperaturabhängig sind,
können die Magnete, die als Schwinger bei Präzisionsinstrumenten Verwendung finden,
in Thermostaten angeordnet werden. Zur Konstanthaltung der Magnetfelder lassen sich
aber auch magnetische Nebenschlüsse verwenden; desgleichen eignen sich Bimetallstreifen
zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit.
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An Hand der Figuren soll das Prinzip, das der Erfindung zugrunde liegt,
sowie deren Funktion näher erläutert werden. In F i g. 1 sind zwei Magnetscheiben
gezeigt, welche so magnetisiert sind, daß ihre Stirnflächen als Nord- bzw. Südpole
ausgebildet sind. Da sich zwischen den Magneten zwei gleiche Pole entgegenstehen,
ergibt sich eine in. Richtung der z-Achse abstoßende magnetische Kraft Pz, welche
den in F i g. 2 dargestellten, vom Abstand z der Scheibe abhängigen Verlauf hat.
Sind die Scheiben beispielsweise senkrecht übereinander angeordnet, wobei die unterste
Scheibe fest steht, so wirkt auf die obere Scheibe neben der magnetischen Kraft
P, noch die Schwerkraft, welche dem Gewicht G der Scheibe entspricht.
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Wie in F i g. 2 gezeigt wird, ergibt sich daraus bei dem Punkt A ein
stäbiler Gleichgewichtszustand, um welchen diese Scheibe beispielsweise in der z-Richtung
mit der Amplitude AB schwingen kann. Die Richtkraft dieser Schwingung ist
durch die gleichfalls in der F i g. 2 dargestellten Differenzkraft Pz-G gegeben.
Damit ist eine Schwingung definiert, deren Frequenz lediglich von der Masse der
Magnetscheibe und deren magnetischer Kraft abhängig ist. Die auf die Scheibe wirkende
Schwerkraft ist auf die Frequenz der Schwingung nur mittelbar von Einfluß. So wird
durch das Gewicht G die Lage des Arbeitspunktes A (F i g. 2) festgelegt. Die Frequenz
hängt somit nur von der Masse und der Steilheit der Differenzkraft P, - G ab. Durch
die magnetische Richtkraft wird beispielsweise die Hebelwirkung eines Pendels oder
die Federkraft einer Unruhe ersetzt. Es ist bekannt, daß permanente Magnete mit
sehr großer Prä.zisions- und Halterungsbeständigkeit hergestellt werden können.
Ihr einziger Nachteil ist im vorliegenden Falle ihre Temperaturabhängigkeit, welche
bei guten Magneten etwa 0,02,1/o, je Grad Celsius beträgt. Der durch diese Temperaturabhängigkeit
entstehende Fehler kann jedoch durch bekannte Einrichtungen, wie oben aufgezeigt
wurde, leicht kompensiert werden.
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Zwischen den beiden in F i g. 1 dargestellten Scheiben wirkt neben
der Kraft in der Richtung z
noch eine Kraft in der Richtung ihres
Radius r. Dieser Kraftverlauf ist in der F i g. 3 dargestellt. Er ist bei genauer
Zentrierung der Scheiben gleich Null und in jedem anderen Fall nach außen gerichtet.
Das bei genauer Zentrierung der Scheibe vorhandene Gleichgewicht ist deshalb ein
labiles Gleichgewicht, welches eine zentrische Führung der beweglichen Scheibe erfordert.
Bei genauer Justierung der Scheiben ist die Kraft, welche auf diese Führung ausgeübt
wird, jedoch nahezu gleich Null.
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Der besondere Vorteil eines solchen magnetischen schwingenden Systems
bei der Verwendung als Zeitgeber besteht darin, daß die Frequenz seiner Eigenschwingungen
im Bereich von 1 bis 10 Hz liegt, so daß insbesondere bei langsam laufenden Einrichtungen,
wie z. B. Uhrzeigern, nur wenige übersetzungsglieder erforderlich sind. Ein weiterer
Vorteil- besteht darin, daß sich ein solcher magnetischer Schwinger auf sehr einfache
Weise durch eine Spule und eine damit verbundene elektrische Verstärkerschaltung
genau in Gang halten läßt.
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F i g. 4 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel. Die Scheiben 1 und
2 sind permanente Magnete, wie sie bereits in F i g. 1 beschrieben wurden. Die Scheibe
2 ist auf einer Unterlage befestigt, während die Scheibe 1 durch zwei Hebelarme
3 und 4 gehalten wird, welche sich um eine Achse 5 drehen und bei
genügender Länge der Hebelarme 3 und 4 eine ausreichende Zentrierung der Scheibe
1 bezüglich der Scheibe 2 gewährleisten. Der Hebelarm 3 wirkt über eine Pleuelstange
6 und eine Kurbelwelle 7 auf ein Schwungrad B. Von dem Schwungrad 7 aus können z.
B. die Zahnräder für die Sekunden-, Minuten-und Stundenzeiger einer Uhr angetrieben
werden.
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Um die feststehende Scheibe 2 befindet sich eine Spule 9, durch welche
ein Wechselstrom J fließt, dessen Frequenz mit der Eigenfrequenz des magnetischen
Zeitgebers übereinstimmt und der von diesem Zeitgeber gesteuert wird, und dessen
Phasenlage so gerichtet ist, daß die Reibungsverluste des schwingenden Systems kompensiert
werden. Der Wechselstrom kann dadurch erzeugt werden, daß die Spule 9 aus einer
Batterie gespeist wird und daß eine Elektronenröhre oder ein Transistor, an deren
Gitter bzw. Basis die Klemmenspannung U dieser Spule angekoppelt wird, als Wechselstromerzeuger
wirkt.
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An Hand der F i g. 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel wiedergegeben.
Hierbei sind zwei Magnete 9 und 10 mit einer Uuruh 11 fest verbunden, so daß sie
um ihren gemeinsamen Schwerpunkt S Schwingungen ausführen können. Die Magnete 12
und 13 sowie 14 und 15 sind dagegen mit einem ruhenden Bezugssystem, wie etwa dem
Gehäuse des Zeitgebers, fest verbunden und so ausgerichtet, daß auf die Magnete
9 und 10 ständig abstoßende Magnetkräfte wirken. Durch hier nicht weiter dargestellte
Spulen, die ähnlich wie in F i g. 4 angeordnet sein können, wird das System in Schwingung
versetzt und gehalten. Durch eine solche Ausführung wird die Wirkung der Schwerkraft
kompensiert und die Frequenz ist somit nur von den schwingenden Massen und den magnetischen
Kräften abhängig.
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In F i g. 6 ist ein Ausführungsbeispiel angedeutet, bei dem ein Magnet
16 um seine Achse 17 Schwingungen ausführt, während die Magnete'18 und 19 bezogen
auf den Magnet 16 ruhen. Auch bei diesem Beispiel ist die Schwerkraft ohne Einfluß
auf die Frequenz des Schwingers. Das Prinzip, das der Erfindung zugrunde liegt,
läßt sich auch mit einem Magnetsystem ausführen, das mit anziehenden Kräften auf
den Schwinger wirkt. Dies läßt sich beispielsweise mit einem Magneten ausführen,
der von Weicheisen als magnetischer Rückschluß umgeben ist. Hier ist aber auch eine
entsprechende Umkehrung des Systems möglich, d. h:, es können zwei Magnete ruhend
angeordnet werden, zwischen denen ein entsprechend geformtes Weicheisenstück schwingt.