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Anordnung zur Umwandlung einer Schwingbewegung in eine Drehbewegung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Umwandlung einer, aus mindestens
zwei gegeneinander phasenverschobenen, etwa senkrecht zueinander wirkenden Schwingbewegungen
in eine Drehbewegung, wobei die Bewegungsübertragung durch mindestens einen, dem
Treiborgan und dem angetriebenen Organ zugeordneten, polartig ausgebildeten ferromagnetischen
Körper erfolgt.
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Solche Anordnungen haben ganz allgemein für Antriebe mit mechanischen
Schwingsystemen Bedeutung. Häufig werden jedoch derartige, meist in ihrer Eigenfrequenz
arbeitende Schwingsysteme, die beispielsweise elektromagnetisch angeregt werden,
dafür verwendet, um bei Kleinstuhren sowohl zur Zeitbestimmung als auch zugleich
zum Antrieb zu dienen.
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Zur Umwandlung der Schwingbewegung in die dafür erforderliche Drehbewegung
wird bei bekannten Lösungen von einem Klinkenantrieb Gebrauch gemacht. Ein derartiger
Antrieb erfordert jedoch neben einer Stoßklinke in der Regel auch ein mechanisches
Sperrglied, damit das angetriebene Organ sich nur in einer bestimmten Richtung drehen
kann. Der Nachteil solcher mechanisch wirkender Klinkenantriebe liegt jedoch vor
allem darin, daß - insbesondere bei einer betriebsmäßig großen Zahl von Arbeitshüben
- der Verschleiß relativ groß ist. Im übrigen ergibt sich durch die beim Klinkenantrieb
auftretende Reibung ein Relativ ungünstiger Wirkungsgrad.
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Wegen der mit dem höheren Verschleiß verbundenen größeren Abnutzung
erfordern derartige Anordnungen eine wesentlich häufigere Wartung und überholung,
als es bei Antriebsmitteln anderer Art erforderlich ist. Im übrigen sind bekanntlich
mechanische Antriebsorgane immer störanfälliger, zumal durch das Zusammenwirken
von Stoßklinke und Sperrklinke für die Anordnung dieser Teile sehr genaue Justierungsbedingungen
eingehalten werden müssen.
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Die Erfindung bezweckt die Behebung dieser Mängel und soll eine möglichst
verlustfreie Umwandlung von Schwingbewegungen in Drehbewegungen erreichen. Ausgehend
von einem beliebig ausgeführten Schwingsystem, das beispielsweise mehrere elektromagnetisch
oder elektrostriktiv angeregte Biegeschwinger aufweist, zeigt die Erfindung einen
Weg, wie ohne formschlüssige Verbindung mit dem angetriebenen Organ die Umwandlung
einer aus mindestens zwei phasenverschobenen Komponenten sich zusammensetzenden
Schwingbewegung in eine Drehbewegung erreicht werden kann.
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Es ist zwar bereits bekannt, durch Magnetkräfte, also lediglich durch
eine kraftschlüssige Verbindung, mit Hilfe eines Schwinggliedes eine Drehbewegung
zu erzeugen. Dies wird bei bekannten Anordnungen dadurch erreicht, daß sich am Schwingglied
ein Dauermagnet befindet und das angetriebene Organ durch die Magnetkräfte in Drehung
versetzt wird. Diese Mitnahme ist bei Auslenkung des Schwinggliedes in einer Richtung
ohne weiteres zu erreichen. Beim Zurückschwingen darf aber, wenn keine besonderen
Sperrmittel am angetriebenen Organ vorgesehen sind, keine Magnetisierung vorhanden
sein, damit das angetriebene Organ nicht wieder in die Ausgangsstellung zurückgeführt
wird. Bekannte Lösungen sehen dabei vor, die magnetische Kraftwirkung durch eine
besondere Hilfsschaltung, die aber einen zusätzlichen apparativen Aufwand darstellt,
rhythmisch so zu steuern, daß beim Zurückschwingen des Schwinggliedes das angetriebene
Organ in der jeweils erreichten Stellung verbleibt.
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Ein weiterer Nachteil bekannter Anordnungen dieser Art mit magnetischem
Antrieb liegt darin, daß bei Inbetriebnahme der Anordnung erst eine beispielsweise
von Hand auslösbare Anwurfvorrichtung betätigt werden muß, da die Anordnung nicht
von selbst anläuft.
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Nach der Erfindung werden die geschilderten Nachteile bei einer Anordnung
der eingangs näher bezeichneten Art dadurch vermieden, daß durch die Schwingbewegung
des Treiborgans in der einen Bewegungsrichtung eine Verkleinerung des magnetischen
Widerstandes zwischen den ferromagnetischen Körpern und damit eine Mitnahme des
angetriebenen Organs bis zu einer Auslenkung eintritt, in der es durch die durch
die Schwingbewegung des Treiborgans in der anderen Bewegungsrichtung verursachte
Vergrößerung des magnetischen Widerstandes stillsetzbar ist.
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Eine betriebsmäßige Veränderung des magnetischen Widerstandes zwischen
den ferromagnetischen
Körpern läßt sich sowohl dadurch erreichen,
daß durch die Schwingbewegung eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Luftspalts
zwischen den ferromagnetischen Körpern erzielt wird, oder daß eine Veränderung der
wirksamen Querschnitte vorgenommen wird.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden zweierlei Effekte gleichzeitig
erzielt. Einerseits bewirkt die berührungslose Umwandlung der Schwingbewegung in
eine Drehbewegung, daß praktisch keine Abnützungserscheinungen auftreten können
und durch das Fehlen mechanischer Antriebsglieder mit einem guten Wirkungsgrad der
Anordnung zu rechnen ist. Ohne eine zusätzliche Sperreinrichtung wird dabei erreicht,
daß die Mitnahme des angetriebenen Organs nur in einer vorgegebenen Richtung erfolgt.
Außerdem ist die Anordnung nach der Erfindung jederzeit betriebsbereit, da beim
Einsetzen der Schwingbewegung das angetriebene Organ sofort mitgenommen wird, ohne
daß ein zusätzlicher mechanischer oder elektrischer Anwurfvorgang erforderlich ist.
Dies hat naturgemäß beim Antrieb von Kleinstuhren eine besondere Bedeutung. Zum
Erreichen der für die Mitnahme des angetriebenen Organs wirksamen, ein magnetisches
Kraftfeld erzeugenden Magnetflüsse kann sowohl das Treiborgan als auch das angetriebene
Organ in radialer Richtung dauermagnetisiert sein. Es ist aber auch möglich, lediglich
eines der beiden Organe als Dauermagnet auszubilden, während das zweite damit zusammenarbeitende
Organ aus Weicheisen besteht. Man kann dabei die polartig ausgebildeten ferromagnetischen
Körper entweder mit magnetisch gleichen Polen versehen oder so ausführen, daß diese
magnetisch abwechselnd gepolt sind.
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Für die Anregung des Treiborgans und damit für die Erzeugung der Schwingbewegung
bestehen verschiedene Möglichkeiten, wobei es vielfach am einfachsten ist, wenn
sich die Schwingbewegung aus zwei zueinander senkrechten Bewegungskomponenten zusammensetzt.
Es entsteht dann eine scheinbare Exzenterbewegung des Treiborgans. Ebenso läßt sich
die Schwingbewegung aus parallel zur Drehachse des angetriebenen Organs verlaufenden,
eine Taumelbewegung bewirkenden Bewegungsgrößen zusammensetzen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender
Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele. Es zeigt F i g. 1 den grundsätzlichen
Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung zur Umwandlung einer aus zwei zueinander
senkrechten Bewegungskomponenten sich zusammensetzenden Schwingbewegung in eine
Drehbewegung, F i g. 2 eine Ausführungsform der Anordnung nach F i g. 1 mit schematischer
Darstellung der möglichen Ankopplung der erforderlichen Schwingsysteme, F i g. 3
eine davon abweichende Ausführungsform, bei der sich die Schwingbewegung des Treiborgans
aus parallel zur Drehachse verlaufende, eine Taumelbewegung bewirkende Bewegungsgrößen
zusammensetzt, F i g. 4 eine Seitenansicht der Anordnung nach F i g. 3.
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Der in F i g. 1 dargestellte grundsätzliche Aufbau einer Anordnung
zur Umwandlung einer Schwingbewegung in eine Drehbewegung besitzt das Treiborgan
1, das betriebsmäßig Schwingbewegungen ausführt, welche sich aus zwei zueinander
senkrechten Komponenten zusammensetzen. Die Bewegungsrichtungen sind in dieser Figur
durch Richtungspfeile gekennzeichnet. Innerhalb des ringförmigen Treiborgans 1,
bei welchem die polartig ausgebildeten ferromagnetischen Körper eine Innenverzahnung
bilden, die in radialer Richtung dauermagnetisiert ist, befindet sich das angetriebene
Organ 2, das als stabförmiger Rotor um die Welle 3 drehbar ist. Auch das angetriebene
Organ 2 ist dauermagnetisiert, und zwar dergestalt, daß sich an den Außenschenkeln
2a und 2b eine gleiche, aber gegenüber der Verzahnung des Treiborgans entgegengesetzte
Polarität ergibt. Auf diese Weise stehen sich immer ungleichnamige Pole des Treiborgans
1 und des angetriebenen Organs 2 gegenüber.
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Wird das Treiborgan 1 im Sinne der Richtungspfeile verlaufenden, phasenverschobenen
Bewegungen verschoben, so entsteht eine Oberlagerung dieser Bewegungen und dadurch
eine scheinbare Exzenterbewegung des Treiborgans 1, die dazu führt, daß das angetriebene
Organ 2 Zahn um Zahn an der Innenverzahnung des Treiborgans 1 ohne formschlüssige
Verbindung weiterbewegt wird. Die Welle 3 des angetriebenen Organs 2 dreht sich
auf diese Art in einem Rhythmus, welcher durch die Anregungsfrequenz der auf das
Treiborgan 1 wirkenden Schwingbewegung bestimmt wird. Die Drehrichtung des angetriebenen
Organs hängt dabei von der Phasenlage der die Schwingbewegung bewirkenden Komponenten
des Treiborgans ab.
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In F i g. 2 ist eine mögliche Ausführungsform einer derartigen berührungslosen
Antriebsverbindung gezeigt, wobei sich die Verzahnung des Treiborgans 1 und des
angetriebenen Organs 2 lediglich um einen einzigen Zahn unterscheidet. Während das
Treiborgan 1 hierbei elf Zähne besitzt, weist das angetriebene Organ 2 zehn Zähne
auf. Bei dieser Ausführungsform ist auch gezeigt, wie das Treiborgan 1 von den Biegeschwingern
4 a, 4 b, 4 c und 4 d zu Schwingungen
angeregt werden kann. Die beiden Biegeschwinger 4a und 4b erzeugen dabei gleichgerichtete
Schwingbewegungen, die gegenüber den der Biegeschwinger 4 c und 4 d um 90 Grad verschieden
sind.
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Die Biegeschwinger sind an winkelförmigen Federn 5 befestigt, mit
deren Enden das Treibsystem 1 verbunden ist. Die winkelförmigen Federn 5 bilden
mit einer ortsfesten Halterung 6 eine Einheit. Die an den Federn 5 befestigten Biegeschwinger
können in bekannter Weise, beispielsweise elektromagnetisch oder elektrostriktiv,
angeregt werden. Auch jede andere Anregungsform ist möglich, es kommt lediglich
darauf an, daß die paarweise zur Erzeugung der gleichen Bewegungskomponente verwendeten
Schwinger gleichphasig angeregt werden. Als Biegeschwinger können dabei sowohl federnde
Zungen als auch Stimmgabeln verwendet werden.
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Wie bereits in Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben, entsteht durch
die überlagerung der durch die Schwinger ausgelösten Bewegungen eine scheinbare
Exzenterbewegung des Treiborgans, wodurch das angetriebene Organ 2 entsprechend
der Anregungsfrequenz mitgenommen wird. Auf der Welle 3 des angetriebenen Organs
2 kann sich dann beispielsweise ein Ritzel befinden, das unmittelbar die Zeigerwelle
einer Kleinstuhr antreibt.
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In F i g. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt,
wobei zur Anregung des Treiborgans ebenfalls wieder vier Biegeschwinger
4 a, 4 b, 4 c, 4 d
vorgesehen
sind. Die von diesen erzeugten Schwingbewegungen verlaufen hierbei parallel zur
Drehachse des angetriebenen Organs 2 (s. F i g. 4) und bewirken für das Treiborgan
eine Taumelbewegung. Durch diese Taumelbewegung des Treiborgans 1 wird die magnetische
Eingriffszone der in gleicher Weise wie in F i g. 2 vorgesehenen Verzahnungen verändert,
wodurch sich eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung des magnetischen Widerstandes
zwischen den polartig ausgebildeten ferromagnetischen Körpern ergibt. Trotz der
zentrischen Anordnung von Treiborgan und getriebenen Organ wird die magnetische
Wirkung der Magnetflüsse daher auch hier nur an einer ganz bestimmten Stelle in
erhöhtem Maße wirksam. Wie bereits im Zusammenhang mit F i g. 2 erläutert, steht
auch hier dem fest gelagerten angetriebenen Organ 2 ein innerhalb bestimmter Grenzen
bewegbares Treiborgan als Stator gegenüber.
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In F i g. 4 ist eine der F i g. 3 entsprechende Seitenansicht gezeigt,
woraus noch klarer ersichtlich ist, wie die magnetische Eingriffszone zwischen Treiborgan
und angetriebenen Organ durch die Taumelbewegung verändert werden kann. Die Bewegungsrichtungen
der Schwingsysteme 4 a, 4 b, 4 c und
4 d sind auch hier wieder durch Pfeile gekennzeichnet. Sie verlaufen parallel
zur Drehachse des angetriebenen Organs.
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Die Erfindung ist naturgemäß nicht auf die angeführten Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern es ist dabei jede Anordnung zur Verwirklichung der Erfindung
denkbar, bei der durch mindestens zwei phasenverschobene Bewegungskomponenten von
einem Treiborgan aus eine periodische Verkleinerung bzw. Vergrößerung des magnetischen
Widerstandes zwischen polartig ausgebildeten ferromagnetischen Körpern möglich ist.
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Es ist auch keineswegs erforderlich, daß sich das angetriebene Organ
innerhalb des Treiborgans befinden muß, es ist auch ohne weiteres eine Umkehrung
hinsichtlich ihrer räumlichen Anordnung möglich.