DE1908568B2 - Elektromechanischer Oszillator mit umlaufendem Ausgang - Google Patents

Description

gnetischen Spur versehenen Antriebsrad mit höherem Wirkungsgrad arbeitet.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß für einen maximalen Wirkungsgrad des Antriebes ein bestimmtes Verhältnis der über den Umfang gemessenen Weite der äußeren Öffnungen und der über dem Umfang gemessenen Weite der inneren Öffnungen, bezogen auf die über dem Umfang gemessene Breite der Speichen besteht. Da die inneren Öffnungen auf einem Kreis mit kleinerem Durchmesser als die äußeren Öffnungen angeordnet sind, können die inneren und äußeren Öffnungen keine gleiche über dem Umfang gemessene Weite aufweisen, sofern die inneren und äußeren Speichen die gleiche über dem Umfang gemessene Breite haben. Die öffnungsweite, die zur Kennzeichnung der Erfindung verwendet wird, stellt den Mittelwert zwischen den beiden auftretenden öffnungsweiten dar.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe liegt darin, daß das Verhältnis zwischen dem Mittelwert aus an den radial inneren Fußpunkten der Speichen über dem Umfang gemessener Weite der äußeren Öffnungen und aus an den radial äußeren Fußpunkten der Speichen über dem Umfang gemessener Weite der inneren Öffnungen und der über dem Umfang gemessenen Breite der Speichen mindestens zwei beträgt.

Es wurde gefunden, daß bei diesem Wert des genannten Verhältnisses gegenüber der bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Art eine ganz erhebliche Steigerung des an die Welle des Antriebsrades abgegebenen Drehmomentes möglich ist. Beim Ansteigen des Verhältnisses über zwei steigt auch der Wert des abgegebenen Drehmomentes weiter an, bis das Verhältnis den Wert drei weit überschritten hat. Welche Bedingungen auftreten, wenn das Verhältnis wesentlich über dem Wert vier liegt, wurde bisher noch nicht ermittelt, jedoch muß logischerweise angenommen werden, daß eine obere Grenze besteht, von der ab das Drehmoment wieder abzufallen beginnt. Um derartige Bedingungen zu schaffen, ist es natürlich erforderlich dafür zu sorgen, daß das oszillierende Teil mit genügend Energie versorgt wird, um das vergleichsweise hohe Drehmoment, das an der Welle des Antriebsrades abgenommen wird, auf rechtzuer' lalten.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist in an sich bekannter Weise (deutsche Patentschrift 809 420) das Antriebsrad derart ausgebildet, daß die Fußpunkte der äußeren Speichen miteinander über kreisförmige Bögen verbunden sind und daß mindestens die Teile der inneren Öffnungen, die nahe den äußeren Speichen liegen, von kreisförmigen Bögen begrenzt weiden. Dies trägt dazu bei, die Drehmomentübertragung weiter zu verbessern. Gleiches gilt, wenn das Verhältnis, wie es erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen wird, zwischen zwei und vier liegt.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann außerdem dadurch gekennzeichnet sein, daß in an sich bekannter Weise (deutsche Patentschrift 1 231 176) die inneren Öffnungen kreisförmig sind und auf einem Teilkreis liegen, dessen Mittelpunkt die Achse des Antriebsrades bildet. Man kommt auf diese Weise zu einer einfach und wirtschaftlich zu fertigenden Anordnung.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Querschnitt des magnetischen Teils oder der magnetischen Teile kreisförmig ist und in seinem Durchmesser im wesentlichen der Breite der wellenförmigen magnetischen Spur in ihren schmälsten Stellen entspricht.

Demgegenüber läßt sich jedoch noch eine Drehmomenterhöbung erzielen, wenn der Querschnitt des magnetischen Teils oder der magnetischen Teile elliptisch oder rechteckig ist, wobei die Länge der langen Achse bzw. Seite doppelt so groß wie die Länge der kurzen Achse bzw. Seite ist.

ίο Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Teil eines Antriebsrades;

F i g. 2 zeigt eine Kurvenschar, aus der die Ergebaisse bei Versuchen mit unterschiedlichen Antriebsrädern hervorgehen;

F i g. 3 zeigt in Form einer Kurve die Ergebnisse bei Versuchen mit verschiedenen Verhältnissen von mittlerer öffnungsweite zu Speichenbreite.

F i g. 1 zeigt einen Teil eines Antriebsrades, das eine Reihe äußerer Speichen 11 mit parallelen Flanken aufweist. Jede Speiche ist radial zur Radachse ausgerichtet. Benachbarte Speichen sind durch Zwischenräume getrennt, die von einem kreisförmigen Bogenstück mit dem Radius R begrenzt werden. Die Zwischenräume werden im weiteren als äußere Öffnungen bezeichnet. Auf der radialen Mittellinie eines jeden Zahnes liegt eine innere Öffnung 13. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die inneren Öffnungen 13 kreisförmig ausgebildet, jedoch ist es nur erforderlich, den Teil der inneren Öffnungen, der den äußeren Speichen benachbart liegt sowie die äußeren Öffnungen durch kreisförmige Bogenstücke zu begrenzen. Die kreisförmigen Bögen, die die Fußpunkte der äußeren Speichen verbinden und die äußeren Teile der inneren Öffnungen begrenzen, bilden eine wellenförmige magnetische Spur, deren Mittellinie durch die unterbrochene Linie 14 angedeutet ist. Natürlich liegt auf jeder Seite des Rades eine wellenförmige magnetische Spur.

Das Antriebsrad nach F i g. 1 stellt einen Teil eines elektromechanischen Oszillators dar, der mindestens einen oszillierenden Teil aufweist. Dieser oszillierende Teil kann entweder von einer einzelnen Zunge oder von den Zinken einer Stimmgabel gebildet werden. Wird eine einzelne Zunge verwendet, so kann sie an ihrem Ende mit einem kleinen Magneten versehen werden. Im Falle einer Stimmgabel können derartige Magneten an beiden Zinken vorgesehen sein. Dabei liegen die Magneten bekanntlich in einem Abstand zueinander, der dem Durchmesser des Teilungskreises der wellenförmigen magnetischen Spur 14 entspricht. Außerdem weist die Spur eine geradzahlige Anzahl von Wellen auf. Die Zunge oder die Stimmgabel wird in ständiger Oszillation gehalten, und zwar in bekannter Weise über eine elektrische Schaltung, in der Regel über einen Verstärker. Auf Grund der magnetischen Kopplung zwischen dem Magneten am Ende der Zunge bzw. den Magneten an den Enden der Zinken wird das Antriebsrad in Drehung versetzt. Die Welle, auf der das Antriebsrad sitzt, ist mit einem nicht gezeigten Zeitmeßgetriebe verbunden, das zu einer Uhr oder einer anderen Zeitmeßvorrichtung gehört. Die Gesdiwindigkeit, mit der das Antriebsrad nach F i g. 1 umläuft, wird bestimmt von der Oszillationsfrequenz der Zunge bzw. der Stimmgabel und der Anzahl der Wellen in der magnetischen Spur 14.

wählt wird, daß die große Ellipsenachse zweimal so lang ist wie die kleine Ellipsenachse. Verwendet man einen rechteckigen Querschnitt, bei dem die lange Seite des Rechtecks doppelt so lang wie die kurze 5 Seite ist, dann steigt das übertragene Drehmoment auf 1,8 Einheiten. Diese Ergebnisse können natürlich nur dann erzielt werden, wenn der Energiedurchsatz des magnetischen Teils oder der magnetischen Teile ausreicht, die für die Aufrechterhaltung des oben-

einem wirkungsvollen magnetischen Antrieb zu versehen, wurde gefunden, daß der Wirkungsgrad der magnetischen Kupplung besonders hoch wird, wenn ein bestimmtes Verhältnis zwischen der über

Da die elektrische Energie zur Aufrechterhaltung
der Schwingungen der oszillierenden Teile von einem
Verstärker geliefert wird, wird naturgemäß die gesamte Antriebsenergie für die Uhr oder die Zeitmeßvorrichtung aus der elektrischen Stromquelle entnommen, die den Verstärker vcisorgt. Darüber hinaus
muß die gesamte Energie, die zum Antrieb des Zeitmeßmechanismus benötigt wird, über die magnetische
Kupplung zwischen dem oszillierenden Teil und dem
Antriebsrad übertragen werden. Dementsprechend ist io erwähnten Drehmoments erforderliche Energie zu es von äußerster Bedeutung, daß die Kupplung mit liefern,
möglichst hohem Wirkungsgrad arbeitet, um das An- Wie oben schon angegeben, soll das Verhältnis r

triebsrad mit einem Maximum an Drehmoment zu mindestens den Wert 2 betragen, um ein hohes Drehversorgen, moment an der Welle des Antriebsrades zu

Als Ergebnis der obenerwähnten Forschungsarbeit, 15 liefern, und den Wert 4 nicht übersteigen, die dem Problem gewidmet war, das Zeitmeßrad mit r· i g. 2 zeigt Versuchsergebnisse zur Feststellung

eines optimalen Verhältnisses r. Alle diese Kurven zeigen Ergebnisse von Versuchen mit Rädern, deren äußerer Durchmesser 15 mm betrug und die aus dem 20 Plattenmaterial einer Nickel-Eisen-Legierung herge-

Umfang gemessenen mittleren öffnungsweite, d. h. stellt waren. Die Plattenstärke betrug 0,25 mm. Die dem Mittel der in Fig. 1 mit α und b bezeichneten Oszillationsfrequenz war 300 Hz. Das auf der Ordi-Abmessungen, und der Speichenbreite, d. h. der in natenachse der F i g. 2 aufgetragene Drehmoment Fig. 1 mit w bezeichneten Abmessung besteht. Die (in qcm) wurde an einer Welle gemessen, die mit Forschung ergab, daß dieses Verhältnis zwischen 2 25 einer Umdrehung pro Minute entsprechend der Dreh- - - -- -- — · - ' zahl eines Sekundenzeigers umlief. Auf der Abs

zissenachse sind die Oszillationsamplituden in Millimeter und Inch aufgetragen.

Es wurden Versuche durchgeführt mit Antriebs-30 rädern, die 40 äußere Speichen trugen. Die Ergeb nisse sind durch die Kurven 15, 16, 17 und 18 wie dergegeben. Bei allen diesen Kurven betrug das Ver hältnis r — 1,37, jedoch wurde die Spaltweite, d. h der Abstand zwischen der Polfläche des oszillieren = mindestens 2 und übersteigt nicht den Wert 4. 35 den Teils und der benachbarten Fläche des Rades.

von 0,2 mm entsprechend der Kurve 15 über 0,15 mm

Da die inneren und äußeren Speichenbreiten gleich entsprechend der Kurve 16 und 0,1 mm entsprechend sind, wie es durch den gemeinsamen Abstand w be- der Kurve 17 auf 0,05 mm entsprechend der Kurve zeichnet ist, muß das Abmaß α größer sein als das 18 geändert. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, Abmaß b, und es wurde daher zur Bestimmung des 40 steigt das übertragene Drehmoment bei vorgegebe Verhältnisses das Mittel dieser Abmaße genommen, nem Verhältnis r an, je kleiner der Spalt wird. Di d. h. Kurve 19 zeigt Versuchsergebnisse mit einem Rad,

_a _|_ £, das 30 äußere Speichen trug, und zwar bei eine:

. Spaltbreite von 0,1 mm und einem Verhältnis r voi

² 45 1,0. Die Kurve 20 zeigt Versuchsergebnisse mit einem)

Daraus ergibt sich das Verhältnis Rad, das 20 Speichen trug bei einem Spalt vo:

und 4 liegen soll. Ein günstiger Wert ist z. B. 3. Wenn also das Verhältnis zwischen der über dem Umfang gemessenen mittleren Öffnungsweite und der Speichenbreite mit r bezeichnet wird, so ist

mittlere über dem Umfang
_ gemessene Öffnungsweite

Speichenbreite

a+b _ a + b 2 2w~

0,1mm und einem Verhältnis r = 3,0. Vergleich man die Kurven, bei denen die Spaltbreite 0,1 mm| betrug, so zeigt sich, daß die Kurve 19 das niedrigsti 50 Drehmoment bei einem Verhältnis r= 1,0 wiedergibt. Die Kurve 17 zeigt ein besseres Resultat, wobei das Verhältnis r= 1,37 betrug, und die Kurve 2· zeigt eine ganz erhebliche Verbesserung bei einerc| Verhältnis r = 3,0. Aufbauend auf diesen Kurve

Nach der Festlegung bestimmter Merkmale der
wellenförmigen magnetischen Spuren muß auch die
Größe des bzw. der damit zusammenwirkenden magnetischen Teile an dem oszillierenden Teil festgelegt 55 wurde eine Kurve 21 gezeichnet, die die Ergebnissi werden. Man kann ein magnetisches Teil mit kreis- wiedergibt, die bei einem Rad mit 30 äußeren Spei förmigem Querschnitt verwenden, wie es in unter- chen, einem Spalt mit 0,1 mm und einem Verhältni brochenen Linien bei 15 gezeigt ist. Vorzugsweise r = 2,0 zu erwarten wären, benutzt man jedoch ein magnetisches Teil mit einen Es wurde gefunden, daß eine Verminderung de länglichen, d. h. einen ovalen oder rechteckigen 60 Spaltweite zwischen dem Magnetpol und der Rad Querschnitt. Ist z. B. bei einer gegebenen Anordnung fläche eine Betriebsverbesserung ergibt, wie man si mit einem magnetischen Teil 15 von ki'eisförmigem ohne weiteres erwarten kann und wie sie aus de: Querschnitt das übertragene Drehmoment gleich Kurven hervorgeht. Jedoch liegt das viel auffallen einer Einheit, so steigt das auf das Rad übertragene dere Merkmal des Diagramms in dem Ausmaß Drehmoment auf 1,6 Einheiten, wenn man an Stelle 65 Verbesserung, die durch eine Erhöhung des Verhäl dessen einen elliptischen Querschnitt wählt, dessen nisses r erzielt werden konnte und sich in einer E: über dem Umfang gemessene Breite der des Teils 15 höhung des Drehmomentes am Antriebsrad niede entspricht und dessen radiale Ausdehnung derart ge- schlägt. Um das Drehmoment aufrechtzuerhalten

muß die Energie des oszillierenden Teils groß genug sein, was natürlich abhängig ist von der Energiemenge, die vom Verstärker und damit von der Energiequelle auf das oszillierende Teil übertragen wird. F i g. 3 stellt das Drehmoment dar, das mit einem Rad von 40 äußeren Speichen bei einem Luftspalt von 0,1 mm und einer Veränderung des Verhältnisses r zwischen 0,5 und 3 erzielt werden konnte. Das oszillierende Teil oszillierte hierbei mit einer Amplitude von 0,5 mm. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, steigt das Drehmoment linear mit dem Verhältnis r an, und man kann hieraus die Gesetzmäßigkeit, bezogen auf diese spezielle Kurve, ableiten. Bezeichnet man das Drehmoment mit T, so wird dieses zu T(g ■ cm) = 4 r — 2. Ganz grob ergab sich 0,32

r(g-cm) =

für ein Rad mit 40 äußeren

Spalt (mm)

Speichen (r = 1,37). Diese Ergebnisse zeigen ganz klar, daß man zwar eine Verbesserung des Drehmomentes erzielen kann, indem man den Spalt zwischen dem magnetischen Teil und der Fläche des ίο Rades so klein wie möglich wählt, daß jedoch der Haupteinflußfaktor das Verhältnis r ist. Dies geht ganz augenfällig aus F i g. 3 hervor.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409530/326

Claims (6)

mindestens einem mechanisch oszillierenden Teil, Patentansprüche: das elektrisch in Schwingungen gehalten wird, aus einem Antriebsrad mit radial am Umfang heraus-

1. Elektromechanischer Oszillator mit umlau- ragenden, durch äußere öffnungen von einander gefendem Ausgang, bestehend aus mindestens 5 trennten äußeren Speichen und mit durch innere öffeinem mechanisch oszillierenden Teil, das elek- nungen von einander getrennten inneren Speichen, irisch in Schwingung gehalten wird, aus einem deren an den radial äußeren Fußpunkten über dem Antriebsrad mit radial am Umfang herausragen- Umfang gemessene Breite gleich der an den radial den, durch äußere öffnungen voneinander ge- inneren Fußpunkten über dem Umfang gemessenen trennten äußeren Speichen und mit durch innere io Breite der äußeren Speichen ist, wobei die Begren-Öffnungen voneinander getrennten inneren Spei- zung der öffnungen wellenförmige magnetische Spuchen, deren an den radial äußeren Fußpunkten ren auf beiden Flächen des Rades bildet, und aus über dem Umfang gemessene Breite gleich der einem an mindestens einem der oszillierenden Teile an den radial inneren Fußpunkten über dem Um- befestigten magnetischen Teil, das mit mindestens fang gemessenen Breite der äußeren Speichen ist, 15 einer magnetischen Spur zusammenwirkt, so daß das wobei die Begrenzung der Öffnungen wellenför- Antriebsrad von dem oszillierenden Teil angetrieben mige magnetische Spuren auf beiden Flächen des wird.

Rades bildet, und aus einem an mindestens Derartige bekannte elektromechanische OsziUaeincm der oszillierenden Teile befestigten ma- toren (britische Patentschrift 1 007 4S4) stellen eine gnetischen Teil, das mit mindestens einer magne- ao Abwandlung der seit langem verwendeten magnetitischen Spur zusammenwirkt, so daß das An- scheu Gesperre dar, bei denen das mit der magnetriebsrad von dem oszillierenden Teil angetrieben tischen Spur versehene Sperrad über eine Feder, wird, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Elektromotor oder andere gebräuchliche Mittel Verhältnis zwischen dem Mittelwert (i±*) mit Energie beaufschlagt wird. Dort versetzt die an-

V 2 / 25 getnebene Drehbewegung des Sperrades das oszu-

aus an den radial inneren Fußpunkten der Spei- lierende Teil in Schwingungen, und zwar entsprechen über dem Umfang gemessener Weite der chend dessen Eigenfrequenz. Auf diese Weise ist die äußeren öffnungen und aus an den radial äuße- Geschwindigkeit, mit der sich das Sperrad drehen ren Fußpunkten der Speichen über dem Umfang kann, bestimmt von der Eigenfrequenz des oszilliegemessener Weite der inneren öffnungen und 30 renden Teils und der Anzahl der Wellen in den mader über dem Umfang gemessenen Breite (w) der gnetischen Spuren rund um das Sperrad. Bei dieser Speidien mindestens 2 beträgt. Anordnung wird die Energie, die zum Antrieb des

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch ge- Getriebes eines angeschlossenen Zeitmeßmechaniskennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise mus erforderlich ist, mechanisch von der Antriebsdas Antriebsrad derart ausgebildet ist, daß die 35 vorrichtung auf das Getriebe übertragen. Die magne-Fußpunkte der äußeren Speichen miteinander tische Koppelung zwischen dem Sperrad und dem über kreisförmige Bögen verbunden sind und daß oszillierenden Teil überträgt lediglich denjenigen mindestens die Teile der Inneren öffnungen, die geringen Energieanteil, der benötigt wird, um das nahe den äußeren Speichen liegen, von kreisför- oszillierende Teil in Schwingungen zu halten,
migen Bögen begrenzt werden. 40 Bei Anordnungen der eingangs genannten Art hin-

3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gegen liegen die Verhältnisse anders. Dort wirken gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen 2 die Schwingungen des oszillierenden Teils als An- und 4 liegt. trieb für das mit der magnetischen Spur versehene

4. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 Antriebsrad und das Getriebe des Zeitmeßmechanisbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich 45 mus. Die Energie, die erforderlich ist, um das oszilbekannter Weise die inneren Öffnungen kreis- lierende Teil in Schwingungen zu halten, wird über förmig sind und auf einem Teilkreis liegen, des- elektromagnetische Mittel auf das oszillierende Teil sen Mittelpunkt die Achse des Antriebsrades übertragen, wobei der Gesamtbetrag an Energie, der bildet. zum Antrieb des Zeitmeßmechanismus benötigt

5. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 5° wird, über die magnetische Kupplung vom oszilbis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quer- lierenden Teil auf das Antriebsrad übertragen werden schnitt des magnetischen Teils oder der magne- muß.

tischen Teile kreisförmig ist und in seinem Es besteht ein fortdauerndes Bedürfnis, elektro-

Durchmesser im wesentlichen der Breite der wel- mechanische Oszillatoren so klein wie möglich zu

lenförmigen magnetischen Spur in ihren schmal- 55 halten und so auszubilden, daß sie so wenig wie

sten Stellen entspricht. möglich an elektrischer Energie aus einer elektri-

6. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 sehen Quelle, in der Regel aus einer Batterie, entbis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quer- nehmen. Daher ist es von äußerster Bedeutung, daß schnitt des magnetischen Teils oder der magne- die Übertragung der Energie von dem oszillierenden tischen Teile elliptisch oder rechteckig ist, wobei 60 Teil bzw. den oszillierenden Teilen auf das Antriebsdie Länge der langen Achse bzw. Seite doppelt rad mit möglichst hohem Wirkungsgrad erfolgt. Es so groß wie die Länge der kurzen Achse bzw. wurde gefunden, daß die bekannte Vorrichtung der Seite ist. eingangs genannten Art diesen Anforderungen nicht

in optimaler Weise gerecht wird.

65 Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe

zugrunde, einen elektromechanischen Oszillator zu

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen schaffen, bei dem die magnetische Koppelung zwi-Oszillator mit umlaufendem Ausgang, bestehend aus sehen dem oszillierenden Teil und dem mit der ma-