DE1916604A1 - Uhr mit Batterieantrieb - Google Patents

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 1. April 1969 Sch// Name d. Anm. General Time Corporation

Uhr mit Batterieantrieb.

Die Erfindung betrifft Uhren mit Batterieantrieb und insbesondere solche Uhren, die durch einen elektrischen Synchronmotor angetrieben werden.

Seit dem Bekanntwerden des Transistors und verwandter, in festem Zustand befindlicher Einrichtungen sind verschiedene durch eine elektrische Batterie angetriebene Uhren entwickelt und·* in den Handel gebracht worden. Bei einer Ausführungsform dient eine Stimmgabel zur Gangregulierung und wird zum Antrieb der Zeiger der Uhr durch eine Auslösungseinrichtung verwendet. Stimmgabeln arbeiten jedoch gewöhnlich bei verhältnismäßig hohen Frequenzen, z.B. von 500 Hz, und die Auslösungseinrichtung muß daher überaus genau sein, wenn sie mit 3OO Schritten/s arbeiten soll, um eine Umdrehungsgeschwindigkeit von 1 U/s zu erzeugen, die zum Antrieb eines Sekundenzeigers erforderlich ist. Bei einer anderen Ausführungsform wird der durch eine Batterie angetriebene Transistorstromkreis verwendet, um die Schwingungsbewegung eines Pendels zu unterstützen. Ein annehmbares Pendel muß jedoch ziemlich lang sein und Pendelbewegungen sind daher nur in den größeren Standuhren ausführbar. Bei einer weiteren Ausführungsform wird der durch eine Batterie angetriebene Transistorstromkreis verwendet, um die Bewegung einer Unruhe zu unterstützen. Eine Unruhe muß jedoch aus einer feinen Feder bestehen. Infolgedessen wird die Genauigkeit der Zeitmessung beeinträchtigt und die Einheit ist verhältnismäßig stoßempfindlich.

Außerdem wird die schwingende oder hin und her gehende Bewegung einer Stimmgabel, eines Pendels oder einer Unruhe durch eine Aus-

G 61/1 80d8U/1231 -¹"

lösungseinrichtung in die erforderliche Drehbewegung umgewandelt. Auslösungseinrichtungen sind aber nicht nur in mechanischer Hinsicht unerwünscht, weil sie d±e Gangregulierung einer mechanischen Belastung unterwerfen, se daß die Genauigkeit der Zeitmessung nachteilig beeinflußt wird.

Bei den Versuchen, die angegebenen Nachteile zu überwinden, sind verschiedene durch eine Batterie angetriebene Uhren mit Synchronmotoren vorgeschlagen worden, siehe z.B. die amerikanischen Patentschriften 2 814 769, 2 864 018, 3 121 832 und 3 250 O66. Diese durch eine Batterie und einen Synchronmotor angetriebenen Uhren wiesen einen oder mehrere ernstliche Nachteile auf, welche ihre wirtschaftliche Ausnützung verhindert haben. Die vorgeschlagenen Uhrwerke waren entweder zu kostspielig oder wiesen eine verhältnismäßig schlechte Zeitmessungsfähigkeit auf oder erforderten einen beträchtlichen Erregerstrom, was eine unerwünscht große Batterie und/oder eine kurze Lebensdauer derselben ergab.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer durch eine Batterie angetriebenen Uhr mit einer Stromentnahme von weniger als 400 mAmp, so daß mit einer einzigen im Handel erhältlichen Trockenbatterie eine Betriebsdauer von wenigstens 1 Jahr erzielbar ist. Eine andere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Uhrwerks, das zu den Preisen der Konkurrenz herstellbar ist. Noch eine andere Aufgabe besteht in der Schaffung einer durch eine Batterie angetriebenen Uhr, welche die Befähigung zur Zeitmessung aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines sehr kompakten, durch eine Batterie angetriebenen Uhrwerks, das kleiner ist als die meisten vorhandenen billigen Uhrwerke.

Das Uhrwerk gemäß der Erfindung enthält einen einzigen synchronen Schaltmotor, der in der gleichzeitig eingereichten deutschen.Patentanmeldung ... genauer beschrieben wird. Eine Stimmgabel·wird zur Gangregulierung der Uhr verwendet und ist in einen Stimmgabel-Oszillatorstromkreis eingesetzt. Die Betriebsfrequenz eines Motorantriebsstromkreises wird durch den Stimmgabel-Oszillator kontrolliert, wobei der Motorantriebsstromkreis so ausgebildet ist, daß derselbe Signale von der für einen wirksamen Motorbetrieb erforderlichen Art liefert. Die elektronischen Stromkreise sind so

G 61/1 9098U/1231 "²~

ausgebildet, daß der Stromverbrauch auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird, während gleichzeitig auch die Anzahl der Bestandteile auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist, um die Kosten und den Raumbedarf zu verringern. Um den Hauptzweck einer langen Betriebsdauer bei Mindestanforderungen an die Batterie zu erfüllen, sind die Transistoren in den elektronischen .Stromkreisen derart ausgewählt, daß sie Charakteristiken aufweisen, die zu den Batterieentladungscharakteristiken in einer richtigen Beziehung stehen, wie nachstehend noch genauer beschrieben wird.

Zusammenfassend kann daher*bemerkt werden, daß die Erfindung eine durch eine Batterie angetriebene Uhr mit einem synchronen Schaltmotor von der Art betrifft, die einen umlaußnden polarisierten magnetischen Stromkreis enthält. Ein Stimmgabel-Oszillator kontrolliert einen Motorantriebsstromkreis, der seinerseits die Motorwicklung durch ein Signal von der für den wirksamen Motorbetrieb erforderlichen Art erregt. Die Transistoren im Oszillatorstromkreis und im Motorantriebsstromkreis sind derart ausgewählt, daß sie Charakteristiken aufweisen, die zu den Batterieentladungscharakteristiken in einer richtigen Beziehung stehen, um eine verhältnismäßig lange Lebensdauer der Batterie zu erzielen.

Nachstehend wird eine beispielsweise Ausführungsform der Uhr gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht des Motors, wobei das Gehäuse und die Rotorlager weggelassen sind,

Fig. 2 im Grundriß den Rotor und den umgebenden Teil des Stators,

Fig. 3A den magnetischen Weg für die Wechselstromkraftlinien der Erregerwicklung,

Fig. 3B den magnetischen Weg für die Gleichstromkraftlinien des permanenten Magneten,

G 61/1 -3-

90 98AA/ 1231

Fig. 4 in größerem Maßstab ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Kraftlinien veranschaulicht, welche durch die Rotorzähne und die angrenzenden Polflächen des Stators hindurchgehen,

Fig. 5 im Grundriß eine vervollständigte Uhreinheit, einschließlich des Schaltmotors, des Zahnradvorgeleges, des Stimmgabel-Oszillators und des Motorantriebsstromkreises,

Fig. 6 ein ausgebreitetes Diagramm, welches deutlicher das mit dem Schaltmotor gekuppelte Zahnradvorgelege veranschaulicht,

Fig. 7 eine schaubildliche Darstellung der Anlafi- und Zeiteinstelleinrichtung der Uhr gemäß den Figuren 5 und 6,

Fig. 8 eine schaubildliche Darstellung der Stimmgabel und 'der zugehörigen Abnehmer- und Antriebswicklungen, die in der Uhr gemäß Fig. 5 angeordnet sind,

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Stimmgabel-Oszillators und des Motorantriebsstromkre ises, welcher mit dem Schaltmotor in der Uhr gemäß Fig. 5 verbunden ist,

Fig. 10 ein Diagramm, welches die Beziehung der TrHnsistorsättigungsspannungen zur Betriebsdauer einer durch eine Batterie angetriebenen Uhr veranschaulicht, und

Fig. 11 die Wellenformen, welche durch den Stimmgabel-Oszillator und den Motorantriebsstromkreis gemäß Fig. 9 erzeugt werden.

^061/1 9098U/1231 "*"

Der in der beispielsweisen Ausführungsform dargestellte synchrone Schaltmotor ist so ausgebildet, daß derselbe durch Netzstrom von 150 Hz betätigt wird und mit 600 U/min (10 U/s) umläuft. Der Rotor dieses Motors enthält einen permanenten Magneten 10, der zwischen zwei mit Ausschnitten versehenen umlaufenden Scheiben 11 und 12 festgeklemmt ist. Diese Einheit ist so angeordnet, um einen magnetisierten umlaufenden Stromkreis für den Rotor zu bilden. Jede Rotorscheibe ist mit Ausschnitten versehen, die 15 im gleichen Abstand liegende Zähne ergeben, um dadurch einen 30-poligen Motor zu bilden. Die Zähne sind zueinander versetzt, so daß bei Betrachtung des Rotors^Ln der Längsrichtung der Achse, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die Zähne 16 der einen Scheibe zwischen den angrenzenden Zähnen I7 der anderen Scheibe zu liegen scheinen.

Der permanente Magnet 10'und die Scheiben 11, 12 sind auf einer Welle 20 zwischen entsprechenden Buchsen 18 und 19 ausgerichtet und durch ein Epoxyharz befestigt. Es wurde gefunden, ,daß das unter dem Warenzeichen BOKD MASTER M-645 erhältliche Epoxyharz (30 Teile Härtemittel auf 100 Teile Harz), das unter Druck bei einer Temperatur von I50 C gehärtet wird, zufriedenstellende Ergebnisse liefert.

Der permanente Magnet ist vorzugsweise ein Barium-Ferritmaterial, das unter dem Warenzeichen LEYMAN IH PLASTIFORM erhältlich und in den für den Rotor erforderlichen Größen verhältnismäßig billig ist. Der Durchmesser des permanenten Magneten ist annähernd gleich dem Durchmesser an der Basis der Rotorzähne. Der permanente Magnet 10 wird magnetisiert, nachdem der Rotor zusammengesetzt ist, so daß die Rotorscheibe 11 ein Nordpol und die Rotorscheibe 12 ein Südpol wird. Die Magnetisierungsenergie wird kontrolliert, so daß der Leerlaufverlust zwischen den Scheiben 11 und 12 annähernd 100 Gauß beträgt.

Der Stator des Motors besteht aus einem im allgemeinen rechteckigen lamellierten Kern mit einem Schenkel 30, der durch die Mitte einer Erregerwicklung 31 hindurchgeht, sowie mit Polschuhen 32, die außerhalb der Wicklung liegen und ehe kreisförmige öffnung umschließen, welche den Rotor aufnimmt.

G- 61/1 -5-

9098U/1231

Die Erregerwicklung ist konzentrisch um eine rechteckige Nylonspule

33 gewickelt. Die Wicklung ist vorzugsweise in der Mitte angezapft, was einfach durch bifilares Aufwickeln erzielbar ist. Die Länge der fertigen Wicklung beträgt ungefähr das Fünffache des Halbmessers der Wicklung, um niedrigste Kosten und niedrigsten Kupferverlust zu erzielen. Die Wicklung ist unter Verwendung von Draht Nr. 39 hergestellt und enthält 4500 Windungen, um eindWicklung mit einem Widerstand von 880 Ohm zu erhalten.

Der Querschnitt des Schenkels 30 des Statorkerns, der durch die Erregerwicklung hindurchgeht, hat eine viereckige Form, weil dies eine wirksamere Verbindung mit der Wicklung ergibt. In anderen Bereichen braucht jedoch der Statorkern nicht dicker zu sein als ™ die Dicke des Rotors plus einer entsprechenden Toleranz für den Streufluß. Um daher zwecks Verringerung der Kosten die Verwendung von Eisen im Statorkern auf ein Mindestmaß herabzusetzen, wird die Dicke des Stators in allen Bereichen außer dem Schenkel 30 durch den Streufluß an einem bestimmten Querschnitt und diebicke des Rotors bestimmt, die ungefähr 2,25 mm beträgt. Dem durch die Erregerwicklung hindurchgehenden Teil des Statorkerns sind Lamellen

34 hinzugefügt, um die Dicke des Statorkerns auf einen viereckigen Querschnitt zu bringen* von welchem eine Seite eine Länge von 3*9 ram aufweist.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß verhältnismäßig wenig Raum zwisehen der Wicklung und dem Statorkern vorhanden ist, wenn der letztere rund um die Außenseite der Wicklung herumgeht. Durch diese Ausbildung des Stators wird die Länge des magnetischen Weges des Stators auf ein Mindestmaß herabgesetzt, um dadurch die Eisenverluste zu verringern, und die zur Konstruktion des Stators erforderliche Eisenmenge wird ebenfalls auf ein Mindestmaß herabgesetzt, um dadurch die Kosten zu verringern.

Der außerhalb der Erregerwicklung 31 liegende Teil des Stator-' kerns ist geteilt, um einen permanenten Luftspalt in dem magnetischen Stromkreis zwischen den Polschuhen 32 vorzusehen. Dieser permanente Luftspalt enthält die im allgemeinen kreisförmige Öffnung, welche den Rotor aufnimmt. Der Umfang der Öffnung ist mit Ausschnitten versehen, um Statorpolflächen 40 auf einer Seite der

Ö098U/1231 "⁶"

öffnung und Statorpolflächen 41 auf der anderen Seite der öffnung zu bilden. Die Winkelverschiebung zwischen den Mittelpunkten benachbarter Polflächen beträgt 24°, entsprechend dem Abstand der 15 Zähne auf jeder der Rotorscheiben. Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, sind 7 Statorpolflächen auf jeder Seite des Rotors vorgesehen. Die Statorpolflächen 40 sind relativ zu den Statorpolflächen 41 symmetrisch angeordnet. Wenn daher die Zähne der Nordpol-Rotorscheibe 11 zu den Stacorpolflachen 40 auf einer Seite des Rotors zentriert sind, sind die Zähne der Südpol-Rotorscheibe 12 zu den Statorpolflächen 41 auf der anderen Seite des Rotors zentriert.

Wenn der Motor in Betrieb ist, gibt es zwei Kraftlinienwege, nämlich einen für die Wechselstromkraftlinien der Erregerwicklung, der in Fig. 3A schematisch dargestellt ist, und den anderen für die Gleichstromkraftlinien des permanenten Magneten, der in Fig. J5B gezeigt ist.

Die Wechselstromkraftlinien werden durch Erregung der Wicklung J1 erzeugt und verlaufen durch den Stator zu den Statorpolflächen, quer zum Luftspalt, durch die Rotorscheiben 11 und 12 sowie quer zum Luftspalt zurück in den Stator, um den magnetischen Stromkreis

Sch

zurück zur Erregerwicklung zu fließen. Obwohl der Rotor einen permanenten Magneten enthält, gehen die Wechselstromkraftlinien der Erregerwicklung bezeichnenderweise nicht durch den permanenten Magneten hindurch. Permanente Magnete haben gewöhnlich einen hohen magnetischen Widerstand und es würden sich daher wesentliche Eisenverluste ergeben, wenn die Kraftlinien der Erregerwicklung durch den permanenten Magneten hindurchgehen müßten. Wie Fig. J>k zeigt, gehen die Kraftlinien der Erregerwicklung durch die Rotorscheiben 11 und 12 hindurch und umgehen somit den permanenten Magneten.

Der Weg der Gleichstromkraftlinien ist in Fig. 3B dargestellt und verläuft vom Nordpol des permanenten Magneten 10 durch die Zähne der Rotorscheibe 11, quer zum Luftspalt und durch die Statorpolflächen, sowie zurück quer zum Luftspalt und durch dieRotorscheibe 12 zum 3üdpol des permanenten Magneten 10, Wie Fig. 2 zeigt, sind die Zähne 'ier Scheiben 11 und 12 versetzt, liegen aber stets einer Polfläche genügend nahe, um den Gleichstromweg des magneti-

909844/1231

sehen Stromkreises zu schließen. Wenn sich der Motor synchron dreht, sind die Zähne mit den StatorpolfJachen ausgerichtet, wie Pig. 2 allgemein zeigt, wenn die Wechselstromkraftlinien der Erregerwicklung ein Maximum betragen, wodurch eine maximale Kupplung zwischen den Zähnen der Scheiben 11 und 12 über eine angrenzende Statorpolfläche im Augenblick der Erzeugung des maximalen Drehmoments erhalten wird.

Die Wechselstrom- und Gleichstromkraftlinien des magnetischen Stromkreises werden kombiniert, um* ein wesentlich größeres Drehmoment zu erhalten als durch Hysteresis- oder Reluktanzmotoren erzielt werden könnte. Da das Motordrehmoment dem Quadrat der Kraftli- ^ niendichte im Luftspalt annähernd proportional ist, ist die additive Wirkung ziemlich bedeutsam.

Es sollen zuerst die Kraftlinien während einer Halbperiode betrachtet werden, wenn die Wechselstromkraftlinien 0 in der in Fig. 4 angegebenen Richtung verlaufen. Im Zahn 16 der Nordpol-Rotorscheibe sind die Wechselstromkraftlinien 0„ und die Gleich-

Stromkraftlinien 0 additiv und können dargestellt werden durch:

+ K

während im Zahn I7 die Gleichstromkraftlinien 0 in der entgegengesetzten Richtung verlaufen und die Kraftlinien daher einander entgegengesetzt sind, was dargestellt werden kann durch:

Da das Drehmoment dem Quadrat der Kraftliniendichte annähernd proportional ist, wird das kombinierte Drehmoment T₁ eines Paares Rotorzähnen 16 und 17 dargestellt durch:

T₁ < (0 + 0 )^d - (-0 +-0J* O)

ι in et in d

BAD ORJGfNAl i. 909844/123 1 "hiqinal -&-

3 ' Ί'91'6604

Diese Gleichung kann ausgerechnet und vereinfacht werden auf: T -i <T h 0 0 (4-)

Während der nächsten Halbperiode verändern die Wechselstromkraftlinien 0 die Richtung und das Drehmoment T₀ während dieser HaIba C-

periode kann daher dargestellt werden durch:

Diese Gleichung kann ausgerechnet und vereinfacht werden auf: T₂ < 4 0_m0_a . (6)

Das Motordrehmoment ist daher annähernd proportional dem vierfachen Produkt der Kraftlinien des permanenten Magneten und der Kraftlinien der Erregerwicklung. Aus dieser Beziehung ist zu entnehmen, daß das Drehmoment direkt proportional zu einer Zunahme der Kraftlinien des permanenten Magneten zunimmt. Die Sättigungsoharakteristiken in den am meisten beschränkten Teilen der magnetischen Wege (zwischen den Rotorzähnen und den Statorpolflächen) begrenzen jedoch das Ausmaß der Vervielfachung des Drehmoments, die durch Erhöhung der Stärke des permanenten Magneten erzielbar ist. Es wurde als wünschenswert befunden, den Motor so auszubilden, daß derselbe in einem Bereich arbeitet, welcher gewöhnlich 50$ der zulässigen Sättigungs- Kraftliniendichte nicht überschreitet, wenn die Kraftlinien des permanenten Magneten und das Maximum der Wechselstromkraftlinien der Erregerwicklung kombiniert werden. Beim Motor gemäß der Erfindung betragen die Kraftlinien 0 des permanenten Magneten aiifehernd das Zehnfache des Maximums der Kraftlinien 0 der Erregerwicklung, was entsprechend den

CL

Gleichungen (4) und (6) ein Motordrehmoment ergibt, das annähernd vierzig mal größer ist als ohne den polarisierten, umlaufenden magnetischen Stromkreis erzielt werden könnte*

Das magnetische Material für den Statorstromkreis und die Rotorscheiben 11 und 12 muß sorgfältig ausgewählt werden.

-9-9098U/1231

BAD ORIGINAL

ie ^: ;i91'660A

Das magnetische Material muß.eine hohe Durchlässigkeit aufweisen, welche für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung mit mehr als 20 000 angegeben werden kann. Magnetische Materialien von hoher Durchlässigkeit sind wesentlich, um den Reluktanzverlust unter 5% des Eingangsströmes zu halten.

Das magnetische Material muß auch eine hohe Sättigungs-Kraftliniendichte aufweisen, so daß eine beträchtliche Vervielfachung des Drehmoments durch die Verwendung der Kraftlinien des permanenten Magneten erzielbar ist, ohne daß eine abnormal große Bauweise erforderlich wäre. Pur die Zwecke der vorliegenden Beschreibung werden hohe Sättigungs-Kraftliniendichten als Sättigungsdichten von mehr als 10 000 Gauß definiert.

Es ist ferner wesentlich, daß das magnetische Material eine verhältnismäßig kleine Hysteresisschleife aufweist, so daß die Hysteresisverluste bei der Betriebsfrequenz des Motors in Grenzen gehalten werden. Pur die Zwecke der vorliegenden Beschreibung kann ein Material mit niedriger Hysteresis als ein Material definiert werden, bei welchem der Hysteresisverlust unter 500 Erg/cm /Periode liegt.

Ein magnetisches Material aus einer Eisenlegierung, die wenigstens 40 Gewichts-^ Nickel enthält, wurde als die gewünschte Kombination befunden, welche hohe Durchlässigkeit und hohe Sättigungs-Kraftliniendichte sowie einen niedrigen Hysteresisverlust aufweist. Der Nickelgehalt wird vorzugsweise auf 47 - 50$ gehalten. Solche Materialien weisen eine Durchlässigkeit von ungefähr 50 000, eine Sättigungs-Kraftliniendichte von 16 000 Gauß und einen Hysteresisverlust von ungefähr 500 Erg/cm /Periode auf.

In einem wirksamen, durch eine Trockenbatterie angetriebenen Synchronmotor müssen die Wirbelstromverluste ebenfalls auf ein Minimum verringert werden. Um dies zu erreichen, wird ein magnetisches Material ausgewählt, das einen verhältnismäßig hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, welcher für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung als ein Widerstand von mehr als 60 m0hm/cm definiert werden kann. Der Widerstand liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 75 - 90 m0hm/cm. Ein hoher spezifi-

9098U/12 31

5AD

I₁ ¹I916604

scher Wideband wird im magnetischen Material durch den Zusatz von Silizium oder Molybdän erzielt. Es wurde jedoch gefunden, daß der Zusatz von Silizium oder Molybdän die Durchlässigkeit und die Sättigungs-Kraftliniendichte des magnetischen Materials nachteilig beeinflußt, wähieid derselbe andererseits die wünschenswerte Wirkung einer Verringerung der Hysteresisverluste hat. Es wurde gefunden, daß ungefähr J5 Gewichts-^ Silizium oder Molybdän den spezifischen Widerstand im bevorzugten Bereich erhöhen, ohne die Eigenschaften der honen Durchlässigkeit oder der hohen Sättigungs-Kraftliniendichte des Materials auszuschließen. Es wurde auch gefunden, daß der Zusatz von drei Gewichts-^ Silizium oder Molybdän die Hysteresisverluste in dem. wünschenswerten Bereich unter JOO Erg/cm /Periode verringern.

Um die Wirbelstromverluste weiter zu verringern, werden verhältnismäßig dünne Lamellen verwendet. Materialien aus einer Eisen-Nickellegierung mit einer Dicke von ungefähr 0,15 mm können mit geringen Kosten hergestellt werden. Pur den Motor der dargestellten Ausführungsform werden daher Lamellen mit dieser Dicke ausgewählt.

Die Auswahl verhältnismäßig dünner Lamellen mit einer Dicke von 0,15 mm ist noch aus einem anderen Grund von Bedeutung. Bei der Ausbildung eines Motors ist es wünschenswert, die Größe des Luftspalts auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Kleine Luftspalttoleranzen werden jedoch gewöhnlich erzielt, indem kostspieligere Bearbeitungs- und Konstruktionsverfahren angewendet werden, die im allgemeinen ziemlich teuer sind. Pur billige Schaltmotoren werden die Rotor- und Statorlamellen vorzugsweise unter Verwendung von Stanzverfahren erzeugt. Bei dünnen Lamellen mit einer Dicke von 0,15 nun können die Rotor- und Statorlamellen unter Verwendung von mit hoher Geschwindigkeit vorrückenden Kohlenstoffmatrizen mit geringen Kosten ausgestanzt werden, wobei der maximale Luftspalt im Bereich von 0,125 mm gehalten wird. Dies wird erreicht, indem positive Toleranzen für die Rotorscheiben und negative Toleranzen für die Statoröffnung vorgesehen werden, so daß bei Abnützung der Matrizen der Luftspalt verringert und niemals größer wird als 0,125 mm. Durch Verwendung sehr dünner Lamellen können daher nicht

— 1 ; —

0 0 9SU/123 1

SAD ORIGINAL

nur die Wirbelstromverluste verringert werden, sondern es kann auch mit geringen Kosten ein kleiner Luftspalt erhalten werden.

Die Lamellen des Statorkerns auf einer Seite des Rotors sind die gleichen wie jene auf der anderen Seite und können daher aus den gleichen Stanzteilen hergestellt werden. Die durch die Erregerwicklung hindurchgehenden Teile werden jedoch vorzugsweise in ihrer Länge verändert, um eine überlappte Verbindung statt einer Stoßverbindung zu erhalten. Die überlappte Verbindung verringert die Reluktanz des magnetischen Weges\

Besondere Sorgfalt muß angewendet werden, um Streustromverluste auf ein Mindestmaß herabzusetzen, die entstehen, wenn die Kraftliniendichte B zu groß wird, Der Hysteresisverlust ist proportional zu B ' und Kupferverluste sind im allgemeinen proportional

2
zu B . Eine unerwünscht hohe Kraftliniendichte B kann auftreten, wenn der Pluß des permanenten Magneten zu hoch ist oder die Größe der Rotorzähne und der Statorpolflächen zu klein ist. Die Wellenform des den Motor erregenden Signals ist ebenfalls von Bedeutung. Eine Sinuswellenquelle ist vorzuziehen und eine Viereckwellenquelle annehmbar. Wellenformen mit periodischen Spitzen, wie sie beispielsweise durch Schaltüberspannungen verursacht werden, sind höchst unerwünscht, weil sie unverhältnismäßig hohe Streuverluste erzeugen.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Motor wies die folgenden Abmessungen auf: einen Rotordurchmesser von 9*375 mm, einen Luftspalt von nicht mehr als 0,125 mm und Lamellen mit einer Dicke von 0,15 mm. Das magnetische Material bestand aus einer Eisenlegierung, die 4-7 Gewichts-^ Nickel und 3 Gewichts-^ Molybdän enthielt. Dieses magnetische Material hatte eine Durchlässigkeit von j50 000, einen elektrischen Widerstand von 90 mOhm/cm, eine Sättigungs-Kraftliniendichte von 11 000 Gauß und einen Hysteresisverlust von 250 Erg/cnrVPeriode.

Bei Erregung durch eine Sinuswellenquelle von 150 Hz wurden die folgenden Charakteristiken gemessen:

BAD

-12-

9 0 9 8 Uk/12 3 1

916604

E	I_	W Eingang	W Ausgang	Leistung	60
vöTt	mAmp -Λο	Λ in Watt Ai-*	in Watt -Af*	* %	70
0,76	135	84	50	65
0,80	145	110	77
0,95	150	139	95

Wenn der gleiche Motor durch eine Viereckwellenquelle von 150 Hz betätigt wird, wurden die folgenden Charakteristiken gemessen:

E	I	W Eingang	W Ausgang^	Leistung
Gleich strom in Volt	mAmp . iü	-* in Watt Ac-*	in Watt i*-	%
1,2	440	529	275	52
1,5	5^5	816	355	43,6

dO98U/1231

Ύ91

1315604

Die vollständige, durch eine Batterie angetriebene elektrische Uhr mit dem Motor 1 ist in Fig. 5 dargestellt und in einem ausgebreiteten Diagramm in Fig. 6» In Fig. 6 sind die verschiedenen Zahnräder und Wellen aus ihren in Fig. 5 gezeigten Normalstellungen verschoben und nebeneinander angeordnet, um eine einfachere Darstellung des Zahnradvorgeleges zu erhalten.

Der Motor 1 und das zugehörige Zahnradvorgelege 2 sind zwischen parallelen Platten 50 und 51 angeordnet,die durch entsprechende Verbindungsbolzen und Abstandsstücke zwischen den Platten im gewünschten Abstand gehalten werden. Der Stator des Motors ist an der vorderen Platte 50 befestigt und wird durch entsprechende Bolzen in Stellung gehalten, die durch die Lamellen des Stators ^ hindurchgehen, sowie durch entsprechende Abstandsstücke, die zwischen der vorderen Platte und dem Stator angeordnet sind. Für diesen Zweck können die Bolzen 35 (Fig. 1) verwendet werden, sowie zusätzliche Bolzen, die durch die Bohrungen 36 (Fig. 1) hindurchgehen.

Die Welle 20, welche den Rotor des Motors trägt, ist zwischen einem Paar von Stellschraubenlagern 53 und 5^ gelagert, die in den Platten 50 und 51 angeordnet sind. Die Stellschrauben dieser Lager werden so eingestellt, daß sie den Rotor relativ zum Stator zentrieren, nachdem der letztere an der vorderen Platte befestigt ist. Die Stellschraubenlager werden auchfeo eingestellt, daß der richtige Lagereingriff mit der Welle erhalten wird. Ein Schwungrad 55 ist auf der Welle zwischen dem Rotor und der hinteren Platte 51 befestigt, und ein Ritzel 56 ist auf der Welle in der Nähe der vorderen Platte 50 angeordnet.

Das Ritzel 56 treibt ein großes Zahnrad 60 (mit 80 Zähnen) an, das auf einer Welle 61 angeordnet ist, die zwischen Stellschraubenlagern 62 und 63 gelagert ist. Ein Ritzel 6h auf der Welle 61 steht mit einem Zahnrad 65 in Eingriff, das auf einer Welle 66 angeordnet ist, die in der hinteren Platte 51 gelagert ist. Ein Ritzel 67 auf der Welle 66 steht mit einem Zahnrad 68 in Eingriff, das am Sekundenzeiger der Uhr durch eine Welle 69 befestigt ist. Das Zahnrad 68 ist auf einem Ritzel 70 befestigt, das mit einem Zahnrad 71 in Eingriff steht (der Deutlichkeit halber auf der lin-

Ö098U/1231

Ύ91'6604

ken Seite der Pig. 6 dargestellt), welches auf einer Welle 72 angeordnet ist. Ein am Zahnrad 71 befestigtes Ritzel 73 steht mit einem Zahnrad 74 in Eingriff. Das Zahnrad 74 ist über eine Reibungskupplung 76 mit einer Hohlwelle 75 verbunden, die ihrerseits mit dem Minutenzeiger der Uhr gekuppelt werden kann. Ein Ritzel ist auf der Hohlwelle 75 angeordnet, und steht mit einem Zahnrad 78 in Eingriff, das auf einer Welle 79 angeordnet ist. Das zugehörige Ritzel 80 treibt ein Zahnrad 81 an, das auf einer Hohlwelle 82 befestigt ist, welche ihrerseits mit dem Stundenzeiger der Uhr gekuppelt werden kann.

Die Übersetzungsverhältnisse im Zahnradvorgelege, welches die Zeiger der Uhr mit dem Motor kuppelt, sind folgende:

Ritzel Angetriebenes Zahnrad

56 60

64 65

67 68

70 71

73 74

77· 78

80 81

Eine mit einem doppelten Plansch versehene Buchse 85 ist auf der vorderen Platte 50 angeordnet und die mit dem Stunden- und Minutenzeiger gekuppelten Hohlwellen 82 bzw. 75 sind innerhalb der Buchse konzentrisch gelagert. Die Nabe des Ritzels 77* welche die Reibungskupplung 76 trägt, ist innerhalb des Endes der Hohlwelle 75 befestigt. Die mit dem Sekundenzeiger gekuppelte Welle 69 ist in der Mitte des Ritzels 77 gelagert.

Die Anlaß- und Zeiteinstelleinrichtung 3 ist teilweise in den Figuren 5 und 6 gezeigt sowie in einer schaubildlichen Ansicht in Pig. 7 dargestellt. Ein Knopf 90, der zum Einstellen der Stunden- und Minutenzeiger der Uhr verwendet wird, ist auf dem Ende einer Welle 91 befestigt, die durch die hinteren und vorderen Platten und 50 hindurchgeht, wie Pig, 6 zeigt. Ein Ritzel 94 ist abgeschrägt, um auf einer Seite eine konische Nockenfläche zu bilden,

9Q98U/ 123 1

Verhältnis	0/80
1	8/64
	8/75
	8/64
	8/60
	4/42
1	2/48
1

und ist auf dem dem Knopf 90 entgegengesetzten Ende der Welle 91 befestigt. Eine die Welle 91 umgebende Druckfeder 92 ist zwischen der hinteren Platte 51 und dem Flansch einer Buchse 95 angeordnet, um die ebene Fläche des Ritzels 94 gegen die vordere Platte 50 zu drücken.

Wenn der Knopf 90 herausgezogen wird, bewegt sich die Welle 91 in der Richtung des Pfeils (Fig. 7), so daß das Ritzel 94 mit dem Zahnrad 78 in Eingriff kommt. Das Zahnrad 78 ist mit dem Minutenzeiger gekuppelt und die Drehung des '(herausgezogenen) Knopfes stellt die Minuten- und Stundenzeiger der Uhr ein. Diese Drehbewegung wird infolge der Reibungskupplung 76 nicht auf den Sekundenzeiger der Uhr oder den Motor zurück übertragen. Die Abschrägung " des Ritzels 94 bewirkt einen leichten Eingriff mit dem Zahnrad 78, wenn der Knopf herausgezogen wird.

Die Abschrägung des Ritzels 94 dient auch als Nockenfläche für die Motoranlaßeinrichtung. Ein Nockenstößel 95 ist um eine Welle 96 drehbar angeordnet und auf einem verlängerten Arm 97 befestigt. Der Arm 97 steht seinerseits mit einer Anlaßfeder 98 in Eingriff, die auf der hinteren Platte 51 (Fig. 5) befestigt ist. Die Feder 98 ist so angeordnet, daß sie gegen den Arm 97 anliegt. In ihrer Normalstellung gibt daher die Feder das Zahnrad 60 frei, welches über das Ritzel 56 mit dem Rotor des Motors gekuppelt ist.

Wenn der Knopf ^Q herausgezogen wird, um die Uhr einzustellen, bewirkt die entsprechende Bewegung der Welle 91* daß die Nockenfläche mit dem Nockenstößel 95 in Eingriff kommt, um dadurch den Arm 97 um die Welle 96 zu verdrehen. Wenn sich der Arm 97 verdreht, wird die Feder 98 gespannt und mit den Zähnen des Zahnrades 60 in Eingriff gebracht. Wenn der Knopf 90 später freigegeben wird, kehrt die Welle 91 in die Ausgangsstellung zurück, so daß der Nockenstößel 95, der Arm 97 und die Feder 98 freigegeben werden. Wenn die Feder 98 in ihre Normalstellung zurückkehrt, wird dem Zahnrad 60 eine Drehbewegung erteilt, welche durch das Ritzel 56 auf den Rotor des Motors 1 übertragen wird. Die Feder ist so ausgebildet, daß die dem Rotor erteilte Drehzahl etwas größer ist als die Synchrondrehzahl des Motors. Wenn daher die Drehzahl des Rotors abzunehmen beginnt, sinkt dieselbe auf die Synchrondrehzahl

-16-9 098U/1231

ι t ι

_n 19T&604

ab. Das Schwungrad 55 erhöht die Trägheit des Rotors, um die Geschwindigkeit zu vermindern, mit welcher die Rotordrehzahl abnimmt, wodurch die Aussichten wesentlich verbessert werden, daß sich der Rotor mit der Synchrondrehzahl dreht.

Wenn daher der Benutzer der Uhr die Zeiger einstellt, laßt er gleichzeitig den Motor an. Das Anlassen des Motors erfolgt somit automatisch und der Benutzer merkt nicht, daß der Motor mit der Hand angelassen wird. Bei einer durch eine Batterie angetriebenen Uhr ist der mit der Hand angelassene Motor gemäß der Erfindung den selbst-startenden Motoren vorzuziehen, weil bei den letzteren während des Startens unnötig elektrische Energie verbraucht wird und die Selbststarter die Neigung zeigen-, während des Normalbetriebes elektrische Energie zu verschwenden.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Motor durch eine Trockenbatterie 100 angetrieben, die in Fig. 9 schematisch dargestellt ist. Die Trockenbatterie kann von üblicher Größe sein und eine Leerlaufspannung von 1,55 V aufweisen. Ein Stimmgabel-Oszillator 101 liefert die Normalfrequenz und ein Motorantriebsstromkreis 102 arbeitet mit einer durch den Oszillator kontrollierten Frequenz, um die Motorwicklungen zu erregen.

Eine Stimmgabel 105 ist in üblicher Weise zwischen den Platten 50 und 51 des Uhrgehäuses angeordnet und die Abnehmer- und Antriebswicklungen 104 bzw. 105 sind zwischen den Zinken der Stimmgabel angeordnet. Die Abnehmerwicklung ist rund um einen zylindrischen permanenten Magnetkern 106 gewickelt und enthält 8 000 Windungen des Drahtes Nr. 48, um einen Widerstand der Wicklung von ungfähr 1 500 0hm zu erhalten. Die Antriebswicklung ist konzentrisch rund um die Abnehmerwicklung gewickelt und enthält 4 500 Windungen des Drahtes Nr. 46, um eine Wicklung zu erhalten, die einen Widerstand von ungefähr 1 500 0hm aufweist. Die Dicke der Wicklung ist etwas geringer als der Abstand zwischen den Zinken der Stimmgabel, um gerade genug Spielraumtür die freie Schwingung der Stimmgabel zu lassen. Die Abnehmerwicklung ist vorzugsweise innerhalb der Antriebswicklung angeordnet, um eine bessere Empfindlichkeit des Abnehmersignals zu erzielen. Die Wicklungen sind konzentrisch gewickelt und zwischen den Zinken der Stimmgabel angeordnet, um eine

G 61/1 -17-

909SU/1231

I - t ■ ■ f

^: 1<Η6·6'04

kompaktere Bauweise zu erhalten als bei Anordnung der Wicklungen, außerhalb der Stimmgabel.

Die auf übliche Weise ausgebildete Stimmgabel 103 schwingt bei 300 Hz. Stimmgabeln, die bei niedrigeren Frequenzen schwingen, könnten verwendet werden, sind aber wegen ihrer größeren Form und Einstellungsempfindlichkeit weniger wünschenswert. Eine permanente Magnetscheibe 107 ist in axialer Richtung magnetisiert und auf einer mit Innengewinde versehenen Nabe 108 angeordnet, welche mit einem auf dem Uhrgehäuse befestigten ortsfesten Zapfen 109 zusammenwirkt. Die Lage dieses permanenten Magneten dicht angrenzend an eine der Zinken der Stimmgabel hat eine Wirkung auf die Schwingungsfrequenz derselben. Wenn daher die permanente Magnetscheibe 107 verdreht wird, bewegt sie sich quer zur Zinke der Stimmgabel und die Wirkung des permanenten Magneten auf die Schwingungsfrequenz derselben kann in der gewünschten Weise verändert werden. Auf diese Weise können kleinere Einstellungen der Schwingungsfrequenz der Stimmgabel vorgenommen werden.

Der Stimmgabel-Oszillator 101 enthält einen NPN-Transistor Q₁- Der Emitter des Transistors ist mit der negativen Klemme der Batterie 100 verbunden und der Kollektor desselben ist über die Antriebswicklung 105 mit der positiven Klemme der Batterie verbunden. Ein Ende der Abnehmerwicklung 104 ist mit der positiven Klemme* der Batterie verbunden und das andere Ende ist über den Blockkondensator 111 mit der Basis des Transistors Q₁ verbunden. Ein Kondensator 110 ist zur Abnehmerwicklung 104 parallel geschaltet und ein Widerstand 112 ist zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors angeordnet.

Die Werte für die Bestandteile im Oszillatorstromkreis sind folgende :

Transistor Q₁ 2N2925

Kondensator 110 0,1 Mikrofarad

Kondensator 111 0,1 Mikrofarad

Widerstand 112 330 K

Der Kondensator 110 verringert die Größe jeder Hochfrequenzschwingung, so daß ungewollte Hochfrequenzschwingungen deitj Transistor Q₁

^{G 61/1} 909844/1231 '¹⁸~

nicht in einem leitenen Zustand versetzen können. Die Kondensatoren 110 und 111 dienen auch dazu, die elektrische Resonanzfrequenz des Oszillators in die Nähe der natürlichen Resonanzfrequenz der Stimmgabel zu verschieben.

Der Kondensator 111 bewirkt eine Gleichstromisolierung zwischen der positiven Klemme der Batterie und der Basis des Transistors Q₁, da sonst die Batteriespannung über die verhältnismäßig niedrige Impedanz der Wicklung 104 auf die Basis zur Einwirkung kommen würde. Der Widerstand 112 weist eine viel höhere Impedanz als die Wicklung 104 auf und liefert eine leicht positive Vorspannung, welche den Transistor leitend zu machen trachtet, so daß der Oszillator selbst-startend ist. Der Widerstand 112 muß genügend groß sein, um unnützen Stromverlust während des Normalbetriebes zu vermeiden.

Wenn der Stimmgabel-OszialMor erregt wird, fließt ein schwacher Strom durch die Wicklung 105, den Widerstand 112 und den Basis-Emitterstromkreis des Transistors Q₁, um denselben schwach leitend zu machen. Der Kollektor-Emitterstromkreis ermöglicht daher, daß ein stärkerer Strom durch die Antriebswicklung 105 fließt, welche ihrerseits die Zinken der Stimmgabel 103 in Bewegung setzt. Die Bewegung der Zinken.moduliert die Reluktanz des Flußweges für den permanenten Magneten 106 und die sich ergebende Veränderung des Flusses induziert in der Abnehmerwicklung ein Signal, das die richtige Polarität aufweist, um den leitenden Zustand des Transistors zu verstärken. Die Kupplung 1st regenerativ und zusätzlicher Strom fließt daher durch die Antriebswicklung. Der Transistor wird rasch zur Sättigung gebracht.

Wenn die Zinken der Stimmgabel das Ende ihres Hubes erreichen und ihre Bewegungsrichtung umkehren, wird auch die Polarität des in der Abnehmerwicklung induzierten Signals umgekehrt und trachtet bei Einwirkung auf die Basis des Transistors Q₁ denselben nicht leitend zu machen. Dieses in der Abnehmerwicklung induzierte Signal muß die vom Kondensator 111 herrührende Vorspannung überwinden. Das nicht leitende Intervall 130, das in Fig. 11a gezeigt ist, ist daher kürzer als das leitende Intervall. Wenn die Zinken später ihre Bewegungsrichtung wieder umkehren, wird der Tran-G 61/1 9Q9 8U/i23 1 "¹^"

ßAD ORIGINAL

ft* 1 · Tf

• 1 * 1 I »

fl lit 1111 1

I* 9 11*111 1 ftf

·· ' ' 19T6-SO4

- sistor leitend und der Arbeitsgang wiederholt sich.

Wie aus Fig. 11a ersichtlich ist, die das Signal auf dem Kollektor des Transistors Q₁ zeigt, ist eine ziemlich große Schaltüberspannung 151 vorhanden, welche hauptsächlich durch die beträchtliche Induktanz der Antriebswicklung 105 bewirkt wird. Wie bereits erwähnt, wird die Wirkungsweise des Motors durch Schaltüberspannungen nachteilig beeinflußt und die in Fig. 11a gezeigte Wellenform ist daher für die Einwirkung auf den Motor nicht geeignet.

Der Motorantriebsstromkreis 102 ist ein bistabiler Stromkreis, welcher viereckige Wellen erzeugt, die für die Einwirkung auf den Mo-

tor 1 geeignet sind. Der getrennte MotorantriebsStromkreis vermei- w _t det eine Belastung des Oszillatorstromkreises und bewirkt auch eine Frequenzverringerung, welche die Verwendung einer höheren Schwingungsfrequenz der Stimmgabel zuläßt als sonst möglich wäre.

Der Motorantriebsstromkreis enthält die NPN-Trans is tor en Q₂ und Q-,. Die Emitter der Transistoren sind mit der negativen Klemme der Batterie 100 verbunden und die Kollektoren derselben sind mit der positiven Klemme über die Wicklungen 11J5 bzw. 114 verbunden, welche die beiden Wicklungen der in der Mitte angezapften Erregerwicklung 31 des Motors sind. Die Transistoren sind kreuzweise gekuppelt durch den Widerstand II5, der zwischen dem Kollektor des Transistors Q₂ und der Basis des Transisters .Q-, eingeschaltet ist, und ■ durch den Widerstand 116, der zwischen dem Kollektor des Transistors Q^ und der Basis des Transistors Q₂ eingeschaltet ist. Die Anoden der Kupplungsdioden II7 und 118 sind mit den Basen der Transistoren Q₂ bzw. Q, verbunden und ihre.gemeinsame Kathodenverbindung ist über einen Widerstand II9 mit der negativen Klemme der Batterie verbunden. Die gemeinsame Kathodenverbindung ist auch über einen Kopplungskondensator 120 mit dem Kollektor des Transistors Q₁ im Stimmgabel-Oszillatorstromkreis verbunden.

Die Werte der Bestandteile im Motorantriebsstromkreis sind folgende:

G 61/1 -20-

9 0 9 8 UkI12 31

19T6^:604

Transistoren Q₂ und Q^ 2N2925

Widerstände 115 und 116 33 K

Widerstand II9 330 K

Kondensator 120 0,1 Mikrofarad

Es sei angenommen, daß der Transistor Q₂ anfänglich leitend ist. Der Strom fließt durch die Wicklung II3 und den Kollektor-Emitterstromkreis des Transistors Qp, so daß die Wicklung durch einen Impuls 133 erregt wird, wie in Fig. 11b angegeben ist. Der Kollektor des Transistors Q₂ weist eine Spannung auf, die jener der negativen Klemme der Batterie naheliegt und der Transistors Q., wird daher 'über den Widerstand II5 ausgeschaltet. Da der Transistor Q, nicht leitend ist, ist dessen Kollektor positiv und hält den Transistor Q₂ über den Widerstand 116 im leitenden Zustand.

Wenn ein negativer Impuls I30 (Pig. 11a) am Kollektor des Transistors Q. erscheint, ist derselbe über den Kondensator 120 mit den Basen der Transistoren Q₂, Q^ und mit den Dioden 117* 118 verbunden. Der negative Impuls beeinflußt dann den im leitenden Zustand befindlichen Transistor Q₂ und schaltet denselben aus. Der Kollektor des Transistors Q₂ wird daher positiv und macht den Transistor Q., über den Widerstand 115 leitend. Der Kollektor des Transistors cL wird negativ und der Transistor Q₂ wird daher im nicht leitenden Zustand gehalten. Der negative Impuls verändert somit die Zustände der Transistoren und ein Impuls 133 wird der Wicklung 114 zugeführt, wie in Pig. 11c angegeben ist.

Jedes Mal, wenn ein negativer Impuls auf den Motorantriebsstromkoeis zur Einwirkung kommt, verändern die Transistoren ihren Zustand und der Stromkreis wird daher ein- und ausgeschaltet. Da der negative Impuls I30 bei einer Frequenz von 3OO Hz auftritt, werden die Wicklungen II3 und 114 bei einer Frequenz von I50 Hz erregt.

Die in Pig. 9 gezeigten Stromkreise sind verhältnismäßig einfach und weisen im Hinblick auf die von denselben ausgeführten Aufgaben eine ziemlich geringe Zahl von Bestandteilen auf. Im Motoran-

^{G 61/1} 9098U/1231 ~²¹~

triebsstromkreis wurden die. Kopplungskondensatoren weggelassen,. welche gewöhnlich die Kopplungswiderstände 115 und 116 umgehen. Es wurde gefunden, daß die Induktanz der Wicklungen 113 und 114 die Schaltaufgaben unterstützt, so daß diese Kondensao]tren nicht erforderlich sind.

Wie Fig. 5 zeigt, kann die hintere Platte 51 eine nicht leitende Unterlage sein, auf welcher die elektrischen Bestandteile, wie z.B. 121, auf einer Seite angeordnet und durch gedruckte Stromkreise auf der anderen Seite miteinander verbunden sind. Diese Anordnung ergibt eine Kostenersparnis und eine Verringerung der Größe.

In einer durch eine Batterie angetriebenen Uhr ist es wesentlich, daß die Transistoren Q₁, Q₀ und Q^ niedrige Sättigungsspannungen aufweisen. Eine hohe Sättigungsspannung erhöht den Energieverbrauch der Transistoren, aber durch diese Wirkung wird die Lebensadauer der Batterie in der Uhr gewöhnlich um nicht mehr als 10$ herabgesetzt. Von größerer Bedeutung ist die in Pig. 10 veranschaulichte Beziehung.

Wenn eine neue Trockenbatterie eingesetzt wird, beträgt die Klemmenspannung ungefähr 1,55 V und wird mit der Zeit längs einer Kurve 14O abnehmen. Im Stromkreis gemäß Pig. 9 sind die Transistoren so ausgewählt, daß sie eine Sättigungsspannung von weniger als 0,2 V aufweisen. Der Stromkreis arbeitet zuverlässig, bis die Batteriespannung auf ungefähr 1,0 V absinkt. Die unterbrochene Linie 14J gibt daher die Ausschaltspannung an und die Linie 141 gibt die Lebensdauer der Einheit an, welche im vorliegenden Pail ungefähr 12 Monate beträgt.

Wenn die Sättigungsspannung der Transistoren um 0,2 V auf beispielsweise 0,4 V zunimmt, zeigt die unterbrochene Linie 144 bei 1,2 V den Ausschaltpunkt an, der nach ungefähr 7 Monaten statt nach 12 Monaten eintritt. Wenn die Sättigungsspannung auf 0,6 V zunimmt, wird die Lebensdauer auf ungefähr 4 Monate verringert. Demgemäß muß die Sättigungsspannung des Transistors unter 0,2 V gehalten werden, wenn eine angemessen lange Lebensdauer der Batterie erzielt werden soll.

G 61/1 -22--

809844/1231

In der Uhr mit dem Motor gemäß der Erfindung ist die Stromentnahme ungefähr wie folgt aufgeteilt:

Y Stimmgabeloszillator 75 mAmp

Motor und Motorantriebsstromkreis 325 mAmp

Insgesamt 400 mAmp

Mit dieser Stromentrahme und einem zuverlässigen Betrieb bis zu einer Klemmenspannung der Batterie von 1,0 V kann mit einer einzigen Trockenbatterie ein Betrieb während mehr als 12 Monaten erreicht werden.

Das Kippmoment des Motors beträgt unter diesen Bedingungen mehr als 120 g/mm, was mehr als das Doppelte des Drehmoments ist, das für die Uhr allein erforderlich ist. Die Einheit kann daher auch zur Ausführung von Hilfsaufgaben verwendet werden.

Die durch eine Batterie angetriebene Uhr gemäß der Erfindung ist auch ziemlich kompakt. Die ganze Uhr kann in einem Gehäuse angeordnet werden, das eine quadratische Grundfläche mit einer Seitenlänge von 7*5 cm und eine Höhe von 2,5 cm aufweist.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene beispielsweise Ausführungsform beschränkt, die verschiedene Abänderungen erfahren kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Patentansprüche

G 61/1 -23-

90984A / 1 23 Ί

Claims (16)

1. S 3 I

   ti* t I » t

   ·..-' '. ·»· : 19·Τ6βΌ4

   Dr. Ing. E. BERKENFELD . Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln

   Anlage Aktenzeichen

   zur Eingabe vom 1. April 1969 Sch. ^{Name d}·^Anm· General Time Corporation

   Patentansprüche

   Uhr mit Batterie antrieb mit einer Primärzelle als }, Energiequelle, mit einem Frequenz^gesteuerten und von dieser Primärzelle erregten Oszillator, wobei dieser Oszillator ein Zeitsignal mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

   • eine Stimmgabel in dem Oszillator,

   ^f eine erste Festkörpervorrichtung in dem Oszillator,

   eine Aufnahmeschaltung zum Feststellen der mechanischen Schwingungen der Schwihggabel, die an die Festiörperschaltung angeschlossen ist, um an diese ein entsprechendes elektrisches Sigt nal anzulegen, um diese damit leitend zu machen, ■ eine an die Schwinggabel angekuppelte Antriebsspule, um diese bei Erregung zu bewegen, wobei diese Antriebsspule an die erste Festkörpervorrichtung angeschlossen ist und nach Maßgabe von

   * deren leitendem Zustand erregt wird,

   ein Synchronmotor mit einer Wicklung, und eine Motorantriebsschaltung, die von der Primärzelle erregt wird und folgende Merkmale aufweist:

   eine zweite Festkörpervorrichtung, die an die Wicklung angeschlossen ist und diese erregt, wenn sie leitend ist, wobei der Potentialabfall Über der zweiten Festkörperschaltung im voll leitenden Zustand weniger als 0,2 Volt beträgt und Schaltungsmittel vorgesehen sind, die die zweite Festkörpervorrichtung an den Frequenz_gesteuerten Oszillator anschließen, um einen An-Aus-Betrieb der zweiten Festkörpervorrichtung nach Maßgabe der vorgegebenen Frequenz des Abstimmsignales zu bewir- * ken. :

   G 61/1 9098 4-4/1231. -24-V _:-
2. 2. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeschaltung einen Dauermagneten enthält, der einen Magnetfluß erzeugt, der durch mindestens eine der Zinken der Abstimmgabel durchtritt, eine Aufnahmespule eine Änderung in dem Magnetfluß des Dauermagneten nach Maßgabe der Schwingungen der Schwinggabel feststellt und ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, und ein Kondensator über die Aufnahmespule geschaltet ist.
3. 3. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Festkörpervorrichtung ein Transistor ist und dieser normalerweise so vorgespannt ist, daß er sich in leicht leitendem Zustand befindet.
4. 4. Uhr nach Anspruoh 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein Kollektor-Emitter-Sättigungspotential von weniger als 0,2 Volt hat.
5. 5. Batterie nach Anprueh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeschaltung eine Aufnahmespule enthält und die Aufnahmespule und die Antriebsspule unter Bildung einer kompakten Einheit zwischen den Zinken der Schwinggabel angeordnet sind.
6. 6. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung zwei Spulen enthält, eine dieser Spulen so geschaltet ist, daß sie von der zweiten Festkörpervorrichtung erregt wird, die Matorantriebsschaltung noch eine dritte Festkörpervorrichtung enthält, die in leitendem Zustand die andere Spule erregt, der Potentialabfall über der dritten Festkörperschaltung, wenn sie sich in voll leitendem Zustand befindet, ebenso weniger als 0,2 Volt beträgt, und die zweite und die dritte Festkörperschaltung so miteinander verbunden sind, daß sie ihre entsprechenden Spulen abwechselnd erregen.
7. 7. Uhr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und die dritte Festkörpervorrichtung Transistoren sind.
8. 8. Uhr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die \ Transistoren über Kupplungsdioden an den Frequenz„gesteuerten Oszillator angeschlossen sind.

   G 61/1 -25-

   909844/1231

   J ·
9. 9. Uhr nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren über Widerstände kreuzweise miteinander verbunden sind und die Spulen an die Kollektoren.der Transistoren angeschlossen sind, um den An-Aus-Betrieb der Motorantriebsschaltung zu unterstützen.
10. 10. Uhr nach Anspruch 1-9> gekennzeichnet durch die fol- '■ genden Merkmale:

    eine mechanische Resonanzvorrichtung,

    ■ eilen elektrischen Oszillator, der die mechanische Resonanzvorrichtung enthält, wobei der Oszillator ein Zeitsignal mit einer Frequenz erzeugt, das von der Resonanzvorrichtung bestimmt wird,

    \ einen Synchronmotor, der folgende Merkmale aufweist: eine polarisierte, rotierende magnetische Schaltung, eine Erregerwicklung und

    ' einen Statorkern, der durch die Wicklung durchtritt und den von der Erregerwicklung erzeugten Magnetfluß auf eine Vielzahl von Statorpolflächen verteilt, die die rotierende magnetische Schaltung umgeben, und

    eine Motorantriebsschaltung, die die folgenden Merkmale aufweist: mindestens eine Festkörpervorrichtung, die in leitendem Zustand die Erregerwicklung erregt und

    Schaltungsmittel, die die Pestkörpervorrichtung an den Oszillator anschließen, so daß die Pestkörpervorrichtung im An-Aus-Betrieb

    ■ nach Maßgabe einer von dem Zeitsignal bestimmten Frequenz ärbei- ' tet.
11. 11. Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung zwei Spulen enthält und die Festkörpervorrichtung an eine dieser Spulen angeschlossen ist, um dieselbe zu erregen, und die Motorantriebsschaltung eine zweite Festkörpervorrichtung enthält, die an die andere der Spulen angeschlossen ist, um dieselbe zu erregen, und die beiden Pestkörpervorrichtungen abwechselnd leitend werden.
12. 12. Uhr nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pestkörpervorrichtungen Transistoren sind.

    G 61/1 -26-

    909844/1231
13. 13. Uhr naoh Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren eine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung von weniger als 0,2 Volt haben.
14. 14. Uhr naoh Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Resonanzvorrichtung eine Schwinggabel ist.
15. 15· Uhr nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Oszillator die folgenden Merkmale enthält: eine Aufnahmesohaltung zum Erfassen der Bewegung der Schwinggabel und zum Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Signales, einen Transistor, der auf dieses Signal anspricht und im wesentlichen im An-Aus-Betrleb arbeitet und

    eine Antriebsspule, die an den Transistor angeschaltet ist und die Schwinggabel bei Erregung anregt.
16. 16. Uhr nach Anspruch 1-^5, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    eine Schwinggabel,

    einen Synchronmotor mit einer Erregerwicklung, zwei auseinander liegende Platten, wobei die Schwinggabel und der Synchronmotor zwischen den Platten angeordnet sind und eine der Platten ein nicht leitendes Substa^rt ist, ein erstes elektrisches Schaltungsmittel, das die Schwinggabel enthält, um damit einen Prequenz^gesteuerten Oszillator zu bilden, der ein Zeitsignal mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, ein zweites elektrisches Schaltungsmittel, das an die Erregerwicklung angeschlossen ist, um deren Erregung im An-Aus-Betrieb mit einer von dem Zeitsignal bestimmten Frequenz zu steuern, wobei das erste und das zweite Schaltungsmittel, die sich auf dem nichtleitenden Substrat befinden, mit ihren elektrischen Bauteilen durch eine gedruckte Schaltung verbunden sind, die auf die Oberfläche des Substrates aufgedruckt ist.

    17· Uhr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Getriebe zum Ankuppeln des Synchronmotors an die Uhrzeiger vorgesehen ist und das Getriebe zwischen den beiden auseinanderliegenden Platten montiert ist.
    G 61/1 -27-

    9Q9844/1231