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Elektromechanischer Schwinger Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen
Schwinger, wie er beispielsweise als Zeitgeber in Uhren verwendet wird.
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Es besteht ein Bedürfnis nach einem elektromechanischen Schwinger,
der sich durch einfache magnetische bzw. mechanische Anordnungen und einen geringen
Leistungsbedarf auszeichnet, so daß er beispielsweise mit einer Batterie betrieben
werden kann. Viele der derzeit bekannten und erhältlichen elektromechanischen Schwinger
besitzen Dauermagnete, deren Pole in Wirkungsverbindung mit mehreren Spulen stehen,
die in manchen Fällen mit Eisenkernen versehen sind. Diese bekannten Einrichtungen
haben oft einen beträchtlichen Leistungsbedarf. In Einrichtungen mit mehreren Spulen
bedingt natürlich jede Spule eine Erhöhung der Herstellungskosten.
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Es ist bekannt, als Schalteinrichtung einen Transistor zu verwenden,
der durch eine Spannung ausgelöst wird, die in einer Spule durch Bewegung eines
Magneten relativ zu der
Spule induziert wird. Bei der normalen Verwendung
eines Transistors tritt jedoch in diesem selbst ein Leistungsverlust auf, so daß
die Verlustleistung für die Aufrechterhaltung des Energieinhalts des mechanischen
Systems nicht zur Verfügung steht. In einer batteriebetriebenen Uhr kann dadurch
die Lebensdauer der Batterie stark verkürzt werden.
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Ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht somit in der Schaffung einer
einfachen und wirtschaftlichen Anordnung, die aus dem schwingenden System und der
ihm zageordneten elektrischen Schaltung besteht, eine möglichst geringe Zahl von
Bestandteilen aufweist und einen möglichst kleinen Verbrauch elektrischer energie
hat.
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Ein elektromechanischer Schwinger ist erfindungsgemäß gekennzeichnet
durch eine einstückige, ortsfeste Spule, die einen Fiwihlteil sowie einen gegensinnig
zu diesem gewickelten Treiberteil besitzt und die einen-eisenfreien, axialen Kern
koaxial umgibt, durch einen Dauermagneten, der im Bereich der Spule hin- und herbewegbar
angeordnet und mittels dessen bei einer Relativbewegung gegenüber dem Fühlteil der
Spule in diesem eine Spannung induzierbar ist, durch eine Stromquelle und eine Schalteinrichtung,
die elektrisch mit dem iMhlteil sowie dem Treiberteil der Spule verbunden sind und
durch eine Federanordnung, die den Magneten in die Nähe der Spule zu bewegen trachtet,
wobei die Spannung 9 die bei einer Wegbewegung des Magneten von der Spule induziert
wird9 eine Betätigung der Schalteinrichtung derart bewirkt, daß durch den Greiberteil
der Spule ein Strom fließt, der eine Abstoßung des Dauermagneten bei seiner an dem
Treiberteil vorbeigehenden Bewegung hervorruft.
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Erfindungsgemäß ist ein einziger Dauermagnet so angeordnet9 daß er
im Bereich einer einzigen ortsfesten Spule hin- und
herbewegbar
ist, die einen Fühlteil und einen gegensinnig zu letzterem gewickelten 'Greiberteil
besitzt. Mit der Spule ist eine einzige Niederspannungs-Schalteinrichtung z.B. ein
Transistor, verbunden. Durch Bewegung des Magneten wird in dem Fühlteil der Spule
eine Spannung induziert. Wenn diese Spannung eine geeignete Polarität und einen
geeigneten Betrag hat, genügt sie zum Einschalten des Transistors, der dann einen
Stromfluß durch den Treiberteil der Spule bewirkt.
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Die Teile der Spule und ihre Verbindungen zu dem Transistor sind derart
angeordnet, daß eine RückKopplung erzielt und bei leitendem Transistor eine hochfrequente
Wechselspannung an die Spule angelegt wird. Infolge der Wechselwirkung zwischen
den Magnetfeldern der Spule und des Magneten wird dem mechanisch schwingenden System
Energie zugeführt und sein Schwingungszustand aufrechterhalten.
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Die Rückkopplungswirkung ist darauf zurückzuführen, daß die beiden
Teile der Spule gegensinnig gewickelt sind. Die Xückkopplung sorgt dafür, daß der
Transistor nach seiner Einschaltung in den Sättigungszustand gelangt. Weil der Transistor
in diesem Zustand nur einen kleinen Innenwiderstand hat, wird der Energieverlust
im Transistor auf ein Minimum herabgesetzt und dadurch die Lebensdauer der Batterie
verlängert.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt: Fig. 1
eine schematisierte Schrägansicht eines elektromechanischen Schwingers gemäß der
Erfindung und ein Schema seiner Schaltungsanordnung; Fig. 2 eine schematisierte
Draufsicht auf die im Betrieb des Schwingers nach sig. 1 von einem Magneten beschriebene
bewegungsbahn;
Fig. 3 ein Diagramm des Verlaufs des einen Fühlteil
einer Spule durchsetzenden magnetischen Plusses je nach der Stellung des in Fig.
2 gezeigten Magneten; Fig. 4 ein Diagramm des Verlaufs der im Fühlteil der Spule
induzierten Spannung bei der in Fig. 3 dargestellten Veränderung des Kraftflusses;
Fig. 5 ein Diagramm, mit einem Fig. 3 und 4 entsprechenden Zeitmaßstab des Verlaufs
des im Treiberteil der Spule fließenden elektrischen Stroms; Fig. 6 einen vergrößerten
Ausschnitt aus Fig. 5; und Fig. 7 ein Schema der räumlichen Schaltungsanordnung
der elektromagnetischen Elemente des Schwingers.
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Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der Erfindung
besitzt einen Schaltkreis 1 und ein mechanisch schwingungsfähiges System 2. Der
Schaltkreis 1 und das System 2 bilden zusammen einen mechanischen Schwinger 3, der
entsprechend dem nachstehend erläuterten Erfindungsgedanken ausgebildet ist.
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Der Stromkreis 1 weist im wesentlichen vier Bestandteile auf, und
zwar einen Transistor 4, eine einstückige ortsfeste Spule 6 mit einem Nichteisenkern,
z.B. einem Luftkern, eine Gleichstromquelle 8 und eine zu einem Teil der Spule parallelgeschaltete
Impedanz, z.B. einen Widerstand 10. Der Basisanschluß des Transistors ist elektrisch
mit einem Ende der Spule und der Pluspol der Stromquelle ist mit dem anderen Ende
der Spule verbunden. Der Emitter des Transistors ist an einen Abgriff 12 der Spule
elektrisch angeschlossen. Dieser Abgriff teilt die Spule in einen Fühlteil 14 und
einen Treiberteil 16. Der Kollektor ist mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden.
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Die Stromquelle kann jede Spannung haben, die von Batterien abgegeben
werden kann, beispielsweise eine Spannung von 1,5 V.
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Der Transistor 4 kann ein pnp- oder ein npn-Germanium- oder Silizium-Schalttransistor,
beispielsweise vom Typ 2N2953 sein.
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Man kann jedoch auch andere Schalteinrichtungen verwenden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Treiberteil
16 der Spule 6 etwa 1200 Windungen aus Kupferdraht Nr. 44 und der Fühlteil 14 etwa
4000 Windungen aus Kupferdraht Nr. 44* Die-Windungen des Fühlteils sind zu denen
des Treiberteils gegensinnig gewickelt, wie aus der fig. 1 hervorgeht. Es hat sich
gezeigt, daß bei Verwendung eines Widerstandes 10 von etwa 70Q0-Ohm der Transistor
4 in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine geeignete Einschaltdauer
hat.
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Das mechanische System 2 besitzt einen kleinen zylindrischen Dauermagneten
18, der in einer Unruhscheibe 20 aus nichtmagnetischem Material exzentrisch angeordnet
ist. Die Unruhscheibe 20 ist auf einer Unruhwelle 22 aufgekeilt oder in anderer
Weise an ihr befestigt. Die Enden der Unruhwelle sind in (nicht gezeigten) Lagern
um die Achse der Welle drehbar gelagert.
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Als Gewichtsausgleich für den Magneten 18 ist auf der Unruhscheibe
20 dem Magneten diametral gegenüber ein eisenfreies Gegengewicht 24 angeordnet.
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Zwischen der Unruhwelle 22 und einer ortsfesten fläche 28 ist eine
Haarfeder 26 vorgesehen, welche die Unruhscheibe 20 und die Unruhwelle 22 mechanisch
belastet. Die Feder ist so eingestellt, daß in der ituhestellung die Achse des Magneten
18 gegenüber der Achse der Spule 6 etwas versetzt ist.
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Die Unruhwelle kann mit einer Steig- oder Leiterhemmung * Standard
Wire Gauge, entsprechend 0,081 mm Durchmesser.
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(ladder escapement) 30 versehen sein, die zum Antrieb eines (nicht
dargestellten) Zahnradgetriebes dient, wie es bei Zeitgebern und Meßeinrichtungen
verwendet wird.
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Die Punktion des Systems geht am besten aus einer Beschreibung der
Ereignisse hervor, die im normalen Dauerbetrieb auftreten.
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Fig. 2 zeigt die bogenförmige Bahn, entlang deren sich der Magnet
während der Bewegung der Unruhscheibe 20 bewegt. Der Magnet gelangt dabei aus der
in Fig. 2 mit ausgezogenen Linien gezeichneten Stellung im Bogen um die Spule 6
herum in die gestrichelt angedeutete Stellung. In der Praxis kann der Magnet über
einen beträchtlich größeren als dem in Fig. 2 dargestellten Bogen schwingen; für
die Erläuterung genügt jedoch die hier gegebene Darstel'ng. Unabhängig von seiner
Stellung erzeugt der Magnet ein durch die Spule tretendes MagnetSeld. Betrag und
Richtung des auf diese Weise erzeugten Kraftflusses sind in Fig. 3 graphisch dargestellt.
Die Mittelachse des Diagramms in Fig. 3 entspricht der Achse der Spule 6. Die Entfernungen
von dieser Mittelachse nach links und rechts entsprechen ähnlichen Entfernungen
in Fig. 2. Auf der vertikalen Achse sind die Relativwerte des durch die Spule tretenden
magnetischen Flusses in Abhangigkeit von den auf der Abszisse aufgetragenen Stellungen
des Magneten aufgetragen.
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Der in Fig. 3 dargestellte Flußverlauf induziert in dem Fühlteil 14
der Spule eine Spannung, die der Geschwindigkeit der Flußveränderung proportional
ist. Betrag und Polarität dieser Spannung sind in Fig. 4 mit ausgezogenen Linien
dargestellt.
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Sie ist zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors 4 wirksam.
Wenn sie einen genügend großen Betrag und die richtige Polarität hat, macht sie
den Transistor leitfähig. Der
starke Spannungsimpuls, der auftritt,
knapp nachdem sich der Magnet (von links nach rechts in Fig. 2) über die Mittelachse
der Spule hinausbewegt hat, ist in Fig. 4 knapp rechts von der Mittelachse dargestellt.
Er öffnet den Transistor 4, so daß von der Stromquelle 8 Strom durch den Treiberteil
16 der Spule fließt. Mit dem Einschalten des Transistors setzt eine Rückkopplung
ein, die nun anhand der Fig.7 erläutert wird.
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Fig. 7 zeigt einen Südpol des Magneten im Bereich des Ureiberteils
16 der Spule. Das Magnetfeld des Magneten ist durch gestrichelte Linien und die
ichtung dieses Magnetfeldes durch den Pfeil 4b angedeutet. Die in lig. 4 dargestellte
Auslösespannung wird dadurch induziert, daß nach dem Vorbeigang des Magneten an
der Mittelachse der Spule 6 die Feldstärke gemäß Hlig. 3 abnimmt. Aus der Fig. 7
geht hervor, daß bei einer Abnahme der Stärke eines Feldes, das die durch den Pfeil
angedeutete Richtung hat, im Fühlteil 14 der Spule eine Spannung induziert wird,
die zu einem Stromfluß in der durch den Pfeil 42 angedeuteten Richtung führt. Diese
Spannung ist in Fig. 4 knapp rechts von der Mittelachse dargestellt und bewirkt,
daß der Emitter gegenüber der Basis positiv wird und in der Kollektor-tmitter-bchleife
ein Strom in der durch den Pfeil 44 angegebenen Richtung fließt, so daß in dem Treiberteil
16 der Spule ein Feld erzeugt wird, dessen Richtung dem Pfeil 40 entgegengesetzt
ist. Dadurch wird die Feldschwächung vergrößert, welche die Auslösespannung induziert,
wodurch letztere ansteigt und der Transistor sehr schnell zur Sättigung ausgesteuert
wird.
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Diese Schaltung ist im Normalzustand kein Schwingungskreis, doch verändert
sich der Kopplungsgrad zwischen dem Fühlteil und dem Antriebsteil der Spule mit
der Stellung des Magneten.
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Bei seiner Bewegung verändert der Magnet die Permeabilität
eines
Teils des Feldes dieser Spulenteile und damit auch das Feld, das diese Spulenteile
miteinander verkettet. Der Verlauf dieser Veränderung des Kopplungsgrades ist in
Fig. 4 durch die gestrichelte Linie 46 dargestellt. Wenn der Transistor leitfähig
ist, schwingt die Schaltung mit dem in Fig.
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dargestellten Ergebnis. Fig. 6 zeigt in größerem Zeitmaßstab einen
einzigen Schwingungsimpuls. Man erkennt daraus, daß der resultierende Stromfluß
sehr stark gleichgerichtet ist und fast ständig an der Sättigungsstromgrenze des
Transistors liegt.
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Bei einem Stromfluß in der durch den Pfeil 44 dargestellten Richtung
wird die obere Pläche der Spule 16 zu einem Südpol, der den Südpol des Magneten
abstößt, so daß das mechanisch schwingende System einen Energieimpuls erhält, durch
den es in Bewegung gehalten wird. Sobald die im Fühlteil der Spule induzierte Spannung
auf einen niedrigen Betrag sinkt, hört die elektrische Schwingung auf, und der Transistor
4 kehrt in seinen gesperrten bzw. Ruhezustand zurück.
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Zum Ingangsetzen des Schwingers kann man die Unruhscheibe 20 aus ihrer
Ruhestellung verdrehen oder eine in dem Schaltkreis angeordnete elektrische Einrichtung
betätigen. Eine sehr einfache Einrichtung dieser Art besteht aus einem Momentkontaktschalter
48, der gemäß Fig. 7 zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors angeordnet
ist. Ein kurzzeitiges Schließen dieses Schalters führt- zu einem Stromfluß von der
Stromquelle 8 durch den Treiberteil 16 der Spule und damit zum Aufbau eines Peldes,
welches den Magneten S abstößt und die Unruhscheibe 20 ingangsetzt.
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Der vorstehend beschriebene Schwinger gestattet eine sehr wirtschaftliche
Verwendung der von der Stromquelle 8 abgegebenen Energie, vor allem infolge der
durch die Schaltung
bewirkten Rückkopplung, die dazu führt, daß
sich der Transistor fast während der ganzen Stromabgabe von der Kraftquelle im Sättigungezustand
befindet, in welchem die Verluste im Transistor minimal sind. Wenn die Stromquelle
aus einem Trokkenelement besteht, hat dieses daher eine sehr lange bebensdauer.
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Der Schwinger ist auch in der Herstellung wirtschaftlich, weil er
nur eine einzige Spule aufweist, so daß nur ein einziger derartiger Teil manipuliert
und mit einer Halterung versehen zu werden braucht, während in den herkömmlichen
elektromechanischen Schwingern zwei oder mehrere, voneinander getrennt angeordnete
Spulen vorgesehen sind.
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Da die Rückkopplungs und Schwingungsfunktion des Schaltkreises auf
der Anordnung der Teile der Spule ruht, ist deren richtige Beziehung zueinander
wichtig. Der Wicklungssinn ist in Fig. 1 und 7 dargestellt. Vorstehend wurde in
diesem Zusammenhang gesagt, daß die Teile der Spule gegensinnig gewickelt sind.
Diese Ausdrucksweise ist dann richtig, wenn die beiden Teile der Spule von dem jeweiligen
Endanschluß aus betrachtet werden. Wenn man mit dem Wickelvorgang beispielsweise
an dem in Fig. 6 oberen Ende der Spule 6 beginnt, muß die Wicklungsrichtung am Abgriff
12 umgekehrt werden. Ein wirtschaftliches Wickeln der Spule kann jedoch auch derart
durchgeführt werden, daß man an dem Abgriff oder gemeinsamen Anschluß 12 beginnend
zwei (miteinander verbundene) Drähte gleichzeitig sowie gleichsinnig wickelt und
jeden Endanschluß nach dem Wickeln der erforderlichen Zahl von Windungen herausführt.