DE2152107C2 - Elektrodynamischer Wandler mit einem aus einem zylindrischen Becher und einem koaxial in diesem befestigten Stabmagneten bestehenden magnetischen Element - Google Patents

Description

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45 Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein

elektrodynamischer Wandler, insbesondere für Stimmgabelschwinger in elektronischen Uhren, welcher einerseits ein magnetisches Element, bestehend aus einem zylindrischen Becher und einem koaxial in diesem befestigten Stabmagneten, der mit dem Becher einen Luftspalt bildet und dessen Querschnitt sich von der Basis gegen sein freies Ende hin verjüngt, und andererseits eine in den genannten Luftspalt ragende Spule, deren Querschnitt in bezug auf den Querschnitt des Stabmagneten mindestens angenähert komplementär verläuft, aufweist, wobei das magnetische Element relativ zur Spule beweglich ist.

Beispielsweise die schweizerischen Patentschriften 154 und 353 311 beschreiben elektronische Zeitmeßgeräte mit einer selbsterregten Stimmgabel und elektrodynamischen Wandlern, welche von einer Batterie über einen Transistorstromkreis gespeist werden. Die Schwingbewegung der Gabel wird mit Hilfe eines Bewegungstransformators in eine die Zeiger 65 der Uhr antreibende Drehbewegung umgewandelt. Im Falle dieser elektronischen Uhr tragt jede Stimmgabelzinke einen Wandler mit einem magnetischen Element, welches gegenüber einer ortsfesten Spule schwingt. Die eine Spule weist eine Antriebshauptwicklung auf, während sich die andere Spule aus einer zusätzlichen Antriebswicklun 1 und einer Abfüh!wicklung zusammensetzt.

Die beiden Antriebswicklungen sind in Reihe geschaltet und mit dem Ausgang des Transistorstromkreises verbunden. Die Abfühlwieklung liegt am Eingang des Transistorsstroinkreises. In der Abfühlwieklung wird infolge der Schwingb^vvegung der Gabel eine Wechselspannung induziert, die den Transistor jeweils über eine bestimmte Dauer in einen leitenden Zustand versetzt, so daß Antriebsirnpul.se für die Aufrechterhaltung der Gabelschwingung erzeugt werden.

Wenn das Problem vorliegt, ein batteriegespeistes Zeitmeßgerät in einem kleinen Gehäuse unterzubringen, ist man auf einen hohen elektrischen und mechanischen Wirkungsgrad des Systems angewiesen. Energieverluste verkürzen nicht nur die Lebensdauer der Speisebatterie, die im allgemeinen Miniaturabmessungen haben muß, sondern beeinträchtigen auch die Wirkungsweise des Systems. Es ist im Hinblick auf eine Verkleinerung der Abmessungen eines Gerätes und die Beibehaltung einer guten Betriebssicherheit von Bedeutung, daß die Wandler möglichst kompakt sind und wenig Energie verbrauchen.

Die in den angegebenen schweizerischen Patentschriften dargestellten Wandler weisen als magnetisches Element einen zylindrischen Becher kreisrunden Querschnitts und einen in diesem Becher koaxial angeordneten, zylindrischen Stabmagnet auf. In den derart gebildeten Luftspalt ragt jeweils eine ortsfeste Spule.

in der USA.-Patentschrift 3 221 190 ist eine Ausführung eines Wandlers der eingangs geschilderten Art gezeigt. An Stelle eines konstanten Querschnitts hat hier der Stabmagnet einen gegen sein freies Ende linear abnehmenden Querschnitt. Dieser konische Stabmagnet wirkt mit einer in den Luftspalt ragenden Spule zusammen, welche ebenfalls konisch ausgebildet ist, damit im Bereich der höchsten magnetischen Induktion innerhalb des Luftspaltes möglichst viele Windungen vorhanden sind. Wandler dieser Art mit einem konischen Stabmagnet sind zwar erheblich wirkungsvoller als solche mit einem zyiindrischen Magnet. Die erzielte Verbesserung erlaubt jedoch noch nicht die Schaffung einer Stimmgabeluhr geringer Dimensionen, wie sie etwa Tür Damenarmbanduhren üblich sind. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei einer Verkleinerung des Magneten der Energieverbrauch für den Antrieb ein und derselben Stimmgabel wegen des Absinkens des elektromechanischen Kopplungsfaktors ansteigt. Dieser Kopplungsfaktor ist ein direktes Maß des Betrages der im Transduktor in mechanische Energie umgewandelten elektrischen Energie. Je kleiner also der elektromechanische Kopplungsfaktor ist, um so größer wird der Bedarf an elektrischer Leistung für einen vorgegebenen Betrag an mechanischer Leistung. Bei Verwendung einer einzelligen Batterie, wie sie heute in elektronischen Uhrwerken benutzt werden, müßte man nach verhältnismäßig kurzer Zeit die Batterie auswechseln. Eine Vergrößerung der Batterieabmes- , sungen kommt auch nicht in Frage, da man ja mit der Verkleinerung des Wandlers vor allem geringere Abmessungen der Uhr anstrebt. Man muß sich vor Augen halten, daß die Abmessungen der Speisequelle

ι ü wesentlicher Parameter bei der Besimmunu der - jvimiausmaße eines Uhrwerkes sind und daifauch : .'i.'egenwärtigen Balterieabmessungen der Miniatiirii ung elektronischer Uhrwerke Grenzen setzen.
In der Praxis kann ein Leistungsbedarf der Summ- ^ .bei \on über etwa 15 Mikrowau mit den vom Publitim noch akzeptierten Uhrenabmessungen nicht lehr befriedigt werden. Würde man unter Zugrunde- -gung der beschriebenen bekannten Wandlei die Aanülerabmessungen zwecks Platzeinsparung ν erkleinem, dann müßte man, wie dargelegt, eine erheblich größere L eistungsaufnahme in Raul' nehmen.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist in der Schaffung eines Wandlers der eingangs beschriebenen Art mit beso\ders hohem Wirkungsgrad für Uhren oder andere Anwendungen zu sehen. Gemäß der Erfindung ist diese technische Aulgabe dadurch gelöst, daß der Querschnitt des Stabmagneten in Richtung gegen sein freies Ende hin derart in einer nichtlinearen Weise abnimmt, daß die magnetische Induktion des zwischen dem zylindrischen Becher und dem Stabmagneten verlaufenden magnetischen Feldes an allen Stellen des Stabiriugneten mindestens angenähert konstant ist und daß der Querschnitt des Stabmagneten an seinem freien Ende bis auf Null zurückgeht.

Als Resultat einer solchen Formgebung des Stabmagneten, der - wie sich weiter unten zeigen wird ·- etwa die Form eines Geschosses annimmt, ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:

(A) Dank des hohen Wirkungsgrades ist es möglich, die Dimensionen des Wandlers und damit die Größe des Uhrwerkes, von welchem er einen Teil bildet, herabzusetzen. Trotz der Verkleinerung kann man auch gleichzeitig die Leistungsaufnahme des Werkes verringern, wodurch man mit einer kleineren Speisebatterie auskommt;

(B) auf Grund der Erhöhung des Wirkungsgrades läßt sich die Batterie kleiner gestalten, was zu einer weiteren Verkleinerung des Werkvolumens führt, ohne die Leistungsaufnahme über eine zulässige Grenze anzuheben;

(C) eine Verkleinerung des Werkvolumens eröffnet viele neue Möglichkeiten für den Entwurf von Damenuhren und anderen miniaturisieiten Zeitmeßgeräten;

(D) die dank der Erfindung ermöglichte Miniaturisierung ist ohne nachteilige Folgen auf die Genauigkeit der Zeithaltung.

im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausfuhrungsbeispiels derselben mit Hilfe der Ze'ch nungen erläutert. Es stellt dar

Fig. 1 eine perspektivische und zum Teil schematisch gehaltene Übersicht der wesentlichsten Teile eines elektronischen Uhrwerkes mit einem mit zwei elektrodynamischen Wandlern versehenen Stimmgabelschwinger,

F i g. 2 eine zum Teil geschnittene Ansicht der in F i g. 1 dargestellten Wandler, F i g. 3 eine Seitenansicht eines solchen Wandlers,

F i g. 4 ein vergrößerter Längsschnitt eines Wandlers,

F i g 5 eine schematische Perspektivansicht einer idealisierten M-gnetanordnung,

F i g. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht eines bekannten Wandlers mit einem zylindrischen Stabmagnet,

F i ». 7 eine teilweise geschnittene Ansicht eines bekannten Wandlers mit einen, konischen Stabrnacnet.

Bei dem insbesondere in F i g. 1 erkennbaren elektronischen Uhrwerk ist als Frequenznormal eine Stimmeabel IO vorgesehen. De.-, weiteren enthalt das Uhrwerk einen elektronischen Antriebsstrcmkreis Ii. ein Räderwerk 12 üblicher Art für den Antrie.) der Zeiger und ferner einen Bewegungsumwandler mit einem von der Stimmgabel über eine Aiuriebsklinke betätigten Klinkenrad 13.

Sämtliche Komponenten des Amriebsstromkreises sind in Montageeinheiten oder Modulen l·, und F₁ untergebracht, "die ihrerseits an einer flachen V^xerkp!ntte"l4 befestigt sind. Die Werkplatte ist in einem Gehäuse, z. B. dem einer Damenannbanduhr. gehalten. Der elektronische Stromkreis besieht aus einem Transistor TR und anderen komponenten. Fr wird durch eine Batterie I gespeist.

Die Stimmgabel 10 i mit flexiblen Zinken 15 und 16 ausgestattet, welche unt r sich in bekannter Weise über einen an der Werkplatte befestigten, verhältnismäßig steifen Fuß verbunden sind. Um das freie Schwingen der Gabelzinken nicht /u stören, ist die Werkplatte in ihrem mittleren Teil ausgeschnitten.

Der Antrieb der Stimnmabel 10 vollzieht sich mit Hilfe von Wandlern T₁ und T,. Der Wandler T₁ setzt sich zusammen auf. einem am hnde der Zinke 15 sitzenden magnetischen Element 21 und einer stationären Spule, welche aus einer Antriebswicklung 22 und einer Abfühlwicklung 23 besteht und auf einen auf der einen Seite offenen, rohrförmigen Träger 24 gewickelt ist. Der Träger 24 sitzt an der Montageeinheit F₁. Die Wicklungen 22 und 23 können nebenodcr übereinander gewickelt sein.

Der zweite Wandler (T₂) setzt sich aus einem an der Zinke 16 befestigten magnetischer Element 25 und einer auf einem rohrförmigen Träger 27 gewickelten Antriebsspule 26 zusammen.

Die beiden Wandler T₁ und T₂ sind, abgesehen von der Tatsache, daß der Wandler T₁ eine zusätzliche Wicklung aufweist, gleichartig. Ausbildung und Verhalten der Wandler sind ähnlich zu Gestaltung und Verhalten eines elektrodynamischen Lautsprechers mit Permanentmagnet, mit dem Unterschied allerdings, daß im vorliegenden Fall der Magnet und nicht die Spule beweglich ist.

Aus den F i g. 2 und 3 ist ersichtlich, daß das magnetische Element 21 aus einem zylindrischen Becher 21 α aus einem ferromagnetiscben Material, wie etwa Eben, und einem darin koaxial fest angeordneten permanenten Stabmagnet 21 b besteht. Die Befestigung des beispielsweise aus Aln'co hergestellten Stabmagneten an der Abschlußwand des Bechers ist derart, daß ein magnetischer Kreis entsteht, dessen Kraftlinien den durch den Stabmagnet und den diesen umgebenden Zylinder begrenzten Luftspalt durchdringen. Der Querschnitt des Stabmagneten nimmt in Richtung gegen sein freies Ende aus weiter unten erläuterten Gründen in einer solchen Weise ab, daß das Längsprofil nach einer bestimmten Funktion kontinuierlich gekrümmt ist.

Der zylindrische Becher ist an zueinander diametral gegenüberliegenden Stellen in aus der USA.-Patentschrift 3 221 190 bereits bekannter Weise so ausgeschnitten, daß sich Längsschlitze 21 d und 21 e bilden (F i g. 3). Dies führt zu einer wesentlichen Reduktion der Wandlerabmessunuen mit verhältnis-

mäßig geringein Streufluß. Dank der reduzierten Platzbeanspruchung des Wandlers bezüglich der Tiefe läßt sich das Werk kompakter gestalten. Außerdem verhindern die Schlitze die Entstehung eines »Dämpfungskolbeneffektes« durch die Kompression der Luft zwischen Magnetelcment und der Spule. Zu diesem Zwecke sind auch in den Spulenträgern öffnungen angebracht.

Die Spulenträger 24 und 27 sind bezüglich ihrer Form dem Verlauf der Stabmagneten angepaßt. Die Befestigung und Ausbildung der Spulen und ihrer Träger ist im übrigen so, daß die magnetischen Elemente in axialer Richtung unbehindert schwingen können.

Während des Betriebes bewirkt ein an die Antriebsspulen der Wandler T, und T₂ gelegter Antriebsimpuls eine axiale Schubkraft auf die magnetischen Elemente in einer durch die Polarität des Impulses und die Polarisierung des Permanentmagneten bestimmten Richtung. Die Auslenkung der in dieser Weise zum Schwingen angeregten Gabelzinke hängt von der Stärke des Impulses ab.

Infolge der Schwingbewegung der Stimmgabelzinken und der magnetischen Elemente wird in der Antriebswicklung und in der Abfühlwicklung eine Gegen-EMK erzeugt, welche eine Wechselspannung mit der Frequenz der Stimmgabelschwingung ist.

Die Wandler haben drei Aufgaben. Einerseils treiben sie die Stimmgabel durch Umwandlung der an die Spulen abgegebenen elektrischen Impulse an. Andererseits steuern sie die Amplitude der Gabel durch Abfiihlen der während jedes Zyklus induzierten Wechselspannung. Schließlich steuern sie den Moment, in welchem der Antriebsimpuls an die Antriebswicklungen abzugeben ist.

An Hand der F i g. 4 lassen sich das Zusammenwirken der Wandlerkomponenten und die für die Optimierung des Wandlers wesentlichen Faktoren erläutern.

Wie schon erwähnt, ist der stabförmige Permanentmagnet 21 b innerhalb des zylindrischen Bechers 21 a koaxial angeordnet. Dieser Becher ist als hochpermeables Rückschlußglied ausgebildet: er bestimmt mit dem Stabmagnet l\b einen Luftspalt. Um den Magnet am besten auszunutzen, ist es notwendig, die Induktion des Feldes im Luftspalt an allen Stellen des Stabmagneten möglichst gleichgroß und die Streuung möglichst klein zu halten. Vergleiche in diesem Zusammenhangden Artikel von S. Evershed »Permanent Magnets in Theory and Practice« in »The Journal of the Institute of Electrical Engineers«, 13. Mai 1920 (Bd. 58), S. 797.

Es zeigt sich nun, daß der Stabmagnet 21 b gekrümmt, genauer geschoßähnlich auszubilden ist, wenn man erreichen will, daß die Induktion des aus dem Magneten austretenden Flusses mit zunehmendem Abstand vom Boden des Bechers trotz des zunehmenden magnetischen Widerstandes konstant bleiben soll. Außerdem soll der Querschnitt des Stabmagneten am freien Ende bis auf Null zurückgehen.

Es soll also der Querschnitsverlauf derart sein, daß die magnetische Induktion des Magnetfeldes im Luftspalt an allen Stellen des Stabmagneten mindestens angenähert gleich groß ist Natürlich ist dafür Sorge zu tragen, daß der Querschnitt der Spule in bezug auf den Querschnitt des Stabmagneten wenigstens angenähert komplementär verläuft Denn dank diesem bekannten komplementären Verlauf der Spule, deren äußere Form mit Rücksicht auf di Form des Bechers 21 α zylindrisch ist, ist es möglich, den vorhandenen Raum bestens auszunutzen. Im Bereich der Mündung des Luftspaltes ist die Anzahl der Drahtwindungen am größten.

Theoretische Überlegungen für den Entwurf

Beim Entwurf eines elektrodynamischen Wandlers der vorliegenden Art mit optimalem Wirkungsgrad

ίο isl nicht nur der vom Permanentmagnet ausgehend magnetische Fluß in Betracht zu ziehen, sondern auch das für das Unterbringen der diesen Magnetfluß ausgesetzten Stromleiter verfügbare Raumvolumen.
Es tritt also im Wandler eine Wechselwirkung zwischen dem durch den Stabmagnet erzeugten Ma gnctfeld und dem beim Stromdurchgang durch di Drähte auftretenden Feld auf. Folglich sind für die Optimierung die Feldstärke des Stabmagneten, di Feldstärke der Spule und die Masse des magnetischen Elemenis zu berücksichtigen.

Die Kennzeichen der magnetischen Kreise und dei für die Herstellung dieser Kreise verwendeten Materialien lassen sich wie folgt in magnetischen Größen und Einheiten beschreiben:

Magnetomotorische Kraft

!.·. einem Elektromagnet wird die Magnetisierung durch den Stromfluß in Leitern hervorgerufen, di ihrerseits mit einem magnetischen Feld zusammen wirken. Im vorliegenden FdIl ist eine Spule im ring förmigen Luftspalt zwischen dem permanentmaene tischen Stab und dem hochpermeablen Becher ange ordnet. Das Maß der Magnetisierungswirkung eine solchen Spule wird magnetomotorische Kraft F ge

nannt und in Gilbert ausgedrückt.

Magnetischer Fluß

Das Maß des in einem magnetischen Kreis durcl die magpetomotorische Kraft hervorgerufenen ma gnetischen Flusses wird magnetischer Fluß Φ genannt Eine Änderung des magnetischen Flusses bewirkt ir einem mit dem magnetischen Kreis gekoppelter elektrischen Leiter eine EMK. Diese ist in jeden Augenblick proportional zur zeitlichen Änderun,

des magnetischen Flusses.

Magnetischer Widerstand

Die die magnetomotorische Kraft und den magne tischen Fluß verbindende Eigenschaft wirü als magne tische Widerstand R oder Reluktanz bezeichnet.

Dieser Widerstand ergibt sich durch folgend Relation:

•-f

wobei Φ = magnetischer Fluß in Maxwell, F = ma gnetomotorische Kraft in Gilbert und R = magne tischer Widerstand in CGS-Einheiten.

Magnetische Feldstärke

Die längs eines magnetischen Kreises wirkend magnetomotorische Kraft verteilt sich entsprechen der Anordnung der Leiterwindungen und dem ma gnetischen Widerstand des Kreises. Die längs den magnetischen Kreis pro Längeneinheit auftretend magnetomotorische Kraft wird magnetische Feld

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stärke H oder auch magnetische Erregung genannt und durch folgende Gleichung dargestellt:

H ~

df

d/

wobei H = magnetische Feldstärke in örsted, F = magnetop-ί. dorische Kraft in Gilbert und /= Länge in Zentimeter.

Magnetische Induktion
Diese Größe ergibt sich zu:

wobei B = magnetische Flußdichte in Gauß, Φ magnetischer Fluß in Maxwell und A - Fläche in Quadratzentimeter.

Damit ein einen Teil eines magnetischen Kreises bildender Permanentmagnet am besten ausgenutzt wird, ist eine möglichst gleichmäßige Verteilung der magnetischen Induktion innerhalb des Magneten erforderlich. Es wird sich weiter unten ergeben, daß im vorliegenden Fall diese Forderung durch einen von der Basis in Richtung gegen das freie Ende im Querschnitt abnehmenden Stab erfüllbar ist. Da der austretende magnetische Fluß an jeder Stelle des Magneten vom magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises abhängt, muß man dafür Sorge tragen, daß die Abnahme des Querschnittes des Stabmagneien derart ist, daß jeweils die Verkleinerung der Fläche der Verkleinerung des magnetischen Flusses entspricht. Es muß folglich die magnetische Induktion B konstant sein. Außerdem soll der Querschnitt des Stabmagneten bis auf Null abnehmen, damit der gesamte Fluß durch den Luftspalt verläuft.

Es sei zunächst ein Wandler mit einem idealen Magnet betrachtet, welcher in einem Luftspalt ein magnetisches Feld ohne irgendwelche Streufeldverluste erzeugt. In F i g. 5 sind zwei Permanentmagnete M₁ und Ai₂ ersichtlich, zwischen welchen ein Luftspalt liegt und weiche einen Teil eines magnetischen Kreises bilden. Zu diesem Magnetkreis gehört auch ein hochpcrmeables Rückflußjoch J. Das totale Wandlervolumen K₀ setzt sich zusammen aus

V₀ = V_n + V₉ ,

wobei V_n, das Volumen der Magnete und V₉ das Luftspaltvolumen darstellt. Das Volumen des Jochs und das nicht wirksame Luftvolumen sind für den betrachteten Idealfall vernachlässigt. Durch die Magnetflußerhaltungsregel ergibt sich:

B_mA_m = B₉A₃.

Ferner ist als Folge der Energieerhaltungsregel zu setzen:

j H · al = 0; H_nL_n, = H_eL_g = B_gL_g. (2)

Die Gleichsetzung von H und B ist für den Luftspalt zulässig. Nach der Multiplikation von Gleichung (1) mit Gleichung (2) erhält man

B_mA_m- H_nL_n = B₉A₉ B₉L₉ B_nH_nV_n = B₉V₉.

Wenn nun die rechte Seite dieser Gleichung mit V_g und die linke Seite mit dem äquivalenten Wert V_a - V,„ multipliziert wird, ergibt sich

B_1nH₁₁₁VJVo- VJ = B]V]

Unter Annahme, daß im betrachteten idealen System der ganze Luftspalt mit ideal verlegten Leitern ausgenutzt wird, ist dgs Luftspaltvolumen K₉ ein Maß

ίο des magnetischen Feldes, welches durch einen konstanten, durch die Leiter fließenden Strom erzeugt wird. Wenn man ferner davon ausgeht, daß der Querschnitt der Leiter und damit die Anzahl der Windungen pro Flächeneinheit festliege, sieht man,

daß B V_g oder (B_gV_g)² das Wechselwirkungsglied darstellt, welches einen möglichst großen Betrag annehmen soll. Es sei von nachfolgender Definition ausgegangen:

q = (B₉V₉Y = B_n,H„,VJV₀ - VJ . (5)

Der Maximalwert dieser Größe in bezug auf das Magnetvolumen läßt sich durch Differenzieren und Gleichsetzung des Resultates zu Null ermitteln:

-^- = B_nH₁J-V_n,+ V₀- KJ = O

oder

Nach dem Einsetzen dieses Resultates in Gleichung (5) kommt man zu Gleichung

Imax

Diese Größe q_max kann darüber hinaus auch in bezug auf die das Produkt B_nH_m des Magneten weiter optimiert werden. Es ist allerdings keine Gewähr dafür gegeben, daß sich die beiden Optimierungsanforderungen gleichzeitig erfüllen lassen. In

der Praxis ist es kaum möglich, sowohl K_n, = -^ als auch B_n, H_n, = Maximum für ein bestimmtes magnetisches Material zu erreichen. Bei gegebenen Wandlervolumen bzw. -abmessungen ist es hingegen möglich, ein magnetisches Material zu wählen, welches das höchste q_max ergibt. Die bisherigen Betrachtungen

geiien von idealen Voraussetzungen aus und sind lediglich theoretische Richtlinien.

Im folgenden sollen nun diese Erkenntnisse bei einem elektromagnetischen bzw. elektrodynamischen Wandlersystem für einen mechanischen Vibrator wie

eine Stimmgabel oder eine Schwinglamelle angewandt werden. Aus praktischen Gründen haben Magnet und Spule einen kreisrunden Querschnitt. Dies ist jedoch kein grundlegendes Erfordernis.

Der in F i g. 6 dargestellte, an einer Stimm-

gabelzinke Z befestigte Wandler ist mit einem zylindrischen Stabmagnet R_c ausgestattet und soll als Näherungslösung für das an Hand F i g. 5 besprochene ideale System dienen. Auch hier kann der hohlzylinderförmige Luftspalt G zwischen Magnet R_c und

dem zylindrischen Becher C_r als Arbeitsspalt betrachtet werden. In diesen Spalt ragt die zylindrische Spule S_c. Dasselbe gilt auch für den ebenfalls bekanntgewordenen Wandler nach F i g. 7. Dieser enthält einen

konischen Magnet R_n d. h, einen Permanentmagnet, dessen Querschnitt linear abnimmt. Auch hier geht praktisch der ganze magnetische Fluß durch die in den Luftspalt zwischen Magnet R, und Becher C₁. ragende, ebenfalls konische Spule .S",.

Im Fall des idealen Magneten gemäß F i g. 5 wurden keine näheren Angaben über dessen Form gegeben. Ein konstanter Querschnitt ist dort jedoch Voraussetzung, wenn keine Verluste auftreten sollen und die magnetische Induktion B_1n über den ganzen Magnet konstant sein soll. Ist jedoch das magnetische Element aus einem Magnetstab und einem Rückschlußbecher zusammengesetzt, dann muß der Querschnitt des Stabes abnehmen, damit im Bereich des Stabendes kein Streufluß auftritt. Aus diesem Grunde ist die Ausführung nach F i g. 7 eine Verbesserung gegenüber derjenigen nach F i g. 6.

Wesentlicher ist es jedoch mit Rücksicht auf eine gute Ausnutzung des magnetischen Materials, daß die Flußdichte B innerhalb des Magneten gleichmäßig ist. Der Querschnitt muß also proportional zum austretenden Fluß abnehmen.

Unter Bezugnahme auf F i g. 3 läßt sich das Ohmsche Gesetz des magnetischen Kreises aufschreiben. Der Fluß im Kreis ist

d0 = 2j'.7dyß (7)

= magnetomotorische Kraft ■ Leitfähigkeit
2.7 dr

Dieses Resultat kann als eine das magnetische Profil beschreibende Differentialgleichung betrachtet werden. Die Formel erfüllt zwei Kriterien, nämlich erstens, daß kein Fluß am Ende des Magneten austritt und zweitens, daß B (und damit H) im Magnet konstant ist.

Die Auflösung dieser Differentialgleichung nach y (mit den Grenzbedingungen, daß y = 0 bei ζ = L und y = r„ bei r = 0) führt zu der algebraischen Profilgleichung

/ 7²\
r (1+2 log,. R y) = a² M - -^-J , (S)

a² = if, (I +2 log_r R/r₀).

Nach dieser qualitativen Bestimmung der Magnetform ist es notwendig, die quantitativen Abmessungen für den maximalen Wandlerwirkungsgrad zu ermitteln. Das ursprüngliche Optimierungsproblem für diese spezielle Anwendung läßt sich in DilTerentialform der induzierten Spannung wie folgt niederschreiben:

ΑΓ Α ^άΦ Α ^{άΦ ά:}

qE — an ■—τ- = an-^—· -ρ- . df dz df

du = (R - J.- y)/.²dz.

wobei I das mechanische Spiel zwischei. Magnet und Leiter und λ¹ die Drahtdichte (Windungen pro

Flächeneinheit) darstellt. Wenn ferner ^ = ν (Gear

sclnvindigkeit der Spule relativ zum Magnet) und

2.7 //.

όΦ "d":

ist. dann gelangt man zu

/{ ■= 1

(_2ί-2 (Κ"'
J ' ' Ιου.,

-.1-.Vl
log,. [R/y)

ILd= - Ar

Die Große» steht für das mechanische Spiel am Boden des zylindrischen Bechers.

Das Optimicrungsproblem reduziert sich auf die Bestimmung des Wertes von r₀ (Radius des Magneten an der Basis), welcher ein Maximum der induzierten Spannung E ergibt. Für den vorliegenden Fall, wo der Wandler Teil eines mechanischen Vibrato«s bildet, ist allerdings noch eine weitere geringfügige Verfeinerung notwendig. Wenn man die Gleichung

I E²

,, 2 R

E²Di

für die durch einen Vibrator mit Wandler aufgenommene Leistung prüft, wobei

R = äquivalenter Widerstand des Vibrators.

E = induzierte Spannung in der Wandlerspulc.

ei = 2.7 ■ Frequenz des Vibrators.

I₁ = Wirkungsgrad des Systems,

Q - Qualitätsfaktor des Vibrators,

.·.·.' - Masse des Wandlers und des Vibrators

A = clektromechanischcr Kopplungsfaktor und

/' = Leistung

bedeutet, zeigt es sich, daß man im Gegensatz zu A² optimieren soll. Der Faktor A

in Wirklichkeit

ist zwar ein Maß für die Qualität, wenn es sich dage-

_Ao gen darum handelt, mit einer möglichst geringen

Energiemenge auszukommen, wie das bei Zeitmeß-

k²
geräten der Fall ist. dann ist das wichtigere Maß.

Ein schrittweises Variieren von r₀ von Null bis zu einem durch die Abmessungen des Rückschlußbechers gegebenen Wert, begleitet von einer numerischen integration der Gleichung (9) und einer Berechnunu

von hi. ergibt eine Kurve für . deren Maximum bei

einem gewählten magnetischen Material die Wahl von r„ für den optimierten Wandler festlegt.

Diese neuen Lehren ergeben Abmessungen und Form des Magneten und der Spule, die einen optimalen Wandlerwirkungsgrad gewährleiste' Unter Umständen lassen sich auch mit Approxnuationen der Gleichung (8) praktisch optimale Resultate erzielen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, falls sich der Stab derart absatzweise verjüngt, daß die Flußdichte B im wesentlichen konstant ist. Dank der Erfindung kann man Wandler der hier interessierenden Art sehr klein gestalten und mit einer geringen Leistung betreiben.

Verbesserung im Vergleich zum bisherigen Stand
der Technik

Messungen ergaben, daß insbesondere mit sehr kleinen Wandlern, wie sie etwa in einer Stimmgabeluhr für Damen Verwendung finden können, Betriebs-

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resultatc erzielbar sind, die den Wirkungsgrad der üblichen Wandler mit zylindrischem oder konischem Siibmagnet bei weitem übertreffen. Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Gegenüberstellung der für den Betrieb notwendigen Leistung bei einem Wandler für eine elektronische Damenuhr. Die magnetischen Rückschlußbecher sind in allen drei Fällen gleich groß. Die betrachteten magnetischen Elemente unterscheiden sich lediglich durch die verschiedene Form der Slabmagnete.

Tabelle I

Magnet form

Zylindrisch
Konisch...

Geschoßförmig (gemäß
Erfindung)

l.cisliing zum Anlieh
der Stimmgabel

_ "L

Ί¹

in willkürlichen Uinhcitcn

7.0 2,5

1.0

Diese Tabelle beleuchtet die Bedeutung der vorliegenden Erfindung. D12 Leistungsaufnahme für den Antrieb einer Stimmgabel reduziert sich im Verhältnis von 7: I gegenüber derjenigen eines Wandlers mit

zylindrischem Stabmagnet. Dank diesem Vorteil hat man es in der Hand, ein Stimmgabelantricbssyslein mil Wandler viel kleinci auszuführen (was sonst infolge der Verringerung des Wirkungsgrades zu einer zu großen Leistungsaufnahme führen würde) und hierbei auch noch den Stromverbrauch herabzusetzen, wodurch sich auch die Batterie kleiner ausführen läßt, was zu einer weiteren Reduktion der Abmessungen der Uhr gestaltet.

Die Erfindung läßt sich nicht bloß für Zeilmeßgeräte anwenden. Sie ist auch vorteilhaft und gestattet eine Verkleinerung von Abmessungen und Stromverbrauch bei Lautsprechern. Hörgeräten usw. Der Nutzen ergibt sich auch aus der Tabelle II, in welcher das Quadrat des elektromagnetischen Kopplungsfaktors für die drei betrachteten Stabmagneten verglichen ist.

Tabelle II

Magnet form

Zylindrisch
Konisch.. .

Geschoßförmig (gemäß
Erfindung)

Relative Wirksamkeit
(r in willkiir'ichen Uinhcitcn

0,2 0,6

1.0

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

1. Patentansprüche:

   I. Elektrodynamischer Wandler, insbesondere für Stimmgabelschwinger in elektronischen Uhren. welcher einerseits ein magnetisches Element, bestehend aus einem zylindrischen Becher und einem koaxial in diesem befestigten Stabmagneten, der mit dem Becher einen Luftspalt bildet und dessen Querschnitt sich von der Basis gegen sein freies Ende hin verjüngt, und andererseits eine in den genannten Luftspalt ragende Spule, deren Querschnitt in bezuj.· auf den Querschnitt des Stabmagneten mindestens angenähert komplementär verläuft, aufweist, wobei das magnetische Element relativ zu der Spule beweglich ist. dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Stabmagneten (25/)) in Richtung gegen sein freies Ende hin derart in einer nichtlinearer, Weise abnimmt, daß die magnetische Induktion des zwischen dem zylindrischen Becher (21a) und dem Sta^Tiagneten verlaufenden magnetischen Feldes an allen Stellen des Stabmagneten mindestens angenähert gleich groß ist und daß der Querschnitt des Statmagneten an seinem freien Ende bis auf Null zurückgeht.
2. 2. Wandler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längsprofil des Stabmagneten einen kontinuierlich abnehmenden Verlauf aufweist.
3. 3. Wandler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Stabmagneten gegen sein freies Ende hin in Form von mehreren stufenförmigen Absätzen abnimmt.
4. 4. Wandler nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Becher in an sich bekannter Weise an einander diametral gegenüberliegenden Seiten längsgeschlitzt ist.