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Mechanisches Schwingungssystem Die Erfindung betrifft ein mechanisches
Schwingungssystem, dessen Schwingkörper mit einem Komplementärkörper magnetisch
gekoppelt ist, und insbesondere eine magnetische Hemmung.
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Derartige mechanische Schwingungssysteme sind insbesondere aus magnetischen
Hemmungen bekannt, wie sie in Uhren Verwendung finden. Bei diesen Hemmungen ist
der Schwingkörper als Magnet ausgebildet, während der Komplementärkörper hier aus
einem Rotationskörper besteht, der mit einer Führungsbahn aus magnetisierbarem Material,
z. B. einer Wellenbahn, versehen ist, und insbesondere aus einem entsprechend ausgebildeten
Hemriiungsrad. Durch den Magnetfluß zwischen dem Schwingkörper und dem Komplementärkörper
tritt nun eine gegenseitigeAbhängigkeit zwischen diesenKörpern bzw. ihren Bewegungen
ein, die im folgenden. als »magnetische Kopplung« bezeichnet wird. Bei den erwähnten
Hemmungen wird durch diese magnetische Kopplung bewirkt, daß der magnetische Schwingkörper
und die Wellenbahn auf dem Hemmungsrad einander folgen und infolgedessen die Schwingungsfrequenz
des Magneten die Rotationsgeschwindigkeit bestimmt, wodurch die erwünschte Hemmung
erreicht wird.
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Bei einem schwingenden Teil, der von einem elastischen Körper, z.
B. einer Feder, gehalten wird
und dessen innere Spannung gering
bleibt, ist die Rückstellkraft nun im wesentlichen derAuslenkung aus der Ruhelage
direkt proportional. Die Schwingungsfrequenz eines derartigen Schwingungssystems
ist also im wesentlichen für alle in Frage kommenden Amplituden die gleiche. Bei
Schwingungssystemen mit magnetischer Kopplung wurde aber folgendes festgestellt:
_ Bei den bisher bekannten magnetischen Hemmungen werden die Teile aus magnetisierbarem
Material, also z. B. die Wellenbahn, hinsichtlich ihrer Breite und Dicke möglichst
gleichmäßig ausgebildet, um eine magnetische Kopplung von gleichmäßiger Intensität
über den ganzen Bereich der Bewegung der Teile zu bewirken. In derartigen Schwingungssystemen
mit gleichmäßig dimensioniertem Komplementärkörper treten jedoch störende magnetische
Kräfte auf, die der Rückstellkraft des schwingungsfähigen Systems überlagert sind,
wodurch die durch die Feder hervorgerufenen isochronen Schwingungen des schwingenden
Teiles gestört werden. Es tritt damit ein Gleichlauffehler ein, d. h., die Schwingungsfrequenz
wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Amplitude verändert.
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Von den störenden magnetischen Kräften kommt hier zunächst diejenige
Kraft in Frage, die durch die gegenseitige statische, magnetische Einwirkung zwischen
den Magnetpolen des Schwingkörpers und der Wellenbahn bewirkt wird. Ihrer Entstehung
liegt die physikalische Tatsache zugrunde, daß die Teile eines beliebigen Systems
aus einem ,Magneten und magnetisierbaren Stoffen 'das Bestreben haben, eine derartige
gegenseitige Lage einzunehmen, daß die durch die Magnetpole hervorgerufenen magnetischen
Spannungen ein Minimum an magnetischem Widerstand vorfinden, d. h. daß der magnetische
Kraftfluß ein Maximum wird. Bei einem magnetisch gekoppelten System ist daher neben
dem durch den rein mechanischenAufbau bestimmten mechanischen Ruhepunkt ein magnetischer
Ruhepunkt vorhanden, den der Schwingungskörper einnehmen würde, wenn das System
hinsichtlich seines mechanischen Ruhepunktes indifferent wäre.
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Bei den bisherigen Schwingungssystemen mit gleichmäßig dimensionierter
Wellenbahn fallen zwar der mechanische und der magnetische Ruhepunkt zusammen; die
bei der Auslenkung aus diesem Ruhepunkt auftretende magnetische Rückstellkraft ist
aber im Gegensatz zu der mechanischen Rückstellkraft nicht proportional zur Aus=
Lenkung, folgt vielmehr einer komplizierten Gesetzmäßigkeit, da z. B. bereits die
Anziehungskraft zweier magnetisch aufeinander einwirkender Teile umgekehrt proportional
zum Quadrat der jeweiligen Entfernung ist. Selbst wenn also mechanischer und magnetischer
Ruhepunkt des Systems zusammenfallen, wird ein durch eine störende magnetische Kraft
bewirkter Gleichlauffehler verursacht.
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Daneben treten auch noch andere störende magnetische Kräfte mit, geringerem
Einfluß auf. Es handelt sich dabei um Kräfte, die durch die statische, magnetische
Einwirkung des Magneten auf andere in der Nähe befindliche Teile aus magnetisierbarern
Material hervorgerufen werden, Kräfte, die auf die magnetische Hysterese des Materials
zurückzuführen sind, und Dämpfungskräfte, die bei der Bewegung des Systems durch
die dabei erregten Wirbelströme hervorgerufen werden. Auch diese Kräfte sind nicht
proportional zur Auslenkung und sind damit störende magnetische Kräfte.
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Außerdem treten noch magnetische Kräfte auf, wenn das Schwingungssystem
die zur Aufrechterhaltung der Schwingungen erforderliche Energie über die magnetische
Kopplung bezieht, wie dies bei den obenerwähnten Hemmungen beispielsweise der Fall
ist. Derartige Kräfte sind aber. bekannte und berechenbare Größen und haben darüber
hinaus auf den Gleichlauf des Systems ihrer geringen Größe wegen nur einen sehr
kleinen Einfluß, der vernachlässigt werden kann.
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Hinzu kommt, daß Gleichlauffehler des Systems auch noch durch störende
mechanische Kräfte, die nicht proportional zur Auslenkung sind, verursacht werden.
Es handelt sich dabei etwa um durch die mechanische Hysterese der Feder bewirkte
Kräfte, Dämpfungskräfte infolge Luftreibung u. dgl.
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Gemäß der Erfindung wird nun die Wirkung dieser störenden Kräfte bzw.
des Isochronisationsfehlers dadurch beseitigt bzw. verringert, daß durch Veränderung
der Stärke des sich zwischen den Magnetpolen bewegenden Komplementärkörpers in Richtung
der Bewegung des Schwingkörpers gegenüber dem Komplementärkörper und bzw. oder durch
Variation des magnetischen Kraftflusses durch Anordnung ortsfester Teile aus magnetisierbarem
Material in der Nähe der Magnetpole den störenden magnetischen und mechanischen
Kräften entgegenwirkende oder diese linearisierende magnetische Kräfte erzeugt werden.
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Um die für isochrone Schwingungen erforderliche Proportionalität zwischen
Auslenkung und gesamter Rückstellkraft des Systems zu erreichen, werden also die
zur magnetischen Kopplung dienenden Teile verändert und bzw. oder ergänzt. Dies
ist gemäß der Erfindung auf verschiedenen Wegen möglich.
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Die Wirkung der störenden magnetischen Kräfte kann entsprechend einer
ersten Ausführungsform durch zusätzlich erzeugte magnetische Kräfte gleichen Betrages,
aber entgegengesetzten Vorzeichens aufgehoben werden. Dies kann vorteilhafterweise
durch die in der Nähe der Magnetpole angeordneten ortsfesten Teile aus magnetisierbarem
Material erreicht werden. Demgemäß ist die Erfindung nach einem weiteren Merkmal
dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfesten Teile aus magnetisierbarem Material zur
Erzeugung zusätzlicher magnetischer Kräfte bei ununterbrochener Führungsbahn in
der Nähe der Umkehrpunkte des schwingenden Magneten und bei unterbrochener Führungsbahn
in der Nähe der Ruhelage des schwingenden Magneten angeordnet sind. Bei einer ununterbrochenen
Führungsbahn, also insbesondere einer Wellenbahn, treten störende, »zentralisierende
«,
magnetische Kräfte auf, d. h. Kräfte, die bestrebt sind, den Magneten in seinen
magnetischen Ruhepunkt zurückzuführen. Durch feststehende, magnetisierbare Teile
in der Nähe der Umkehrpunkte . des schwingenden Teiles werden gleich große, entgegengesetzt
gerichtete Kräfte erzeugt, durch die die störenden zentralisierenden Kräfte aufgehoben
werden. Bei einer unterbrochenen Führungsbahn, d. h. einer in Form einer Wellenbahn
od. dgl. angeordneten Folge von Stiften od. dgl. aus magnetisierbarem Material,
treten statt der zentralisierenden dezentralisierende magnetische Kräfte auf, die
einen Gleichlauffehler bedingen, d@ h., der schwingende Magnet wird während des
Betriebes der Hemmung von den Stiften abwechselnd nach der einen oder nach der anderen
Richtung aus seiner Ruhelage herausgezogen: Durch in der Nähe des Ruhepunktes des
Magneten angeordnete, feststehende magnetisierbare Teile werden demgegenüber zentralisierend
wirkende Kräfte erzeugt, die die dezentralisierenden Kräfte aufheben.
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Entsprechend einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung können
zusätzliche, dezentralisierende Kräfte, die den zentralisierenden Kräften bei gleichmäßig
ausgebildeter Wellenbahn entgegengesetzt gerichtet sind, durch besondere Ausbildung
des Komplementärkörpers selbst erzeugt werden. Dies kann vorteilhafterweise dadurch
geschehen, daß der Komplementärkörper an den Umkehrpunkten des schwingenden Magneten
in größerer Stärke ausgeführt wird als in der Umgebung des Ruhepunktes, wbbei der
Luftspalt zwischen den Magnetpolen und dem Komplementärkörper in der Nähe des Ruhepunktes
vergrößert und bzw. oder die Bahn aus magnetisierbarem Material in der Nähe des
Ruhepunktes in geringerer Breite ausgeführt wird. Man kann in diesem Falle allerdings
auch davon ausgehen, daß durch die besondere Ausbildung des. Komplementärkörpers
die Ausbildung der störenden magnetischen Kräfte überhaupt verhindert wird, weil
dadurch, daB in der Nähe des Ruhepunktes weniger magnetisierbares Material angeordnet
ist, das in der Ruhelage sonst auftretende Minimum des magnetischen Widerstandes
beseitigt wird.
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Entsprechend einer dritten Ausführungsform kann durch zusätzlich erzeugte
magnetische Kräfte die Summe der magnetischen Kräfte proportional zur Auslenkung
aus der Ruhelage gemacht werden. Die Erfindung ist demgemäß entsprechend einem weiteren
Merkmal dadurch gekennzeichnet, daß der Komplementärkörper zur Linearisierung der
gesamten magnetischen Kräfte in der Nähe der Ruhelage der Magnetpole verstärkt ausgeführt
ist. Auch in diesem Falle kann die Verstärkung sowohl in Richtung des Magnetflusses
als auch senkrecht dazu erfolgen. In beiden Fällen.ist die Breite bzw. Dicke der
Wellenbahn in Abhängigkeit von der Entfernung von den zur Ruhelage des Schwingungskörpers
komplementären Stellen der Wellenbahn nach einem nicht zu berechnenden, sondern
empirisch zu ermittelnden Gesetz geändert; so daß die erwünschte Linearisierung
der magnetischen Kräfte bewirkt wird.
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In den Zeichnungen sind magnetische Hemmungen als Beispiele für verschiedene
Ausführungsformen von Schwingungssystemen nach der Erfindung dargestellt.
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Fig. i a zeigt eine Hemmung entsprechend der zweiten obenerwähnten
Ausführungsform; Fig. i b zeigt eine Hemmung ebenfalls entsprechend der zweiten
Ausführungsform; Fig. z zeigt eine Hemmung entsprechend der ersten Ausführungsform;
Fig. 2a ist ein Schema, das den Verlauf des Magnetflusses zeigt, auf den bei der
Beschreibung der Arbeitsweise der in Fig. a gezeigten Hemmung Bezug genommen ist,
wobei der Rotor der Einfachheit halber als Scheibe dargestellt ist; Fig. z b ist
ein Teilschema, das eine Abwandlung der in Fig. z gezeigten Ausführungsform veranschaulicht;
Fig. 3 a zeigt eine Hemmung entsprechend der dritten Ausführungsform; Fig.
31) zeigt eine Hemmung entsprechend der dritten obenerwähnten Ausführungsform;
Fig. q. und 5 sind zwei Ansichten einer Hemmung entsprechend der ersten Ausführungsform.
In dem in Fig. i a gezeigten Beispiel nach der Erfindung besteht das Hemmungsrad
aus einem Rad mit Speichen io und bogenförmigen Öffnungen ioQ, an deren Scheitel
nach außen zu zahnartige, durch U-förmige Ausnehmungen i i" voneinander getrennte
radiale Vorsprünge i i angeordnet sind, wobei die bogenförmigen Öffnungen ioa und
die U-förmigen Ausnehmungen iia derart bemessen sind, daß sie eine Wellenbahn und
die Speichen io sowie die zahnartigen Vorsprünge i i Verlängerungen dieser Wellenbahn
in radialer Richtung bilden.
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In der Zeichnung ist eine Absätze iob und iib auf den Speichen io
bzw. den Vorsprüngen ii bildende ringförmige Vertiefung auf der einen Seite des
Rotors mit einer solchen Breite dargestellt, daß diese Vertiefung die Wellenbahn
und die an sie anschließenden Teile der radialen Verlängerungen umfaßt. Wie ebenfalls
in der Fig. i a, und zwar in gestrichelten, Linien, gezeigt ist, besteht die Wellenbahn
aus einer Reihe abwechselnd in umgekehrter Richtung *angeordneter Y-förmiger Bahnspuren,
deren untere Teile iza bzw. 13, die inneren und äußeren Verlängerungen der
Wellenbahn und deren Arme izb und 13b gemeinsam die eigentliche Wellenbahn bilden.
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Das dem Drehkörper zugeordnete Schwingungssystem besteht aus einem
Magneten mit nach innen gerichteten Polen i4., der an seinem bogenförmigen Teil
elastisch mittels einer an einem feststehenden Arm 16 angebrachten Feder 15 aufgehängt
ist, wobei die Unterstützungslinie im wesentlichen durch den Schwerpunkt des aus
Magnet und Feder bestehenden Systems geht.
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Durch die obeArwähnte ringförmige Vertiefung wird in der Umgebung
der dem Ruhepunkt des Magneten entsprechenden Stelle der Luftspalt vergrößert,
so
daß das bei gleichmäßigdimensionierter Wellenbahn dort auftretende Minimum an magnetischem
Widerstand und die dadurch hervorgerufenen zentralisierenden, der Auslenkung nicht
proportionalen und daher den Gleichlauf störenden magnetischen Kräfte beseitigt
werden. Die in der Zeichnung nur auf einer Seite dargestellte ringförmige Vertiefung
kann mit gleicher Wirkung natürlich auch auf beiden Seiten vorgenommen werden.
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Aus Fig. i b geht hervor, daß der Rotor im Vergleich zu dem in Fig.
i a gezeigtem Rotor tiefere bogenförmige Öffnungen zoä und U-förmige Ausnehmungen
i 1ä besitzt, so daß die Mittelteile der Wellenbahn, an denen die Arme der Y-förmigen
Bahnteile zusammenlaufen - wie bei 17 gezeigt -, schmaler sind. Durch die damit
verbundene Verringerung des magnetisierbaren Materials an diesen Stellen wird das
bei gleichmäßig dimensionierter Wellenbahn dort auftretende Minimum des magnetischen
Widerstands und die dadurch hervorgerufenen zentralisierenden, der Auslenkung nicht
proportionalen und daher den Gleichlauf störenden magnetischen Kräfte beseitigt.
Eine derartige Ausbildung der Wellenbahn hat allerdings den Nachteil, daß die Hemmung
nicht so gut in Bewegung gesetzt werden kann, wenn dem Hemmungsrad ein Drehmoment
erteilt wird.
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In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel nach der Erfindung trägt eine
Antriebswelle 2o 'das' Hemmungsrad z1, dessen Umfang mit Zähnen 22 und Speichen
22" bildenden Öffnungen z3 versehen ist, die gemeinsam eine ununterbrochene Wellenbahn
mit radialen Verlängerungen bilden, die den als Polen ausgebildeten Enden eines
Schwingungskörpers entsprechen. Der Schwingungskörper besteht aus einem Magneten
mit zwei Armen 24, die in im allgemeinen an jeder Seite der Wellenbahn an dem Umfang
des Rades :2i angeordnete Pole a5 auslaufen. Der Magnet ist auf einem elastischen
Federblattz6 an einem im wesentlichen im Schwerpunkt des aus Magnet und Feder bestehenden
Systems angeordneten Punkt mittels einer Schraube 27 und eines Armes 28 angebracht.
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Der Magnet bildet zusammen mit der Wellenbahn des Hemmungsrades 21
die magnetische Kopplung. In Verbindung mit einer derartigen magnetischen Kopplung
ist zur Durchführung der ersten obenerwähnten Ausführungsform ein weiterer U-förmiger
magnetisierbarer Teil 29 vorgesehen und an einer Seite des Rades so angeordnet,
daß die Verbindungslinie der beiden Schenkelenden 3o radial zur Welle des Hemmungsrades
ist und ihr Mittelpunkt mit der Ruhelage des einen _Magnetpols zusammenfällt.
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Versuche haben gezeigt, daß ein 0,76 mm dicker Magnet zusammen
mit einem 0,25 mm dicken Hemmungsrad und einem gleich dicken Teil z9 befriedigende
Ergebnisse liefert, wobei der Abstand der Schenkel 3o dieses Teils zweckmäßigerweise
i,01 mm, der Abstand zwischen den Polflächen des Magneten 0,51 mm und der
Abstand zwischen -den Polflächen des Teils a9 und der* angrenzenden Polen des Magneten
o,25 mm beträgt. ...Aus Fig. 2 a ist ersichtlich, daß bei der obigen Anordnung
der Magnetfluß zwischen den Polen des Magneten hauptsächlich in drei Bahnen verläuft,
nämlich in direkter Verbindung 32 der Magnetpole über die beiden Luftspalte und
durch die Wellenbahn, wodurch die magnetische Kopplung erzielt wird, in einer Bahn
vom einen Pol über den Luftspalt 31" zum einen Schenkel 3o des Teils 29 und von
dort direkt zum anderen Pol sowie in einer der zuletzt beschriebenen ähnlichen Bahn
durch den zweiten Schenkel des Teils 29. Der Magnetfluß durch jeden der beiden Schenkel
3o hat eine entsprechende Anziehungskraft des Schenkels auf den Magneten zur Folge,
die mit wachsender Auslenkung des Magneten aus der Ruhelage und Annäherung an den
Schenkel wächst und die als dezentralisierende Kraft der durch die gleichmäßige
Ausbildung der Wellenbahn zustande kommenden, den Gleichlauf störenden, zentralisierenden
Kraft entgegenwirkt und sie aufhebt. Eine Feineinstellung kann durch Abbiegen der
Schenkel 3o zu den Enden des Magneten hin oder von diesem weg erfolgen. Mittels
einer Einstellschraube, die gegen die Schenkel drückt, kann eine solche Einstellung
entgegen der Elastizität des abzubiegenden Materials bewirkt werden.
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In Fig. a b sind an Stelle der Schenkel 3o des Teils a9 der Fig. 2
zwei Stifte 3o, vorgesehen. Diese Stifte sind symmetrisch bezüglich der Ruhelage-des
Magneten angeordnet.
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Befriedigende Ergebnisse lieferten Stifte aus magnetischem Material
mit geringer Hysterese und mit einem Durchmesser von 1,o1 mm. Dabei ist ihre gemeinsame,
dem Magneten nächstliegende Tangente 0,25 mm von dessen Ende entfernt, und
die beiden Stifte sind mit ihren Mitten 1,52 mm voneinander entfernt angeordnet.
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Die Stifte sind so angeordnet, daß sie bezüglich ihrer Höhe und der
Länge, mit der sie über einer Grundfläche, auf der sie angebracht sind, hervorragen,
einstellbar sind. Die Wirkung dieser Stifte auf das schwingende System ist genau
die gleiche, wie oben für die Anordnung der Fig: 2 und 2 a beschrieben.
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In Fig. 3 a ist ein Hemmungsrad gezeigt, das zusammen mit einem Schwingungssystem,
wie es in Fig. 2 gezeigt ist, verwendet werden kann, und das mit Speichen 33 und
zahnartigen Vorsprüngen 34 mit verjüngter Form versehen ist, d. h. mit Vorsprüngen,
die an ihrer Verbindungsstelle mit der Wellenbahn breiter sind als weiter von dieser
Verbindungsstelle entfernt, die jedoch eine gleichmäßige Dicke über das ganze Rad
haben.
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Gegenüber einer gleichmäßig dimensionierten Wellenbahn liefert eine
derartige Ausführungsform eine erhöhte magnetische Rückstellkraft. Die Form der
Verjüngung wird dabei so gewählt, daß die gesamte magnetische Rückstellkraft proportional
zur Auslenkung aus der Ruhelage wird und damit den Isochronismus nicht mehr stört.
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Die in Fig. 3 b gezeigten Speichenteile 35 und zahnartigen Vorsprünge
36 haben ebenfalls eine verjüngte Form und sind mit ihren dickeren Enden
mit
dem Wellenbahntei137 vereinigt. Die Formgebung in der Schnittebene hat die gleiche
Wirkung wie die Formgebung in der im rechten Winkel dazu liegenden Ebene entsprechend
der Fig. 3a.
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Bei der in der in Fig. q. und 5 gezeigten Ausführungsform besteht
der Rotor aus einem Paar Scheiben 38, in deren jeder Stifte 39 aus magnetisierbarem
Material in regelmäßig zickzackförmiger Anordnung in bezug auf eine Kreislinie um
die Achse des Rotors angebracht sind, wobei die Stifte der einenScheibe unmittelbar
gegenüber derjenigen auf der anderen Scheibe angeordnet sind. Zwischen den beiden
Scheiben ist ein Schwingungssystem angeordnet, das aus einem Magneten qo besteht,
der quer auf dem Ende einer Blattfeder 41 befestigt ist und dessen Länge geringer
ist als der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Stiften. In Verlängerung
der Blattfeder und gegenüber dem Magneten ist ein U-förmig ausgebildeter Kompensator
42 angeordnet, dessen Endsem, 43 mit verschiedenem Abstand von dien Polen des schwingenden
Magneten eingestellt werden können.
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Bei dieser Anordnung ruft der Kompensator 4.2 eine zentralisierende
magnetische Kraft hervor, die der durch die zickzackförmig angeord -neten Stifte
auf dem Rotor hervorgerufenen dezentralisierenden Kraft entgegenwirkt und sie bei
gleich großer Bemessung aufhebt.
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Hemmungsvorrichtungen der angegebenen Art können durch eine dieser
drei oben beschriebenen Methoden oder durch eine Kombination je zweier bzw. aller
dieser Methoden verbessert werden.
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Die gewählte Ausführungsweise kann etwas von der reinen Korrektur
der störenden magnetischen Kräfte abweichen, um beispielsweise auch andere bekannte
Faktoren, die Fehler in bezug auf den Isochronismus verursachen, zu kompensieren.
Beispielsweise wurde gefunden, daß, wenn man Schwingungssysteme ohne Hemmungsrad
mit Hand abbiegt und dann losläßt, die Schwingung bei Dämpfung ihre Frequenz ändert
und im allgemeinen bei kleineren Ausschlägen schneller wird. Derartige Fehler in
bezug auf den Isochronismus infolge anderer als störender magnetischer Kräfte können
durch eines der oben beschriebenen Mittel ausgeglichen werden.
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Obgleich die Vorrichtung nach der Erfindung unter besonderer Bezugnahme
auf Hemmungsvorrichtungen für Zeitmeßinstrumente beschrieben worden ist, ist sie
auch beispielsweise als mechanischer Oszillator, der die Zeitbasis eines elektrischen
Stromkreises bestimmt, geeignet. Dabei kann der Oszillator beispielsweise induktiv
oder elektrostatisch mit einem elektrischen Erregungsstromkreis in einer ähnlichen
Art, wie dies zur Aufrechterhaltung von Schwingungen in Quarzkristallen üblich ist,
gekoppelt werden.