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Magnetische Hemmung Die Erfindung betrifft eine magnetische Hemmung
für federbetriebene Uhren, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentschrift
809 420 beschrieben ist.
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Bei magnetischen Hemmungen sind die zueinander komplementären Dreh-
und Schwingbewegungen magnetisch, vorzugsweise zwischen dem Hemmrad und dem steuernden
Schwingungssystem, gekoppelt. Diese magnetische Kopplung wird durch einen wellenförmigen
magnetischen Pfad mit oder ohne Unterbrechungen und entsprechende vorspringende
Pole hervorgerufen, wobei der Pfad und die Polvorsprünge zueinander längs und quer
beweglich angeordnet sind. Die Längsbewegung, d. h. die Bewegung in Richtung der
Mittellinie der Wellung des magnetischen Pfades, wird durch Drehung des Hemmrades
und die Querbewegung durch ein Schwingsystem mit einer Eigenschwingungsfrequenz
hervorgerufen, wodurch unter normalen Betriebsbedingungen die magnetischen Polvorsprünge
den Wellen des magnetischen Pfades folgen und die Eigenschwingungsfrequenz die Drehgeschwindigkeit
steuert.
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Bei bekannten Bauarten magnetischer Hemmungen werden die magnetischen
Polvorsprünge von dem Schwingungssystem getragen, umfassen den magnetischen Pfad
klammerförmig und können quer zur Mittellinie des magnetischen Pfades schwingen,
wobei der magnetische Kraftflußweg zwischen den Polvorsprüngen den Pfad durchdringt.
Dadurch tritt eine magnetische Kraft auf, die jede den magnetischen Widerstand des
Kraftflußweges ändernde Verschiebung des magnetischen Pfades aus der Stellung zwischen
den Polvorsprüngen zu verhindern sucht. Eine solche magnetische Kraft verhindert
ein überspringen des zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellen des magnetischen
Pfads liegenden Zwischenraums durch die Polvorsprünge und zwingt daher die Polvorsprünge,
den Wellungen des Pfads zu folgen, wie oben erläutert. Eine derartige magnetische
Kraft wird im folgenden als »magnetische Kopplung« bezeichnet.
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Der Selbstanlauf der bekannten magnetischen Hemmungen ist bisher nicht
befriedigend erreicht worden, da das zum Ingangsetzen der Drehbewegung des Hemmrades
normalerweise erforderliche Drehmoment gewöhnlich so groß ist, daß das Hemmrad zu
stark beschleunigt wird, so daß seine Bewegung nicht unter die Kontrolle des Schwingungssystems
kommt. Der Selbstanlauf ist ein eigenes Problem. Zu seinem Verständnis müssen die
beeinflussenden Faktoren betrachtet werden. Unter »Selbstanlauf« wird im folgenden
nicht nur das Ingangsetzen der Drehung des Hemmrades, sondern auch der dadurch erfolgende
Antrieb des Schwingungsystems verstanden, bei dem die Drehung des Hemmrades automatisch
unter Kontrolle des Schwingungssystems gebracht wird, um ein normales Arbeiten der
Hemmung herbeizuführen.
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Vor allem müssen die relative Wellung des magnetischen Pfades, die
darauf bezogenen Größenverhältnisse und die Anordnung der Polvorsprünge so gewählt
werden, daß, wenn das Schwingungssystem durch Abfall des dem Hemmrad mitgeteilten
Drehmoments unter die zur Aufrechterhaltung der Schwingung erforderlichen Größe
zur Ruhe kommt, auch das Hemmrad in einer Ruhestellung festgehalten wird. Andernfalls
geht das Hemmrad mit einer von dem Schwingungssystem unkontrollierten Geschwindigkeit
durch. Die magnetische Kopplung, die unter normalen Arbeitsbedingungen das überspringen
der
Wellen des Pfades durch die Polvorsprünge verhindert, muß einen
Ruhewiderstand hervorrufen, der die Bewegung des Hemmrades bei stillstehendem Schwingungssystem
verhindert und der durch das Drehmoment des Hemmrades überwunden werden muß, bevor
die Drehung zum Selbstanlauf der Hemmung beginnen kann.
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Der einzige Faktor, der ein Durchgehen einer magnetischen Hemmung
verhindert, ist die magnetische Kopplung zwischen den gegenseitigen Dreh-und Schwingbewegungen,
die durch den Einschnitt jeder Welle des Pfades und durch den dadurch verursachten
Luftspaltwiderstand hervorgerufen wird, der das Überspringen des Pfades durch die
Polvorsprünge verhindert. Bei normalen Arbeitsamplituden überwiegt der Luftspaltwiderstand
die für einen Bruch der magnetischen Kopplung notwendige Kraft bei weitem. Beim
Anlauf jedoch muß der »Ruhewiderstand«, der wenigstens teilweise durch die magnetische
Kopplung hervorgerufen wird, überwunden werden, um das Hemmrad von einer Ruhelage
zur nächsten zu bewegen, d. h., die vorhandene magnetische Kopplung muß gebrochen
werden. Nach dem Anfangsbruch bis zur Erreichung normaler Betriebsbedingungen verursacht
die magnetische Kopplung lediglich einen vernachlässigbar kleinen Widerstand gegen
eine Beschleunigung des Hemmrades. Das liegt daran, daß die Verschiebung oder der
Antrieb der Polvorsprünge anfänglich wegen des großen Unterschiedes zwischen der
Frequenz der von dem Hemmrad ausgeübten Antriebsimpulse und der Eigenfrequenz des
Schwingungssystems verschwindend gering ist.
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Es ist bekannt, daß bei einem Schwingungssystem, wie es hier vorliegt,
ein merklicher Verstärkungsfaktor, d. h. eine Vergrößerung der Auslenkung des Schwingungssystems,
nicht auftritt, bevor das Hemmrad auf eine Geschwindigkeit beschleunigt ist, bei
welcher die von den Wellungen des Pfades herrührenden Antriebsimpulse mit einer
Frequenz auftreten, die etwa 70% der Eigenfrequenz des Schwingungssystems ausmacht.
Bei 85% ist der Verstärkungsfaktor gerade viermal so groß wie bei statischer Auslenkung;
darüber hinaus nimmt er aber rasch zu, bis der Synchronlauf erreicht ist. Wird das
Hemmrad darüber hinaus beschleunigt, so nimmt der Verstärkungsfaktor noch schneller
ab und ist bei 130 % kleiner als Eins. Folglich besteht nur ein enger Bereich der
Hemmradgeschwindigkeit beiderseits der synchronen Geschwindigkeit, in dem das Hemmrad
nach dem anfänglichen Anlaufbruch der magnetischen Kopplung das Schwingungssystem
zu einer Amplitude anregen kann, die einen Luftspaltwiderstand von einer Größe bewirkt,
die ausreicht, eine steuernde magnetische Kopplung zwischen den Polvorsprüngen und
dem magnetischen Pfad sicherzustellen. Die einzige auf magnetischer Wirkung beruhende
Möglichkeit, den Selbstanlauf einer magnetischen Hemmung zu bewirken, besteht daher
darin, einen niedrigen Ruhewiderstand vorzusehen, so daß ein geringes Drehmoment
den anfänglichen Bruch der magnetischen Kopplung bewirkt und eine Bewegung mit einer
daraus resultierenden relativ langsamen Beschleunigung des Hemmrades einleitet,
und weiter gleichzeitig einen hohen magnetischen Antriebsfaktor vorzusehen, der
von der magnetischen Kopplung abhängt, so daß eine steuernde Amplitude des Schwingsystems
herbeigeführt wird, bevor das Hemmrad zu schnell durch den Bereich der kritischen
Geschwindigkeiten hindurch beschleunigt werden kann.
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Gemäß der Erfindung ist nun innerhalb des wellenförmig ausgebildeten,
mit dem Schwingmagneten zusammenwirkenden Bereiches des Hemmungsrades ein kreisringförmiger
massiver Steg vorgesehen, dessen Breite mindestens 30% und höchstens 99% der in
Schwingrichtung gemessenen Polbreite des Schwingmagneten beträgt.
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Auf diese Weise wird eine Hemmung erreicht, die über einen ziemlich
weiten Bereich der zur Verfügung stehenden Anlaufdrehmomente zuverlässig selbst
anläuft.
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Auf Grund der Erfindung wird ein niedriger Ruhewiderstand in der Weise
erreicht, daß infolge des kreisförmigen Steges die Welligkeit verhältnismäßig gering
ist, so daß die sich entsprechend der Welligkeit zwischen Schwingmagnet und Hemmrad
ausbildende ungleichmäßige Ausbreitung des Magnetfeldes nur noch von der Größe ist,
daß ein Selbstanlauf möglich ist und dennoch gleichzeitig der Schwingmagnet so ausgelenkt
wird, daß er auf Resonanz kommen kann.
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Vorteilhafter-weise enthält der mit dem Schwingmagnet zusammenwirkende
Bereich des Hemmrades abwechselnd auf dessen beiden Seiten angeordnete Zähne, wobei
die Zwischenräume zwischen den Zähnen Öffnungen bilden.
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Die Wegprojektion eines in Mittelstellung befindlichen und auf dem
Schwingsystem vorspringenden Pols überdeckt bei Stellungen, welche den aufeinanderfolgenden
und auf entgegengesetzten Seiten angeordneten Zähnen des Hemmrades entsprechen,
teils den mittleren Weg des mit dem Magneten zusammenwirkenden Hemmradsbereiches
und teils dessen Anlaufzahn, wobei die überdeckte Fläche des Anlaufzahnes nicht
weniger als 1'% und nicht mehr als 50% der Fläche des vorspringenden Pols ausmacht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Entfernung
zwischen den Mitten zweier auf entgegengesetzten Seiten angeordneter aufeinanderfolgender
Zähne größer als die Länge der Polstirnfläche. Das Schwingungssystem kann in der
Nähe einer Achse befestigt sein, welche durch den Schwerpunkt des Schwingsystems
hindurchgeht.
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Vorteilhafter-weise sind die vorspringenden Pole in Ruhe mit dem Hemmrad
magnetisch gekoppelt und weisen einen Anlaufweg auf, welcher aus einem mittleren
Weg und Anlaufzähnen besteht, wobei die Breite des Anlaufpfades gleich der Breite
der Polvorsprünge ist.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der mit
dem Schwingmagnet zusammenwirkende Bereich des Hemmrades einen endlosen, leicht
gewellten, bandförmigen Anlaufpfad aufweist, dessen Breite im wesentlichen gleich
der Breite des polförmigen Elementes ist, und magnetische, nach außen gerichtete,
an den Scheitelpunkten des Anlaufpfades angeordnete Vorsprünge enthält.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht
der mit dem Schwingmagneten zusammenwirkende Bereich des Hemmrades aus einem konzentrisch
um die Hemmradachse angeordneten Zahnkreis und aus magnetischen, nach außen gerichteten,
an den Scheitelpunkten des Anlaufpfades angeordneten Vorsprüngen, um zusammen
mit
letzterem einen Anlaufpfad für das Schwingsystem während dessen normaler Schwingung
bei voller Amplitude zu bilden, wobei die Wellung des Pfades so gewählt ist, daß
innerhalb der Begrenzungen der Breite seines Bandes ein ungewellter kreisförmiger
Teil des Bandes einbeschrieben ist, und zwar mit einer Breite, welche geringer als
dessen Breite ist.
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In den Zeichnungen sind drei Ausführungsformen von gemäß der Erfindung
ausgebildeten magnetischen Hemmvorrichtungen beispielsweise dargestellt.
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F i g. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine erste Ausführungsform
einer selbstanlaufenden magnetischen Hemmvorrichtung; F i g. 2 zeigt eine zweite
Ausführungsform einer selbstanlaufenden magnetischen Hemmung; F i g. 3 zeigt in
schematischer Weise und in abgewickelter Form die den Selbstanlauf beeinflussenden
Flächenbeziehungen des in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels; F i g. 4
zeigt eine schematische Draufsicht gemäß Fig.3; F i g. 5 zeigt in perspektivischer
Ansicht eine dritte Ausführungsform mit einem stationären magnetischen Pfad; F i
g. 6 zeigt in schematischer Weise und in abgewickelter Form den Pfad sowie die aufeinanderfolgenden
Stellungen eines Polvorsprungs der in F i g. 5 gezeigten magnetischen Hemmvorrichtung;
F i g. 7 ist ähnlich F i g. 6 und zeigt einen unwirksamen magnetischen Pfad, der
einen Selbstanlauf nicht bewirken kann, da die geringe Größe des normalerweise angewandten
Drehmoments nicht ausreicht, um den Ruhewiderstand zu überwinden, der auf Grund
der den großen Anlaufzähnen oder -wellungen und dem engen mittleren Weg zuzuschreibenden
magnetischen Kopplung auftritt; F i g. 8 ist ähnlich F i g. 6 und 7 und zeigt einen
unwirksamen magnetischen Pfad, der deshalb keinen geeigneten Selbstanlauf bewirken
kann, weil die Antriebskraft, die auf die Polvorsprünge ausgeübt wird, infolge der
geringen der kleinen Wellung und der großen Breite des mittleren Weges zuzuschreibenden
magnetischen Kopplungswirkung ebenfalls klein ist.
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In F i g. 1 ist ein Schwingungssystem 1 dargestellt. Vorteilhafterweise
wird das Schwingungssystem derart befestigt, daß die Achse, um die das Schwingungssystem
schwingt, durch den Schwerpunkt des Schwingungssystems geht. Weiterhin wird das
Schwingungssystem vorzugsweise mit einer Rückstellkraft ausgeführt, die groß genug
ist, um Stoßsicherheit und gleichmäßige Arbeitsweise unabhängig von der Lage des
Schwingungssystems unter Berücksichtigung der Gravitationskraft zu gewährleisten,
wie dies in der deutschen Patentschrift 809 420 beschrieben ist.
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Ein Hemmrad 3 ist drehbar so befestigt, daß es von den Polvorsprüngen
5 des Schwingmagneten 1 beeinflußt wird, der von einer biegsamen, an einem Bolzen
1 b aus unmagnetischem Material am Ende eines Arms 1 c aus unmagnetischem
Material befestigten Feder 1 a getragen wird. Das Hemmrad 3 ist mit nach außen gerichteten,
magnetischen Zähnen 8 und mit nach innen gerichteten Zähnen 9 versehen.
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Von besonderer Wichtigkeit ist der imaginäre, wellenförmige, gestrichelt
gezeichnete Anlaufpfad 18, dessen Breite etwas größer ist als die Breite der Polvorsprünge
5, wie dies im folgenden näher erläutert ist, und der infolge der anfänglichen Bewegung
des Hemmrades die Polvorsprünge aus ihrer Ruhestellung zu Schwingungen anregen kann.
Die Gesamtbreite des Anlaufpfades 18 zwischen den Scheiteln auf beiden Seiten des
gewellten Pfades ist weniger als die Hälfte der vollen Amplitude des Schwingungssystems,
die ihrerseits kleiner ist als die Höhe. Ein imaginärer, mittlerer Weg
20, der ungewellt und von geringerer Breite ist als die ganze Breite des
Anlaufpfades, ist strichpunktiert in dem Anlaufpfad eingeschrieben dargestellt.
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F i g. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer selbstanlaufenden
magnetischen Hemmvorrichtung. Ein Schwingungssystem 201 ist so befestigt,
daß die Achse der Schwingung durch den Schwerpunkt des Schwingungssystems hindurchgeht.
Polvorsprünge 205, 205' sind in gegenseitiger magnetischer Einwirkung mit
einem Zwillingshemmrad 203, das mit äußeren und inneren magnetischen Zähnen
208 bzw. 209 versehen ist. Während des normalen Betriebs der magnetischen
Hemmung kann sich das Hemmrad 203 nur mit einer von der Schwingungseigenfrequenz
der Polvorsprünge 205 durch die magnetische Kopplung zwischen den Polvorsprüngen
205 und dem wellenförmigen Arbeitspfad 219 gesteuerten Geschwindigkeit drehen.
Wenn sich die magnetische Hemmvorrichtung, wie in F i g. 2 dargestellt, in ihrer
Ruhestellung befindet und dem Hemmrad eine anfängliche Drehbewegung mitgeteilt wird,
so werden die Magnetpolvorsprünge 205 durch den imaginären Anlaufpfad
218 zu Schwingungen mit geringer Amplitude gezwungen. Die Zunahme eines derartigen
Zwangs und die Geringfügigkeit der Verschiebung bis zur Erreichung der normalen
oder kritischen Geschwindigkeit ist schon ausführlich erläutert worden. In den Anlaufpfad
218 ist ein imaginärer, ungewellter, strichpunktiert gezeichneter, mittlerer
Weg 220
einbeschrieben, dessen Breite geringer ist als die der Polvorsprünge
205, und zwar in einem durch die Anlaufzähne des Anlaufpfades 218
bestimmten Ausmaß.
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Eine weitere, zur schematischen Darstellung der Selbstanlaufvorgänge
besonders geeignete Ausführungsform einer magnetischen Hemmung gemäß der Erfindung
ist in F i g. 5 dargestellt. Magnetische Polvorsprünge 505 eines Schwingungssystems
501 sind in gegenseitiger magnetischer Einwirkung mit einem ortsfesten magnetischen
Pfad 251. Der magnetische Pfad 521 stellt im wesentlichen einen zylindrischen
Ring dar, der aus Weicheisen oder aus einem anderen hochpermeablen, magnetischen
Material hergestellt ist. Das Hemmrad 503 dreht sich in einer horizontalen
Ebene um eine vertikale Achse. Die magnetischen Polvorsprünge 505 schwingen
auf und ab, d. h. parallel zu der vertikalen Achse. Die Polvorsprünge
505 sind auf entgegengesetzten Seiten des ortsfesten, magnetischen Pfades
521 angeordnet. Die der magnetischen Kopplung zwischen den Polvorsprüngen
505 und dem magnetischen Pfad 521 zuzuschreibende Bruchkraft reicht
aus, um eine wirksame Geschwindigkeitssteuerung zu erreichen, wenn das Hemmrad sich
mit seiner vorbestimmten, der normalen Schwingungsdauer des Schwingungssystems entsprechenden
Geschwindigkeit und mit der dadurch gegebenen Abhängigkeit von dem magnetischen
Pfad 521 dreht. Infolge einer derartigen magnetischen Kopplung ist eine große
Kraft erforderlich, um das Hemmrad auf eine über der normalen
liegende
Geschwindigkeit zu beschleunigen. Wenn auf das Hemmrad keine Kraft ausgeübt wird,
so dreht es sich mit seiner normalen Geschwindigkeit, bis die Amplitude des Schwingungssystems
zu klein wird, um den Moment des Rades die Möglichkeit zu geben, an der magnetischen
Kopplung mit dem nächsten Zahn des Anlaufpfades vorbeizukommen. Das Schwingungssystem
kann also infolge der Größe der Kräfte der magnetischen Kopplung zwischen den Polvorsprüngen
und dem magnetischen Pfad die Geschwindigkeit eines Hemmrades steuern. Die zur Beschleunigung
des Hemmrades über die vorbestimmte Geschwindigkeit hinaus erforderliche Kraft ist
viel größer als die zur Drehung des Hemmrades mit seiner vorbestimmten Geschwindigkeit,
da derartig hohe Geschwindigkeiten nur erreichbar sind, wenn die magnetische Kopplung
zwischen den schwingenden Polvorsprüngen und dem magnetischen Pfad überwunden wird,
d. h., wenn die Polvorsprünge den Luftspalt zwischen zwei nebeneinanderliegenden
Zähnen überspringen. Es ist klar, daß der verfügbare magnetische Widerstand des
Luftspalts bei größeren Amplituden ebenfalls größer ist.
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In F i g. 6 ist in schematischer Darstellung und in abgewickelter
Form ein Teil eines magnetischen Pfades 621 gezeigt. Die Polvorsprünge
605 nehmen in der Ruhelage eine gegenüber dem magnetischen Pfad 621 im wesentlichen
mittige Stellung ein, wie dies bei 605 a angedeutet ist, sie
sind also gegenüber dem mittleren. Weg 620 mittig. Wird das Hemmrad durch ein anfängliches
Anlaufdrehmoment von geeigneter Größe in dem Uhrzeigersinn entgegengesetzter Richtung
gedreht, so wird der Magnet gemäß F i g. 6 nach rechts bewegt, wodurch er in Einwirkung
mit einem Anlaufzahn 623 gebracht wird. Wenn das Drehmoment ausreicht, um das Hemmrad
aus seiner Ruhestellung heraus zu beschleunigen, so besteht eine für die Auslenkung
des Polvorsprungs um einen geringen Betrag aus seiner Ruhelage hinreichende Kraft.
Wenn der Anlaufzahn 623 weder zu groß noch zu klein ist bezüglich der Breite des
Polvorsprungs, so kann die anfängliche Kraft zur Auslenkung des Magneten ausreichen,
um, solange die Geschwindigkeit des Hemmrades innerhalb des Bereichs der kritischen
Antriebsgeschwindigkeit liegt, die magnetische Kopplung wieder aufzubauen, nachdem
sie für die Anlaufdrehung des Hemmrades gebrochen wurde.
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Die dem Polvorsprung durch die Viertelwellenbewegung des Hemmrades,
wie beschrieben, mitgeteilte Auslenkungskraft ist eine Funktion der magnetischen
Feldstärke, der Permeabilität des magnetischen Pfades, des Abstandes zwischen den
Magnetpolen und den damit verknüpften Faktoren. Jedenfalls sind unter der Annahme,
daß die einzige Variable die wellenförmige Gestalt des magnetischen Pfades und die
darauf bezogene Gestaltung und Größe der Polvorsprünge ist, verschiedene Möglichkeiten
denkbar. So müssen die Anlaufzähne oder -wellungen von ausreichender Größe sein,
um den Polvorsprung während der ersten Viertelwellenbewegung zu einer Auslenkung
geringen Betrags zu zwingen. Bei einigen, unter Berücksichtigung dieses Erfordernisses
ausgeführten, magnetischen Hemmungen ergaben sich Schwierigkeiten hinsichtlich des
Ruhewiderstands. Hat der mittlere Weg die Breite Null, so daß die Anlaufzähne halb
so breit sind wie der Polvorsprung, so wird auf den Magnet während der Bewegung
von einer Ruhestellung zu einer Viertelwellenstellung eine relativ große Auslenkungskraft
ausgeübt, dabei ist jedoch ein demgegenüber größeres Drehmoment erforderlich, um
die magnetische Kopplung zu brechen, damit die Drehung des Hemmrades beginnen kann.
Das Hemmrad kann also in seiner Ruhestellung festgehalten werden, wenn das anfängliche
Anlaufdrehmoment zu klein ist, oder es kann ein Anlaufdrehmoment erforderlich sein,
das so groß ist, um eine übermäßige Beschleunigung des Hemmrades nach dem anfänglichen
Bruch der magnetischen Kopplung zu bewirken. Ein derartig ausgebildeter unwirksamer
Pfad ist schematisch in F i g. 7 dargestellt, wobei die Anlaufzähne 723 relativ
groß sind und die Breite des mittleren Weges 720
weniger als 30 % der Breite
des Polvorsprungs 705 ausmacht.
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In F i g. 8 ist in schematischer Weise ein magnetischer Pfad 823 dargestellt,
wobei die Breite des mittleren Weges 820 ungefähr zweimal so groß ist, wie
die Breite der Polvorsprünge, wodurch die Anlaufzähne 819 bei der Ruhestellung unwirksam
sind. Das zum Bruch der magnetischen Kopplung erforderliche Anlaufdrehmoment ist
dabei geringfügig, und die während der anfänglichen Drehung des Hemmrades auf die
Polvorsprünge 805 ausgeübte Antriebskraft reicht nicht aus, um eine steuernde
Schwingung des Magneten herbeizuführen.
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Daher wird erfindungsgemäß die Breite des mittleren Weges so gewählt,
daß sie nicht weniger als 30% und nicht mehr als 99% der Breite des Polvorsprungs
ausmacht, um einen günstigen Selbstanlauf der Hemmung zu erreichen.
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In F i g. 3 und 4 sind nähere Angaben hinsichtlich der entsprechenden
Flächenbeziehungen gemacht. Die Breite des mittleren Weges GH ist geringer
als die Breite des Polvorsprungs AD. Der Magnetvorsprung ABCD ist in einer
instabilen Stellung bezüglich des Gleichgewichts des Hemmrades dargestellt, wobei
dieser mit maximaler Kraft nach unten zieht, jedoch ist die resultierende Verschiebung
so gering, daß der Polvorsprung über dem mittleren Weg GH zentriert bleibt. Bei
der Bewegung von einer derartigen Stellung zu einer in der Mitte liegenden Ruhestellung
vollführt das Hemmrad eine Viertelwellenbewegung, und die Polvorsprünge nehmen eine
Stellung zwischen zwei auf entgegengesetzten Seiten liegenden Zähnen ein, wobei
ein größerer Teil des Pfades von der Projektion der Polvorsprünge bedeckt wird.
Die bei dieser Bewegung auftretende Änderung der Fläche, die von der Projektion
des zentrierten Vorsprungs ABCD auf dem magnetischen Pfad überdeckt wird, ist proportional
der Fläche ABEF unter der Annahme, daß der Magnet in seiner zentrierten Stellung
festgehalten wird. Bei normalem Betrieb jedoch würde die Drehung die Auslenkung
des Magneten weg von der Öffnung zwischen dessen Polen veranlassen. Zur Bestimmung
der zur Bewegung des Hemmrades durch das erste Wellenviertel erforderlichen Kraft
ist es zweckdienlich, nur die durch die magnetische Kopplung hervorgerufenen Kräfte
zu betrachten unter der Annahme, daß keine Kraft zur Auslenkung des Magneten aufzuwenden
ist, was jedenfalls annähernd bei der anfänglichen Beschleunigung des Hemmrades
zutrifft. Unter dieser Voraussetzung muß das Anlaufdrehmoment ausreichen, um eine
Veränderung der dem magnetischen
Feld ausgesetzten Fläche in der
Größe ABEF zu erbringen.
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F i g. 4 zeigt die Dicke MM des Hemmrades und den Abstand
AA' bzw. BB' der Polvorsprünge. Diese Abstände sind wichtig wegen ihrer Wirkung
auf die zur Verkleinerung der dem magnetischen Feld ausgesetzten Fläche erforderlichen
Energie.
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Drückt man die Flächenänderung (a) in Quadratzentimetern, die Energie
(e) in Erg, die Dicke (t) des Hemmrades in Zentimetern und die magnetische Feldstärke
(B) in Kraftlinien je Quadratzentimeter oder Gauß aus, so gilt folgende Gleichung:
Als Beispiel wird die Berechnung der Änderung der von der Projektion eines zentrierten
Polvor-
Wenn bei dem Polvorsprung ABCD der Abstand AB 0,5 mm und der Abstand
AD 0,45 mm beträgt, so muß der Abstand AF etwa 0,025 mm sein, um die Flächenänderung
(a) zu erreichen, die das an dem Hemmrad auftretende verfügbare Anfangsdrehmoment
von 3,1416 Dyn - cm bewirkt, was einer Energie von 3,1416 Erg bei einer Drehung
des Hemmrades um ein Vierzigstel seines Umfangs entspricht. Ein derartiges Drehmoment
kann die magnetische Kopplung bei der Bewegung des Hemmrades von einer Ruhestellung
zu einer neben einem Zahn liegenden, wie in F i g. 3 gezeigten Viertelwellenstellung
brechen. Wenn das Anfangsdrehmoment nur halb so groß ist wie in den Berechnungen
angenommen, so reicht der Ruhewiderstand aus, um eine Bewegung des Hemmrades zu
verhindern. Wenn die Flächenänderung ABEF doppelt so groß wäre wie berechnet, so
würde zur Überwindung des Ruhewiderstandes ein doppelt so großes Anlaufdrehmoment
erforderlich sein. Wenn allerdings die Fläche ABEF achtmal so groß wäre wie in dem
Berechnungsbeispiel, so würde der mittlere Weg so verengt werden, daß der erfindungsgemäße
Vorteil des magnetischen Pfades nicht erreicht würde. Nur wenn die Breite des mittleren
Weges zwischen 30 und 99 % der Breite des Polvorsprungs ausmacht, läßt sich ein
zuverlässiger Selbstanlauf erreichen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Mitten von aufeinanderfolgenden
Zähnen in Längsrichtung so weit voneinander entfernt angeordnet, daß der gegenseitige
Abstand ein Mehrfaches der Länge des Polvorsprungs ausmacht, wodurch die auf das
Schwingungssystem ausgeübten Zentrierungskräfte die ausgelenkten Polvorsprünge gegen
die Mitte drängen können, bevor der Anlaufpfad zur Mitte des nächsten Zahns weiterkommen
kann. Der Anlaufpfad besitzt nicht nur genügend kleine Amplituden, sondern ist auch
ausreichend verlängert, um während der Beschleunigung des Hemmrades anfängliche
Schwingungen des Schwingungssystems und die Erreichung einer steuernden Schwingungsamplitude
durch das Hemmrad sicherzustellen, wenn dieses die kritischen Geschwindigkeiten
wie beschrieben erreicht. Sprungs auf einen magnetischen Pfad bedeckten Fläche bei
der Bewegung von einer Ruhestellung zu einer Viertelwellenstellung durchgeführt.
Ist der Durchmesser des Hemmrades 1 cm und entspricht einer Drehung des Hemmrades
um ein Vierzigstel des Umfangs einer Viertelwellenbewegung, ist weiter das Anfangsdrehmoment
(T) 20 Dyn - cm, so ist die Energie (e) -z Erg, wie aus folgender Berechnung hervorgeht:
Hat das Hemmrad eine Dicke (t) von 0,025 cm und ist die magnetische Feldstärke (B)
5000 Gauß, so ergibt sich durch Einsetzen der oben zu 3,1416 Erg berechneten verfügbaren
Energie die Flächendifferenz aus der Gleichung Im folgenden werden die wesentlichen
Einzelheiten einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Ausführungsform für die Anwendung
bei einer federgetriebenen Uhr angegeben: 1. Das Schwingungssystem hat ein Gewicht
von etwa 0,3 g und eine Eigenschwingungsfrequenz von 100 Hz.
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2. Die Befestigungsfeder des Schwingungssystems hat eine Federkonstante
von 20 g/mm bei Auslenkung der Pole.
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3. Die magnetische Feldstärke des Magneten allein beträgt 4000 Gauß.
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4. Die Breite des Luftspalts des Magneten beträgt 0,5 mm und die Dicke
des aus Mumetall hergestellten Hemmrads 0,25 mm, wodurch sich ein effektiver Luftspalt
von je 0,125 mm beiderseits des Hemmrades ergibt.
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5. Das Trägheitsmoment des Rotationssystems ist 0,1 -10-3 g
- cm - sec2.
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6. Die Breite des mittleren Weges beträgt 0,2 mm. 7. Die Dicke des
Magneten ist 0,35 mm.
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B. Daraus ergibt sich ein Verhältnis von Breite des mittleren Weges
zur Dicke des Pols von
Das zum Andrehen des Hemmrades der mit obigen Daten ausgeführten magnetischen Hemmung
erforderliche Drehmoment wurde mit einer Größe von 0,05 mm - g ermittelt und ergab
einen guten Selbstanlauf für ein federgetriebenes Uhrwerk, das für ein maximales
Drehmoment von 0,2 mm - g mit einem Abfall auf etwa 0,1 mm - g im Laufe einer Zeit
von 24 Stunden berechnet war. Tatsächlich lief die Hemmung mit einem Drehmoment
zwischen 0,05 und 0,22 mm - g selbst an.
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Eine Versuchshemmung wurde unter Zeitraffung gefilmt. Folgende Tabelle
zeigt die Auswertung dieses Films:
| % der tatsächlichen |
| Zeit Anzahl Anzahl Um- Klo der Endgeschwindigkeit |
| in Sekunden der überstrichenen der Umdrehungen drehungen Endgeschwindigkeit
(Korrektur |
| Zähne je Sekunde wegen falscher |
| Filmgeschwindigkeit) |
| 0 0 0 0 0 0 |
| 0,131 1/40 0,19 3,8 4,2 |
| 0,154 1 1/2n 1,08 21,6 24 |
| 0,178 2 1/1n 2,08 41,6 46 |
| 0,217 4 1/5 2,56 51,2 56 |
| 0,244 6 3/10 3,7 74 81 |
| 0,268 8 4/1" 4,16 83,2 92 |
| 0,290 10 1/2 4,55 91 100 |
| 0,400 20 1 4,55 91 100 |
Nach 0,29 Sekunden, d. h. nach einer halben Umdrehung, war noch keine Schwingungsamplitude
des Magneten sichtbar. Nach 0,4 Sekunden, d. h. nach einer Umdrehung, betrug die
Amplitude 0,25 mm oder ein Drittel der normalen Amplitude (0,75 mm).
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Die obige Auswertung zeigt, daß ein merklicher Antrieb des Schwingungssystems
nicht auftritt, bevor nicht der Rotor nach einer halben Umdrehung im wesentlichen
seine normale Geschwindigkeit erreicht; zu diesem Zeitpunkt aber und im Anschluß
daran muß der Antrieb ausreichen, um eine magnetische Kopplung zwischen dem Rotor
und dem Schwingungssystem aufzubauen, während der Rotor zu beschleunigen aufhört,
wenn die Amplitude der Schwingung sich zur normalen Schwingungsarnplitude aufbaut.