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Magnetisch polarisiertes elektrisches Antriebssystem für Wecker, Relais
od. dgl. Die Erfindung betrifft ein magnetisch polarisiertes elektrisches Antriebssystem
für Wecker, Relais od. dgl. mit einem unbeweglichen, durch Wechselstrom erregbaren
Elektromagnet mit weichmagnetischem Eisenkern, der einen :Mittelpol und zwei gleichnamige
Außenpole hat, und einem den Anker des Systems bildenden, hin und her schwenkbaren
Dauermagnetsystem, das aus zwei magnetisch in Reihe geschalteten Dauermagneten,
zwei an deren äußeren Polen befestigten, sie überragenden Polblechen und einer zwischen
den Dauermagneten festgehaltenen, den Anker in die neutrale Mittellage zurückführenden
Bandfeder besteht, die an einem verlängerten Polende befestigt ist, bei welchem
Antriebssystem sich der magnetische Wechselfluß des Elektromagnets über die Luftspalte,
Polbleche und Dauermagnete schließt.
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Es ist bereits ein magnetisch polarisiertes Antriebssystem eines Weckers
bekanntgeworden, bei dem der zwischen zwei symmetrisch ausgeführten Jochen des Elektromagnets
frei schwingende Anker aus einem Dauermagnet besteht, der auf beiden Seiten je ein
Polblech trägt. Zur Rückstellung des Ankers in seine Gleichgewichtslage ist bei
diesem bekannten Antriebssystem eine mit dem Anker verbundene, auf Biegung beanspruchte
Bandfeder vorgesehen, die beidseitig zwischen je zwei Schneiden gelagert -ist. Die
Drehlagerung des Ankers erfolgt durch eine senkrecht zur Rückstellfeder angeordnete,
in besonderen Lagern gehalterte Ankerwelle. Die wesentlichen Nachteile dieser Ausführung
liegen in der großen Zahl der Einzelteile der mühsamen Montage und insbesondere
in der schwierigen Justierung des Ankers.
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Um die Zugänglichkeit zu den zu justierenden Teilen zu erleichtern,
hat man weiterhin eine Ausführung eines polarisierten Elektromagnetsystems entwickelt,
bei der der Anker durch eine Blattfeder in die neutrale Lage zurückgeführt wird
und zur drehbeweglichen Halterung des Ankers an der Blattfeder Verlängerungen vorgesehen
sind, die in Ansätze eines an einer Grundplatte montierten, einstellbaren Lagerbügels
eingreifen. Auch bei dieser bekannten Ausführung ist die Zahl der Einzelteile noch
verhältnismäßig groß, so daß eine rationelle Serienfertigung schwer möglich ist.
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Es ist schließlich noch ein magnetisch polarisiertes elektrisches
Antriebssystem der eingangs genannten Art bekanntgeworden, bei der der in Längsrichtung
vom Dauerfluß durchsetzte Anker mit zwei verschieden polarisierten Zungen in die
beiden Luftspalte eines dreipoligen Weicheisensystems, dessen einer Pol zwei gleichnamigen
anderen gegenübersteht, hineinragt. Bei dieser bekannten Ausführung ist der Anker
mittels einer Stahlfeder an einem Fortsatz des Mittelsteges des Weicheisenkernes
aufgehängt. Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Ausführung liegt jedoch darin,
daß es nicht möglich ist, die Forderungen einer leichten Justierbarkeit und eines
möglichst kleinen Trägheitsmomentes des Ankers in befriedigendem Maße gleichzeitig
zu erfüllen. Je näher man nämlich bei dem bekannten Antriebssystem die Dauermagnete
an die fiktive Drehachse des Ankers und damit an den Mittelsteg des Weicheisensystems
heranrückt, um so schwieriger wird die Justierung des Ankers.
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In fertigungstechnischer Hinsicht erscheint es bei dieser bekannten
Ausführung weiterhin nachteilig, daß zur Aufnahme der den Anker tragenden Stahlfeder
in den Mittelsteg ein Schlitz quer zur Lamellierungsrichtung gesägt bzw. gefräst
werden muß. Diese Ankeraufhängung bietet zudem keine absolute Gewähr dafür, daß
der Anker bei Erschütterungen, Stößen od. dgl. unverrückbar in seiner Einspannlage
festgehalten wird.
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Alle diese Mängel der bekannten Ausführungen sollen durch das erfindungsgemäße
magnetisch polarisierte elektrische Antriebssystem vermieden werden. Durch die Erfindung
soll insbesondere ein Antriebssystem geschaffen werden, das sich aus wenigen Einzelteilen
mühelos und in wenigen Arbeitsgängen zusammensetzen läßt und das sich durch eine
besonders leichte Justierbarkeit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der verzweigte
Pol des Eisenkernes des Elektromagnets als eine das Dauermagnetsystem beiderseits
mit Abstand umgreifende Halterung für die Aufhängung der auf Torsion beanspruchten,
in ihrer Mitte das Dauermagnetsystem tragenden Rückführ-Bandfeder ausgeführt ist.
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Indem auf diese Weise ein Pol des Eisenkernes des Elektromagnets zugleich
als Halterung für die Federbandaufhängung des Ankers dient, verringert sich die
Zahl
der Einzelteile, aus denen sich das System zusammensetzt, und damit auch die Herstellung
und der Zusammenbau ganz wesentlich. Die besondere Art der Aufhängung des Ankers
macht in der Regel eine Nachjustierung völlig entbehrlich; falls im Einzelfalle
eine Nachjustierung erforderlich sein sollte, so kann sie infolge der freien Zugänglichkeit
der Federbandaufhängung rasch und genau vorgenommen werden.
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Ein räumlich gedrängter, fertigungstechnischer günstiger Aufbau des
elektrischen Antriebssystems ergibt sich gemäß einer besonderen Ausgestaltung der
Erfindung dann, wenn der Kern des Elektromagnets und die Halterung für die Federbandaufhängung
des Ankers ein aus Eisenblechen bestehender geschlossener rechteckiger Rahmen ist,
in den von der Mitte der einen Rahmenseite her eine Zunge hineinragt, auf der eine
Wechselstromerregerspule sitzt und deren Ende den einen Pol des Elektromagnets bildet,
während der andere Pol durch die Mitte der gegenüberliegenden Seite des Rahmens
gebildet wird, wobei die Enden der Bandfeder der Federbandaufhängung an zwei einander
gegenüberliegenden Punkten der anderen beiden Rahmenseiten befestigt sind.
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Man kann das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem aber auch
so ausbilden, daß der Kern des Magnets und die Halterung für die Federbandaufhängung
ein E-förmiger Bügel ist, auf dessen mittlerem Schenkel, dessen freies Ende den
einen Pol des Elektromagnets bildet, sich eine Wechselstromerregerspule befindet,
während die Bandfeder der Federbandaufhängung an den verlängerten Enden der beiden
äußeren Schenkel befestigt ist.
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Diese und zahlreiche weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in ihrer Anwendung auf ein einspuliges
Wechselstromantriebssystem für einen Wecker veranschaulicht; es zeigt Fig.1 ein
gemäß der Erfindung ausgeführtes Weckerantriebssystem in Aufsicht, Fig.2 das System
gemäß Fig. 1 im Längsschnitt längs der Schnittlinie II-II der Fig. 1, Fig. 3 und
4 eine Aufsicht und einen Längsschnitt durch ein abweichend ausgeführtes Weckerantriebssy
stem, Fig.5 und 6 ebenfalls eine Aufsicht und einen Längsschnitt durch ein Weckerantriebssystem
besonders einfacher Bauart, Fig.7 einen Einzelteil des Antriebssystems gemäß Fig.
5 und 6 in Aufsicht, Fig. 8 und 9 eine Aufsicht und eine teilweise geschnittene
Seitenansicht eines vollständigen Weckers. Das Weckerantriebssystem nach Fig. 1
und 2 besteht aus einem durch Wechselstrom erregbaren, ruhenden Elektromagnet 1
und einem schwenkbaren Dauermagnetsystem 2, an dem der Klöppel 3 befestigt ist.
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Der Elektromagnet 1 hat einen Eisenkern in Form eines langgestreckten
Blechrahmens 4, der eine von der einen Rahmenseite 4a in den Rahmen hineinragende
Mittelzunge 5 aufweist, die eine mit Wechselstrom zu speisende Erregerspule 6 trägt.
Der Blechrahmen 4 ist aus beispielsweise zwei flach aufeinandergelegten Weicheisenblechen
4' zusammengesetzt, die durch einen Lackanstrich oder durch eine (nicht dargestellte)
Papierzwischenlage gegeneinander isoliert sind. Zwischen dem freien Ende 5 a der
Mittelzunge 5 und der gegenüberliegenden Seite 4b des Rahmens 4 befindet sich das
Dauermagnetsystem 2, das in der Mitte einer Federbandaufhängung sitzt, deren Bandfeder
7 mittels der Niete 8 an den einander gegenüberliegenden Längsseiten 4c und 4d des
Rahmens 4 befestigt ist. Die Enden der Bandfeder 7 sind zwischen die beiden Weicheisenbleche
4' des Rahmens geschoben, so daß sie nach ihrer Befestigung durch die Niete 8 fest
im Rahmen eingespannt sind.
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Das Dauermagnetsystem 2 besteht aus zwei einander gleichen flachen
OYydmagneten 9 und 9', zwischen denen die Mitte der Bandfeder 7 eingespannt ist.
Die beiden Dauermagnete 9 und 9' sind magnetisch in Reihe geschaltet und tragen
auf ihren äußeren Stirnflächen je ein Polblech 10 und 10'. Die Polbleche 10 und
10' ragen beiderseits über die Dauermagnete 9 und 9' hinaus und tragen an ihren
Enden nichtmagnetische, als Anschlagniete ausgeführte Vorsprünge 11. zwischen die
einerseits das den einen Pol des Elektromagnets bildende Ende 5 ä der Zunge 5 und
andererseits die den anderen Pol bildende Rahmenseite 4 b des Rahmens 4 hinein-
bzw. hinausragen. Auf diese Weise entstehen vier Luftspalte 12 a, 12 b sowie 12'a.
12'b, über die sich der Gleichfluß des Dauermagnetsystems 2 und der Wechselfluß
des aus dem Rahmen 4, der Zunge 5 und der Spule 6 gebildeten Elektromagnets schließen
kann. Das gesamte Dauermagnetsy stem 2 wird durch einen zentrischen Niet 2 a fest
zusammengehalten.
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Die Achse der Torsions-Bandfeder7 ist die Schwenkachse des den Anker
bildenden Dauermagnetsystems 2, um die auch der an der Unterseite des Dauermagnetsystems
2, d. h. an dem Polschuh 10' befestigte Klöppel 3 schwingt, dessen Stiel 3 a aus
Federblech besteht.
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Wie insbesondere die Fig. 2 klar erkennen läßt, ist das Antriebssystem
ein Vierpolinagnetsystem, bei dem das Dauermagnetsystem2 mittels einer symmetrischen,
beiderseitigen Federbandaufhängung schwenkbar gelagert ist, während der durch Wechselstrom
erregbare Elektromagnet 1 fest angeordnet ist.
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Die Arbeitsweise des Systems ergibt sich ebenfalls aus der Betrachtung
der Fig.2 gewissermaßen von selbst. In der dargestellten Ruhelage wird das Dauerrnagnetsystem
2 durch die Torsions-Bandfeder 7 in einer Stellung festgehalten, in der die vier
Luftspalte 12a, 12b, 12'a, 12'b gleich groß sind und infolgedessen sich sämtliche
Magnetkräfte innerhalb des symmetrisch aufgebauten Antriebssystems ausgleichen.
Schickt man nun einen Wechselstrom durch die Spule 6, so wird ein zusätzlicher Wechselfluß
von dem freien Ende 5 a der Zunge 5 über die Luftspalte 12 a, 12 b, die Polbleche
10, 10' und die Luftspalte 12'a, 12'b nach der gegenüberliegenden Rahmenseite 4
a fließen. Dieser Wechselfluß verändert in an sich bekannter Weise die Luftspaltinduktion
in den vier Luftspalten des Antriebssystems beispielsweise derart, daß die Induktion
in den Luftspalten 12 a und 12'b ansteigt, während sie in den Luftspalten 12 b und
12'a verringert -wird. Die damit verbundenen Änderungen der magnetischen Anziehungskräfte
in den Luftspalten schwenken das Dauermagnetsystem 2 im Sinne des Uhrzeigers um
die Achse der Torsions-Bandfeder 7, so daß der mit diesem Dauermagnetsystem verbundene
Klöppel 3 nach unten schlägt.
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Mit dem Schwenken des Dauermagnetsystems 2 ändern sich auch die Luftspaltweiten
bzw. die magnetischen Widerstände der Luftspalte, so daß auch ein größerer Teil
des Wechselflusses über die Dauermagnete 9 und 9' fließt, wenn der magnetische Wechselflußwiderstand
der Dauermagnete nicht sehr hoch ist.
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Die Ausschlagweite des Dauermagnetsystems 2 wird durch das unmittelbare
Aufschlagen der Vor-
Sprünge 11 der Polschuhe 10 und 10' auf die
untere Fläche des Zungenendes 5 a und die obere Fläche der Rahmenseite 4a begrenzt,
wobei jedoch der gefederte Klöppel 3 noch etwas über die Endlage hinausschwingt.
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Bereits während der erregende Wechselstrom in der Spule 6 seine Richtung
umkehrt, wird das Dauermagnetsystem 2 zunächst durch die Torsions-Bandfeder 7 und
dann infolge der Umkehrung des Wechselflusses durch magnetische Kräfte entgegen
dem Uhrzeigersinn geschwenkt, bis diese Schwenkbewegung wiederum durch die Anschläge
gestoppt wird.
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Durch die Abstimmung der Eigenschwingung des gefederten, aus dem Dauermagnetsystem
2 und dem Klöppel 3 bestehenden Ankersystems auf die Frequenz des erregenden Wechselstromes
läßt sich ein besonders guter Wirkungsgrad erreichen.
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Die Dauermagnete 9 und 9' können Oxydmagnete sein, deren elektrischer
Widerstand sehr hoch ist, so daß in den Magneten selbst beim Durchgang des Wechselflusses
durch diese Magnete keine Wirbelstromverluste und damit keine Dämpfung auftreten
kann. Da ferner die Induktionsänderungen durch den Wechselmagnetfluß nur relativ
gering sind, treten in den Magneten auch praktisch keine Hystereseverluste auf.
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Durch die bereits oben erwähnte Anpassung der Rückführkräfte, die
von der Torsions-Bandfeder 7 auf das Dauermagnetsystem 2 übertragen werden, an die
magnetischen Kräfte, die bei unerregtem Elektromagnet zwischen den Polschuhen 10,
10' des Dauerinagnetsystems 2 und den Polen (Ende 5 a der Zunge 5 und Rahmenseite
4 b) des Elektromagnets auftreten, läßt sich das Dauermagnetsystem bereits durch
sehr geringe Wechselflüsse, d. h. eine kleine Wechselstromleistung, in Bewegung
setzen. Bei einer solchen Auslegung der Federkräfte kann man die Luftspalte 12 a,
12 b bzw. 12'a, 12'b verhältnismäßig groß machen, ohne den Wirkungsgrad des Antriebssystems
nennenswert zu verringern. Diese relativ großen Luftspalte erleichtern die Einstellung
des Antriebssystems auf den günstigsten Arbeitspunkt; die Verwendung einer aus korrosionsfreiem
Material hergestellten Torsions-Bandfeder macht das Antriebssystem weitgehend unabhängig
von Witterungs- und Temperatureinflüssen. Auch bei größter Kälte werden die Ansprechempfindlichkeit
und der Wirkungsgrad des Systems nicht verschlechtert.
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Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Antriebssystem unterscheidet
sich von dem System gemäß Fig.1 und 2 im wesentlichen dadurch, daß es nur zwei Luftspalte
13 und 13' aufweist, da die Polbleche 14 und 14' nur einseitig über die beiden Dauermagnete
9 und 9' herausragen. Die Torsions-Bandfeder 7 ist zwischen die nicht geschlossenen
Schenke115d und 15b der als E-förmiger Bügel 15 ausgebildeten Halterung gespannt
und besteht aus einem Stück mit dem Stiel 3'a des Klöppels 3', während der Wechselflußmagnetkreis
über die beiden Blechbrücken 16 und 16' geschlossen wird, die in der Höhe des Endes
17a der Zunge 17 mit geringem Abstand über die Enden der Polbleche 14 und 14' herübergreifen
und an den Schenkeln 15a und 15b des Bügels 15 befestigt sind.
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Die Wirkungsweise dieses Antriebssystems weicht praktisch nicht von
der des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Antriebssystems ab; an Stelle der beiden
Luftspalte 12 b und 12'b sind die lediglich von dem Wechselfluß durchflossenen Luftstrecken
18, 18' zwischen den Polblechen 14 und 14' und den Brücken 16 und 16' getreten.
Dieses System ergibt praktisch die gleichen Wirkungsgrade wie das System gemäß Fig.
1 und 2, da sich das gesamte Gleichfeld über die beiden Arbeitsluftspalte 13 und
13' schließt.
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Die Fig.5 und 6 zeigen ein weiter vereinfachtes Antriebssystem ähnlich
Fig. 3 und 4, in dem die Torsions-Bandfeder 19 aus magnetisierbarem Blech besteht
und den magnetischen Schluß des Wechselflußkreises bildet. Diese Torsions-Bandfeder
19 kann aus dem gleichen Werkstoff bestehen, wie der als Blattfeder ausgebildete
Stiel 20a des Klöppels 20, so daß die Torsions-Bandfeder und der Klöppelstiel einen
zusammenhängenden Stanzteil bilden können.
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Da bei dieser Ausführung die Bandfeder der Federbandaufhängung nach
beiden Seiten je die Hälfte des Wechselflusses des Elektromagnets führt, ist es
zweckmäßig, sie in ihrem Einspannbereich zwischen den beiden Dauermagneten des Dauermagnetsystems
mit einer Verbreiterung zu versehen, deren Fläche der Ouerschnittsfläche der Dauermagnete
entspricht. Die Verbreiterung der Bandfeder kommt insbesondere bei Dauermagnetsystemen
in Frage, die aus Oxydmagneten aufgebaut werden. Oxydmagnete haben bekanntlich eine
geringe Permeabilität ([, - 1), so daß sie sich gegenüber magnetischen Wechselflüssen
wie Luft verhalten. Um den magnetischen Widerstand im Wechselflußkreis klein zu
halten, muß man daher die durch den Oxydmagnet getrennten Flächen der Polbleche
und der Bandfeder möglichst groß machen und flache Oxydmagnete wählen.
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Dieses vereinfachte Antriebssystem setzt sich aus sehr wenigen Teilen
zusammen; seine Montage ist besonders einfach, da nach dem Zusammenbau des Dauermagnetsystems
mit dem zwischen die beiden Einzelmagnete 9 und 9' eingespannten Klöppelstiel 20a,
dessen Querstück die Torsions-Bandfeder 19 bildet, lediglich die Enden dieser Torsions-Bandfeder
zwischen die beiden den Rahmen des Elektromagnets bildenden Bleche zu schieben und
zwischen diesen Blechen durch Niete oder Punktschweißung festzulegen sind.
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Die genaue Einstellung des Dauermagnetsystems auf Gleichheit der beiden
Luftspalte 13a und 13'a wird - wie auch bei den Antriebssystemen gemäß Fig. 1 bis
4 - mittels entsprechender Justierwerkzeuge durch Biegen der unmittelbar vor der
Einspannung im Rahmen liegenden Enden der Torsions-Bandfeder 19 durchgeführt.
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Man kann die Achse der Bandfeder entweder durch die Mitte des Dauermagnetsystems
gehen lassen, wenn die einseitig über die Dauermagnete hinausragenden Teile der
Polbleche das Gewicht eines mit dem Dauermagnetsystem verbundenen Klöppels ungefähr
ausgleicht. Da man jedoch Interesse daran hat, die Streuung innerhalb des den Anker
bildenden Dauermagnetsystems so klein wie möglich zu halten, werden die Polbleche
relativ kurz ausgeführt; sie können dann das Gewicht eines schweren Klöppels nicht
ausgleichen. In diesen Fällen empfiehlt es sich - um einen weitgehenden Gewichtsausgleich
und das geringste Trägheitsmoment des hin und her schwenkbaren Ankersystems zu erreichen
- die Achse der Federbandaufhängung aus der Mitte des Dauermagnetsystems so weit
zu verschieben, daß sie durch den Schwerpunkt dieses Ankersystems geht.
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In der Fig.7 ist ein Stanzteil aus magnetisierbarem Federblech dargestellt,
der die Form einer mit dem Klöppelstie120a zusammenhängenden Bandfeder 19 erkennen
läßt, deren Achse gegenüber der Mitte des Dauermagnetsystems, d. h. der Mitte des
Loches 19 a in der mittleren Verbreiterung 19 b der Bandfeder 19, versetzt
ist.
Die Fig. 8 und 9 zeigen einen vollständig zusammengebauten
Wechselstromwecker. Um dem Antriebssystem eine große mechanische Steifheit zu geben,
sind die beiden den Rahmen 21 bildenden Bleche 22a und 22b auseinandergebogen bzw.
durch Kröpfungen versteift; sie sind ferner mit senkrecht abgebogenen PIaltelappen
23 versehen, durch deren Augen 23a Befestigungsschrauben zum Festlegen des Systems
hindurchgreifen können. An der linken Stirnseite des Rahmens ist ein besonderer
Spulenkern 24 zwischen die beiden Bleche 22 a. und 22 b genietet,
dessen Ende 24r zwischen die Polbleche 14, 14' des fest mit dem Klöppel 20 verbundenen
Dauermagnetsystems 2 hineinragt. Zum Festlegen der Torsions-Bandfeder 19 - die einstückig
mit dem federnden Klöppelstiel 20a hergestellt ist - dienen zwei Schrauben 25 und
rohrförmige Abstandstücke 26, die gleichzeitig zur axialen Festlegung eines Klingelbleches
27 dienen, das zwischen elastischen Scheiben 28 eingespannt ist.
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Das Klingelblech 27 hat einen ovalen oder rechteckigen Rohrquerschnitt;
an seinem Ende sind zwei einander gegenüberliegende ausgescherte Lappen 27a. vorgesehen,
gegen deren Stirnseite der Klöppel 20 anschlägt. An der Befestigungsseite ist das
Klingelblech 27 rechteckig ausgeschnitten, damit auch noch nach Zusammenbau des
Systems die Enden der Torsions-Bandfeder 19 für eine gegebenenfalls notwendige Justierung
zugänglich sind.
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Die doppelseitige Kröpfung der beiden Rahmenbleche 22a und 22b gestattet
es schließlich, die Spule 6 einwandfrei an dem Rahmen 21 festzulegen, indem ihr
vergrößerter Spulenflansch29 mit zwei Einschnitten versehen wird. so daß sich Ansätze
30 bilden, die zwischen die Rahmenbleche 22a und 22b geklemmt werden.
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Das an dem Beispiel eines Weckerantriebs ausführlich beschriebene
elektrische Antriebssystem gemäß der Erfindung kann nicht nur als Antriebsvorrichtung
für einen Klöppel, sondern auch zur Betätigung von Umschaltkontakten verwendet werden.
So ist ein solches System beispielsweise zur Betätigung von Polwechslerkontakten
geeignet, wenn man mit dem als Dauermagnetsvstem ausgeführten Anker Schaltkontakte
verbindet, die als Wechselkontakte geschaltet sind. Durch geeignete Phasenkompensationsmaßnahmen
im Spulenkreis läßt sich erreichen, daß die Kontakte stets etwa im Nulldurchgang
der Wechselspannung betätigt werden. Auch hier liegt der wesentliche Vorteil in
dem geringen Leistungsaufwand; der zur Steuerung der Kontakte erforderlich ist.
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Weiterhin lassen sich gemäß der Erfindung ausgeführte Antriebssysteme
auch als polarisierte Umschaltrelais verwenden. wenn die Erregerspule- mit Gleichstromimpulsen
wechselnder Spannungs- oder Stromrichtung gespeist wird.
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Infolge der Federbandaufhängung, die zweckmäßigerweise im Schwerpunkt
des beweglichen Ankersystems angreift, sind die Antriebssysteme in ihrer Wirkungsweise
weitgehend lageunabhängig, so daß sie in ortsveränderlichen Geräten verwendet werden
können, die in ganz unterschiedlichen Gebrauchslagen benutzt werden.