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Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem für elektrodynamische Wandler, insbesondere Mikrophone und Kopfhörer, bei welchen Wandlern eine Tauchspule in einem ringförmigen Luftspalt, der zwischen einem zentralen Kern aus weichmagnetischem Material und einem ebensolchen, ihn umgebenden Joch ausgebildet ist, in Achsrichtung beweglich, angeordnet ist, und der Luftspalt radial von magnetischen Kraftlinien durchsetzt ist, die von einem ringförmigen Dauermagneten ausgehen.
Im allgemeinen kann man zwei Arten von derartigen Magnetsystemen unterscheiden. Bei der einen Art ist der als ringförmiger Körper ausgebildete Dauermagnet innerhalb des von der Tauchspule bestimmten Kreises angeordnet, bei der andern Art liegt er ausserhalb dieses Kreises. Ein Beispiel der erstgenannten Art ist in der DE-AS 2315661 beschrieben, wogegen die PCT-Ver- öffentlichung WO 81/03099 einen Wandler betrifft, bei dem der ringförmige Dauermagnet ausserhalb des von der Tauchspule bestimmten Kreises liegt. Kennzeichnend für beide bekannte Ausführungsarten ist, dass die ringförmigen Dauermagneten in axialer Richtung, d. h. parallel zur Rotationsachse, magnetisiert sind.
Aus der US-PS Nr. 4, 327, 257 ist ein Magnetsystem für einen elektrodynamischen Wandler mit Tauchspule bekanntgeworden, bei dem zwei konzentrisch ineinanderliegende, ringförmige Dauermagneten radial, d. h. senkrecht zu ihrer Rotationsachse, magnetisiert sind. Ein solches System hat aber offensichtlich ein relativ grosses Volumen, weshalb es sich vorteilhaft nur für Lautsprecher eignen dürfte, wie auch das dort beschriebene Ausführungsbeispiel beweist.
Ringspaltmagnetsysteme, die für die Verwendung in Wandlern für Mikrophone und Kopfhörer brauchbar sind, dürfen jedoch nur ein geringes Volumen, d. h. geringe Abmessungen haben. Bei gegebenen Abmessungen hängt daher die maximal erzielbare magnetische Induktion im Luftspalt im wesentlichen nur noch vom Werkstoff des Dauermagneten und vom Streufaktor des Magnetsystems ab. Soll beispielsweise für einen elektrodynamischen Wandler in Miniaturausführung der Gehäusedurchmesser höchstens 11 mm und die Gehäusehöhe höchstens 8 mm sein, und sind die Abmessungen des Luftspaltes durch die Tauchspule sowie die im Luftspalt erforderliche magnetische Induktion vorgegeben, dann ist mit diesen Parametern bereits sowohl der Magnetwerkstoff als auch das erforderliche Volumen des Dauermagneten als Ergebnis einer Optimierungsrechnung festgelegt.
Dabei soll, damit eine gewisse Mindestempfindlichkeit des elektrodynamischen Wandlersystems nicht unterschritten wird, die magnetische Induktion im Luftspalt mindestens 1 Tesla erreichen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei den bekannten Bauformen mit einem ringförmigen Dauermagneten bei miniaturisierten elektrodynamischen Wandlern, selbst mit den energiereichsten Magnetwerkstoffen (z. B. Dauermagneten auf der Basis der Legierungen mit seltenen Erden, wie CoSm-Magneten), eine solche Mindestluftspaltinduktion nicht mehr erreicht werden kann.
Die Erfindung hat sich daher das Ziel gesetzt, ein Ringspalt-Magnetsystem kleinster Abmessungen zu schaffen, das insbesondere für miniaturisierte Mikrophone und Kopfhörer bestimmt ist, und das trotz seiner Kleinheit eine Luftspaltinduktion von mindestens 1 Tesla und sogar noch höhere Werte ohne weiteres, lediglich durch eine besondere Bauform, zu erreichen gestattet.
Erreicht wird dieses Ziel dadurch, dass sich der Dauermagnet aus einzelnen, vorzugsweise im Abstand voneinander ringförmig angeordneten Teilmagneten zusammensetzt, die radial magnetisiert und praktisch vollkommen von einem topfförmigen Joch aus weichmagnetischem Werkstoff nach aussen magnetisch abgeschirmt sind.
Die Unterteilung des Dauermagneten in Teilmagnete bringt für die geforderte magnetische Induktion im Luftspalt eine Herabsetzung des Magnetvolumens mit sich, wobei es bei dem heutigen Stand der Technik durchaus selbstverständlich ist, dass nur energiereichste Magnetwerkstoffe eingesetzt werden und diese Massnahme daher keiner weiteren Begründung bedarf. Die Tatsache, dass bei dem erfindungsgemässen Magnetsystem der aus Teilelementen zusammengesetzte Dauermagnet sich praktisch vollständig innerhalb von weichmagnetischem Material befindet, reduziert den Streufluss des Magnetsystems nach aussen auf ein Minimum, wodurch der magnetische Fluss über den Luftspalt wesentlich gegenüber den bekannten Anordnungen gesteigert wird.
Im allgemeinen kann im Vergleich zu den bekannten Magnetsystemen mit axial magnetisiertem ringförmigen Dauermagneten für gleiche Induktion im Luftspalt das Magnetvolumen radikal, gegebenenfalls sogar auf die Hälfte, reduziert werden. Dies bringt einen wesentlichen Fortschritt hinsichtlich der Miniaturisie-
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rung elektroakustischer Wandler mit sich und ist auch wirtschaftlich infolge der Materialeinsparung, insbesondere bei den teuren Magnetwerkstoffen, von Vorteil, wobei die Einsparung beim Einzelstück relativ gering ist, sich aber in der Massenfertigung deutlich positiv auswirkt.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung betreffen zunächst die Gestaltung der Teilmagneten.
Bei einer ersten Ausführungsform sind die in radialer Richtung magnetisierten Teilmagneten Teile eines Hohlzylinders. Diese Form der Teilmagneten hat den Vorteil, dass sie formschlüssig an einem einfachen zylindrischen Weicheisenkern und auch an dem ebenfalls aus Weicheisen bestehenden topfförmigen Aussenjoch anliegen.
In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung können die dauermagnetischen Einzelelemente im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse des Magnetsystems auch einen trapezförmigen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Diese Formen sind von ebenen Flächen begrenzt und können daher kostengünstiger hergestellt werden. Allerdings muss dann der zentrale Kern im Bereich der Teilmagneten prismatisch geformt sein und so viele Flächen aufweisen als Einzelelemente vorgesehen sind. Auch der als Aussenjoch fungierende Weicheisentopf kann dann nicht mehr mit einer zylindrischen Innenfläche ausgebildet sein, sondern muss ebenfalls der Form eines vieleckigen Prismas folgen.
Da im Gegensatz zu den Materialien, aus denen die Dauermagneten hergestellt werden, Weicheisen leicht zu bearbeiten ist, können Magnetsysteme mit ebenflächig begrenzten Einzelelementen im allgemeinen einfacher und damit billiger hergestellt werden.
Schliesslich ist das erfindungsgemässe Ringspalt-Magnetsystem noch durch das Merkmal gekennzeichnet, dass die innenseitige Begrenzung des Luftspaltes für die Tauchspule Teil eines im wesentlichen zylindrischen Eisenkernes ist, an dessen Oberfläche unterhalb des Luftspaltes die nach innen gerichteten Flächen der Teilmagneten anliegen. Diese Massnahme ermöglicht die raumsparendste Konstruktion des Magnetsystems und fördert die Herstellung kleinster elektroakustischer Wandler, d. h. von Wandlern mit dem kleinstmöglichen Volumen.
Die Erfindung soll nun in der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen Fig. l die Magnetisierungskennlinien für Dauermagnetmaterialien, Fig. 2 als Querschnitt ein Ringspalt-Magnetsystem mit einem Ringmagneten von axialer Magnetisierung, Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch das erfindungsgemässe Magnetsystem in einer die zentrale Achse enthaltenden Ebene und die Fig. 4 bis 6 Querschnitte in einer in Fig. 3 durch die Linie IV-IV angedeuteten Ebene, wobei die Teilmagneten unterschiedliche Gestaltung aufweisen.
In Fig. l sind Magnetisierungskurven unterschiedlicher Magnetmaterialien - wie beispielsweise durch die Kurve 1 und 2 für AlNiCo-Magneten und durch die Kurve 3 für CoSm-Magnetendargestellt, die ganz deutlich den wesentlich höheren Energiegehalt von CoSm-Magneten erkennen lassen. Da bei vorgegebenen Luftspaltvolumen die im Luftspalt zu erzielende Induktion vom Produkt B X H und vom Magnetvolumen in erster Linie abhängig ist, kann aus Fig. l damit entnommen werden, dass für miniaturisierte Ringspalt-Magnetsysteme aus seltenen Erden hergestellte Magnetwerkstoffe von ausschlaggebender Bedeutung sind.
Fig. 2 zeigt die Ausführungsform eines bekannten Ringspalt-Magnetsystems --5-- mit axial magnetisiertem CoSm-Ringmagneten --6--, ringförmigem Aussenjoch --7--, zylindrischem Innenjoch - -8--, das sich in den Weicheisenteil --9-- einstückig fortsetzt, und dem Luftspalt --10--. Das gesamte Ringspalt-Magnetsystem --5-- ist von einem im Spritzgussverfahren gefertigtem thermoplastischem Kunststoffkörper --11-- umgeben, der gleichzeitig der Wandlerkörper des als Kopfhörer oder Mikrophon verwendeten elektrodynamischen Wandlers ist, und zur Aufnahme und zum Zentrieren der die Tauchspule tragenden Membran die Stufe --12-- angebracht hat.
Ein solches Ringspalt-Magnetsystem --5-- besitzt eine Luftspaltinduktion von etwa 1 Tesla, weist aber nur einen sehr niedrigen Nutzflussfaktor auf und ist zudem im Hinblick auf Miniaturisierung im Durchmesser noch etwas zu gross.
In Fig. 3 ist das erfindungsgemässe Ringspalt-Magnetsystem mit --13-- bezeichnet. Es besteht aus einem zentralen Kern --15-- aus Weicheisen, der im einfachsten Ausführungsbeispiel als Vollzylinder ausgebildet ist (s. Fig. 4). Der Dauermagnet setzt sich aus den Teilmagneten - zusammen, die, wie Fig. 4 zu entnehmen ist, ringförmig im Abstand voneinander um den Weicheisenkern --15-- angeordnet sind. Sie werden von einem topfförmigen Weicheisenteil --16-den man auch als Aussenjoch bezeichnen kann, eng umschlossen. Zwischen einem ringförmig verdick-
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ten oberen Ende des topfförmigen Teiles --16-- und dem zentralen Weicheisenkern --15-- ist der Luftspalt --17--, der im fertigen Wandler die Tauchspule aufnimmt, ausgebildet.
Zusammengehal-
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eine kreisringförmige, vertiefte Stufe --19-- auf, auf der beim fertigen Wandler der Membranrand aufliegt bzw. fixiert ist. Fig. 4 zeigt den Querschnitt durch das in Fig. 3 dargestellte System längs einer durch die Linie IV-IV angezeigten Ebene. Es ist ersichtlich, dass bei diesem Ausführungbeispiel nur Formen mit im Querschnitt kreisförmigen Begrenzungslinien vorgesehen sind. Auch die Teilmagneten --14-- weisen sowohl innenseitig, am Kern --15-- anliegend, als auch aussenseitig, an der Innenseite des topfförmigen Weicheisenkörpers --16-- anliegend, zylindrische Oberflächen auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind ringförmig um den Kern --15-- sechs Teilmagneten --14-- vorgesehen.
Gegebenenfalls kann ihre Anzahl sowohl verkleinert als auch vergrössert werden bzw. können sie eng aneinanderliegend auch einen geschlossenen Ring bilden.
So einfach das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel auch aussieht, ist es doch in der Herstellung relativ kostspielig, da die Teilmagneten --14-- gekrümmte Flächen aufweisen, die sehr genau geschliffen werden müssen, damit sie möglichst nahtlos am Eisenkern --15-- bzw. am Aussenjoch --16-- anliegen. Infolge der Härte des dauermagnetischen Materials erfordert das Rundschleifen einen verhältnismässig nicht zu vernachlässigbaren Aufwand bei der Herstellung des erfindungsgemässen Magnetsystems.
Wesentlich einfacher und billiger gestaltet sich hingegen eine Verformung von Weicheisenteilen, wie des Kernes --15-- und des Aussenjoches --16--. Infolgedessen ist es vom Standpunkt der Herstellung günstiger, die Teilmagneten mit ebenen Flächen auszubilden, da ebene Flächen leichter zu bearbeiten sind als gekrümmte, insbesondere wenn es sich, wie im vorliegenden Falle, um
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trapezförmig sind, und Fig. 6 solche Teilmagneten --21-- mit einem rechteckigen Querschnitt, der gegebenenfalls in einen quadratischen Querschnitt übergehen kann.
Teilmagneten mit trapezförmigem Querschnitt bieten, ebenso wie die vorstehend beschriebenen, als Teile eines Hohlzylinders ausgebildeten Teilmagneten, die Möglichkeit, durch fugenloses Aneinanderfügen einen in sich geschlossenen, radial magnetisierten, ringförmigen Dauermagneten zu bilden, was bei Teilmagneten mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt nicht mehr möglich ist. Allen Ausführungsformen ist jedoch gemeinsam, dass die Teilmagneten --14, 20 und 21-- jeweils radial magnetisiert sind, und nicht, wie üblich, in der Längsachse.
Das erfindungsgemässe Ringspalt-Magnetsystem erreicht ein Minimum an Volumen, wenn die innenliegende Begrenzung des Luftspaltes --17-- für die Tauchspule Teil eines zylindrischen Weicheisenkernes --15-- ist, an dessen Oberfläche unterhalb des Luftspaltes --17-- die nach innen gerichteten Flächen der Teilmagneten --14, 20, 21-- anliegen.
Schliesslich ist zu erwähnen, dass beim erfindungsgemässen Ringspalt-Magnetsystem nur solche dauermagnetische Werkstoffe in Frage kommen, die eine sehr hohe Energiedichte aufweisen. Insbesondere sind dies Dauermagnetwerkstoffe auf der Basis der Legierungen mit seltenen Erden, wie CoSm-Magneten oder auch AlNiCo-Magneten. Diese hochwertigen Dauermagnetwerkstoffe mit grossen Energieprodukten sind deswegen erforderlich, weil sie zu Magnetformen mit kleinstem Volumen führen, welche Eigenschaft im Hinblick auf die geringen Abmessungen des erfindungsgemässen Magnetsystems unerlässlich ist.
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