DE19604087C2 - Permanentmagnetkreise mit Schwingspulenanordnungen und strömungsdynamischer Kühlung für magnetelektrodynamische Koaxialantriebssysteme - Google Patents

Description

1. Grund der Erfindung und Stand der Technik

Es sind, von den oben angegebenen Erfindern A. Ziegenberg und E. Schiessle, verschiedene magnetelektrodynamische Antriebssysteme für elektromechanische und elektroakustische Ak­ toren, in den Patentschriften (DE 37 30 305 C1, DE 39 36 693 C1, DE 40 21 661 C1), be­ schrieben worden.

In den oben genannten Patentschriften werden eisenlosen oder weitgehend eisenlose magnetelektrodynamische Koaxialantriebssysteme beschrieben.

Der Erfindung soll die Aufgabe zugrunde liegen, den elektroakustischen Gesamtwirkungsgrad der oben genannten magnetelektrodynamischen Koaxialantriebssysteme, unter Erhaltung der besonders vorteilhaften leichten und flachen Bauweise gegenüber konventionellen Antriebs­ systemen, zu optimieren.

Diese Aufgabe kann aufbauend auf dem Stand der Technik durch eine Kombination verschie­ dener technischer Merkmale gattungsgemäß gelöst werden: durch das fast eisenlose magnet­ elektrodynamische Koaxialantriebssystem unter Verwendung eines mehrspuligen Aufbaus (vorzugsweise aus drei Schwingspulen) zur Erhöhung der magnetischen Kraft, durch kon­ zentrisches Umbauen des fast eisenlosen Koaxialantriebssystems mit leichten weichmagneti­ schen Flußleitteilen zur Erhöhung der magnetischen Flußdichte, durch strömungsdynamische Kühlung zur Verbesserung der Wärmeabführung der von den Schwingspulen erzeugten Elek­ trowärme (da die leichten massenarmen weichmagnetischen Flußleitteile nicht in genügendem Maße Wärmeenergie aufnehmen und weiterleiten können, durch eine mechanische Feinjusta­ ge der magnetischen Polstücke relativ zu den Schwingspulen zur optimalen magnetischen Durchflutung der Schwingspulen.

Die bekannten Mehrfachspulenanordnungen, nach DE 39 36 693 C1, dienen ausschließlich zur Verarbeitung digitaler Eingangssignale. Zur Erhöhen derer magnetischen Wechselwir­ kungskräfte wurden daher geeignete Mehrspulenanordnungen mit permanentmagnetischen Antriebssystemen und weichmagnetischen Flußleitteilen entwickelt und im Erfindungsgegen­ stand beschrieben.

Die bekannten Magnetkreise mit Luftkanälen, nach US 5042 072, dienen zwar zur Luftküh­ lung von Schwingspule und Permanentmagnet sind aber bei konventionellen Anhieben prin­ zipbedingt weniger effektiv, als die im Erfindungsgegenstand beschriebenen weichmagneti­ schen Flußleitteile. Diese zeichnen sich durch ihre offene Bauweise mit großvolumiger axia­ ler strömungsdynamischer Kühlungsmöglichkeit mit geringer mechanischer Toleranzabhäng­ keit aus und können zur weiteren magnetischen Optimierung des Gesamtsystems mechanisch relativ zum permanentmagnetischen Antriebssystem einjustiert werden.

Die Kombination bestehend aus einem magnetenelektrodynamischen Antriebssystem mit Mehrschwingspulenanordnung, kleinen und damit leichten weichmagnetischen Magnetfluß­ leitteilen mit integrierter strömungsdynamischer Kühlung, und mechanischer Feinjustage des magnetelektrodynamischen Antriebssystems ist zur Optimierung des elektroakustischen Ge­ samtwirkungsgrades besonders gut geeignet, wie Messungen an verschiedenen Ausführungs­ formen des Erfindungsgegenstandes überzeugend zeigten.

2. Konstruktiver Aufbau und physikalische Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes

In Fig. 1 ist der grundsätzliche konstruktive Aufbau eines Permanentmagnetkreises mit strö­ mungsdynamischer Kühlung und Dreischwingspulenanordnung für einen magnetelektrodyna­ misches Antriebssystem dargestellt. Die magnetisch axial polarisierten scheibenförmigen Per­ manentmagnete 1.1 bis 1.4 sind geometrisch so angeordnet, daß jeweils zwei Permanentmag­ netscheiben 1.1 und 1.2 sowie 1.3 und 1.4 mechanisch und magnetisch gegenpolar in Reihe geschaltet sind. Die so zusammengeschalteten Permanentmagnetscheibenpaare 1.1, 1.2 und 1.3, 1.4 sind mechanisch und magnetisch gleichpolar in Reihe geschaltet. Sie werden über eine weichmagnetische Zwischenscheibe 1.6 so angeordnet, daß ihre magnetischen Nordpole gegeneinander gerichtet sind. Die weichmagnetischen Deckscheiben 1.5 und 1.7 sind über den jeweiligen magnetischen Südpolen der Permanentmagnetscheibenpaare angeordnet. Die Per­ manentmagnetscheibenpaare können jeweils durch eine einzelne geeignete Permanentmagnet­ scheibe entsprechender Dicke ersetzt werden. Ein Vorteil einer Kaskadierung der Permanent­ magnetscheiben besteht darin, daß man auf schon handelsübliche Permanentmagnetdicken kostengünstig zurückgreifen kann. Die weichmagnetischen Scheiben 1.5, 1.6 und 1.7 sind nun mit den Permanentmagnetscheibenpaaren 1.1, 1.2 und 1.3, 1.4 über eine geeignete Schraube 1.8, aus einem leichten nichtmagnetischen Material mechanisch zentriert und mit einem Ge­ windebolzen mit einem Außenfeingewinde 1.9, aus einem leichten nichtmagnetischen Materi­ al, mechanisch formschlüssig zu einer permanentmagnetischen Antriebselement verbunden. Der mechanische Systemträger 1.10, aus einem leichten nichtmagnetischen Material, besitzt in der Symmetrieachse ein Innenfeingewinde welches zur mechanischen Aufnahme und Fein­ justage des permanentmagnetischen Antriebselementes dient. Der Systemträger 1.10 ist auf der Grundplatte 1.11 mechanisch mit einer Schraub- oder Nietverbindung befestigt. Der Sy­ stemträger 1.10 ist konstruktiv so aufgebaut, daß er mit Hilfe einer geeigneten Spielpassung die weichmagnetische Rückflußhülse 1.12 mechanisch zentriert aufnehmen kann. Der Sy­ stemträger 1.10 und die weichmagnetische Rückflußhülse 1.12 sind klebetechnisch mitein­ ander verbunden. Da nun die weichmagnetische Rückflußhülse 1.12 in ihrer geometrischen Lage fixiert ist können entstehende Fertigungstoleranzen über die Feinjustage des permanent­ magnetischen Antriebselementes, durch die Feingewindeverbindung von Teil 1.9 und Teil 1.10, sehr einfach ausgeglichen werden. Der Systemträger 1.10 ist mit einem zentralsymmetrischen Kreis, mit einem geeigneten Durchmesser, bestehend aus einer geeigneten Anzahl von Strö­ mungsbohrungen 1.17 mit geeigneten Öffnungsdurchmessern, versehen. Die weichmagneti­ sche Rückflußhülse 1.12 und das permanentmagnetischen Antriebselement 1.1 bis 1.4 und 1.5 bis 1.7 sind geometrisch so angeordnet, daß zwischen ihnen ein ringförmiger Strömungskanal 1.18 entsteht. Die damit gebildeten Strömungskanäle ermöglichen, besonders im wichtigen Betriebszustand, eine strömungsdynamische Kühlung der Schwingspulen 1.13, 1.14 und 1.15 und damit auch der Permanentmagnete 1.1 bis 1.4 des magnetelektrodynamischen Koaxialan­ triebssystems. Die Schwingspulen 1.13 bis 1.15 sind klebetechnisch auf dem Spulenträger 1.16 befestigt. Die Schwingspule 1.13 ist geometrisch zwischen der weichmagnetischen Deck­ scheibe 1.5 und der weichmagnetischen Rückflußhülse 1.12. angeordnet, und die Schwingspu­ le 1.15 ist geometrisch zwischen der weichmagnetischen Deckscheibe 1.7 und der weichmag­ netischen Rückflußhülse 1.12 angeordnet. Die Schwingspule 1.14 ist geometrisch zwischen der weichmagnetischen Zwischenscheibe 1.6 und der weichmagnetischen Rückflußhülse 1.12 angeordnet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist werden die Schwingspulen 1.13 und 1,15 mit gleich­ sinnigen magnetischen Flüßen durchsetzt, aber gegenüber der Schwingspule 1.14 mit entge­ gengesetzten magnetischen Flüßen. Damit die Spulen bei der magnetischen Wechselwirkung zwischen den bestromten Schwingspulen und dem Permanentmagnetfeld eine mechanische Kraft in dieselbe Richtung erzeugen, müssen sie elektrisch in geeigneter Weise miteinander verschaltet werden. Dies geschieht durch Berücksichtigung des Wickelsinns der einzelnen Schwingspulen und der richtigen Verschaltung der jeweiligen Wicklungsanfänge und der je­ weiligen Wicklungsenden.

Die drei Schwingspulen 1.13 bis 1.15 sind mechanisch in Reihe geschaltet, elektrisch kann man sie seriell oder parallel schalten. Die elektrische Parallelschaltung der Schwingspulen ermöglicht z. B. unter Verwendung von Leichtmetalldrähten, vorzugsweise mit rechteckigem Querschnitt, die Spulenwindungszahl im kraftmäßigen Wechselwirkungsbereich der magneti­ schen Felder zu erhöhen, ohne Erhöhung der elektrischen Impedanz. Man kann die Schwing­ spulen 1.13 und 1.14 mit einer anderen Windungszahl aufbauen als die mittlere Schwingspule 1.14. Die drei Schwingspulen können geometrisch getrennt oder, mit Hilfe spezieller Wickel­ techniken unter Berücksichtigung des jeweiligen Wickelsinns, geometrisch als Einheit gewic­ kelt werden. Jeder dieser Varianten hat seine Vor- und Nachteile. Eine besonders vorteilhafte Variante besteht darin, daß die drei Schwingspulen nicht geometrisch seriell äquidistant sonder seriell mit gestuften geometrischen Distanzen angeordneten sind. Die einzelnen Schwingspulen sind dabei gerade so angeordnet, daß gerade immer nur eine Schwingspule dem jeweiligen Permanentmagnetfeld ausgesetzt ist während die beiden anderen Schwing­ spulen noch außerhalb des jeweiligen Permanentmagnetfeldes liegen. Die Kinematik der Spulenbewegung erlaubt, bei geeigneter Auslegung, eine Verlängerung des linearen mecha­ nischen Hubes bei sehr guter Magnetfeldführung, unter Verwendung der gewichtsmäßig besonders vorteilhaften Konstruktion des koaxialen Permanentmagnetsystems. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit bei der getrennten Spulenanordnung besteht nun darin, daß man die einzelnen Schwingspulen mit unterschiedlich angepassten Wickelprofilen herstellen kann. Damit ist eine Linearisierung der Antriebskinematik, durch Anpassung der konstruktions- oder fertigungsbedingten jeweils aktuelle herrschenden magnetomechanischen Kraftverhält­ nissen, möglich.

Der Spulenträger 1.16 ist auf geeignete Weise mit dem anzutreibenden technischen Bauele­ ment (z. B. Lautsprecher-Membran) mechanisch verbunden. Der Permanentmagnetkreis des magnetelektrodynamischen Koaxialantriebs ist zur Antriebsseite hin offen, so daß ein durch­ gehendes System von Strömungskanälen oder Strömungsflächen für die strömungsdynami­ sche Kühlung entsteht. Wird nun die Schwingspulenanordnung mit einem niederfrequenten elektrischen Signal beaufschlagt, so wird durch die magnetische Wechselwirkung zwischen dem niederfrequenten Magnetfeld der Schwingspulenanordnung und dem statischen Magnet­ feld der Permanentmagnetanordnung, eine zum niederfrequenten elektrischen Signal propor­ tionale, mechanische Kraft wirksam, die eine zur mechanischen Kraft proportionale mecha­ nische Auslenkung der Schwingspulenanordnung bewirkt. Da das Schwingspulensystem über den Spulenträger mit einer geeignet aufgehängten Schwingmembran, aus einem geeigneten Werkstoff, mechanisch verbunden ist, erfolgt eine zum Schwingspulensystem proportionale mechanische Bewegung der Schwingmembran. Die mechanische Bewegung der Schwing­ membran erzeugt nun nicht nur die entsprechenden gewünschten akustischen Signale sondern darüber hinaus Über- und Unterdruckzonen im Öffnungsbereich der Strömungskanäle des Permanentmagnetkreises so, daß über die spezielle konstruktive Gestaltung des Permanent­ magnetkreises in diesen eine geeignete Frischluftventilation stattfinden kann, die ihrerseits dafür sorgt, daß die durch die drei Schwingspulen elektrisch erzeugte Wärmeenergie aus­ reichend gut abgeführt werden kann, um eine unzulässig hohe thermische Belastung der ein­ zelnen Permanentmagnete zu vermeiden.

Während in der Ausführungsform nach Fig. 1 minimal zwei magnetisch axial polarisierte Permanentmagnetscheiben verwendet werden, benötigt man in der Ausführungsform nach Fig. 2 vier magnetisch axial polarisierte Permanentmagnetscheiben 2.1 bis 2.4. die mit der magnetischen Rückflußhülse 2.7 und den weichmagnetischen Zwischenscheiben 2.8 und 2.9 sowie über die weichmagnetische Abschlußscheibe 2.10 mit Hilfe der nichtmagnetischen Leichtmetallschraube 2.11 und des nichtmagnetischen Leichtmetallgewindebolzens 2.12 mechanisch miteinander verbunden sind. Die geometrische Anordnung, die magnetische Polarisation und magnetisch Verschaltung der Permanentmagnetscheiben erfolgt nach den­ selben Gesichtspunkten wie bei der Variante nach Fig. 1 schon oben beschrieben. Es besteht jetzt keine Justiermöglichkeit mehr zwischen der magnetischen Rückflußhülse 2.7 und der Permanentmagnetanordnung. Aber der gesamte Permanentmagnetkreis läßt sich mit Hilfe des Feingewindes des Gewindebolzens 2.12 axial justieren. Der Gewindebolzen 2.12 ist mit dem nichtmagnetischen Systemträger 2.13 verschraubt. Zwischen dem nichtmagnetischen System­ träger 2.13 und der weichmagnetischen Rückflußhülse 2.7 ist ein leichter Schiebesitz vorge­ sehen. Man kann die Schulter des Systemträgers 2.13 auch als mechanische Anschlagkante für die weichmagnetische Rückflußhülse 2.7 verwenden. Der Systemträger 2.13 ist wieder mit der Grundplatte 2.14 mechanisch verbunden.

In Fig. 2a ist eine weitere Variante des Erfindungsgegenstandes nach Fig. 2 dargestellt. Der Permanentmagnetkreis ist wie bei Fig. 2 aufgebaut, mit dem Unterschied, daß dieser nicht mechanisch geführt und zusätzlich zentriert ist.

In Fig. 3 ist eine technisch sehr einfache und damit kostengünstige Einspulenausführung eines Permanentmagnetkreises mit strömungsdynamischer Kühlung für magnetelektrodynamische Koaxialantriebssysteme dargestellt. Für diese Variante des Erfindungsgegenstandes benötigt man ebenfalls vier magnetisch axial polarisierte Permanentmagnetscheiben (3.1 bis 3.4). Die Permanentmagnetscheiben 3.1 und 3.2 sowie die Permanentmagnetscheiben 3.3 und 3.4 sind magnetisch in Reihe geschaltet. Die Permanentmagnetscheibenanordnung 3.1, 3.2 und 3.3, 3.4 sind so angeordnet, daß ihre magnetischen Nordpole über die weichmagnetischen Zwischen­ scheibe einander zugewandt sind. Die Schwingspule 3.12 ist jetzt zwischen der weichmagne­ tischen Zwischenscheibe 3.5 und dem Mittelsteg der magnetischen Rückflußhülse 3.13 ange­ ordnet. Diese Variante stellt eine besonders kleine und damit auch leichtere Bauform dar. Die physikalisch technische Wirkungsweise dieser Ausführung entspricht der technisch physikali­ schen Wirkungsweise der anderen, schon oben beschriebenen, Bauformen.

Die in Fig. 4 dargestellt Variante des Erfindungsgegenstandes entspricht weitgehend der in Fig. 3 dargestellten Variante. Die konstruktive Ausgestaltung der weichmagnetischen Rück­ flußhülse 4.13 und die konstruktive Gestaltung der weichmagnetischen Bodenscheibe 4.10 stellen Unterscheidungsmerkmale des Erfindungsgegenstandes dar.

In Fig. 5 ist eine weitere Variante des Erfindungsgegenstandes mit einer mechanisch nicht ge­ führten weichmagnetischer Rückflußhülse 5.14 dargestellt. Der Systemträger 5.8 wird in sei­ nem mechanischen Design dadurch einfacher und leichter.

In Fig. 6 ist die mechanisch konstruktiv einfachste und damit kostengünstigste Variante eines Permanentmagnetkreises mit strömungsdynamischer Kühlung für magnetelektrodynamische Koaxialantriebssysteme dargestellt.

Claims (3)

1. Vorrichtung bestehend aus Permanentmagnetkreisen mit zugehörigen Schwingspulen­ anordnungen, strömungsdynamischer Kühlung und mechanischer Feinjustierung zur Optimierung des elektroakustischen Gesamtwirkungsgrades,
bestehend aus der geometrische Anordnung des permanentmagnetischen Antriebs­ systems 1.1 bis 1.9,
wobei die weichmagnetische Rückflußhülse 1.12 konzentrisch formschlüssig in den leichten nichtmagnetischen Systemträgers 1.10. so eingepaßt ist, daß im mechanischen Gesamtaufbau Strömungskanäle entste­ hen, welche beim dynamischen Betrieb des Koaxialantriebssystems über die zu bewe­ gende akustische Membran eine strömungsdynamische Kühlung, der Schwingspulen und Permanentmagnetscheiben ermöglichen.

2. Vorrichtung bestehend aus Permanentmagnetkreisen mit zugehörigen Schwingspulen­ anordnungen, strömungsdynamischer Kühlung und mechanischer Feinjustierung zur Optimierung des elektroakustischen Gesamtwirkungsgrades, wobei durch eine mechanische Feinjustage des Antriebssystems über das Feingewinde des Leichtmetall-Gewindebolzen 1.9, die elektromechanische Kraftentfaltung, zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen, optimiert werden kann.

3. Vorrichtung bestehend aus Permanentmagnetkreisen mit zugehörigen Schwingspulen­ anordnungen, strömungsdynamischer Kühlung und mechanischer Feinjustierung zur Optimierung des elektroakustischen Gesamtwirkungsgrades, wobei, bedingt durch den speziellen Aufbau des permanentmagnetischen Antriebs­ systems 1.5 bis 1.7, drei Schwingspulen 1.13 bis 1.15 so angeordnet sind, daß ent­ sprechend der magnetischen Flußrichtungen in den zugehörigen Luftspalten, ihr jewei­ liger Wickelsinn und ihre elektrische Verschaltung so festgelegt sind, daß sie eine ein­ heitlich gerichtete mechanische verdreifachte elektromechanische Kraftwirkung ent­ falten, wobei die Schwingspulen, mechanisch seriell und elektrisch seriell oder parallel geschaltet, kinematisch gleichzeitig zur mechanischen Kraftentfaltung beitragen.