DE19604088A1

DE19604088A1 - Magnetoelectrodynamic parallel axial drive system for loudspeaker

Info

Publication number: DE19604088A1
Application number: DE1996104088
Authority: DE
Inventors: Alfred Ziegenberg; Edmund Prof Dipl Phy Schiessle; Andreas Nuske
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2016-02-07
Also published as: DE19604088C2

Abstract

The drive system is mechanically attached to a carrier (1.7) of non-magnetic light non-metallic material or non-magnetic light metal alloy. A single or multi-part holding bolt (1.4) of non-magnetic light non-metallic material or non-metallic light metal alloy is fixed to two holed rare earth permanent magnets (1.1,1.2) with axial magnetic polarity. An axially movable oscillator coil (1.3) of thin round or rectangular wire of a material with a low electrical temp. coefficient and resistance of 4 to 8 Ohms is mounted between the magnets and suspended via a membrane (1.5) and auxiliary membrane (1.6). The permanent magnets are arranged at the ends of the bolt with facing North poles so that the magnetic field lines are conc. radially outwards. The axially movable coils arranged symmetrically between the magnets are fully in a radially outward magnetic field.

Description

1. Reason for the invention

Ein aktuelles Problem in der Elektroakustik ist das hohe Gewicht und das große Volumen des Antriebssystems von konventionellen Lautsprechersystemen oder Beschall-Systemen bei einer guten akustischen Wiedergabe der tiefen Töne mit ausreichender Schall-Leistung.A current problem in electroacoustics is the high weight and the large Volume of the drive system of conventional speaker systems or PA systems with good acoustic reproduction of the low tones sufficient sound power.

Der Erfindungsgegenstand ermöglicht, aufbauend auf dem Stand der Technik, bei einer sehr kleinen flachen Bauweise und einem sehr kleinen Gesamtgewicht eine sehr gute Wiedergabe insbesondere der tiefen Töne, bei voll ausreichender Schall-Leistung.The subject of the invention, based on the prior art, enables with a very small flat design and a very small overall weight a very good reproduction, especially of the low tones, with fully sufficient Sound performance.

Das magnetelektrodynamische Parallelaxialantriebssystem (Erfindungsgegenstand, im weiteren MEPA genannt) kann aufgrund seiner außergewöhnlichen konstruktiven und physikalischen Merkmale sowohl im HIFI-Bereich als auch in der Beschall-Technik erfolgreich eingesetzt werden.The magnet electrodynamic parallel axial drive system (subject of the invention, hereinafter referred to as MEPA) can because of its extraordinary constructive and physical features both in the HIFI area and in the sound technology can be used successfully.

2. State of the art

Es ist ein Antriebssystem für Lautsprecher bekannt, beschrieben in der Patentschrift DE 37 30 305 C1, das den oben dargestellten Merkmalen am nächsten kommt. Die in diesem Patent beschriebene Erfindung stammt von A. Ziegenberg und E. Schiessle. Wie nennen dieses Antriebssystem zur Unterscheidung vom neuen Erfindungsgegenstand (MEPA), magnetelektrodynamisches Koaxialantriebssystem (im weiteren MEKA genannt). Beim Stand der Technik (MEKA) ist das Magnetsystem im Inneren der Schwingspule koaxial angeordnet. Das Magnetsystem besteht aus zwei axial magnetisierten Magnetscheiben, die über eine weichmagnetische Zwischenscheibe geeigneter Dicke so angeordnet sind, daß sich hinsichtlich ihrer magnetischen Polarisation eine Abstoßung ergibt. Dieses jochlose Magnetsystem zeichnet sich schon durch eine kleine flache und leichte Bauweise aus. Beim Erfindungsgegenstand (MEPA) ist das nur jochlose Magnetsystem durch ein vollständig "eisenfreies" Magnetsystem ersetzt. Das Magnetsystem befindet sich beim MEPA nun nicht mehr zentrisch in der Mitte der Schwingspule, sondern zentrisch zwischen den beiden axial distanzierten und axial magnetisierten Magnetscheiben. Es ist damit eine flachere Bauweise der Schwingspule möglich. Der total "eisenlose" Magnetkreis ermöglicht eine weitere Gewichtsreduzierung. Durch die konstruktiv neuartige Parallelanordnung von Doppel-Permanentmagnetsystem und Schwingspule ist eine deutliche Verbesserung der Tonqualität im Bereich tiefer Frequenzen und eine deutliche Anhebung des Schalldruckes und damit der Schall-Leistung möglich.A drive system for loudspeakers is known, described in the patent DE 37 30 305 C1, the features described above the closest is coming. The invention described in this patent was made by A. Ziegenberg and E. Schiessle. What do we call this drive system to distinguish it from new subject of the invention (MEPA), magnet electrodynamic coaxial drive system (hereinafter referred to as MEKA). In the state of the art (MEKA) the magnet system is arranged coaxially inside the voice coil. The Magnet system consists of two axially magnetized magnetic disks that over a soft magnetic washer of suitable thickness are arranged that there is a repulsion with regard to their magnetic polarization. This yoke-free magnet system is characterized by a small flat and lightweight construction. With the subject of the invention (MEPA), this is only yoke-less Magnet system replaced by a completely "iron-free" magnet system. The Magnet system is no longer in the center of the MEPA the voice coil, but centrically between the two axially spaced and axially magnetized magnetic disks. It is a flatter design the voice coil possible. The totally "ironless" magnetic circuit enables one further weight reduction. Thanks to the structurally new parallel arrangement of double permanent magnet system and voice coil is a clear one Improve the sound quality in the low frequency range and a significant Raising the sound pressure and thus the sound power possible.

Die Patentschriften DE 39 29 266 C1 und DE 40 21 651 C1 (Erf.: A. Ziegenberg und E. Schiessle) beschreiben Antriebssysteme bestehend aus mehreren Spulen und mehreren Magneten, insbesondere auch Antriebssysteme für digitale und analoge mehrkanalige Lautsprecher. Diese Patente wirken sich aber auf den neuen Erfindungsgegenstand nicht neuheitsschädlich aus.The patents DE 39 29 266 C1 and DE 40 21 651 C1 (Erf .: A. Ziegenberg and E. Schiessle) describe drive systems consisting of several coils and several magnets, especially drive systems for digital and analog multi-channel speakers. However, these patents affect the new subject of the invention not harmful to novelty.

Die Patentschriften DE 39 29 266 C1 (Erfinder: A. Ziegenberg und E. Schiessle) und DE 43 17 775 C2 (Patentinhaber: Fa. Foster Co, Tokio) sowie die Offenlegungsschriften DE 41 30 460 A1 (Patentinhaber Fa. Nokia Pforzheim) und die europäische Offenlegungsschrift EP 0 618 752 A1 (Kabushiki Kaisha Kenwood) beschreiben in den Patentansprüchen Aufhängungsmechanismen zwischen Schwingspule und Lautsprechermembranen, sie wirken somit auch nicht neuheitsschädlich für den Erfindungsgegenstand (MEPA).The patents DE 39 29 266 C1 (inventors: A. Ziegenberg and E. Schiessle) and DE 43 17 775 C2 (patent owner: Foster Co, Tokyo) and the published documents DE 41 30 460 A1 (patent holder of Nokia Pforzheim) and the European patent application EP 0 618 752 A1 (Kabushiki Kaisha Kenwood) describe suspension mechanisms in the claims between Voice coil and loudspeaker diaphragms, so they are not harmful to novelty for the subject of the invention (MEPA).

3. Structure and physical mode of operation of the subject matter of the invention

In Fig. 1 ist der prinzipielle konstruktive Aufbau des Erfindungsgegenstandes, das "eisenlose" magnetelektrodynamische Parallelaxialantriebssystem (MEPA) dargestellt.In Fig. 1 the basic construction of the subject matter of the invention, the "ironless" magnet electrodynamic parallel axial drive system (MEPA) is shown.

Auf einer Grundplatte 1.7 aus einem nichtmagnetischen leichten nichtmetallischen Werkstoff oder einer leichten nichtmagnetischen Leichtmetall-Legierung, ist das MEPA befestigt. Es besteht aus dem ein oder mehrteiligen Haltebolzen 1.4 aus einem nichtmagnetischen leichten nichtmetallischen Werkstoff oder einer nichtmagnetischen Leichtmetall-Legierung, aus zwei gelochten scheibenförmigen axial magnetisch polarisierten kleinen leichten Permanentmagneten 1.1 und 1.2 auf der Basis seltener Erden und der axial beweglichen Schwingspule 1.3 aus einem dünnen leichten runden oder eckigen Spulendraht aus einem Werkstoff mit einem sehr geringen elektrischen Temperaturkoeffizienten. Die flache Schwingspule hat einen ohmschen Widerstand von 4 bis 8 Ohm.The MEPA is attached to a base plate 1.7 made of a non-magnetic light non-metallic material or a light non-magnetic light metal alloy. It consists of the one-part or multi-part retaining bolt 1.4 made of a non-magnetic, light non-metallic material or a non-magnetic light metal alloy, two perforated, disc-shaped, axially magnetically polarized, small, light permanent magnets 1.1 and 1.2 based on rare earths, and the axially movable voice coil 1.3, made of a thin, light Round or square coil wire made of a material with a very low electrical temperature coefficient. The flat voice coil has an ohmic resistance of 4 to 8 ohms.

Die Permanentmagnete 1.1 und 1.2 sind so am oberen und unteren Ende des Haltebolzens 1.4 angeordnet, daß ihre magnetischen Nordpole (N) einander zugewandt sind. Dadurch kommt es zwischen den Permanentmagneten durch magnetische Abstoßungskräfte zu einer im wesentlichen radial nach außen verlaufenden Konzentration der magnetischen Feldlinien. Die symmetrisch zwischen den Permanentmagneten 1.1 und 1.2 angeordnete und axial bewegliche Schwingspule 1.3 befindet sich damit vollständig in einem im wesentlichen radial nach außen gerichteten Magnetfeld. Schräg verlaufende magnetische Feldlinien lassen sich immer in eine axiale (vertikale) und eine radiale (horizontale) Komponente zerlegen, so daß auch schräg verlaufende magnetische Feldlinien für den (unten beschriebenen) Antriebseffekt ausgenutzt werden können. Die Schwingspule 1.3 ist über die Membran 1.5 sowie die Hilfsmembran 1.6 zentroelastisch aufgehängt.The permanent magnets 1.1 and 1.2 are arranged at the upper and lower end of the retaining bolt 1.4 so that their magnetic north poles (N) face each other. This results in an essentially radially outward concentration of the magnetic field lines between the permanent magnets due to magnetic repulsion forces. The voice coil 1.3, which is arranged symmetrically and axially movable between the permanent magnets 1.1 and 1.2 , is thus completely in an essentially radially outwardly directed magnetic field. Oblique magnetic field lines can always be broken down into an axial (vertical) and a radial (horizontal) component, so that oblique magnetic field lines can also be used for the drive effect (described below). The voice coil 1.3 is suspended centroelastically via the diaphragm 1.5 and the auxiliary diaphragm 1.6 .

Wird nun die Schwingspule 1.3 mit einer niederfrequenten Signalspannung oder einem Gleichspannungssignal beaufschlagt so bewegt sich die Schwingspule 1.3 und mit ihr das Membransystem 1.5 und 1.6 aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem radialen Magnetfeld sowie den radialen Magnetfeldkomponenten der Parallelmagnetanordnung und dem Magnetfeld, erzeugt durch die bestromte Schwingspule im niederfrequenten Rhythmus oder linear in axialer Richtung. Über diesen physikalischen Mechanismus wird somit der niederfrequenten Spulenstrom oder der Spulengleichstrom in ein proportionales niederfrequentes akustisches Signal oder einen Gleichschall-Druck gewandelt.If the voice coil 1.3 is now subjected to a low-frequency signal voltage or a DC voltage signal, the voice coil 1.3 and with it the membrane system 1.5 and 1.6 move due to the magnetic interaction between the radial magnetic field and the radial magnetic field components of the parallel magnet arrangement and the magnetic field generated by the energized voice coil in a low-frequency rhythm or linearly in the axial direction. With this physical mechanism, the low-frequency coil current or the coil direct current is converted into a proportional low-frequency acoustic signal or a sound pressure.

Für Beschall-Lautsprecher mit einem Membran-Durchmesser von ca. 400 mm wurde mit dem MEPA ein 100 dB-Sinus-Schalldruck erreicht, bei einem MEPA- Gesamtgewicht von nur etwa 100 g. Konventionelle Antriebssysteme besitzen bei vergleichbaren technischen Daten ein Gesamtgewicht von etwa 10 kg. Das Gewicht für das Antriebssystem nach der Patentschrift DE 37 30 305 C1 hat nur ein geringfügig höheren Gewichtswert aber eine deutlich kleinere Schall-Leistung und damit auch eine schlechtere Klangwiedergabe bei tiefen Frequenzen, als der Erfindungsgegenstand (MEPA).For PA speakers with a membrane diameter of approx. 400 mm a 100 dB sine sound pressure was achieved with the MEPA, with a MEPA Total weight of only about 100 g. Conventional drive systems have comparable technical data a total weight of about 10 kg. The weight for the drive system according to patent specification DE 37 30 305 C1 has only one slightly higher weight value but a significantly lower sound power and thus also worse sound reproduction at low frequencies than the Subject of the invention (MEPA).

Der Grund für höhere Schall-Leistung und die bessere Klangwidergabe bei tiefen Frequenzen, unter Verwendung des MEPA, ist darauf zurückzuführen, daß die Schwingspule für den gesamten Hub (der für tiefe Frequenzen bekanntlich besonders groß sein muß) im konzentrierten Magnetfeld des Parallelmagnetanordnung 1.1 und 1.2 verbleibt.The reason for higher sound power and better sound reproduction at low frequencies, using the MEPA, is due to the fact that the voice coil for the entire stroke (which must be known to be particularly large for low frequencies) in the concentrated magnetic field of the parallel magnet arrangement 1.1 and 1.2 remains.

Die geometrische Verteilung des magnetischen Feldes macht auch eine Unterteilung der Schwingspule in drei Abschnitte mit Wicklungen mit unterschiedlichen Wicklungsrichtungen, wie in der DE 43 17 775 C2 im Patentanspruch 3 beschreiben und in Fig. 8 dargestellt, überflüssig.The geometric distribution of the magnetic field also makes a division of the voice coil into three sections with windings with different winding directions, as described in DE 43 17 775 C2 in claim 3 and shown in Fig. 8, superfluous.

Außerdem ist konstruktionsbedingt durch den größeren geometrischen Abstand zwischen den beiden Permanentmagnete, beim MEPA gegenüber dem MEKA, eine einfachere fertigungstechnische Handhabung beim Aufbau des parallelaxialen Doppel-Magnetsystems möglich.In addition, the larger geometric distance means that it is due to the design between the two permanent magnets, in the MEPA compared to the MEKA, a simpler manufacturing technology handling when building the parallelaxial Double magnet system possible.

Die Schwingspule 1.3 kann zusätzlich mit einem leichten dünnen Innenring aus einer vorzugsweise nichtmagnetostriktiven weichmagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall-Legierung bestückt werden. Dieser bewirkt über die Wirbelstrombildung eine weitere Linearisierung des Schwingspulenhubes im Magnetfeld und ein besseres Impedanzverhalten der Spule über den Nutzfrequenzbereich. Die Impedanzkurve der Spule verläuft im Nutzfrequenzbereich sehr viel flacher und die Impedanzüberhöhung fällt deutlich schwächer aus. Das elektrische Verhalten der Schwingspule läßt eine bessere Leistungsanpassung der Schwingspulenimpedanz an die Ausgangsimpedanz einer NF-Leistungsendstufe zu.The voice coil 1.3 can additionally be equipped with a light, thin inner ring made of a preferably non-magnetostrictive, soft magnetic, amorphous or nanocrystalline metal alloy. Via eddy current formation, this causes a further linearization of the voice coil stroke in the magnetic field and a better impedance behavior of the coil over the useful frequency range. The coil's impedance curve is much flatter in the useful frequency range and the impedance increase is much weaker. The electrical behavior of the voice coil permits a better power matching of the voice coil impedance to the output impedance of an LF power output stage.

In Fig. 2 ist eine mögliche Ausführungsform eines Lautsprechers oder Beschall- Systems mit einem magnetelektrodynamischen Parallelaxialantriebssystem (MEPA) mit einer Flachmembran dargestellt. Die Permanentmagnete 2.1 und 2.2 bilden zusammen mit der Schwingspule 2.3 und den Haltebolzen 2.11 das MEPA. Der Zentriertopf 2.4 dient der Aufnahme der Schwingspule und der Verbindung zwischen der Hilfsmembran 2.6 sowie der Membran 2.5, die ihrerseits mit der Hilfsmembran verbunden ist. Der leichte Distanzring 2.10 ist mit dem Leichtmetall-Korb 2.7 und dieser über eine Halteplatte 2.8 mit der Grundplatte 2.9, welche auch das MEPA aufnimmt, verbunden.In FIG. 2 a possible embodiment of a loudspeaker or Beschall- system is shown with a magnet electrodynamic Parallelaxialantriebssystem (CEPA) having a flat membrane. The permanent magnets 2.1 and 2.2 together with the voice coil 2.3 and the retaining bolts 2.11 form the MEPA. The centering cup 2.4 serves to accommodate the voice coil and the connection between the auxiliary diaphragm 2.6 and the diaphragm 2.5 , which in turn is connected to the auxiliary diaphragm. The light spacer ring 2.10 is connected to the light metal basket 2.7, and this is connected to the base plate 2.9 , which also holds the MEPA, via a holding plate 2.8 .

Die physikalische Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes wurde schon weiter oben detailliert beschrieben.The physical mode of operation of the subject matter of the invention has already been described in detail above.

Durch spezielle Ausgestaltungen der Membranen und der Verbindungen zwischen den Membranen und zwischen den Membranen und der Schwingspule kann der Wirkungsgrad bei der Übertragung der mechanischen Antriebskraft von der Schwingspule auf die Membran weiter verbessert werden. Beeinflußt wird der Übertragungswirkungsgrad im wesentlichen durch das Gewicht und das elastomechanische Verhalten des verwendeten Membranmaterials sowie das Gewicht und das elastomechanische Verhalten der mechanischen Kopplungselemente zwischen den Membranen und zwischen Membranen und Schwingspule. Die Membran sollte aus einem möglichst leichten und doch mechanisch stabilen Material bestehen. Aus bionischer Sicht können hier besonders vorteilhaft natürliche oder künstliche organische hornartige Materialien wie z. B. Chitine oder chitinartige Materialien eingesetzt werden. Für die Kopplungselemente können besonders vorteilhaft faserelastische natürliche oder künstliche proteinartige oder proteinhaltige Materialien eingesetzt werden.Through special designs of the membranes and the connections between the membranes and between the membranes and the voice coil can be the efficiency in the transmission of mechanical driving force be further improved from the voice coil to the membrane. Influenced the transmission efficiency is essentially determined by the weight and the elastomechanical behavior of the membrane material used and the weight and the elastomechanical behavior of the mechanical coupling elements between the membranes and between membranes and voice coil. The membrane should be as light as possible and yet mechanically stable Material. From a bionic point of view, natural ones can be particularly advantageous here or artificial organic horn-like materials such. B. Chitine or chitin-like materials are used. For the coupling elements can particularly advantageous fiber-elastic natural or artificial proteinaceous or proteinaceous materials are used.

Der Erfindungsgegenstand (MEPA) läßt sich aufgrund seines konstruktiven Aufbaus mit beliebigen Membranen und Membranaufhängungen aus beliebigen Materialien auf sehr einfache Weise kombinieren unter Beibehaltung seiner ausgezeichneten physikalischen und technischen Eigenschaften.The object of the invention (MEPA) can be because of its constructive structure with any membranes and membrane suspensions from any Combine materials in a very simple way while maintaining its excellent physical and technical properties.

Claims

1. Magnetic electrodynamic ironless parallel axial drive system (MEPA) for loudspeakers or electrodynamic actuators, the system being mechanically fastened to a carrier ( 1.7 ), made of a non-magnetic light non-metallic material or a non-magnetic light metal alloy, characterized in that a one-part or multi-part retaining bolt ( 1.4 ) made of a non-magnetic light non-metallic material or a non-magnetic light metal alloy with two perforated disc-shaped axially magnetically polarized small light permanent magnets ( 1.1 ) and ( 1.2 ) on the basis of rare earths is mechanically firmly connected, whereby an axially movable diaphragm-guided voice coil ( 1.3 ) made of a thin, light, round or square coil wire made of a material with a very low electrical temperature coefficient, with a resistance of 4 to 8 ohms, arranged between the two permanent magnets and via a membrane n ( 1.5 ) and an auxiliary membrane ( 1.6 ) is suspended centroelastically, the permanent magnets ( 1.1 ) and ( 1.2 ) being arranged at the upper and lower ends of the retaining bolt ( 1.4 ) in such a way that their magnetic north poles (N) face each other that there is a substantially radially outward concentration of the magnetic field lines between the permanent magnets due to magnetic repulsive forces, the axially movable voice coil ( 1.3 ) arranged symmetrically between the permanent magnets ( 1.1 ) and ( 1.2 ) completely in one, essentially located radially outward magnetic field.

2. Magnetic electrodynamic parallelaxial drive system for loudspeakers according to claim 1, characterized in that the voice coil ( 1.3 ) with a light thin inner ring, made of a preferably non-magnetostrictive soft magnetic amorphous or nanocrystalline metal alloy, this has a linearization of the voice coil stroke in the magnetic field and a better impedance behavior in the useful frequency range.

3. Magnetic electrodynamic parallel axial drive system for loudspeakers or sound systems according to claim 1 and 2 in flat membrane design, characterized in that the permanent magnets ( 2.1 ) and ( 2.2 ) together with the voice coil ( 2.3 ) and the retaining bolt ( 2.11 ) form the MEPA, The centering pot ( 2.4 ) serves to receive the voice coil and the connection between the auxiliary diaphragm ( 2.6 ) and the diaphragm ( 2.5 ), which in turn is connected to the auxiliary diaphragm, the light spacer ring ( 2.10 ) being connected to the light metal basket ( 2.7 ) and this is connected to the base plate ( 2.9 ), which also holds the MEPA, via a holding plate ( 2.8 ).

4. Magnetic electrodynamic parallel axial drive system for loudspeakers or Public address systems according to Claims 1 to 3, characterized, that the membrane from the lightest possible yet mechanically stable Material consists, particularly advantageous light natural or artificial organic horn-like materials such as B. chitins or chitin-like materials, can be used and the coupling elements are particularly advantageous light fiber-elastic natural or artificial proteinaceous or proteinaceous Materials exist.