DE2330287A1 - Elektromechanisches frequenzbandfilter - Google Patents

Description

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Patentanwälte -|2. Juni 1973

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Patentanmeldung der Firma

ELRESOR SA_# Falkenstrasse 19, 2500 B i e η η e Elektromechanisches Frequenzbandfilter

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Frequenzbandfilter mit Wandlern zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Bewegung eines Resonators, bzw. zur Umwandlung von mechanischer Bewegung eines Resonators in elektrische Energie, wobei jeder Wandler einen Magnetteil und einen Spulenteil aufweist, welche relativ zueinander bewegbar sind.

Es ist bereits ein elektromechanisches Filter bekannt, das im wesentlichen aus einer Stimmgabel besteht, welche zwei Zinken oder Resonatoren aufweist. Beim ersten dieser Resonatoren ist ein elektromagnetischer Wandler in Form einer Spule mit einem darin untergebrachten Permanentmagnetkern vorgesehen, der ein elektrisches Signal in mechanische Bewegung des Resonators umwandelt. In entsprechender Weise ist auch beim anderen Resonator eine Spule mit Permanentmagnetkern vorgesehen, welche die mecha-

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/ς ο ου

nische Bewegung des zweiten Resonators in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt. Wie bei solchen elektromechanischen Filtern üblich, bewegt sich dabei der Resonator zur Spule hin und von dieser wieder weg, so dass ein relativ grosser Luftspalt erforderlich ist, um ein Anstossen des Resonators an der Spule zu vermeiden (US-PS 3 480 809).

Wenn aber der- Luftspalt zwischen Spule und Resonator gross ist, ist der Kopplungsfaktor gering. Beim Vorliegen eines geringen Kopplungsfaktors kann das Filter jedoch nicht mit den elektrischen Abschlusswiderständen auf die richtige Durchlassdämpfung eingestellt werden. Dies hat zur Folge, dass nur relativ geringe Bandbreiten möglich sind, weil jeder Resonator für sich allein eine Durchlasskurve erzeugt, wobei, wenn versucht wird, die Bandbreite zu erhöhen, es zur unerwünschten Höckerbildung im Durchlassdämpfungsbereich kommt. Ein Filter mit relativ geringer Bandbreite oder relativ grosser Höckerausbildung im Durchlassbereich ist jedoch für gewisse Verwendungszwecke, z.B. als Frequenzbandfilter in Rundsteuerungsanlagen ungeeignet.

Schliesslich ist noch zu beachten, dass der geringe Kopplungsfaktor der Wandler beim vorbekannten Filter auch zur Folge hat, dass die Dämpfungskurve gegen tiefe Frequenzen hin nicht gegen unendlich ansteigt, sondern für die Frequenz Null, d.h. für Gleichstrom, einen festen Wert annimmt. Das vorbekannte Filter ist somit nicht in der Lage, tiefe Frequenzen zu sperren, was es wiederum für gewisse Verwendungszwecke ungeeignet macht.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektromechanisches Filter zu schaffen, das die geschilderten Nachteile bekannter Filter nicht aufweist und insbesondere im unteren Niederfrequenzbereich eine relativ grosse Bandbreite besitzt, wobei die Höckerausbildung im Durchlassbereich der Dämpfungskurve minimal ist.

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Gemäss der Erfindung wird dies bei einem Filter der eingangserwähnten Art dadurch erreicht, dass jeder Resonator aus einer Blattfeder besteht, an der ein Permanentmagnetsystem angebracht ist, das den Magnetteil des Wandlers bildet; dass der Spulenteil des Wandlers aus einer Flachspule besteht, die in einer Ebene praktisch parallel zur Schwingungsebene des Resonators liegt, dass das Permanentmagnetsystem über den Leitern jeder Spulenhälfte der Flachspule einen Permanentmagneten aus hochtoerzitivem Material aufweist, und beide Permanentmagnete miteinander über ein Joch aus ferromagnetischem Material verbunden und so angeordnet sind, dass die freien Enden der Permanentmagnete einander entgegengesetzte Polarität aufweisen und die Magnetisierungsrichtung parallel zur Ebene der Blattfeder und senkrecht zur Spulenebene verläuft, und dass unter der Flachspule ein ferromagnetischer Teil vorgesehen ist, welcher den Magnetkreis des Permanentmagnetsystems schliesst.

Beim erfindungsgemässen Frequenzbandfilter kann der Luftspalt zwischen dem Permanentmagnetsystem und der Flachspule des jeweiligen Wandlars sehr klein gehalten werden. Der Magnetkreis des Wandlers führt von einem Permanentmagneten über ein kurzes Joch zum anderen Permanentmagneten und von dort über den Luftspalt mit den Windungen der einen Spulenhälfte der Flachspule zum ferromagnetisehen Teil und von dort wieder über den Luftspalt mit den Windungen der anderen Spulenhälfte zurück zum erstgenannten Permanentmagneten. Diese vorteilhafte Ausbildung des Magnetkreises weist nur geringe Verluste auf und ermöglicht daher in Verbindung mit Permanentmagneten aus hochkoerzitivem Material, vorzugsweise aus einer Samarium-Kobalt-Legierung, in den Luftspälten ein sehr grosses magnetisches Feld zu erzeugen. Dabei ist von Bedeutung, dass die senkrecht zur Spulenebene magnetisierten Permanentmagnete nicht angrenzend nebeneinander über einer einzigen Spulenhälfte angeordnet sind, wie man dies etwa bei Stimmgabeloszillatoren antrifft, wo die magnetische Kopplung von untergeordneter Bedeutung ist. Dadurch, dass die

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Permanentmagnete in Abstand voneinander angeordnet sind, wird verhindert, dass ein grosser Teil der Kraftlinien direkt von einem Nordpol zu einem Südpol führen, ohne die Windungen senkrecht zu schneiden.

Der beim erfindungsgemässen Frequenzbandfilter erzielte hohe elektromagnetische Kopplungsfaktor der Wandler gestattet die gewünschte relativ hohe Bandbreite zu erzielen. Für ein gutes Filter ist es nämlich wichtig, dass es mit den elektrischen Abschlusswiderständen auf die richtige Durchlassdämpfung eingestellt werden kann, denn damit wird die unerwünschte Höderausbildung im Durchlassdämpfungsbereich vermieden.

Währenddem bei vorbekannten Filtern die Verwendung von hochkoerzitiven Materialien grosse Schwierigkeiten bereitete oder ausgeschlossen ist, weil die Gefahr besteht, dass durch die starken Anziehungskräfte die relativ zueinander beweglichen Teile der Wandler sich berühren und den Resonator blockieren, wird beim erfindungsgemässen Frequenzbandfilter durch die Anordnung der Magnetisierungsrichtung parallel zur Ebene der Blattfeder bewirkt, dass diese nur hochkant auf Biegung beansprucht wird, so dass sie durch die grossen Anziehungskräfte kaum verformt werden kann. Dadurch wird auch ein stets gleichmässiger Luftspalt gewährleistet.

Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ragt der mit der Flachspule verklebte ferromagnetische Teil relativ weit über die Spulenfläche hinaus. Die vom Permanentmagnetsystem herrührenden magnetischen Kraftlinien können über den relativ kleinen Luftspalt, in welchem sich die Flachspule befindet, praktisch senkrecht in den ferromagnetisehen Teil eintreten und

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werden durch die Relativbewegung zwischen Magnet einerseits und Flachspule mit f err omagne ti schein Teil andererseits senkrecht zur Kraftlinienrichtung hin- und hergeschoben und durch den das Magnetfeld überragenden ferromagnetischen Teil in ihrer Richtung nicht abgelenkt, wodurch die praktisch grösst mögliche Flussänderung in der Spule entsteht. Zweckmässigerweise besteht der ferromagnetische Teil aus einem Material mit geringen Wirbelstromverlusten.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform derlErfindung besitzen die Windungen der Flachspulen gerade Leitabschnitte, die ungefähr parallel zueinander und ungefähr senkrecht zur Relativbewegung angeordnet sind und den aktiven Teil der Flachspule darstellen. Dabei wird dafür gesorgt, dass im Betrieb des Wandlers das Magnetfeld vorwiegend auf diesen aktiven Teil beschränkt bleibt. Dadurch wird ein grosser Kopplungsfaktor des Wandlers gewährleistet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 eine Aufsicht auf einen elektrodynamischen Wandler eines elektromechanischen Bandfilters,

Figur 2 einen Schnitt durch den Wandler gemäss Figur 1 entlang der Linie I-I,

Figur 3 eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile des elektrodynamischen Wandlers,

Figur 4 eine Aufsicht auf einen Wandler, bei dem eine Blattfeder zur Befestigung des Permanentmagnetsystems in einem geringen Abstand über der Flachspule vorgesehen ist,

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Figur 5 eine Seitenansicht des Wandlers von Figur 4, und

Figur 6 eine Aufsicht auf ein elektromechanisches Bandfilter mit zwei elektrodynamischen Wandlern gemäss den Figuren 1-5.

Bei dem in Figur 6 gezeigten Frequenzbandfilter sind zwei elektrodynamische Wandler 1 und la vorgesehen. Dabei dient der eine Wandler der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Bewegung eines ersten Resonators und der andere Wandler der Umwandlung von mechanischer Bewegung in elektrische Energie.

Die Masse 2 des Permanentmagnetsystems dient dabei mit der Eigenmasse der Blattfeder 41 zugleich als Schwingmasse, so dass die Einheit bestehend aus dem Permanentmagnetsystem 2 und der Blattfeder 41 einen mechanischen Resonator darstellt.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel des Frequenzbandfilters sind die Blattfedern 41 an einem Support 43, der eine die Resonatoren koppelnde Masse bildet, befestigt. Am Support 43 ist auch ein ferromagnetischer Teil 5 mit Flachspulen 3 befestigt. Das Ganze jst in einer nicht eingezeichneten Halterung, z.B. mittels dünner Stäbe 51, 53, 55 aufgehängt. Es sind aber auch noch andere Ausführungsformen denkbar, wobei immer der Ausgestaltung des Wandlers zur Erzielung eines grossen Kopplungsfaktors besondere Bedeutung zukommt.

Nachfolgend wird nun der Aufbau und die Wirkungsweise eines einzelnen elektromagnetischen Wandlers des Frequenzbandfilters anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, besteht der elektrodynamische Wandler grundsätzlich aus drei Teilen, nämlich einem Permanentmagnetsystem 2, einer Flachspule 3 und einem ferromagnetischen Teil 5.

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Die Flachspule 3 und der ferromagnetische Teil 5 bilden mechanisch gesehen eine Einheit. Das Permanentmagnetsystem 2 ist in geringem Abstand über der Flachspule 3 derart angeordnet, dass sich Permanentmagnetsystem und Flachspule relativ zueinander verschieben können.

Die Flachspule 3 besteht aus einer Anzahl von Windungen 7, die vorteilhaft aus isoliertem Kupferdraht bestehen. Die Ausgestaltung der Spule als Flachspule hat den Vorteil, dass der Luftspalt zwischen dem Permanentmagnetsystem 2 und dem ferromagnetischen Teil 5 klein gehalten werden kann. Eine Flachspule kann zudem einfach und sicher auf dem ferromagnetischen Teil 2 befestigt werden. Zweckmässigerweise erfolgt diese Befestigung durch Kleben, und zwar derart, dass die einzelnen Windungen 7 der Flachspule 3 parallel zur Oberfläche 11 des ferromagnetischen Teils 5 liegen. Die Flachspule 3 weist eine solche Form auf, dass die Windungen 7 gerade Leiterabschnitte 9 besitzen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel weist jede Windung in der Regel zwei gerade Leiterabschnitte 9 auf, die in den Durchflutungsbereichen 13 und 15 des magnetischen Kreises 17 liegen. Diese geraden Leiterabschnitte bilden den aktiven Teil der Flachspule 3.

Die geraden Leiterabschnitte 9 sind ungefähr in einem rechten Winkel zur Relativbewegung angeordnet.

Das Permanentmagnetsystem 2 besteht aus einem vorzugsweise plattenförmigen Teil 21, auf dessen einer Seite im Abstand voneinander zwei Schenkel 23, 25 ausgebildet sind. Diese Schenkel 23, 25 sind vorzugsweise als Permanentmagnete ausgebildet. Die Permanentmagnete können beispielsweise aus einer Samarium-Kobalt-Legierung bestehen und sind so magnetisiert, dass der eine Schenkel an seinen

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freien Ende einen magnetischen Nordpol und der andere Schenkel an seinem freien Ende einen magnetischen Südpol aufweist. Es wäre aber auch möglich, ein Permanentmagnetsystem aus einem Stück zu gestalten, wenn dabei ein magnetischer Pfad 17 (Figur 2) erreicht werden kann,'der so ausgestaltet ist, dass die Kraftlinien ungefähr senkrecht zur Oberfläche 11 des ferromagnetischen Teils verlaufen.

Das Permanentmagnetsystem 2 ist so ausgebildet, dass das Magnetfeld sich vorwiegend auf den aktiven Teil, also auf die geraden Leiterabschnitte 9 der Flachspule 3 beschränkt. Damit wird erreicht, dass die magnetischen Feldlinien (Figur 3} bei einer Relativbewegung von Permanentmagnetsystem 2 und Flachspule 3 nur die geraden Leiterabschnitte 9 der Windungen 7 schneiden, unter diesen Umständen ergibt sich ein grosser Kopplungsfaktor.

Für die Erzielung einer Wandlerfunktion ist es gleichgültig, ob das Permanentmagnetsystem 2 oder die Flachspule 3 den beweglichen Teil bildet. Es könnten auch beide Teile zugleich bewegt werden. Wesentlich für eine gegenseitige Beeinflussung ist lediglich eine Relativbewegung zwischen Permanentmagnetsystem und Flachspule 3. Dabei kann es sich um eine Hin- und Herbewegung handeln.

Bei einer Relativbewegung von Permanentmagnetsystem 2 und Flachspule 3 ist es von Bedeutung, dass der Luftspalt 29 konstant bleibt. Dies ist dann der Fall, wenn das Permanentmagnetsystem 2 parallel zur Oberfläche 11 des ferromagnetischen Teils 5 bewegt wird. Für eine Hin- und Herbewegung parallel zur Oberfläche des ferromagnetischen Teils 5 kann eine Blattfeder 41 (Figur 4) vorgesehen werden, die so angeordnet ist, dass deren Biegeachse senkrecht zur Oberfläche 11 des ferromagnetischen Teils 5 gerichtet ist. Infolgedessen kann das Permanentmagnetsystem 2 nur

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parallel zur Oberfläche 11 des ferromagnetischen Teils 5 verschoben werden. Gemäss dem Ausführungsbeispiel von Figuren 4 und 5 ist zu diesem Zwecke der ferromagnetische Teil 5 zusammen mit der Flachspule 3 an einem Support 43 befestigt, der einen Arm 45 aufweist. An diesem Arm 45 ist ein Ende der Blattfeder 41 befestigt, währenddem das andere Ende der Blattfeder 41 das Permanentmagnetsystem 2 trägt. Bei dieser Anordnung der Blattfeder lässt sich also das Permanentmagnetsystem parallel zur Oberfläche 11 des ferromagnetischen Teils bewegen, währenddem eine Bewegung in Richtung auf die Spule nicht möglich ist, weil die Blattfeder 41 in dieser Richtung steif ist. Infolgedessen kann das Permanentmagnetsystem 2 durch die wirksamen magnetischen Kräfte nicht in die Flachspule hineingezogen werden und diese berühren.

Der dargestellte elektrodynamische Wandler, speziell in der Ausführungsform nach Figuren 4 und 5 eignet sich besonders gut für ein Schwingungssystem, wie es bei einem elektromechanischen Filter benötigt wird.

Beim Betrieb des Wandlers mechanisch elektrisch wird,

wie Figur 3 zeigt, an den Klemmen der Flachspule 3 nach dem Induktionsgesetz eine induzierte Spannung ü, die proportional zur Relativgeschwindigkeit V und der Leiterzahl N und der Leiterlange 1 im Feld ist, erzeugt.

Für die Klemmenspannung ü ergibt sich, weil die geraden Leiterabschnitte 9 der beiden Durchflutungsbereiche 13 und 15 in Serie geschaltet sind, somit:

U = 2·Β·ν·Ν·1

Man erkennt die Proportionalität zwischen Geschwindigkeit V und Klemmenspannung U.

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Für die umgekehrte Betriebsrichtung, d.h. in Richtung elektrisch ————*■ mechanisch, "ergeben sich ähnliche Verhältnisse. Wird der Flachspule 3 ein Strom I aufgeprägt, so wirkt auch auf die geraden Leiterabschnitte 9 im Durchflutungsbereich 13, 15 der magnetischen Feldlinien B bezüglich dieses Feldes eine Kraft K, die durch folgende Formel gegeben ist.

K = 2·Ι·Β·Ν·1
wobei 1 die Leiterlänge im Feld bedeutet.

Die Kraft K beschleunigt das Permanentmagnetsystem 2 relativ zur Flachspule 3.

Der beschriebene elektrodynamische Wandler eignet sich wegen seiner Kleinheit und infolge seines hohen Verhältnisses von magnetischer Feldenergie zu Magnetmasse spezieil für Frequenzbandfilter, die eine relativ grosse Bandbreite aufweisen müssen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. So wäre es beispielsweise auch möglich, dass nur der eine Schenkel 23 des Permanentmagnetsystems 2 die Leiterabschnitte 9 der Flachspule 3 beaufschlägt, währenddem der andere Schenkel 25 neben der Spule bis in die Nähe der Oberfläche 11 des ferromagnetischen Teils verlängert werden könnte. Diese und andere Abänderungen des Erfindungsgegenstandes liegen immer noch im Bereich der vorliegenden Erfindung.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   -λΑ-

   1. Elektromechanisches Frequenzbandfilter mit Wandlern zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Bewegung eines Resonators, bzw. zur Umwandlung von mechanischer Bewegung eines Resonators in elektrische Energie, wobei jeder Wandler einen Magnetteil und einen Spulenteil aufweist, welche relativ zueinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Resonator aus einer Blattfeder (41) besteht, an der ein Permanentmagnetsystem (2) angebracht ist, das den Magnetteil des Wandlers bildet; dass der Spulenteil des Wandlers aus einer Flachspule (3) besteht, die in einer Ebene praktisch parallel zur Schwingungsebene des Resonators liegt, dass das Permanentmagnetsystem (2) über den Leitern jeder Spulenhälfte der Flachspule (3) einen Permanentmagneten (23, 25) aus hochkoerzitivem Material aufweist und beide Permanentmagnete miteinander über ein Joch (21) aus ferromagnetischem Material verbunden und so angeordnet sind, dass die freien Enden der Permanentmagnete (23,

   25) einander entgegengesetzte Polarität aufweisen und die Magnetisierungsrichtung parallel zur Ebene der Blattfeder (41) und senkrecht zur Spulenebene verläuft, und dass unter der Flachspule (3) ein ferromagnetischer Teil (5) vorgesehen ist, welcher den Magnetkreis des Permanentmagnetsystems (2) schliesst.

   2. Elektromechanisches Frequenzbandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (23, 25) aus einer Samarium-Kobalt-Legierung bestehen.

   3. Elektromechanisches Frequenzbandfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (7) der Flachspule (3) gerade Leiterabschnitte (9) besitzen die ungefähr parallel zueinander und ungefähr im rechten Winkel zur Relatibewegung angeordnet sind, und den aktiven Teil der Flachspule darstellen, und dass die Permanentmagnete derart ausgebildet sind, dass das Magnetfeld vorwiegend auf diesen aktiven Teil der Flachspule beschränkt bleibt.

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   4. Elektromechanisches Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Teil (5) die Flachspule in der Richtung der relativen Bewegung zu beiden Seiten überragt, so dass die Form des Kraftlinienverlaufes im Luftspalt zwischen dem Permanentmagnetsystem (2) und dem ferromagnetischen Teil (5) in jeder Relatitewegungslage derselben gleich bleibt.

   5. Elektromechanisches Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet/ dass der ferromagnetische Teil aus einem Material mit geringen WirbelStromverlusten besteht.

   6. Elektromechanisches Frequenzbandfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Teil (5) aus Ferroxcube besteht.

   7. Elektromechanisches Frequenzbandfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Teil (5) aus lamelliertem Eisenblech besteht.

   30.5.73
   CAR/mc
   S-43-860/695

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