DE636745C

DE636745C - Tief abgestimmter Lautsprecher mit elektromagnetischem Vierpolsystem

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Publication number: DE636745C
Application number: DEI32460A
Authority: DE
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1926-12-03
Also published as: US1824724A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen vierpoligen Lautsprecher niedriger Eigenschwingung mit zwischen den Polschuhen schwingendem Anker.
Eine tiefe Eigenschwingung des Lautsprechers läßt sich bei den bekannten Ausführungen nicht erreichen, da die Ankerfeder mit Rücksicht auf die magnetischen Anziehungskräfte so hart ausgebildet werden muß, daß die Eigenschwingung der Anordnung in verhältnismäßig hohen Frequenzgebieten liegt. Bei Vergrößerung der schwingenden Massen läßt sich zwar die Eigenschwingung herabsetzen; dies bringt jedoch ein Verminde- rung des Wirkungsgrades mit sich, so daß diese Lautsprecher für den praktischen Betrieb ungeeignet sind. Der Herabsetzung der Eigenschwingung bei kleinerer Masse durch Verwendung sehr weicher Federn sind, wie

ao oben angedeutet, dadurch Grenzen gesetzt, daß die magnetischen Anziehungskräfte, die den Anker bei kleiner Auslenkung aus der Mittellage entfernen wollen, von der Feder überwunden werden müssen.

Bei den üblichen magnetischen Systemen nimmt die Anziehungskraft des Magneten als Funktion der Auslenkung des Ankers aus der Mittellage nach einem nichtlinearen Gesetz mit einem Exponenten größer als 1 zu, während die üblichen Federkräfte proportional der Auslenkung sind. Wenn nun das erstrebenswerte Ziel erreicht werden soll, die resultierende Ankerfederung außerordentlich klein und somit die Eigenschwingung des Systems auch bei kleiner Masse des Ankers verhältnismäßig niedrig zu halten, muß die Zunahme der Magnetkräfte ebenfalls proportional der Auslenkung des Ankers werden. Dartn könnten die magnetischen Kräfte durch eine Feder kompensiert werden. ■

Es ist bekannt, daß die Zunahme der magnetischen Kräfte bei Auslenkung des Ankers vermieden werden kann, wenn die Polschuhe zugespitzt werden, so daß bei dem durch die Ankerauslenkung verringerten magnetischen Widerstand des Luftspaltes eine Zunahme des Flusses und damit der Feldstärke nicht eintritt. In einem solchen Falle würden theoretisch bei einem symmetrischen System auf den Anker überhaupt keine permanenten magnetisehen Kräfte ausgeübt werden. Die in den beiden Luftspalten wirksamen Kräfte, die in der Mittellage des Ankers gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, bleiben auch bei Auslenkung des Ankers gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. Die praktische Ausführung einer solchen Anordnung ist jedoch mit brauchbarem Wirkungsgrad nicht möglich, da die auf den Anker ausgeübten Wechselkräfte von dem Produkt der konstanten Feldstärke mit der Wechselfeldstärke abhängen und die pro Amperewindung erzeugte Wechselfeldstärke wegen der hochgesättigten Eisenteile im Wechselfeld sehr klein ist. An den magnetischen Verhältnissen wird nichts geändert, wenn nicht die Polspitzen selbst,

sondern in einiger Entfernung von den Polspitzen den Gleich- und Wechselfluß begrenzende Querschnittsverengungen ausgeführt werden.

Eine lineare Abhängigkeit der magneti-" • sehen Kräfte auf den Anker von der Winkel auslenkung kann nach einem weiteren Vorschlag auch dadurch erreicht werden, daß durch besondere Ouerschnittsausbildung des ίο Ankers der Angriffspunkt der resultierenden magnetischen Kräfte seine Entfernung vom Ankerdrehpunkt dergestalt ändert, daß das auf den Ankerdrehpunkt bezogene Drehmoment konstant bleibt.
Eine Flußbegrenzung mit der oben geschilderten Wirkung bei gesättigten Polschuhen ohne deren schädliche Nebenwirkung¹ auf den Wechselfluß könnte rein theoretisch auch erreicht werden, wenn ein Magnet verwendet würde, der bei Veränderung der Belastung etwa durch einen veränderten Luftspalt keinen größeren Fluß abgeben könnte. Das ist aber nur dann möglich, wenn der Magnet an dem Punkt H_c = Null der Magnetisierungskurve arbeitet. An diesem Punkt ist aber die von dem Magneten abgegebene Energie gleich Null, so daß zur Erzielung der gewünschten Feldstärke der Magnet theoretisch unendlich lang werden ■ müßte. Bei Verwendung von Stählen mit sehr flachem Kurvenverlauf der Magnetisierungscharakteristik würde auch bei geringem, aber immerhin endlichem Werte für H_c angenähert die verlangte Wirkung erreicht werden; jedoch, sind auch dann vollkommen unwirtschaftliche Magnetgewichte erforderlich.

Gemäß der Erfindung wird die Begrenzung des das Vierpolsystem durchsetzenden konstanten Gleichflusses dadurch erreicht, daß in dem den Gleichfluß führenden Teil der magnetische Widerstand an irgendeiner Stelle zwischen Polsehuhen und Magnet so weit erhöht ist, daß die Sättigung erreicht ist, wobei die Stelle, so gewählt ist, daß der den Sprechströmen entsprechende Wechselfluß nur ungesättigte Teile durchsetzt. Bei dieser Anordnung ist jedoch der Fluß in den Polschuhenden selbst nicht konstant (vgl. Abb. 5), d. h. es treten, anders wie oben bei den gesättigten Polsehuhen geschildert, magnetische Ablenkungskräfte auf, die von der Auslenkung¹ des Ankers abhängig sind. Diese magnetischen Ablenkungskräfte folgen jedoch einem linearen Gesetz. Die Auslenkung kann also durch eine ebenfalls linear arbeitende Feder theoretisch vollkommen ausgeglichen werden.

Die Wirkungsweise der üblichen Magnetsysteme gegenüber einem. Magnetsystem gemäß der Erfindung wird nachstehend an Hand der Abb. 5 erläutert. Die Abbildung veranschaulicht ein an sich bekanntes vierpoliges Magnetsystem, bei dem gemäß der Erfindung der Widerstand für den magnetischen Gleichfluß erhöht ist. Wird bei einem System der üblichen Bauart der zwischen den ■ beiden Polpaaren drehbar gelagerte Anker aus seiner neutralen Lage herausgedreht, so 'nimmt der Fluß in dem Spalt II zwischen Anker ^₂ und Anker JV₂ sehr stark zu, da die Polschuhe ungesättigt sind. Es wird daher bei gleichzeitiger Abnahme des Flusses in dem Spalt I zwischen S₁- und Ni-Anker der Anker immer stärker zu den Polsehuhen hingezogen, je näher er denselben sich nähert. In Abb. 3 ist die den Anker zu den Polschuhen ziehende Kraft als Funktion der Ablenkung des Ankers aus seiner neutralen Lage dargestellt, und da, wie erwähnt, diese zueinander nicht in linearer Beziehung stehen, ist eine Kompensation mittels einer gewöhnlichen Feder nicht möglich. Durch- Ausbildung des magnetischen Kreises des Systems gemäß der Erfindung hingegen wird infolge der Einschränkung bei B der gesamte Fluß durch Spalt I und Spalt II konstant gehalten. Auch bei beliebiger Verkleinerung von Spalt II kann daher der Fluß in demselben nur in solcher Weise zunehmen, daß Linearität der anziehenden Kraft als Funktion der Ablenkung erfüllt bleibt.

Das Ohmsche Gesetz für den magnetischen Kreis lautet in der allgemeinen Fassung: e = ψ · χ. Hierin bedeutet: e die magnetische Spannung, ψ den Fluß, χ den magnetischen Widerstand. Bei der Lautsprecherausführung gemäß der Erfindung handelt es sich um ein Flußverteilungssystem, bei welchem der Gesamtfluß, wie oben ausgeführt ist, stets konstant ist. Die Wege im magnetischen Kreis setzen sich aus Luft- und Eisenwegen susammen. Die magnetischen Widerstände der Eisenwege sind gegenüber den magnetischen Widerständen der Luftwege so klein, daß sie vernachlässigt werden-können.

Bei einem. Lautsprecher mit einem Vierpolsystem, wie er in den Abbildungen dargestellt ist, sind vier Luftspalte vorhanden. Jeder Luftspalt hat in der Nullage des Ankers die gleichen Abmessungen, es ist also jeder Luftspalt in Richtung des Flusses gleich t» lang, desgleichen ist der Querschnitt senkrecht zur Flußrichtung bei jedem der vier Luftspalte gleich groß. Der magnetische Widerstand eines, jeden Luftspaltes ist nun proportional der Länge des Luftspaltes und umgekehrt proportional dem Querschnitt des Luftspaltes. Es ist also:

R —.
s '

In dieser Formel bedeutet: R den magnetischen Widerstand eines jeden Luftspaltes,

F den Querschnitt eines jeden Luftspaltes, welcher bei den verschiedenen Luftspalten gleich groß ist, j die Länge eines jeden Luftspaltes zwischen dem Anker und einem Pol bei Nullage des Ankers, d. h. bei der Lage, in welcher der Anker von den Polen gleich weit entfernt ist.

In der Nullage des Ankers ist der Fluß durch jeden Luftspalt gleich groß; entspreo chend sind die auf den Anker ausgeübten Kräfte gleich groß. Da die Kräfte, welche auf den Anker wirken, paarweise und in einander entgegengesetzten Richtungen auftreten, erfährt der Anker keine Auslenkung.

Wird der Anker ausgelenkt, so bleibt der Gesamtfluß konstant; es ändern sich aber die Flüsse in den einzelnen Luftspalten und damit die, auf den Anker wirksamen Kräfte. Die Flüsse in den einzelnen Luftspalten werden unter Anwendung des Ohmschen Gesetzes für den magnetischen Kreis wie folgt ermittelt.

Wenn der Anker um den Betrag χ ausgelenkt wird, so beträgt, wenn man einen Luftspalt betrachtet, die Länge des Luftspaltes an der Stelle, an welcher sich der Anker von dem gegenüberliegenden Polschuh entfernt hat (s -f- x). Auf derselben Ankerseite, aber an dem anderen Polschuh, hat sich der Luftspalt verkleinert, und zwar um den Betrag der Auslenkung χ des Ankers, so daß die Länge des Luftspaltes nunmehr nur noch (s — x) ist. Es sei bemerkt, daß auf der anderen Seite des Ankers entsprechende Änderungen der Luftspaltlänge auftreten, und zwar derart, daß an der Stelle des Ankers, an welcher eine Vergrößerung des Luftspaltes vorhanden ist, auf der gegenüberliegenden Seite des Ankers an derselben Stelle eine entsprechende Verringerung der Luftspaltlänge eintritt, und weiterhin an der Stelle des Ankers, an welcher eine Verkleinerung des Luftspaltes bei der Auslenkung vorhanden ist, auf der gegenüberliegenden Seite des Ankers an derselben Stelle eine entsprechende Vergrößerung des Luftspaltes eintritt. Bei einem Vierpolsystem sind also bei der Auslenkung des Ankers immer zwei versetzt gegenüberliegende Luftspalte gleich.

Für die Ermittlung der Flußverteilung bei der Auslenkung ist es nun vorteilhaft, zwei Luftspalte zu wählen, welche im Flußverteilungssystem parallel laufen. Es sind dies zwei Luftspalte, welche auf ein und derselben Ankerseite liegen, also beispielsweise die Luftspalte, welche zwischen dem Anker und den beiden vom Südpol gebildeten Polschuhen liegen.

Die magnetischen Widerstände in den Luftspalten bei ausgelenktem Anker haben dann folgende Werte. Der Widerstand des Luftspaltes, welcher um den Betrag χ der Auslenkung des Ankers größer wird, nimmt, da der Querschnitt des Luftspaltes konstant ist, den Wert an:

Der Widerstand des Luftspaltes, welcher um den Betrag χ der Auslenkung des Ankers kleiner wird, nimmt den Wert an:

R,-

Da der Widerstand des Ankers, wie oben dargelegt, klein ist, so herrscht an jedem Luftspalt dieselbe magnetische Spannung E'. Der Widerstand R' der parallel geschalteten Widerstände, hat also folgenden Wert:

R₉

__ (s + x) (s — x) _

Die magnetische Spannung E' am Kombinationswiderstand R' ist, da der Fluß konstant ist,

*—X-

Zur Ermittlung der Flüsse in den einzelnen Luftspalten sind somit alle 'Größen nunmehr vorhanden.

Der Fluß in dem Luftspalt, dessen Luftspalt um den Betrage der Auslenkung des Ankers vergrößert ist, errechnet sich nach dem Ohmschen Gesetz für den magnetischen Kreis zu:

Setzt man in diese Formel die errechneten Werte für E' und ^₁ ein, so erhält man:

Φ-

Φί = -

2F-S

s + x

— φ

— Φ (^s + ^x) (s — x) _=φ s~x .

2 S

6B6745

Entsprechend erhält man für den Fluß in dem Luftspalt, dessen Luftspalt um den Betrag χ der Auslenkung des Ankers verkleinert ist,

Da die magnetische Spannung an den

s²~ χ¹

in Betracht gezogenen Luftspalten gleich ist, ist in die Formel zur Ermittlung von Φ'₂ für E' derselbe Wert einzusetzen wie zur Ermittlung von Φ[. Man erhält also unter gleichzeitiger Einsetzung des Wertes für R₂:

X) [S-*) _ _Λ S+X

2S(s X) 2S(S X)

2 S

Für die Luftspalte, welche zwischen dem Anker und den vom Nordpol gebildeten Polschuhen liegen, nehmen die Flüsse je nach der Auslenkung entsprechende Werte an. Weiterhin ist nun ganz allgemein die auf

ao einen Anker' ausgebildete Kraft proportional dem Quadrat des Flusses, das bedeutet: für die Luftspalte, für welche die Rechnung obenstehend durchgeführt ist, tritt in dem um den Betrage der Auslenkung des Ankers vergrö-Berten Luftspalt ein dem Fluß Φί² proportionale Kraft P₁ auf und in dem um den Betrag χ der Auslenkung des Ankers verkleinerten Luftspalt ein dem Fluß Φ^² protortionale Kraft P₂. Es ist also

P₁- Φί² mid Ρ^ — Φί².

Da bei der Auslenkung des Ankers die Flüsse in den Luftspalten verschieden groß sind, sind auch die Kräfte verschieden groß. Auf der einen Ankerseite treten in den Luftspalten, welche zu den Polschuhen des einen Poles hin gelegen sind, zwei Kräfte auf, die auf den Anker in entgegengesetzter Drehrichtungwirken. Entsprechend treten auf der anderen Ankerseite entsprechende Kräfte auf. Die Kräfte nun, welche in den beiden vergrößerten Luftspalten auftreten, wirken in derselben Richtung, diejenigen, welche in den verkleinerten Luftspalten auftreten, wirken gleichfalls in ein und derselben Richtung, doch ist der Drehrichtungssinn ein anderer. Da die Kräfte paarweise auftreten, ist die resultierende Gesamtkraft auf den Anker doppelt so groß wie die resultierende Kraft, welche in zwei auf einer Ankerseite liegenden Luftspalten auf den Anker wirkt. Es ist also die resultierende Gesamtkräft

Setzt man für P₁ und P₂ die obigen Werte ein, so wird:

In diese Formel die Werte für Φ[² und Φ'₂ ^Ζ welche hierfür errechnet worden sind, eingesetzt, ergibt:

4s²

2X S

Da Φ und s konstante Größen sind, ist P — x. Dies bedeutet, daß die magnetischen Ablenkungskräfte eine lineare Funktion bilden.

Ein konstruktives Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist auf der Zeichnung in den Abb. 1, 2 und 4 dargestellt.

Abb. ι zeigt schaubildlich eine Lautsprechermembran mit Antriebsvorrichtung.

Abb. 2 zeigt das Magnetsystem von vorn.

Abb. 4 zeigt die Polstücke nebst Anker und Spulen einzeln in auseinandergenommenem Zustand.

Eine konische Membran 1 ist in einem Gehäuse, dessen Vorderwand 2 mit einer OfE-nung 3 versehen ist, befestigt. Die Membran wird durch ein Magnetsystem angetrieben, das aus einem Dauermagneten 4 mit den Polschuhen 5 und 6 besteht. Der Anker 7 dieses Systems ist an einer weichen Feder 8 befestigt, die an zwei Trägern 9 und 9' aus Kupfer oder einem sonstigen nichtmagnetischen Stoffe sitzt. Der Polschuh 5 ist mit seinem einen Ende mit dem Dauermagneten 4 durch einen Bolzen verbunden und an seinem anderen Ende mit einem Auge 10 des nichtmagnetischen Trägers 9, während der dazwischenliegende Teil des Polschuhes 5 mit dem Träger 9' verbunden ist. Die Enden 11 und 12 des' Polschuhes 5 fassen in eine Öffnung 13 zwischen den Trägern 9 und 9' und erstrecken sich nach dem Anker 7 zu, wie Abb. ι erkennen läßt. Der Polschuh 6 ist in ähnlicher Weise mit dem Magneten 4 und der anderen Seite der Tragstücke 9 und 9' verbunden, denn das untere Ende des Polschuhes 6 ist mit einer Nase 14 des Trägers 9' und der mittlere Teil des Polschuhes mit dem Träger 9 verbunden. Um den Anker 7 sind Spulen 15 und 16 gelegt, deren Umfang entsprechend die Teile 9 und 9' bei 17 und 18 ausgehöhlt sind. Der Anker 7 ist mit der '

Membran durch einen Antriebsstift 19 verbunden, der bei 20, wie Abb. 1 erkennen läßt, zwecks Erzielung einer elastischen Kupplung etwas abgeflacht ist.

Die Polschuhe 5 und 6 sind bei 21 derart verengt, daß die Stellen 21 vollkommen gesättigt werden und dadurch den Gesamtfluß, der durch die Polenden 11 und 12 fließt, auf einen praktisch festen Wert begrenzen. Wenn der Anker schwingt, so daß ein Ende sich dem Polende 12 nähert und das andere Ende sich vom Polende 11 entfernt, tritt die vorher geschilderte Flußverteilung auf. Wenn dagegen statt eines konstant gehaltenen Gesamtflusses z.B. zwischen den Polenden von 6 und 5 eine annähernd konstante magnetische Spannung aufrechterhalten wird, wie es beim Fehlen der gesättigten Stellen 21 der Fall wäre, würde das Anwachsen des Flusses am Polende 12 größer sein als das Abnehmen des Flusses von 11 und eine nichtlineare Beziehung zwischen der Ablenkung des Ankers und den magnetischen Kräften, wie Abb. 3 zeigt, auftreten. Die Wirksamkeit der Einschnürung setzt voraus, daß die magnetischen Widerstände in den Polschuhen kleiner sind als in der Einschnürung selbst, d. h. die Polenden dürfen nicht auch gesättigt sei».

Der magnetische Fluß, der von 5 nach 6 auf Wegen streut, die andere sind als über die arbeitenden Luftstrecken, verringert die Wirksamkeit der gesättigten Stelle 21 und hält dadurch die Summe der Flüsse in den arbeitenden Luftstrecken konstant, da eine Verringerung des magnetischen Widerstandes der arbeitenden Strecken eine Umleitung eines Teiles des Streuflusses nach der Strecke geringeren magnetischen Widerstandes verursacht. Es ist deshalb wünschenswert, daß '· der gesamte Streufluß so klein als möglich ist im Vergleich zum nutzbaren Fluß. Zu diesem Zweck ist die vorliegende Anordnung so getroffen, daß die arbeitenden Luftstrecken einen kleineren magnetischen Widerstand haben, als er sonst üblich ist. Des weiteren werden die Flächen der Polenden 11 und 12 in der Nähe des Ankers größer ausgeführt, als es bisher üblich war, denn der den Sprechströmen entsprechende Wechselfluß soll nur ungesättigte Teile durchsetzen.

Claims

Patentansprüche:

i. Tief abgestimmter Lautsprecher mit elektromagnetischem Vierpolsystem, dessen durch eine Feder in der Ruhelage gehaltener Anker zwischen den Polschuhen schwingt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Gleichfluß führenden Teil der magnetische Widerstand an irgendeiner Stelle zwischen Polschuhen und Magnet so weit erhöht ist, daß die Sättigung erreicht ist, und die Stelle so gewählt ist, daß der den Sprechströmen entsprechende Wechselfluß nur ungesättigte Teile durchsetzt.
2. Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung des magnetischen Widerstandes durch Querschnittsverengung erfolgt (s. Abb. 5).

Hierzu ι Blatt Zeichnungen