DE69535513T2

DE69535513T2 - Spulenpaarantrieb mit mehrzweckgehäuse

Info

Publication number: DE69535513T2
Application number: DE69535513T
Authority: DE
Inventors: Douglas J. Champaign BUTTON
Original assignee: Harman International Industries Inc
Current assignee: Harman International Industries Inc
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-11-13
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2015-11-14
Also published as: CA2218471A1; ATE364979T1; ES2286821T3; CA2218471C; EP0821861A1; WO1996033592A1; EP0821861B1; EP0821861A4; US5748760A; DE69535513D1

Description

Hintergrund
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Audio-Wandler. Insbesondere betrifft diese Erfindung das Design eines leichtgewichtigen Hochleistungs-Audio-Wandlers.
2. Verwandter Stand der Technik
Die meisten elektrodynamischen Lautsprecher verwenden Magnete, um einen magnetischen Fluss in einem Luftspalt zu erzeugen. Diese Magnete sind typischerweise Permanentmagnete, die in einer magnetischen Schaltung aus ferromagnetischem Material verwendet werden, um den Großteil des Flusses, der von dem Permanentmagneten erzeugt wird, in den Luftspalt zu führen.
Eine Schwingspule wird in diesem Luftspalt positioniert, wobei ihre Leiter im Wesentlichen zylindrisch gewickelt sind, so dass sie senkrecht zu der Hauptkomponente des magnetischen Flusses in dem Luftspalt positioniert sind. Sodann wird die Spule mechanisch mit einer Membran oder einem Konus, die oder der durch die axiale Bewegung der Spule angetrieben oder zur Vibration gebracht wird, welche durch die motorische Kraft der Spule erzeugt wird, verbunden. Die Spule wird oftmals als eine Schwingspule (voice coil) bezeichnet, da in Lautsprechern oder ähnlichen elektromagnetischen Wandlern, der Frequenzbereich von besonderem Interesse dem ausgedehnten Bereich der menschlichen Stimme entspricht. Diese Begriffe werden hier wechselseitig verwendet. Zylindrische Schwingspulen werden allgemein in Audio-Wandlern, wie Konus-Treibern, Kuppel-Hochtonlautsprechern und Mikrofon-Wandlern verwendet.
Normalerweise wird die Spule mit einem Audio-Verstärker der selben Art verbunden, die einen Strom in der Spule erzeugt, der eine Funktion des elektrischen Signals ist, das von dem Lautsprecher in hörbare, subhörbare oder Ultraschalldruckvariationen umzuwandeln ist. Die Spule wird normalerweise so angeordnet, dass sie einen Strom in eine Richtung trägt, die im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Linien eines magnetischen Flusses liegt, der von dem Permanentmagneten erzeugt wird. Die magnetische Struktur wird oftmals so angeordnet, dass sie eine zylindrische Symmetrie mit einem kreisförmigen Luftspalt zur Verfügung stellt, indem die Linien des magnetischen Flusses radial mit Hinsicht auf die Achse der zylindrischen Symmetrie des Lautsprechers ausgerichtet sind.
Herkömmliche elektrodynamische Permanentmagnet-Lautsprecher verwenden eine Membran, welche von einem elektromagnetischen Antrieb in Vibration versetzt wird. Der Antrieb umfasst im Allgemeinen ein Magnet und eine Schwingspule mit einem elektrischen Signal, das durch die Schwingspule geführt wird. Die Wechselwirkung zwischen dem Strom, der durch die Schwingspule verläuft, und dem magnetischen Feld, das von dem Permanentmagneten verursacht wird, veranlasst die Schwingspule dazu, in Übereinstimmung mit dem elektrischen Signal zu schwingen und betreibt die Membran und erzeugt Schall.
Im Betrieb verursacht der Widerstand des leitfähigen Materials der Schwingspule die Erzeugung von Wärme in der Schwingspule oder der Wicklung. Die Toleranz des Treibers gegenüber Wärme wird im Allgemeinen durch die Schmelzpunkte seiner verschiedenen Komponenten und der Wärmekapazität des Haftmittels, das für das Ausbilden der Schwingspule verwendet wird, bestimmt. Da der Gleichstromwiderstand der Schwingspule einen großen Teil einer Impedanz eines Treibers umfasst, wird der Großteil der Eingangsleistung statt in Schall in Wärme umgewandelt. Somit ist die Leistungsumsetzungsfähigkeit eines Treibers streng durch seine Möglichkeit limitiert, Toleranz gegenüber Wärme aufzuweisen.
Die Probleme, die von der Wärmeerzeugung herrühren, werden weiter durch einen temperaturinduzierten Widerstand verstärkt, der im Allgemeinen als eine Leistungskompression bezeichnet wird. Wenn die Temperatur der Treiber-Schwingspule anwächst, wächst der Gleichstromwiderstand von Kupfer- oder Aluminiumleitern oder Drähten, die in dem Treiber verwendet werden, ebenso an. Eine Schwingspule aus Kupferdraht, die bei Raumtemperatur einen Widerstand von 6 Ohm aufweist, hat z. B. einen Widerstand von 12 Ohm bei 270°C (520°F). Bei höheren Temperaturen wird eine Eingangsleistung im Wesentlichen in zusätzliche Wärme statt in Schall umgewandelt, wodurch die Treibereffizienz schwerwiegend limitiert wird.
Somit ist die Wärmeerzeugung eine wesentliche Determinante für die maximale Ausgangsleistung des Lautsprechers. Im Allgemeinen sind Vorrichtungen des Stands der Technik in ihrer maximalen Leistung wegen der Wärme, die sie erzeugen, limitiert. In einem typischen Einzelspulendesign, das einen keramischen Magneten verwendet, ist der Treiber sehr groß, und es wird im Allgemeinen keine Wärmesenke verwendet. Als solche limitiert die Temperatur in dem Treiber die Leistung des Lautsprechers, da der Treiber nicht überhitzen darf. Ein gewöhnlicher Ansatz in dem Design von professionellen Hochleistungslautsprechern besteht darin, einfach die Treiberstruktur groß genug zu machen, so dass durch sie die erzeugte Wärme dissipiert wird. Das Herstellen eines Hochleistungslautsprechers auf diese Weise führt zu einem sehr großen und schweren Lautsprecher mit einer großen Treiberstruktur, um mit der erzeugten Wärme umzugehen. Diese Erfindung verbessert diesen Stand der Technik durch das Einbeziehen von Elementen, die so entworfen sind, dass durch sie die Wärme dissipiert wird, die von dem Treiber erzeugt wird, wodurch die Effizienz verbessert wird und eine größere Ausgangsleistung erzeugt wird.
Vorherige Systeme, wie dasjenige, das in dem französischen Patent Nr. 1 180 456 beschrieben wird, haben versucht, eine höhere Leistung durch die Verwendung einer Zwei-Spulen-Anordnung zu erreichen. Diese Zwei-Spulen-Anordnung verdoppelt die elektromagnetische Kraft, die von dem selben Strom erzeugt wird, was in einer Erhöhung der Effizienz resultiert. Die PCT/US93/06755 und das U.S. Patent Nr. 5 231 336 verwenden ebenso eine Doppelspule. Diese Patente betreffen jedoch nicht das Problem der Wärmeerzeugung oder der Größe und des Gewichts ihrer Anordnungen.
Es ist in anderen Patente versucht worden, die von einem Lautsprecher erzeugte Wärme zu kontrollieren. Diese Patente schließen das U.S. Patent Nr. 3 991 286, welches eine Schwingspule hoher thermischer Leitfähigkeit und eine Metallrahmenstruktur verwendet, und 4 138 593, welches eine thermisch leitfähige Struktur auf beiden Seiten der magnetischen Schaltung verwendet und den Treiber sowohl mit dem Vorderelement als auch mit dem Hinterelement des Lautsprechergehäuses verbindet, ein. Ebenso offenbart das U.S. Patent Nr. 5 042 072 ein System zum Einführen von Kanälen in der magnetischen Struktur oder in einem Polstück, um kalte Luft einzuführen. Diese Vorrichtungen helfen dabei, die erzeugte Wärme zu handhaben, jedoch sind sie in ihrer Wirksamkeit eingeschränkt.
Die JP-A-06 233 380 offenbart einen Zwei-Spulen-Lautsprecher mit zwei magnetischen Spalten zwischen Polplatten und einem Joch. Die DE-A-42 25 854 offenbart einen Lautsprecher mit einem magnetischen System, welches einen Neodym-Magneten umfasst, der sich teilweise der Kontur der Lautsprechermembran anpasst. In der DE-A-1 256 263 und der DE-A-25 03 828 wird ein akustischer Wandler gelehrt, der ein Einzelspulensystem einschließlich einer zentralen Steckers umfasst. Die FR-A-2 667 212 offenbart einen elektromagnetischen Wandler, in dem die Wärmedissipation durch ein kreisförmiges Element ermöglicht wird, welches einen äußeren Ring und Flügel umfasst. Die US-A-5 151 943 offenbart einen Lautsprecher, der eine sandwichartige Abschirmung umfasst, die um ein gestuftes Polteil zum Abschwächen einer Störung einer zweiten Harmonischen angeordnet ist.
Durch die Verwendung dieser Teillösungen kann einige Wärme dissipiert werden und die Leistungsfähigkeit erhöht werden. Jedoch stellen diese Anordnungen nicht die vereinigten Vorteile zur Verfügung, welche durch das Kombinieren der Doppelspule, des Gehäuses, das als der Rahmen fungiert, der Stütze und der Wärmesenke und des Neodym-Magneten gewonnen werden.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung stellt gemäß Anspruch 1 und alternativ gemäß Anspruch 2 einen elektromagnetischen Wandler dar, der in der Lage ist, eine größere Ausgangsleistung pro Wandler-Masse als ein herkömmlicher Wandler zu erzeugen. Diese erhöhte Leistung pro Masse wird durch Kombinieren eines geeignet entworfenen Gehäuses, eines Neodym-Magneten und einer Doppelspulenstruktur ermöglicht. In diesem Design wird die Wärme dissipiert, die von dem Wandler erzeugt wird, wobei die Effizienz und Leistung des Wandlers erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wandler einen Schwingzylinder, eine Doppelspule, einen Unteraufbau, einen äußeren Ring, ein Gehäuse und einen Konus. Der Schwingzylinder ist mit der Innenseite des Konus verbunden und passt in den Spalt zwischen dem Unteraufbau und dem äußeren Ring. Die Doppelspule umfasst einen Draht, der an zwei unterschiedlichen Stellen um den Schwingzylinder gewunden ist.
Der Unteraufbau umfasst einen Permanentmagneten, der vorzugsweise aus Neodym hergestellt ist. Die Verwendung von Neodym verringert das Gewicht des Unteraufbaus, da ein Neodym-Magnet mehr magnetischen Fluss pro Gewicht als ein Standardmagnet zur Verfügung stellt. Ein Standarddesign unter Verwendung von Keramik oder Alniko würde wesentlich größer sein müssen als ein Neodym-Magnet, um die selbe Menge an magnetischen Fluss zur Verfügung zu stellen. Der Magnet ist in der axialen Richtung so magnetisiert, dass eine Oberfläche des Magnets den magnetischen Nordpol und die andere den magnetischen Südpol darstellt.
Zusätzlich zu dem Magnet umfasst der Unteraufbau eine vordere und eine hintere Polplatte. Die Polplatten sind aus Stahl hergestellt und sind auf jeder Seite des Magneten positioniert, wodurch ein magnetisches Sandwich hergestellt wird. Die Verwendung eines kleineren Neodym-Magneten ermöglicht ebenso die Verwendung von kleineren stählernen Polplatten. Durch Verringern der Größe des Magneten und der Platten wird der Unteraufbau kleiner und leichter als eine äquivalente Struktur in dem Stand der Technik.
Die Polplatten und der Magnet weisen jeweils eine Öffnung in ihren Mitten auf, durch welche sich ein zentraler Stecker erstreckt. Der Strom von dem Verstärker wird durch den zentralen Stecker bereitgestellt, welches es dem Strom erlaubt, die Vorderseite des Unteraufbaus und des Zylinders zu erreichen. Die Verwendung eines zentralen Steckers, um den Draht zu der Spule zu führen, verringert die Arbeitskosten bei dem Zusammensetzen des Lautsprechers. Der zentrale Stecker weist zwei Drähte auf, die sich durch ihn erstrecken, mit Spatenklemmen an jedem Ende von jedem Draht. Die Spatenklemmen ermöglichen es, dass der Draht von der Doppelspule unter Verwendung einer Klemme ohne Löten, eine sehr arbeitsintensive Operation, während des Zusammensetzens befestigt wird.
Ein kreisförmiger, ferromagnetischer, stählerner, äußerer Ring umgibt den Unteraufbau und die Doppelspule. Zwischen dem äußeren Ring und dem Unteraufbau befindet sich ein magnetischer Spalt, in welchem sich der Zylinder, welcher die Doppelspule enthält, befindet. Eine Spule der Doppelspule ist um den Schwingzylinder so herumgewickelt, dass sie mit der hinteren Polplatte bündig ist, und die andere ist so gewickelt, dass sie mit der vorderen Polplatte bündig ist.
Der Wandler umfasst ebenso ein Gehäuse, welches den Rahmen, die Stütze und die wärmesenkenden Funktionen kombiniert, wobei alle diese drei Funktionen ohne die Notwendigkeit für drei Strukturen ausgeführt werden. Durch die Verwendung eines einzelnen Gehäuses ist die Erfindung leichter und kostengünstiger als eine herkömmliche Struktur aus drei Stücken herzustellen. In dem Stand der Technik sind die Rahmen- und die wärmesenkenden Funktionen kombiniert worden, nicht jedoch die Stütze. Das Gehäuse stellt einen Rahmen zur Verfügung, welcher den äußeren Ring hält, stellt eine Stütze zum Stützen des Unteraufbaus zur Verfügung und fungiert als eine Wärmesenke durch Leiten von Wärme sowohl von dem Unteraufbau als auch von dem äußeren Ring. Durch das Gehäuse wird die Wärme effizienter in Luft dissipiert als durch den Unteraufbau oder äußeren Ring, da es eine größere Oberfläche besitzt, welche den Kontakt mit der Luft maximiert und es ermöglicht, dass eine größere Menge an Wärme in die Luft strömt.
Durch das Fungieren als eine Stütze und Rahmen kontaktiert das Gehäuse sowohl den Unteraufbau als auch den äußeren Ring. Die beiden Kontakte stellen einen größeren allgemeinen Oberflächenbereich zur Verfügung, wodurch so die Fähigkeit des Gehäuses, Wärme von dem Unteraufbau und dem äußeren Ring zu übertragen, erhöht wird. Das Gehäuse somit auch als Stütze zu verwenden, erhöht die Leistungsfähigkeit des Gehäuses als Wärmesenke.
Wenn Wärme zu dem Gehäuse strömt, wird sie in der Luft dissipiert. Des Weiteren erhöht das Ausbilden des Gehäuses in einer irregulären Form mit Finnen seine Oberfläche und erleichtert die Dissipation von Wärme, da es einen größeren Oberflächenbereich für die Wärme gibt, in die Luft zu strömen.
In einigen Weiterbildungen wird die Strömung auch durch das Anbringen der Finnen des Gehäuses nahe dem Konus erleichtert. Das Anbringen der Finnen nahe dem Konus bewirkt, dass Luft durch die Finnen strömt, wenn der Lautsprecher Schall erzeugt. Diese Luftbewegung erhöht die Dissipation von Wärme von den Finnen. Eine Weiterbildung des Anbringens der Finnen nahe dem Konus verwendet die Finnen dazu, die Speichenarme des Lautsprecherkorbes zu bilden.
Durch Verwendung dieser Gewichtsverringerungs- und Wärmedissipationstechniken kann der Lautsprecher der Erfindung leichter und effizienter als die Lautsprecher des Standes der Technik hergestellt werden. Ein Lautsprecher, der die Techniken dieser Erfindung verwendet, kann die Leistung erreichen, die normalerweise ein Lautsprecher aufweist, der ein Vielfaches wiegt.
Außerdem wird die Kombination der Wärmesenke, der Stütze und des Rahmens nicht bei Verwendung eines Magneten von Standardgröße möglich sein, da der Unteraufbau zu groß sein würde, um umschlossen zu werden. Somit ermöglicht die effiziente Nutzung von Neodym einen kleineren Unteraufbau, welcher von dem Gehäuse umschlos sen werden kann. Somit kostet, trotz der hohen Kosten von Neodym, die gesamte Magnetstruktur weniger als ein keramisches Einspalt-Design von gleicher Leistungsfähigkeit.
Zusätzlich hat der Neodym-Magnet, da er dünner als ein Standard-Magnet ist, einen sehr geringen Verlust auf der Innenseite der Struktur, und es ist der Rückweg des magnetischen Schaltkreises kürzer. Somit ist ein Neodym-Unteraufbau sehr effizient und kann mehr Leistung pro Masse erzeugen.
Zusätzlich zu dem Neodym erfordert die Doppelspule einen kleineren äußeren Ring und kleinere Polplatten. In einem normalen Einspulensystem erzeugt der Strom, der durch die Spule fließt, eine Kraft auf den Schwingspulenzylinder. In dem Doppelspulensystem addieren sich jedoch die Kräfte von jeder Spule, wodurch ein leistungsfähigerer Lautsprecher erzeugt wird. Somit werden die Effizienz und die Leistung, die von dem Lautsprecher erzeugt werden, mit der selben Masse, wie in einem herkömmlichen System, erhöht.
Zusätzlich verdoppelt die Doppelspule auch die Oberfläche der Wicklung. Die Anzahl der Wicklungen und somit die Oberfläche der Wicklung wird durch das Design des Lautsprechers bestimmt. Durch Verwenden einer Doppelspule aber wird die Anzahl der Wicklungen verdoppelt, und es wird die Oberfläche der Wicklungen verdoppelt, wodurch die Kapazität des Drahtes, Wärme zu dissipieren beinahe verdoppelt wird und die Lautsprecherleistung erhöht wird.
Nur die Kombination der Doppelspule, des Neodym-Magneten und des geeignet entworfenen Gehäuses erzeugt den hocheffizienten Wandler der Erfindung. Jede unvollständige Kombination der Techniken würde die Effizienz und Leistung des Lautsprechers erhöhen, jedoch um die Größenordnung, die durch die Kombination von sämtlichen drei erzeugt wird.
Es ist somit das Hauptziel dieser Erfindung, einen leichtgewichtigen, leistungsfähigen Lautsprecher zur Verfügung zu stellen.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Kombination einer Wärmesenke, einer Stütze und eines Rahmens zur Verfügung zu stellen, welche bei einem geringeren Gewicht eine sehr effiziente Wärmedissipation zur Verfügung stellt.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, Doppelspulen zu verwenden, um die Effizienz des Lautsprechers zu erhöhen und eine Verringerung des Gewichts des Lautsprechers zu ermöglichen.
Es ist noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung, einen leichtgewichtigen Magneten, wie Neodym, zu verwenden, um das Gewicht des Lautsprechers zu verringern.
Es ist ein anderes Ziel dieser Erfindung, einen leistungsfähigen und sehr effizienten Lautsprecher unter Verwendung verbesserter Designtechniken herzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht des Lautsprechers.
2 ist eine vordere Explosionsansicht des Lautsprechers.
3 ist eine Vorderansicht einer Ausführungsform des Gehäuses, des Unteraufbaus und des äußeren Rings.
4 ist eine Hinteransicht einer Ausführungsform des Gehäuses, des Unteraufbaus und des äußeren Rings.
Ausführliche Beschreibung
Wie es in 2 dargestellt ist, umfasst der Lautsprecher 20 einen externen Konus 22, der an der Vorderseite des Lautsprechergehäuses oder der Schallwand 23 durch eine flexible Halterung 24 angebracht ist. Der Konus 22 ist unter der Kuppel 54 an einem Zylinder 53 befestigt.
Mit Bezug auf 1 ist der Konus 22 zusätzlich mit einem Gehäuse 25 über eine Spinnenverbindung 56 verbunden. Die Spinnenverbindung 56 ist hinreichen flexibel, um es dem Konus 22 zu ermöglichen, sich axial zu bewegen, stellt jedoch eine hinreichende Stützung zum Halten des Konus 22 in einer Position radial zur Verfügung.
Der Lautsprecher 20 umfasst einen Unteraufbau 30, der einen Magnet 36 und zwei Polplatten, eine vordere Polplatte 32 und eine hintere Polplatte 34 umfasst. Die Polplatten 32, 34 sind aus Stahl hergestellt, und sie sind ferromagnetisch. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Polplatten 32, 34 in einer zylindrischen Form, mit einem Radius, der größer als die Höhe ist, ausgebildet.
Zwischen der vorderen 32 und der hinteren 34 Polplatte ist ein Magnet 36 eingefügt, welcher zusammen mit den Polplatten 32, 34 einen Stapel ausbildet. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet 36 aus Neodym hergestellt, einem Material, das einen großen magnetischen Fluss pro Masse aufweist. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet 36 ebenso zylindrisch mit einem Radius, der etwas kleiner ist, als derjenige der vorderen 32 und hinteren 34 Polplatte. Durch das Verwenden von Neodym kann der Magnet 36 kleiner und im Durchmesser geringer als ein herkömmlicher Magnet, der aus Keramik hergestellt ist, und wesentlich dünner und kleiner als ein Magnet, der aus Alniko hergestellt ist, sein.
Die Polplatten 32, 34 und der Magnet 36 weisen eine mittlere Öffnung auf, welche, wenn die Polplatten 32, 34 und der Magnet 36 gestapelt sind, sich durch den Unteraufbau 30 erstreckt. Ein zentraler Stecker 50 befindet sich in dieser Öffnung und erstreckt sich von der Rückseite zu der Vorderseite des Unteraufbaus 30. Der zentrale Stecker 50 weist zwei leitende Elemente durch sich hindurch auf, vorzugsweise Draht, der sich aus den Enden der Hülse 50, wo sie in Spatenklemmen 52 ausläuft, erstreckt. Die Spatenklemmen 52 ermöglichen es, dass ein anderer Draht unter Verwendung einer klemmartigen Einrichtung und ohne Löten befestigt wird.
Der Magnet 36 und die Polplatten 32, 34 befinden sich innerhalb eines kreisförmigen äußeren Rings 55. Wie die Polplatten 32, 34 ist der äußere Ring 55 aus ferromagnetischem Stahl hergestellt. Der äußere Ring 55 ist ein Hohlzylinder, der etwas länger als die kombinierten Höhen der zwei Polplatten 32, 34 und des Magnets 36 ist. Der Unteraufbau 30 passt innerhalb des äußeren Rings 55 derart, dass der innere Radius des äußeren Rings 55 etwas größer als der Radius der Polplatten 32, 34 ist. Der etwas größere Radius des äußeren Rings 55 stellt einen kreisförmigen magnetischen Spalt 57 zwischen dem Stapel der vorderen Polplatte 32, des Magneten 36 und der hinteren Polplatte 34 und des äußeren Rings 55 zur Verfügung.
In der vorliegenden Erfindung sind in einer Ausführungsform die äußere Oberfläche der Polplatten 32, 34 und die innere Oberfläche des äußeren Rings 55 mit einer Kupferbeschichtung bedeckt. Ein Beschichten der Teile dieser Elemente in dem magnetischen Spalt 57 mit Kupfer verringert die Störung und Induktivität in dem Lautsprecher. Die Kupferschichten können zu einer Dicke von 0,015–0,025 Zoll plattiert werden.
In einer alternativen Ausführungsform können leitfähige Kurzschlussringe verwendet werden, um eine Störung und Induktivität zu verringern. Anstelle in dem magnetischen Spalt 57 platziert zu sein, wie die Kupferbeschichtungen, werden die leitfähigen Ringe vor der Vorderplatte 32 auf der äußeren Oberfläche des Magneten 36 und hinter der hinteren Platte 34 platziert. Die leitfähigen Kurzschlussringe können aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sein und sind zwischen 0,050 und 0,150 Zoll in der radialen Richtung dick.
Das Gehäuse 25 enthält Teilen, die einen Rahmen 29 für den äußeren Ring 55 und eine Stütze 27 für den Unteraufbau 30 bereitstellen, wobei die beiden durch ein Winkelstück 28 verbunden sind. Zusätzlich fungiert das Gehäuse 25 als eine Wärmesenke für den Lautsprecher 20 dadurch, dass es ermöglicht, dass Wärme von dem äußeren Ring 55 und dem Unteraufbau 30 in das Gehäuse 25 strömt. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse 25 aus Aluminium hergestellt.
Der Zylinder 53, der an dem Konus 22 angebracht ist, erstreckt sich von dem Konus 22 in diesen magnetischen Spalt 57. Der Zylinder 53 ist aus einem festen gegenüber hoher Temperatur widerstandsfähigem Material, wie Polyamid, hergestellt, und er ist vorzugsweise etwa 5/1000 eines Zolls dick. Um den Zylinder 53 und innerhalb des magnetischen Spaltes 57 ist eine Doppelspule 40 aus Draht 42, die aus zwei Teilen besteht, gewunden, einem vorderen Teil 44 und einem hinteren Teil 46. Der Draht 42 in dem vorderen Teil 44 ist so um den Zylinder 53 gewunden, dass er mit der vorderen Polplatte 32 abschließt ist. Ähnlich ist der Draht 42 in dem hinteren Teil 46 um den Zylinder 53 so gewunden, dass er mit der hinteren Polplatte abschließt.
Der zentrale Stecker 50 enthält zwei Leiter, die sich durch seine Länge hindurch erstrecken. Die Leiter erstrecken sich aus der Vorder- und Hinterseite des Steckers 50. Die Kanten der Leiter auf der Rückseite des zentralen Steckers 50 sind mit Drähten verbunden, welche zu dem Verstärker führen, der den Lautsprecher 20 betreibt. Auf der Vorderseite des zentralen Steckers 50 ist der Draht 42 mit zwei Spatenklemmen auf der Vorderseite des zentralen Steckers 50 unter Verwendung von spangenartigen Verbindungseinrichtungen verbunden.
Der Draht 42 verläuft von dem zentralen Stecker 50 an der Vorderseite des Unteraufbaus 30 zu der Oberseite des Zylinders 53, unter die Kuppel 54 und an der Außenseite des Zylinders 53 nach unten, bis er die Position des Vorderteils 44 erreicht, an der er um den Zylinder 53 in Uhrzeigerrichtung gewickelt ist. Nachdem er um den Zylinder 53 gewickelt worden ist, verläuft der Draht 43 entlang dem Zylinder 53 von dem Vorderteil 44 zu dem hintersten Teil des Rückteils 46. Dieser Teil des Drahts 42 wird isoliert, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Teil des Drahts 42, der sich den Zylinder 53 herunter erstreckt, und dem Teil, der um den Zylinder 53 gewickelt ist, zu verhindern. An dem hintersten Teil des Rückteils 46 ist der Draht 42 um den Zylinder 53 gegen Uhrzeigerrichtung gewickelt und stellt das Rückteil 46 dar.
Nachdem er das Rückteil 46 gebildet hat, wird der Draht 42 isoliert, und er verläuft an der Seite des Zylinders 53 zu der Oberseite des Zylinders 53. Von der Oberseite des Zylinders 53 erstreckt sich der Draht 42 durch den zentralen Stecker 50 nach unten, wo er an der anderen Spatenklemme an der Vorderseite des zentralen Steckers 50 angeklemmt wird.
Die bevorzugte Anzahl, wie oft der Draht 42 um den Zylinder 53 gewunden wird, wird durch das Design des Lautsprechers bestimmt und ist in dem Stand der Technik gut bekannt. Diese bevorzugte Anzahl an Wicklungen wird sowohl für den vorderen 44 als auch den hinteren 46 Teil der Doppelspule 40 verwendet, wodurch sich die Zahl der Wicklungen verdoppelt und sich die Oberfläche, die von dem Draht 42 bedeckt wird, verdoppelt, ohne dass die Größe des magnetischen Spalts 57 erhöht wird.
Dadurch, dass der Draht 42 in dem vorderen Teil 44 in Uhrzeigerrichtung und in dem hinteren Teil 46 entgegen der Uhrzeigerrichtung verläuft, wird verursacht, dass der Strom in dem vorderen Teil 44 in der entgegen gesetzten Richtung davon verläuft, wie der Strom in dem hinteren Teil 46 verläuft. Da die Flusslinien in jedem Luftspalt in entgegen gesetzten Richtungen verlaufen und der Strom in jeder Spule in entgegen gesetzten Richtungen verläuft, besagt das Lorenz'sche Gesetz, dass die Kraft, die von dem Strom in jeder Spule erzeugt wird, in die selbe Richtung weist, wodurch die Kraft auf den Zylinder 53 verdoppelt wird. Durch Verdoppeln der Kraft erzeugt der Lautsprecher mehr Leistung als ein Einzelspulenlautsprecher.
Zusätzlich zum Erzeugen von Kraft erzeugt der durch den Draht 42 und die Doppelspule 40 verlaufende Strom Wärme. Die Wärme von dem Draht 42 fließt in die vordere Polplatte 32 und die hintere Polplatte 34, wo sich der Draht 42 diesen Polplatten nähert. Die Wärme strömt ebenso in den äußeren Ring 55 an den beiden Stellen, an denen sich der Draht 42 dem äußeren Ring 55 nähert. Wenn die Wärme, die von dem Draht 42 erzeugt wird, nicht dissipiert wird, werden die Polplatten 32, 34 und der Magnet 36 immer wärmer. Schließlich wird das Haftmittel, welches den Draht 42 auf dem Zylinder 53 hält, schmelzen, wodurch sich der Draht 42 von dem Zylinder 53 ablöst und verursacht wird, dass der Lautsprecher 20 in seiner Funktionsfähigkeit abnimmt. Außerdem entmagnetisieren sich die Neodym-Magnete, wenn sie zu warm, z. B. mehr als 250°F, werden.
Die von einem Lautsprecher 20 erzeugte Wärme ist direkt der Leistung proportional, die der Lautsprecher 20 zu erzeugen in der Lage ist und somit zu der Lautstärke, die der Lautsprecher erzeugen kann. Außerdem wird, je heißer der Draht 42 wird, desto größer der Widerstand, und es wird desto mehr Wärme erzeugt. Somit erfordert das Erzeugen von leistungsfähigeren Lautsprechern die Entwicklung einer Technik zur Handhabung der erzeugten Wärme.
Die Fähigkeit des Gehäuses 25, die Wärme zu dissipieren, welche von der Spule 40 erzeugt wird, lässt den Lautsprecher 20 leistungsfähiger werden. Ohne die Wärmesenke des Gehäuses 25, wodurch z. B. eine Verdoppelung in der Dissipationsfähigkeit erfolgt, würde die Leistung in dem Lautsprecher 20 in etwa die erzeugte Temperatur verdoppeln. Sofern der Lautsprecher 20 ursprünglich nicht mit geringer Leistung betrieben wurde, würde eine Verdoppelung der Temperatur die Komponenten des Lautsprechers 20 beschädigen und dazu führen, dass der Lautsprecher 20 aufhört zu arbeiten. Somit erfordert das Erhöhen der Leistung in dem Lautsprecher 20 eine Technik dazu, Wärme zu dissipieren.
Eine Technik, die von dieser Erfindung verwendet wird, um Wärme zu steuern besteht in der Doppelspulenwicklung 40 des Drahts 42. Durch Wickeln des Drahtes 42 an zwei verschiedenen Stellen mit dem doppelten der Oberfläche auf dem Zylinder 53, den Unteraufbau 30 und den äußeren Ring 55 kann Wärme an verschiedenen Orten und über eine große Fläche passieren. Durch Passieren in verschiedenen Gebieten und über eine große Fläche kann Wärme schneller dissipiert werden, vorausgesetzt, dass Wärme von dem äußeren Ring 55 und dem Unteraufbau 30 strömen kann. Ohne jedoch ein Abführen der Wärme von dem äußeren Ring 55 und dem Unteraufbau 30 zur Verfügung zu stellen, würden die Designvorteile der Doppelspule verschlechtert.
Um es Wärme zu ermöglichen, von dem äußeren Ring 55 und dem Unteraufbau 30 zu strömen, wird das Gehäuse 25 an dem äußeren Ring 55 und dem Unteraufbau 30 an gebracht. Das Gehäuse 25 fungiert dann als eine Wärmesenke, in welche Wärme von dem äußeren Ring 55 und dem Unteraufbau 30 strömen kann. Wärme, die in das Gehäuse 25 strömt, wird durch das Gehäuse 25 aufgrund seiner größeren Oberfläche dissipiert. Mit Bezug auf die 3 und 4 wird in der bevorzugten Ausführungsform die Oberfläche des Gehäuses 25 durch Hinzufügen radialer oder anderer Finnen 60 zu dem Gehäuse, insbesondere derart, dass sie sich von dem Teil des Rahmens 29 des Gehäuses 25 erstrecken, erhöht.
Die Finnen 60 ermöglichen es, dass ein Gehäuse 25 von einer bestimmten Größe eine im Wesentlichen größere Oberfläche als ein Gehäuse von ähnlicher Größe mit einer regulären oder kompakten Form besitzt. Um die Oberfläche des Gehäuses zu erhöhen, können Finnen beliebiger Form oder andere Irregularitäten in der Form verwendet werden. 3 und 4 enthalten ein Beispiel von Finnen, in denen die Oberfläche weiterhin durch Hinzufügen von mehreren Finnen erhöht oder durch Verringern der Anzahl von Finnen verringert werden kann. Zusätzlich können andere Oberflächenirregularitäten, wie Dellen oder andere Vorsprünge, die Oberfläche des Gehäuses vergrößern. Da Wärme von der Oberfläche des Gehäuses 25 an die Luft strömt, ist die Wärmedissipation um so größer, desto größer die Oberfläche des Gehäuses 25 ist.
Zusätzlich kann mehr Wärme durch das Ventilieren von Luft über das Gehäuse 25 dissipiert werden. Da die Wärme von dem Gehäuse 25 zu der Luft strömt, beschleunigt die Strömung von Luft die Dissipation von Wärme von dem Gehäuse 25. Z. B. kann ein Lüfter verwendet werden, um Luft innerhalb des Lautsprechergehäuses zu bewegen.
In der bevorzugten Ausführungsform wird durch Positionierung der Finnen 60 des Gehäuses nahe dem Konus 22 erreicht, dass Luft über das Gehäuse 25 strömt. Wenn der Lautsprecher 20 Schall erzeugt, setzt die Vibration des Konus 22 die Finnen 60 in Vibration und bewegt Luft über die Finnen. Die Bewegung von Luft über die Finnen 60 erhöht deren Fähigkeit, Wärme in die Luft zu dissipieren.
In einer Ausführungsform bilden radiale Finnen 60 die Speichenarme eines Lautsprecherkorbes. In dieser Art von Ausführungsform sind die Finnen 60 an einem Ring angebracht, der mit der Schallwand 23 verbindet. Alternativ können die Finnen direkt an der Schallwand 23 durch Kombinieren des Rings mit der Schallwand 23 angebracht werden. Durch das Befestigen der Finnen 60 auf diese Weise erstreckt sich das Gehäuse 25 von dem Unteraufbau 30 zu der Schallwand 23, wodurch eine größere Oberfläche und eine erhöhte Wärmedissipation zur Verfügung gestellt werden. Zusätzlich kann die Lautspre cher-Schallwand 23 aus Aluminium hergestellt sein, welches aufgrund der Verbindung zwischen den Finnen 60 und der Schallwand 23 es ermöglicht, dass Wärme von dem Gehäuse 25 in die Schallwand 23 strömt. Da Wärme in die Schallwand 23 in dieser Ausführungsform strömen kann, fungiert die Schallwand 23 ebenso als eine Wärmesenke, wodurch die Fähigkeit der Wärmedissipation der Erfindung weiter erhöht wird.
Ebenso verleiht die Verwendung der Finnen 60 als Teil eines Lautsprecherkorbes einem herkömmlichen Lautsprecherkorbdesign die größere Wärmedissipation der Erfindung. Durch die Verwendung eines Lautsprecherkorbes, welcher die Erfindung verkörpert, können bestehende Lautsprecher durch Ersetzen ihres gegenwärtigen Rings, Lautsprecherkorbes und Wandlers mit einem Wandler, Korb und Ring, welche die Erfindung verkörpern, verbessert werden. Somit kann ein bestehender Lautsprecher von dem reduzierten Gewicht und der erhöhten Leistung der Erfindung profitieren.
Das Kombinieren der Wärmesenken-, Stütz- und Rahmenfunktionen in dem Gehäuse 25 ist aufgrund des Neodym-Magneten möglich. Aufgrund des größeren magnetischen Flusses, den er erzeugt, kann ein Neodym-Magnet kleiner als ein Standardmagnet ausgebildet werden und immer noch den Fluss, der für den Lautsprecher 20 erforderlich ist, zur Verfügung stellen. Ein Standardmagnet würde zu groß und schwer für eine Kombination der Wärmesenke, Stütze und des Rahmens sein, als dass es praktisch wäre. Der kleinere Neodym-Magnet erfordert ein kleineres Gehäuse 25, wodurch es ermöglicht wird, dass eine einzelne Struktur als ein Rahmen, eine Stütze und eine Wärmesenke fungiert.
Zusätzlich zu den Lehren hierin kann diese Erfindung mit den Lehren des U.S. Patents Nr. 5 042 072 zum Verringern der Wärme in dem Unteraufbau 30 und der Schwingspule 40 unter Verwendung des Belüftens sowie der Techniken dieser Erfindung kombiniert werden. Außerdem kann die Belüftungstechnik mit der Erfindung und ihrer Ausführungsform der Kupferplattierung, die hierin gelehrt werden, kombiniert werden.
Während die Erfindung mit Hinsicht auf eine bestimmte Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden ist, geschieht dieses zum Zwecke der Veranschaulichung anstatt als Einschränkung. Der Erfinder zieht in Betracht, und es wird den Fachleuten in dem Stand der Technik offensichtlich sein, dass andere Variationen und Modifikationen der Ausführungsform, die hierin gezeigt und beschrieben ist, sich alle in dem intendierten Geist und Bereich der Erfindung befinden.
Demgemäß ist das Patent nicht in dem Umfang und der Wirkung auf die spezielle Ausführungsform, die gezeigt und beschrieben ist, beschränkt, noch auf irgendeine andere Weise, die mit dem Umfang, zu dem der Fortschritt und der Stand der Technik durch die Erfindung fortgeschritten ist, inkonsistent ist.

Claims

Ein elektromagnetischer Wandler, umfassend: einen Konus (22) zum Erzeugen von Schallvibrationen in der Luft, wobei der genannte Konus eine vordere und eine hintere Fläche besitzt; einen Permanentmagnet (36) mit einer vorderen und einer hinteren Fläche, wobei der genannte Magnet Neodym beinhaltet; eine vordere stählerne Polplatte (32) mit einer vorderen und einer hinteren Fläche, die so angeordnet ist, dass die hintere Fläche der genannten vorderen Polplatte (32) der vorderen Fläche des genannten Magneten (36) gegenüberliegt; eine hintere stählerne Polplatte (34) mit einer vorderen und einer hinteren Fläche, die so angeordnet ist, dass die vordere Fläche der genannten hinteren Polplatte (34) der hinteren Fläche des genannten Magneten (36) gegenüberliegt; einen nicht-magnetischen Zylinder (53), der an der hinteren Fläche des genannten Konus (22) angebracht ist und sich kreisförmig um die genannte vordere und die genannte hintere Polplatte (32, 34) und den genannten Magnet (36) erstreckt; einen Draht (42), der eine Doppelspule (40) umfasst, die um den genannten Zylinder (53) gewickelt ist, wobei die genannte Doppelspule einen ersten Spulenteil (44), der bündig mit der genannten vorderen Polplatte (32) um den genannten Zylinder (53) gewickelt ist, und einen zweiten Spulenteil, der bündig mit der genannten hinteren Polplatte (34) um den genannten Zylinder (53) gewickelt ist, so dass in jedem genannten Spulenteil Strom in entgegengesetzter Richtung fließt, umfasst; einen kreisförmigen stählernen äußeren Ring (55), der die genannte Doppelspule (40), die genannte vordere Polplatte (32), die genannte hintere Polplatte (34) und den genannten Magnet (36) umschließt; ein Gehäuse (25), welches einen Rahmen (29) um den genannten kreisförmigen äußeren Ring (55) zur Verfügung stellt und eine Stütze (27) liefert, die an der hinteren Fläche der genannten hinteren Polplatte (34) angebracht ist und die genannte hintere Polplatte (34), die genannte vordere Polplatte (32) und den genannten Magnet (36) stützt; wobei der genannte Magnet (36) und die genannte hintere und vordere Polplatte (34, 32) jede eine Öffnung in ihren jeweiligen Zentren enthalten; einen zentralen Stecker (50), der sich axial durch die Öffnungen in den Zentren des genannten Magneten (38) und der genannten vorderen und hinteren Polplatte (32, 34) erstreckt; einen leitfähigen Kurzschlussring, der sich vor der vorderen Polplatte (32) befindet; einen leitfähigen Kurzschlussring, der sich auf der äußeren Fläche des Magneten (36) befindet; einen leitfähigen Kurzschlussring, der sich hinter der hinteren Platte (34) befindet; und in dem das genannte Gehäuse (25) und der genannte äußere Ring (55) dadurch als eine Wärmesenke fungieren, dass sie einen Weg für Wärme zur Verfügung stellen, auf dem diese von dem genannten äußeren Ring (55) und der genannten hinteren Polplatte (34) in das genannte Gehäuse (25), von welchem Gehäuse (25) die Wärme dissipiert werden kann, strömen kann.
Ein elektromagnetischer Wandler, umfassend: einen Konus (22) zum Erzeugen von Schallvibrationen in der Luft, wobei der genannte Konus eine vordere und eine hintere Fläche besitzt; einen Permanentmagnet (36) mit einer vorderen und einer hinteren Fläche, wobei der genannte Magnet Neodym beinhaltet; eine vordere stählerne Polplatte (32) mit einer vorderen und einer hinteren Fläche, die so angeordnet ist, dass die hintere Fläche der genannten vorderen Polplatte (32) der vorderen Fläche des genannten Magneten (36) gegenüberliegt; eine hintere stählerne Polplatte (34) mit einer vorderen und einer hinteren Fläche, die so angeordnet ist, dass die vordere Fläche der genannten hinteren Polplatte (34) der hinteren Fläche des genannten Magneten (36) gegenüberliegt; einen nicht-magnetischen Zylinder (53), der an der hinteren Fläche des genannten Konus (22) angebracht ist und sich kreisförmig um die genannte vordere und die genannte hintere Polplatte (32, 34) und den genannten Magnet (36) erstreckt; einen Draht (42), der eine Doppelspule (40) umfasst, die um den genannten Zylinder (53) gewickelt ist, wobei die genannte Doppelspule einen ersten Spulenteil (44), der bündig mit der genannten vorderen Polplatte (32) um den genannten Zylinder (53) gewickelt ist, und einen zweiten Spulenteil, der bündig mit der genannten hinteren Polplatte (34) um den genannten Zylinder (53) gewickelt ist, so dass in jedem genannten Spulenteil Strom in entgegengesetzter Richtung fließt, umfasst; einen kreisförmigen stählernen äußeren Ring (55), der die genannte Doppelspule (40), die genannte vordere Polplatte (32), die genannte hintere Polplatte (34) und den genannten Magnet (36) umschließt; ein Gehäuse (25), welches einen Rahmen (29) um den genannten kreisförmigen äußeren Ring (55) zur Verfügung stellt und eine Stütze (27) liefert, die an der hinteren Fläche der genannten hinteren Polplatte (34) angebracht ist und die genannte hintere Polplatte (34), die genannte vordere Polplatte (32) und den genannten Magnet (36) stützt; wobei der genannte Magnet (36) und die genannte hintere und vordere Polplatte (34, 32) jede eine Öffnung in ihren jeweiligen Zentren enthalten; einen zentralen Stecker (50), der sich axial durch die Öffnungen in den Zentren des genannten Magneten (38) und der genannten vorderen und hinteren Polplatte (32, 34) erstreckt; wobei die genannten Polplatten (32, 24) eine äußere Fläche besitzen und die äußere Fläche mit einer Kupferbeschichtung bedeckt ist, und der genannte äußere Ring (55) eine innere Fläche besitzt und die genannte innere Fläche mit einer Kupferbeschichtung bedeckt ist; und in dem das genannte Gehäuse (25) und der genannte äußere Ring (55) dadurch als eine Wärmesenke fungieren, dass sie einen Weg für Wärme zur Verfügung stellen, auf dem diese von dem genannten äußeren Ring (55) und der genannten hinteren Polplatte (34) in das genannte Gehäuse (25), von welchem Gehäuse (25) die Wärme dissipiert werden kann, strömen kann.
Der Wandler von Anspruch 1, in dem die genannten Polplatten (32, 24) ferromagnetisch sind.
Der Wandler von Anspruch 1, in dem der genannte erste Spulenteil (44) und der genannte zweite Spulenteil (46) in Reihe miteinander verbunden sind.
Der Wandler von Anspruch 1, in dem sich der genannte Draht (42) von der hinteren Fläche der genannten hinteren Polplatte (34) durch den genannten zentralen Stecker (50) zu der vorderen Fläche der genannten vorderen Polplatte (32) erstreckt.
Der Wandler von Anspruch 1, in dem das genannte Gehäuse (25) aus Aluminium hergestellt ist.
Der Wandler von Anspruch 1, in dem das genannte Gehäuse (25) zumindest eine Finne (60) umfasst, die ausgebildet ist, in Reaktion auf Schall zu vibrieren, der durch den Konus (22) erzeugt wird, wobei Wärme durch die Vibration durch Bewegen von Luft über die zumindest eine Finne (60) dissipiert wird.
Der Wandler von Anspruch 7, in dem die genannte zumindest eine Finne (60) eine radiale Finne ist.
Der Wandler von Anspruch 7, in dem die genannten Finnen (60) Enden aufweisen, wobei die genannten Enden mit einem Befestigungsring des Wandlers verbunden sind, wobei der genannte Befestigungsring mit einer Lautsprecherschallwand (23) verbindbar ist.
Der Wandler von Anspruch 7, in dem die genannten Finnen (60) Enden aufweisen, wobei die genannten Enden mit einer Lautsprecherschallwand (23) verbindbar sind.
Ein Lautsprecher, der den elektromagnetischen Wandler von einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.