DE968605C - Elektromagnetischer Lautsprecher - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 13. MÄEZ 1958

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Lautsprecher und bezweckt vor allem, <len elektroakustischen Wirkungsgrad eines solchen Lautsprechers in einem breiten Frequenzbereich weitgehend zu steigern, um dadurch z. B. die Weiterentwicklung von Rundfunkapparaten in bezug auf Energieeinsparung zu fördern. Die Forderung nach geringen Verlusten und verzerrungsfreiem Verhalten sowie möglichst kleiner schwingender Masse führte bereits zu einer, mit möglichst grsßem Wickelquerschnitt ausgestatteten, rotationssymmetrischen Ankermembrankonstruktion, die zwei symmetrische, topfartig ausgebildete und axial einander gegenüberliegende magnetische Kreise enthält, zwischen denen eine kreisförmige Ankermembran angeordnet ist, die Schwingungen ausführen kann.

Bei den bekannten Konstruktionen der oben angegebenen Art ist die rotationssymmetrische Ankermembran an ihrem ganzen Umfang eingespannt, so ao daß sie in der Mitte frei schwingt. Diese Anordnung war nur für Telefone und Rufapparate bestimmt und besitzt Magnete, welche — unter Wahrung eines erheblichen Zwischenraumes — von konzentrischen Buchsen umgeben sind. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Membran nur

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Schwingungen mit verhältnismäßig kleinen Amplituden ausführen kann. Die Schalleistung ist daher gering und für große Entfernungen und Rundfunkübertragung nicht ausreichend. Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß der Rand der in der Mitte befestigten Ankermembran frei schwingt und der Innenrand der Konusmembran mit dem schwingenden Rand der Ankermembran verbunden ist.

ίο Für die Magnetisierung der Ankermembran gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, die zwei verschiedene magnetische Prinzipien bedingen, je nachdem, ob die Ankermembran in der Ruhelage nur axial oder nur radial vom Erregerkraftfluß durchsetzt wird. Beide Möglichkeiten sind* an sich nicht neu, jedoch ist die erstere nur für die unsymmetrische Konstruktion bekannt. Bei der zweiten Möglichkeit lassen sich zwei Betriebszustände unterscheiden, je nachdem, ob die größte radiale ao Induktion in der Ankermembran auf den steilen oder auf den flachen Teil der Magnetisierungskurve des magnetischen Kreises eingestellt ist. Diese Induktion liegt somit je nach der Größe des Luftspaltes des Kreises etwa unterhalb io ooo oder oberhalb 14 000 Gauß. Der zweite Betriebszustand, bei dem der Arbeitspunkt des magnetischen Kreises sich oberhalb des Knickes der Magnetisierungskurvei befindet, ist bei den bekannten für Telefone bestirnten Konstruktionen bisher nicht bekannt. Solange sich die Erregerinduktion im kritischen Querschnitt der Ankermembran unterhalb des Knickes der Magnetisierungskurve befindet, sind die nichtlinearen Verzerrungen und damit das quadratische Glied in der bekannten Formel für die Antriebskraft der Ankermembran nur von der Luftspaltdifferenz und damit von der Membranamplitude abhängig. Sobald sich aber der Arbeitspunkt oberhalb des Knickes befindet, spielt das bekannte quadratische Glied in der genannten Formel nur noch eine untergeordnete Rolle, weil, die Kraftfluß änderung vom Sättigungseffekt im Punkt größter Induktion in der Membran bestimmt wird, vorausgesetzt, daß der magnetische Widerstand des Kreises genügend groß im Membrangebiet des kritischen Querschnittes liegt. Trotz großer Membranamplitudenänderungen sind dann die Kraftfluß änderungen in der Membran klein. Sobald der kritische Querschnitt gesättigt wird, bildet sich an dieser Stelle an den Seiten der Membran ein Streufeld aus. Der magnetische Widerstand dieses Feldes ist jedoch gegenüber dem magnetischen Widerstand des kritischen Querschnittes groß, so daß die Kraftfluß änderung in den Spulen nur unwesentlich erhöht wird.

Gegenüber den bekannten Lautsprecherkonstruktionen ist die Ankermembran erfindungsgemäß mit einer sie konzentrisch umgebenden Konusmembran verbunden und in ihrer Mitte zwischen den Mittelpolen der Topfmagnete eingespannt, so daß an die^ ser Stelle praktisch kein Luftspalt entsteht und der Rand der Ankermembran zwischen den Mantelpolen frei schwingen kann. Bei gleichem Durchmesser der Ankermembran sind bei der Ausführung nach der Erfindung daher wesentlich größere Luftspaltquerschnitte möglich wie bei der bekannten Konstruktion. Stellt man gleichzeitig noch die weitere Bedingung, daß für die bekannte Bauart und die erfindungsgemäße Ausführung der magnetische Widerstand im Luftspalt gleich sein soll, so ergeben sich für den erfindungsgemäßen Lautsprecher wesentlich größere Luftspaltlängen, wodurch größere Membranamplituden möglich sind. Zusammenfassend lassen also· die größeren. Luftspaltquerschnitte und -längen bei gleichzeitigem Tieferlegen der tiefsten erreichbaren Frequenz größere Sprechkraftflüsse und damit Schalleistungen zu. Dazu kommen noch die mechanischen Vorteile, wie z. B. ■der der direkten Befestigung der schallabstrahlenden Konusmembran an der Ankermembran und die Möglichkeit der Anpassung der mechanischen Rückstellkraft der Ankermembran an die wirksamen magnetischen Kräfte sowie die Unterteilung der Ankermembran in mehrere voneinander isolierte Blechfolien.

Eine weitere besonders vorteilhafte Möglichkeit nach der Erfindung besteht darin, daß die symmetrisch ausgebildete Ankermembran radial mit Erregerkraftfluß gesättigt wird. Dadurch läßt sich bis zu den größten Membranamplituden ein verzerrungsarmes Arbeiten und damit gleichzeitig ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielen.

Weitere Ausführungsformen nach der Erfindung sowie Vorteile derselben sind in der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen angegeben. Es zeigt

Abb. ι die Hälfte des Lautsprechers im Schnitt, Abb. ι a eine besonders gedrungene Bauart des Lautsprechers, jedoch mit einer etwas kleineren Membranamplitude als nach Abb. 1,

Abb. 2 bis 9 acht mögliche magnetische Prinzipien, wie sie sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Bauart für den polarisierten Zustand erreichen lassen,

Abb. 10. die vollständige Wiedergabe des Prinzips nach· Abb. 4 einschließlich zugehöriger Schaltungsanordnung, und zwar unter Berücksichtigung des Wicklungssinnes einzelner Wicklungen,

Abb. 11 und 11 a symmetrische Parallelschaltungen von Wicklungen,

Abb. 12 eine Gegentaktschaltung unter Anwendung des Gegentaktprinzips nach Abb. 7,

Abb. 13 und 13 a eine Abart der Gegentaktschaltung, bei der jede Wicklung stets mit einem gleich großen Erregerstrom belastet ist,

Abb. 14 eine Schaltung mit einem Gegentaktausgangsübertrager, bei der der Lautsprecher im Eintakt arbeitet.

In Abb. ι 'und 1 a ist mit AB die Rotationssymmetrieachse des Lautsprechers bezeichnet. Der Lautsprecher besteht im wesentlichen aus zwei auf die Wickelkörper 3 und 4 gewickelten Spulen 1, 2, den Mittelpolen 5, 6, den Kernen 7, 8, den Platten 9, 10, ₍den Mantelpolen 11, 12 und der Ankermembran 15. Die Teile 5 bis 12 und 15 bestehen aus ferromagnetischem Werkstoff.

Zwecks Zentrierung und mechanischer Ab-Stützung zwischen den Polen 5 und 11 bzw. 6 und 12

sind noch Ringe 13 und 14 vorgesehen, die aus einem nicht ferromagnetischen Material bestehen, das gleichzeitig ein elektrischer Nichtleiter sein muß. Die beiden so gebildeten Topf magnete jedes Antriebssystems werden durch ein mit Gewinde versehenes Rohr 16 aus nicht ferromagnetischem Werkstoff mittels Muttern 17 und 18 und einer Scheibe 19 zusammengehalten. Die Ankermembran 15 ist dadurch .zwischen den Mittelpolens ^un<i 6 eingeklemmt, so daß praktisch kein Luftspalt entsteht. Über die Mantelpole 11 und 12 sind noch — zwecks teilweiser Nutzbarmachung des.Streufeldes zwischen diesen beiden Teilen — Kurzschlußringe 20 und 21 mit Isolierstreifen 22 und 23 übergeschoben. Das so· gebildete Antriebssystem ist mittels Schrauben 24 in dem Membrankorb 25 befestigt. Der Menibrankorb 25, der das hintere Antriebssystem umgibt, besteht aus Isoliermaterial, z. B. Preßstoff, in welchem mehrere Anschlußbuchsen gleich miteingepreßt sind. Mit 27 ist ein Drahtende der Spule 1 bzw. 2 bezeichnet, das mit einer Buchse 26 verlötet ist. Die nicht dargestellte Verlegung der Drahtenden der Spule2 geschieht durch das Rohr 16. Der Membrankorb 25 kann auch aus Metall bestehen, falls dafür gesorgt wird, daß das Feld der Kurzschlußringe den Korb möglichst wenig schneidet, was zwar zu einer guten Abschirmung, jedoch nicht zu einer raumsparenden Konstruktion führt.
Die mit 28 bezeichnete .Konusmembran ist mit ihrem Außenrand zwischen dem Membrankorb 25 und dem Filzryig 29 eingeklemmt. Auf eine besondere Einleimung kann dabei verzichtet werden, da hier — im Gegensatz zu dynamischen Lautsprechern — keine Präzision in radialer Richtung erforderlich ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß man das gesamte System leicht auseinander nehrnen kann, ohne die Konusmembran zu zerstören. Der Filzring 29 ist mit dem radial nach außen drückenden Pappring 30 verleimt. Der Pappring soll verhindern, daß die Luftdruckschwankungen vor der Konusmembran am Außenring vom Filz gedämpft werden. Die Konusmembran 28 ist mit ihrem Innenrand an der Ankermembran 15 befestigt. Dies kann z. B. durch beiderseitiges Ankleben über einen schmalen Rand des Umfanges der Planseiten der Ankermembran geschehen, so daß bei Ausnutzung beider Seiten noch ein schmaler Ring des Konusmembranmaterials mit ein- oder aufgeklebt wird. Im Hinblick darauf, daß gegebenenfälls die Ankermembran aus mehreren Einzelmembranen zusammengesetzt ist, besteht eine andere Verbindungs- bzw. Befestigungsmöglichkeit darin, daß der kmere Befestigungsrand der Konusmembran im Ankermembranpaket zwischengeklemmt wird. Die einzelnen Folien des Paketes haften über eine dünne Gummi- oder ölschicht aufeinander, wobei bei Gummi die Haftfähigkeit durch Vulkanisation mit dem Membranmaterial und bei öl durch Adhäsion erreicht wird.

Um die Darstellung der Bauart nach Abb. 1 zu vervollständigen, ist noch eine an sich nicht zum Lautsprecher gehörende Schall wand 31 mit eingezeichnet. Dies ist aber nur deswegen geschehen, um zu zeigen, daß das Antriebssystem zwecks weitgehender Raumausnutzung in die Öffnung der Schallwand hineinragt.

Bis auf die Ausbildung der Konusmembran 28 stimmt die Bauart nach Abb. 1 a mit der nach Abb. ι überein. Die Konusmembran in der Ausführung nach Abb. 1 a ist zweimal geknickt, so daß drei zusammenhängende und ineinandergeschachtelte konische Flächen entstehen. Hierdurch ergibt sich eine besonders gedrungene Bauart des Lautsprechers.

Bei der zweckmäßigen Ausbildung der Mittelpoles, 6 und der Ringe 13, 14 sowie der Mantelpole 11, .12 und der Membran 15 ist bei den Bauarten nach Abb. 1 und 1 a von folgenden Überlegungen ausgegangen worden. Bekanntlich steigt die vom Gleichfeldkraftflußteil des Erregerfeldes auf die Ankermembran ausgeübte Kraft mit der Membranamplitude _ quadratisch an bzw. mit i/i \ bis i/if, wobei I₁ und I₂ die wirksamen Luftspalte darstellen. Um nun über den gesamten Amplitudenbereich eine nahezu konstante wirksame Federhärte der Ankermembrari zu erzielen, muß die Rückstellkraft der Ankermembran ebenfalls mit der Amplitude quadratisch ansteigen, was sich dadurch erzielen läßt, daß die Ankermembran sich im Laufe ihrer Durchbiegung an ein immer größer werdendes kalottenförmiges Stück einer Kugeloberfläche anlegt. Die der Ankermembran zugekehrten Oberflächen der Mittelpole 5 und 6 und der Ringe 13 und 14 sind deshalb, wie Abb. 1 zeigt, kugelkalottenförmig ausgebildet. Die Bauart .nach der Erfindung ist ferner so gewählt, daß zwischen der größten mechanisch möglichen Ankermembranamplitude und den Mantelpolen n und 12 noch Zusatzluftspalte c und ά verbleiben. Der magnetische Widerstand dieser Luftspalte muß eine ganz bestimmte Größe besitzen, denn nur dann kann erreicht werden, daß der quadratische Verlauf der magnetischen Kraft des Erregerflusses auf die Ankermembran dem quadratischen Verlauf der mechanischen Rückstellkraft angepaßt ist. Zweckmäßig verläuft bei maximaler Amplitude die Ankermembran parallel zu der Stirnfläche des benachbarten Mantelpoles.

Die Ankermembran ist ähnlich wie beim dynamischen Lautsprecher die Schwingspule optimal dimensioniert. Damit liegen nicht nur der Durchmesser und die Wandstärke, sondern auch in engen Grenzen der kritische Querschnitt und bei radialer Magnetisierung der durch diesen zwangläufig durchführbare wirksame Erregerkraftfluß fest. Bei axialer Magnetisierung muß in der Mittellage nur der Sprechfluß, dagegen in den Endlagen die Summe des anteiligen Sprech- und Erregerflusses hindurchgehen. Da der Erregerfluß aber die Größe der auf die Ankermembran ausgeübten Erregerkraft bestimmt, muß die rückwirkende Federkraft ihm, und zwar unter Aufrechterhaltung der Forderung nach Erreichung einer bestimmten wirksamen Federhärte, angepaßt werden. Die entsprechend dieser Forderung durchgeführte Berechnung ergibt, daß unter Zugrundelegung'üblicher Bemessungen diese Federung viel zu hart und daß die Membran

mechanisch überbeansprucht wird. Um eine weichere Federung sowohl bei radialem als auch bei axialem Erregerfluß zu erreichen, empfiehlt es sich, die Wandstärke der Ankermembran zu unterteilen, indem man diese aus einer Anzahl Einzelmembranen zusammensetzt. Die Herstellung des polarisierten Zustandes des entlasteten Systems geschieht bei Telefonen und Lautsprechern bekanntlich auf permanentmagnetischem Wege. Auch bei der vorliegenden Erfindung kann die permanentmagnetische Erregung in dieser Weise gewählt werden, wenn auf einen guten Wirkungsgrad verzichtet wird. Zwecks Erreichung kleinster Streuung der permanenten Magnete und kleinster Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste empfiehlt es sich, alle ferromagnetischen Teile der Antriebssysteme mit Ausnahme der Ankermembran in einer mit der Rotationsachse der Systeme zusammenfallenden Ebene zu schlitzen.

Ferner sind vorteilhaft sämtliche ferromagnetischen Teile der Antriebssysteme untereinander gegen Wirbelströme isoliert. Bei den in Abb. 2 bis 9 gezeigten Prinzipanordnungen für den polarisierten Zustand, der auf elektromagnetischem oder permanentmagnetischem Wege erreicht werden kann, sind der Einfachheit halber nur drei Pole a, b und c eingezeichnet; der mittlere Pol c kann zwischen den beiden äußeren Polen α und b Schwingungen ausführen, wobei sich die Luftspalte ändern. Die eingezeichneten Pfeile d bis- i stellen die Richtungen der Kraftflüsse dar, wobei die ausgezogenen Pfeillinien d bis g die Erreger- und die gestrichelten h und i die Sprechkraftflüsse darstellen. Der mittlere Pol c, der dem Anker im Luftspalt entspricht, ist in der Endlage dargestellt. Bei Richtungsumkehr aller Erreger- oder Sprechkraftflüsse nimmt der Anker die entgegengesetzte Endlage ein. Das Prinzip wird dadurch nicht geändert. Da die Pole α und b der in Abb. 2 bis 9 gezeigten Prinzipanordnungen Mantelpole darstellen, besteht der Unterschied gegenüber den bekannten rotationssymmetrischen Ankermembrankonstruktionen darin, daß die Richtung aller Kraftflüsse im Luftspalt bei der Anwendung der Prinzipien nach Abb. 2 bis 9 auf die erfindungsgemäße Bauart nach Abb. 1 umgekehrt verläuft als bei der bekannten Konstruktion, vorausgesetzt, daß die Richtung aller Kraftlinien im Kern für beide Konstruktionen die gleiche ist. Zur näheren Erklärung der Unterschiede der einzelnen Prinzipien nach Abb. 2 bis 9 untereinander ist zunächst zu beachten, daß zu jedem Antriebssystem mindestens eine Erreger- und eine Sprechspule gehört, wobei jedem Kraftfluß dieser Spulen zwei magnetische Wege zur Verfügung stehen, und zwar einmal axial und einmal radial durch die Membran. Man kann somit die vier Kraftflüsse auch als acht Teilkraftflüsse auffassen. In Abb. 2 bis 9 ist jedem Teilkraftfluß eine Kraftlinie zugeordnet, wobei Kraftflüsse, welche den gleichen Weg zurücklegen und welche gleiche Stärke, aber entgegengesetzte Richtungen, haben, nicht darger stellt sind, da sie sich gegenseitig aufheben. Bei der Prinzipanordnung .nach Abb. 2 kompensieren sich somit zwei Sprech- und bei den Prinzipanordnungen nach Abb. 3 und 4 zwei Erregerkraftflüsse.

In Abb. 5 bis 9 sind polarisierte Gegentaktprinzipanordnungen nach der Erfindung gezeigt. Sie müssen, wenn keine Kompensation auftritt, mindestens sechs Kraftlinien aufweisen.

Das ist nur bei Abb. 5 und 8 der Fall. Bei den Prinzipanordnungen nach Abb. 6, 7 und 9 heben sich je zwei Erregerkraftflüsse auf. Abb. 2, 3 und 4 geben die eingangs beschriebenen Prinzipien wieder, wobei in der Ruhe- und damit in der Mittelstellung die Ankermembran bei der Ausführungsform nach Abb. 2 nur axial'und bei der Ausführungsform nach Abb. 3 nur radial magnetisiert wird. Bei der Ausführungsform nach Abb. 4 ist die Ankermembran radial mit Erregerkraftfluß gesättigt. Trotz großer Amplituden kann der Sprechkraftfluß nicht weiter radial eindringen, weil beide Kraftflüsse sich addieren würden und man den kritischen Querschnitt nicht mehr als sättigen kann. Die polarisierten Gegentaktprinzipien nach Abb. 5 bis 9 waren bis jetzt unbekannt und bilden einen Teil vorliegender Erfindung. Abb. 5, 6 und 7 entsprechen Abb. 2, 3 und 4, jedoch mit dem Unterschied, daß nach Abb. 5 die linke, nach Abb. 6 die rechte und nach Abb. 7 die linke oder die rechte Sprechspule momentan für eine Halbwelle strom- go los bleibt.

Die Gegentaktprinzipanordnungen nach Abb. 8 und 9 entsprechen ebenfalls den Prinzipanordnungen nach Abb. 2 und 3, jedoch mit der Abweichung, daß gemäß Abb. 8 die rechte und gemäß Abb. 9 die linke Sprechspule momentan stromlos bleibt. Von den acht beschriebenen Prinzipien nach Abb. 2 bis 9 erweist sich das nach Abb. 2 und 4 am geeignetsten, da diese bis zu den größten Membranamplituden genügend verzerrungsfrei arbeiten und gleichzeitig damit die größten Wirkungsgrade erzielen lassen. Ähnliche Eigenschaften werden nach Abb. 7 und 8 erzielt, jedoch kann der damit erreichbare Wirl ,igsgrad nicht so groß wie nach Abb. 2 und 4 si-ti, da der Wickelraum der Sprechspulen zeitlich nur halb ausgenutzt wird. Dafür haben aber diese Prinzipien die Vorteile noch kleinerer nichtlinearer Verzerrungen und des Gegentaktbetriebes auch ohne Ausgangstransformator.

Der Lautsprecher nach der Erfindung soll nunmehr unter Anwendung des Prinzips nach Abb. 4 an Hand der Anordnung nach Abb. 10 näher erläutert werden, die das vollständige Prinzip von Abb. 4 unter Berücksichtigung des Wicklungssinnes der einzelnen Spulen zeigt. Dabei sind die Win- 1x5 dungszahlen der Sprechwicklungen jedes der beiden Antriebssysteme entsprechend mit Index 1 bzw. 2 bezeichnet, während die zugeordneten Erregerwicklungen zusätzlich durch Index Null gekennzeichnet sind. Zur Erreichung von Symmetrie muß sein:

W₀₁ = W₀₂ = W₀ und W₁ = W₂ = W.

Bei Reihenschaltung der Spulen gilt für die entsprechend bezeichneten Ströme:

⁷Ol = ^J02 = ¹O ^{Und 1}I ⁼ h ~ ^L

Es wird angenommen, daß die Wicklungen PF₂, W₁ und PF₀₁ rechtsherum und die Wicklung W₀₂ linksherum gewickelt sind, wenn man die Achsen der Wicklungen von rechts nach- links betrachtet. Soll die Richtung der Erregerkraftflüsse in dem eingezeichneten Sinne verlaufen, so muß nach der bekannten Korkenzieherregel der Erregerstrom I₀ ebenfalls in dem eingezeichneten Sinne fließen. Wird nun die Ankermembran mit der Geschwindigkeit ν ζ. B. aus der Mittellage nach rechts bewegt, so wird der rechte Erregerkraftfluß infolge des immer kleiner werdenden Widerstandes im Luftspalt I₁ größer. Gleichzeitig nimmt der linke Erregerkraftfluß, der durch I₂ seiner Größe nach ■15 bestimmt wird, ab. Infolgedessen wird in der Erregerwicklung PF₀₁ eine Spannung E_{0 01} induziert, die dem Strom I₀ bzw. der entsprechenden Spannung E₀ entgegenwirkt. In der Wicklung W₀₂ wird dagegen eine Spannung 2% ₀₂ induziert, die im Sinne des Stromes I₀ gerichtet ist. Die Spannungsdifferenz Eq₀₁-Eq₀₂ beeinflußt den Strom I₀, indem sie bei der beschriebenen durchlaufenen Viertel-. periode der Bewegung der Ankermembran dem Strom entgegenwirkt.

Dieser Vorgang soll nachstehend etwas näher betrachtet werden. In der Mittellage hat die Membran ihre größte Geschwindigkeit. Die induzierten Spannungen sind am größten, ihre Differenz ist aber gleich Null. In den Endlagen ist die Geschwindigkeit gleich Null, infolgedessen können in diesem Punkt auch keine Spannungen induziert werden. Das Maximum dieser Spannungsdifferenz muß somit bei einem Phasenwinkel der^r- Ankerbewegung von etwa 45° liegen. Die Periodenzahl dieser Differenzspannung ist dann zwangläufig doppelt so hoch, wie der der Membran. Betrachtet man den Vorgang in der I35°-Stellung, so liegen hier die Verhältnisse wie bei der Stellung von 45°, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß in der zuerst genannten Stellung die Geschwindigkeit entgegengesetzt gerichtet ist. Die in Abb. 10 eing.sichneten Pfeilspitzen sind dann um i8o° gedreafezu denken. Die Differenz der Spannungen wirkt jetzt im Sinne des Stromes I₀. Es handelt sich somit um eine etwa sinusförmig verlaufende Spannung doppelter Frequenz. Zwecks Konstanthaltung des Stromes /₀ muß diese Differenzspannung, die nach Abb. 10 zwischen den Punkten k und I wirkt, möglichst kompensiert werden, und zwar dadurch, daß man außerhalb des Antriebssystems in dem Erregerkreis eine entsprechende Gegen-EMK erzeugt. Hierzu kann z. B. ein für das zu übertragende Frequenzband trägheitsloser Stromstabilisator, z. B. ein einfacher Ohmscher Widerstand passender Größe, ein Sperrkreis oder, wie an sich bekannt, eine Drossel, in den Erregerstromkreis eingeschaltet werden. Im ersteren Falle wickelt man dann die Erregerwicklung über die Sprechstromwicklung und gibt' ihr einen möglichst großen Ohmschen Wicklungswiderstand. Obwohl die Erregerleistung je nach Konstruktion nur etwa 0,5,..5 Watt beträgt, sind alle Leistung verbrauchenden Maßnahmen für den Lautsprecher nach der Erfindung nicht zu empfehlen. Eine besonders vorteilhafte Lösung in bezug auf kleinste Kupferverluste durch restlose Ausnutzung des gesamten zur Verfügung stehenden Wickelraumes sowohl für den Erregerstrom /₀ als auch für den Sprechstrom /, liefert die Anordnung nach Abb. 11 oder ι ia, welche eine symmetrische Parallelschaltung mit vier Wicklungen darstellt, die alle gleichzeitig und symmetrisch vom Sprech- und Erregerstrom durchflossen werden. Bei Vertauschung der Anschlüsse von I₀ und / bei den Anordnungen nach Abb. 11 und 11 a geht das Prinzip nach Abb. 4 oder 3 in das nach Abb. 2 über. Abb. 11 oder 11 a lassen sich nicht nur für die magnetischen Eintaktprinzipien nach Abb. 2 bis 4, sondern auch für die Gegentaktprinzipien Abb. 5 bis 9 verwenden, wenn an den Anschlußpunkten für den Strom / die Anoden oder entsprechende spannungsführende Punkte der elektrischen Gegentaktschaltung angeschlossen werden. Eine der Mittelanzapfungen zwischen zwei Sprechspulen liegt dann zweckmäßig über einen Kondensator auf Kathodenpotential. Die Ströme in den Sprechspulen sind dabei von solcher Größe und Richtung, daß die Sprechspulenamperewirdungen eines der beiden Antriebssysteme den Augenblickswert Null haben. Es handelt sich somit um einen reinen magnetischen Gegentaktbetrieb. Wenn man dagegen die Mittelanzapfung der beiden anderen Sprechspulen mit der Mittelanzapfung der erstgenannten Sprechspulen durch einen Kondensator entsprechender Größe verbindet, dann arbeitet der Lautsprecher trotz elektrischer Gegentaktschaltung magnetisch praktisch im Eintakt je nach der Frequenz und der Größe der Kapazität dieses Kondensators. Es soll nun die Arbeitsweise der Sprechspule erläutert werden. Hierbei wird wieder angenommen, daß die Membran in Abb. 10 sich aus der Mittellage nach rechts bewegt. Es wird genau so wie in der Spule PF₀₁ auch- in der Wicklung W₁ «ine Spannung induziert, welche dieselbe Richtung hat.-wie in der Wicklung PF₀₁, weil der Wicklungssinn beider Wicklungen der gleiche ist. Die Sprechwicklung PF₂ ist jedoch gegenüber der Erregerwicklung W₀₂ im entgegengesetzt gerichteten Sinne gewickelt (oder gleichsinnig gewickelt, aber umgepolt angeschlossen). Infolgedessen muß der Richtungspfeil der Generatorspannung-E_G2 nach der Regel zur Bestimmung der Richtung der induzierten EMK umgekehrt verlaufen.

Infolge der Reihenschaltung der Wicklungen PF₁ und W₂ ergibt sich eine Summenspannung Eq₁ + Eq₂. Diese ändert ihre Richtung auch dann nicht, wenn die Membran sich von der linken Endlage nach der Mitte zu bewegt. Ihre Periodenzahl stimmt daher mit der Periodenzahl der Membran überein. Diese Generatorspannung kann nun nach außen frei arbeiten oder es wird ihr von außen eine Spannung entgegengeschaltet, so daß in den Wicklungen W₂ und W₁ der Strom / fließt, der wiederum ein magnetisches Feld aufbaut. Fließt nun der Strom in dem in Abb. 10 eingezeichneten Sinne, so ergibt sich nach der Korkenzieherregel der Richtungssinn der Sprechstromkraftlinien ebenfalls in. dem eingezeichneten Sinne. Die Kraftlinien addieren sich

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nach Abb. io im rechten und subtrahieren sich im linken Luftspalt. Folglich wird jetzt eine motorische Kraft erzeugt, die im Sinne der angenommenen Richtung der Geschwindigkeit sich nach außen hin frei auswirken kann.

Der in Abb. io bis 14 im Sprechstromkreis eingezeichnete Kondensator dient dazu, diesen Stromkreis frei von Gleichstrom zu halten.

Die Gegentaktschaltung nach Abb. 12 enthält, unter Anwendung des Gegentaktprinzips nach Abb. 7 eine Gegentaktendstufe mit Röhren oder Transistoren. Die beiden Sprechspulen besitzen hier zweckmäßig einen gemeinsamen Kondensator C. Er wird jedoch bei B-Betrieb nur einseitig mit Stromstößen beaufschlagt. Die Entladung erfolgt über die momentan nichtbeaufschlagte Sprechspule. Das Erregerfeld wird aber dadurch nur wenig verstärkt oder geschwächt.

Der Schaltung nach Abb. 12 haftet ebenso wie der Schaltung nach Abb. 10 insofern ein gewisser Mangel an, als durch die getrennten Wicklungen der Erregerspulen den Wicklungen der Sprechspulen ^ Wickelraum weggenommen wird. Dieser Mangel läßt sich z. B. bei einer Gegentaktschaltung ohne Ausgangstransformator dadurch beheben, daß die Schaltung 11 oder n_a je zweimal oder die Schaltungen 11 und n_a gleichzeitig angewendet werden. Man gelangt dann z. B. zu den Schaltungen nach Abb. 13 und I3_a. Jede Wicklung ist jetzt mit einem gleich großen Erregerstrom belastet. Dadurch lassen sich die Erregerverluste auf den kleinstmöglichen Wert wie bei der Eintaktschaltung nach Abb. 11 oder 11 a bringen. - Abgesehen von einem gewissen Nachteil der vielen Drahtverbindüngen und der Notwendigkeit," vier Kondensatoren C₁ bis C₄ verwenden zu müssen, kann der Sprechstrom nur die Hälfte des gesamten Wickelraumes zeitlich ausnutzen. Eine zeitliche Vollausnutzung ist bei Gegentaktschaltungen nur dann möglich, wenn die Schaltung nach Abb. 11 oder 11 a mit einem Gegentaktausgangsübertrager Tr verbunden wird. Man erhält dann z. B. die Schaltung nach Abb. 14. In magnetischer Hinsicht arbeitet der Lautsprecher dann im Eintakt, und zwar unabhängig davon, ob an der Primärseite des Übertragers eine Gegentakt- oder Eintaktschaltung angeschlossen ist.

Am Schluß sei noch die Beseitigung des Streufeldes besprochen. Infolge der großen Polschuhabstände bildet sich direkt von Pol zu Pol, ohne die Ankermembran zu durchsetzen, ein beträchtliches Streufeld. Seine Induktivität kann je nach Prinzip und Konstruktion des Lautsprechers bis zu etwa 50% von der Gesamtinduktivität ausmachen. Das Streufeld läßt sich jedoch leicht verkleinern, wenn man nur außen und möglichst in der Nähe der Polschuhspitzen isolierte Kurzschlußringe mit geeignetem Querschnitt anordnet. Das Streufeld, und zwar nur dieses, ist dann mit den beiden Ringen magnetisch verkettet. Beim Aufbau des Feldes entsteht sofort in den Ringen ein Kurzschlußstrom, der ebenfalls ein gleich großes, aber entgegengesetzt gerichtetes! Feld aufbaut. Diese Vorkehrung führt im Endresultat zu einer Kompensation. Die Kurzschlußringe bauen aber noch ein zweites Feld auf, welches hauptsächlich als Nutzfeld wirkt. Die Richtung dieses Feldes ist mit der Richtung des Sprechkraftflusses im Luftspalt gleichgerichtet. DieKurzschlußringe wirken auf die Sprechspule transformatisch ein, und zwar erhöhen sie den Ohmschen Widerstand und verkleinern die Induktivität.

Das Antriebssystem nach der Erfindung läßt verschiedene Anwendungen als elektromechanischer Wandler zu. Es ist z. B. nicht unbedingt notwendig, daß das System eine Konusmembran antreibt. Es kann z. B. zur Erzeugung von Gleichkräften ausgebildet sein, indem die Ankermembran mit einem Zeiger oder Spiegel oder mit irgendeinem anderen geeigneten mechanischen Gebilde belastet wird. Es lassen sich dann z. B. Universal-Volt-, -Ampere und -Wattmesser sowie Oszillographen mit geringstem Eigenverbrauch und höchster Empfindlichkeit ausführen. Umgekehrt läßt sich auch eine zugeführte mechanische Leistung mit hohem Wirkungsgrad innerhalb des Tonfrequenzbereichs in eine elekirische Leistung umwandeln.

In Verbindung mit weiteren Sprechstromwicklungen kann das erfindungsgemäße System auch als elektromechanische Mischstufe verwendet werden.

Claims (28)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Elektromagnetischer Lautsprecher mit zwei gleichen, mit den Polen sich gegenüberstehenden Topfmagneten als Antriebssysteme, zwischen denen eine rotationssymmetrische Ankermembran angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankermembran (15) in ihrer Mitte zwischen den Mittelpolen (5, 6) der Antriebssysteme derart eingespannt ist, daß an' dieser Stelle praktisch kein Luftspalt entsteht und der Rand' der Ankermembran zwischen den Mantelpolen (11, 12) der Antriebssysteme frei schwingen kann.
2. 2.· Elektromagnetischer Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Antriebssystem zwischen dem Mittelpol (5 bzw. 6) und dem Mantelpol (11 bzw. 12) ein Ring (13 bzw. 14) aus unmagnetischem, elektrisch nicht leitendem Werkstoff angeordnet ist, derart, daß der Ring (13 bzw. 14) den Mantelpol (11 bzw. 12) gegenüber dem Mittelpol (5 bzw. 6) zentriert und gleichzeitig axial so abstützt, daß beide Antriebssysteme durch eine axial angeordnete Verbindung zusammengehalten werden können. -
3. 3. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung für beide Antriebssysteme aus einem konzentrisch zur Symmetrieachse des Lautsprechers verlaufenden Rohr (16) mit Gewinde und Muttern (17, 18) oder aus einer Schraube besteht.
4. 4. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankermembran (15) bei ihrer Durchbiegung sich zunehmend an eine kugelkalotten-

   förmig oder ähnlich ausgestaltete Fläche anlegt, die teilweise von dem Mittelpol (5 bzw. 6) und teilweise von dem zwischen dem Mittelpol (5 bzw. 6) und dem Mantelpol (11 bzw. 12) angeordneten Ring (13 bzw. 14) gebildet wird.
5. 5. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankermembran (15) aus mehreren Einzelmembranen . zusammengesetzt ist, zwischen denen sich eine öl- oder eine mit dem Membranmaterial fest verbundene, dünne Gummischicht befindet.
6. 6. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Rand der Ankermembran (15) der innere Rand einer Konusmembran (28) durch Ankleben an der parallelen Außenseite bzw. durch Einklemmen zwischen den Einzelmembranen einer zusammengesetzten Ankermembran verbunden ist.
7. 7. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über den Mantelpolen (11, 12) Kurzschlußringe (20, 21), z. B. aus Kupfer oder Aluminium, angeordnet sind, die möglichst nahe an die Polschuhspitzen heranreichen.
8. 8. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der größtmöglichen Membranamplitude zwischen der Ankermembran (15) und der Stirnfläche des jeweils benachbarten Mantelpoles (11 bzw. 12) noch je ein Luftspalt (c bzw. d) verbleibt, der so ausgebildet ist, daß die Stirnfläche des benachbarten Mantelpoles (11,12) parallel zu der. ihm gegenüberliegenden Membranfläche verläuft.
9. 9. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (7, 8) der Antriebssysteme aus Magnetstahl bestehen.
10. 10. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle ferromagnetischen Teile der Antriebssysteme mit Ausnahme der Ankermembran (15) in einer mit der Rotationsachse der Systeme zusammenfallenden Ebene geschlitzt sind.
11. 11. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche ferromagnetischen Teile der Antriebssysteme untereinander gegen Wirbelströme isoliert sind.
12. 12. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis' 11, dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Antriebssystem vom Membrankorb (25) umgeben ist und daß bei Herstellung des Membrankorbes (25) aus Preßstoff die Anschlußstücke für die Drähte gleich miteingepreßt sind.
13. 13. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das die beiden Antriebssysteme zusammenhaltende Rohr (16) teilweise zum Durchführen der Spulenenden dient.
14. 14. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper und die unmagnetischen Ringe (13 bzw. 14) aus Preßstoff bestehen.
15. 15. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Antriebssystem bei Verwendung einer Sprech- und einer Erregerspule letztere über die Sprechspule gewickelt ist, dagegen bei Verwendung von zwei Wicklungen, von denen jede gleichzeitig Sprech- und Erregerwicklung ist, die Reihenfolge so gewählt ist, daß bei der Zusammenschaltung der Antriebssysteme parallel Hegende Stromzweige angenähert gleiche Ohmsche Widerstände besitzen oder bei Verwendung von vier Spulen in Gegentaktschaltung jeder Sprechstromkreis der Gegentaktschaltung angenähert gleichen Ohmschen Widerstand hat (Abb. 13 und 13 a).
16. 16. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abhaltung der Gleichstromkomponente des Generators und Trennung des Sprechstromkreises vom Erregerkreis in den Sprechstromkreis ein Kondensator (C) eingeschaltet ist (Abb. 10 und 14).
17. 17. Elektromagnetischer Lautsprecher nach _go Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankermembran (15) radial mit Erregerkraftfluß angenähert gesättigt ist.
18. 18. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprechwicklungen der beiden polarisierten Antriebssysteme in Gegentakt geschaltet sind (Abb. 5 und 9).
19. 19. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen beider Antriebssysteme in Reihe geschaltet sind.
20. 20. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Erregerstromkreis zusätzlich Ohmsche Widerstände, Sperrkreise oder eine beliebige Kombination dieser Widerstände eingeschaltet sind.
21. 21. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Wicklungsanordnung für Sprech- und Erregerstrom aus vier gemeinsamen Einzelwicklungen besteht, von denen jede gleichzeitig teilweise vom Sprech- und Erregerstrom durchflossen .wird, derart, daß die •Sprechströme untereinander sowie die Erregerströme untereinander in den Einzelwicklungen angenähert gleich sind (Abb. 11 und 11 a).
22. 22. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1, 16 und '21, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gegentaktschaltungen ohne Ausgangstransformator die Schaltung mit vier Einzelwicklungen,, deren Sprech- und Erregerströme untereinander gleich sind, zweimal angewendet wird, indem jedem Antriebssystem vier Wicklungen zugeordnet sind und der Er-

    regerstrom alle acht Wicklungen gleichzeitig und der Sprechstrom wechselweise je vier Wicklungen durchfließt (Abb. 13 und 13a).
23. 23. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sprechstromwicklung und der Eintakt- oder Gegentaktendstufe des. Generators ein Ausgangstransformator (Tr) eingeschaltet ist (Abb. 14).
24. 24. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 und 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß als Sprechstromerzeuger Röhren oder Halbleitergeneratoren, ζ. Β. Germanium-Transistoren mit drei oder mehr Elektroden, in Eintakt- oder Gegentaktschal'tung gegebenenfalls unter Verwendung eines Ausgangs- bzw. Gegentaktausgangsübertragers verwendet sind (Abb. 10 und 14).
25. . 25. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sein Gehäuse staubdicht verschlossen ist.
26. 26. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 14 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß seine Antriebssysteme als mechanische Schwingungserzeuger ausgebildet sind und an Stelle der Konusmembran ein anderes schwingungsfähiges mechanisches Gebilde angetrieben wird.
27. 27. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 20, gekennzeichnet durch die Verwendung in Verbindung mit weiteren Sprechstromwicklungen als elektromagnetische Mischstufe.
28. 28. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 his 14 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebssysteme nur zur Erzeugung von Gleichkräften ausgebildet sind,

    z. B. für Meßzwecke zum Antrieb eines Zeigers

    oder Spiegels.

    In Betracht gezogene Druckschriften:

    Deutsche Patentschriften Nr. 2355, 505 407,
    120.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    ©509657/104 1.56 (709 901/8 3.58)