SE522164C2 - Anordning vid elektromagnetisk vibrator - Google Patents

Description

20 25 30 35 522¿1a4 sedd in i spolens elektriska terminaler som gör det möjligt att optimera vibratorns funktion för olika tillämpningar.

Teknikens ståndpunkt Funktionen hos en konventionell vibrator av variabel reluktanstyp (State of the art) samt hos den förbättrade lösningen med en Balanserad Elektromagnetiskt Separerad Transducer (BEST) beskrivs i SE-OO00810-2 och upprepas inte här.

Nackdelar med variabel reluktansvibratorer av kända utföranden När det dynamiska magnetiska flödet sluts genom mjukjärnsdetaljer så uppstår förluster främst i form av virvelströmsförluster. Existensen av dessa förluster kan studeras genom analys av den elektriska inimpedansen sedd in i spolen. Dessa förluster kännetecknas av att fasen hos den elektriska inimpedansen planar ut på nivån 50-60 grader, såsom visas i figur 1. Dessa förluster brukar negligeras i konventionella vibratorer (State of the art) framför allt för att det är svårt att göra något åt dem.

I den nya typen av vibrator enligt BEST principen blir dock dessa förluster mer besvärande eftersom det dynamiska flödet nu går helt och hållet genom mjukjärnsmaterial. Dessa förluster är en stor nackdel i hörapparater där hög verkningsgrad är en viktig egenskap. Speciellt viktigt är detta i implanterbara hörapparater där det är svårt att överföra energi transcutant (genom intakt hud) till den implanterade enheten. Vidare är det i implanterbara hörapparater viktigt att inte själva vibratorn blir uppvärmd till ohälsosamma temperaturer till följd av förluster vilka omvandlas till värme. Dessutom är bobinstommen enligt den nya vibratorprincipen BEST mer utsatt än i konventionella vibratorer då den måste vara väldigt liten och lätt dvs. den har väldigt dålig värmekapacitet. Detta är en följd av att i BEST vibratorer är spolen/bobinstommen placerad på lastsidan av vibratorn istället för som i en konventionell vibrator på mothållssidan.

Av ovanstående beskrivning framgår att det finns ett starkt behov att reducera förluster som uppkommer i variabel relulctansvibratorer.

Sammanfattning av uppfinningen Den föreslagna uppfinningen är en ny vibrator av variabel reluktans typ som kännetecknas av att åtminstone bobinstommen, företrädesvis hela armaturen som leder 2002-05-02 naiv. 10 15 20 25 30 35 522 164 3 det dynamiska magnetflödet, tillverkas av laminerad plåt med för ändamålen goda o | u n oo s; magnetiska egenskaper.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Föreliggande uppfinning löser tidigare problem och kännetecknas av, att bobbinstommen utgöres av laminerade blad av magnetiskt ledande material.

En föredragen utföringsform av uppfinningen kännetecknas av, att även oken utgöres av laminerade blad av magnetiskt ledande material.

En annan föredragen utföringsform kännetecknas av, att bladen är sammanfogade (fixerade till varandra) med lim som bildar ett skikt med låg elektrisk ledningsförmåga mellan bladen, En ytterligare föredragen utföringsform kännetecknas av, att bladen är tillverkade medelst stansning, En annan föredragen utföringsform kännetecknas av, att en kapacitiv impedans är parallellkopplad så att en parallellresonans åstadkoms i ett frekvensområde där vibratorn ej skall konsumera energi t.ex vid en switch eller bärvågsfrekvens.

En ytterligare annan föredragen utföringsform kännetecknas av, att en kapacitiv impedans är seriekopplad så att en serieresonans åstadkoms i ett frekvensområde där effektiv omvandling från elektrisk energi till mekanisk energiskall åstadkommas.

En annan för4edsragen utföringsform kännetecknas av, att en kapacitiv impedans är parallellkopplad så att en parallellresonans åstadkoms och en kapacitiv impedans seriekopplas så att en serieresonans åstadkommas.

En ytterligare föredragen utföringsform kännetecknas av, att spolen är tvådelad och ett enkelt delningsfilter är anordnat att styra fördelningen av energi mellan spolarna avseende olika frekvensområden.

De sammantagna förlusterna i mjukjärn och magnetkrets i kända vibratorkonstruktioner manifesterar sig i det faktum att den elektriska inimpedansen blir mer resistiv än vad den skulle vara utan förluster. Detta innebär att dagens konstruktioner har en fasvinkel som knappast överstiger 60 grader vilket skall jämföras med den fasvinkel som kan 2002-05-02 »|;v| annan 10 15 20 25 522 'föll uppnås i föreliggande uppfinning med laminerad kärna som är c:a 80-85 grader, se o o | v »- figur 1b. I det senare fallet erhålls en mer induktiv karakteristik på inimpedansen vilket innebär dels att virvelströmsförlusterna har minskat och dels att den elektriska inimpedansen har fått en högre induktans. Denna mer renodlade induktiva karakteristik, som är en konkret effekt av uppfinningen, kan utnyttjas på så sätt att vibratorn kan skräddarsys för att bli extremt effektiv i vissa frekvensområden alternativt extremt högimpediv i andra frekvensområden. Denna optimering kan enkelt utföras med externa elektriska komponenter.

Tekniken med laminerad kärna har prövats i helt andra tillämpningar såsom transformatorer, elektriska motorer och högtalare för luftledning men aldrig i samband med vibratorer för benledningsbruk. En tillämpning där laminering av delar av magnetflödesslingan föreslagits är känd genom US patent 3,632,904. Där föreslås att laminering skall användas i en konventionell högtalare av ”moving coil typ” eller "talspole typ”. Denna högtalare fungerar enligt en helt annan princip än vibratorer av variabel reluktanstyp. En pikant detalj i sammanhanget är att, såsom lamineringarna är utförda enligt beskrivningen och figurerna i US-A-3,632,904, erhålls ingen reducering av virvelströmsförlusterna. Lamineringarna är nämligen placerade 90 grader tvärs mot signalflödet vilket ej minskar virvelströmmarna då dessa induceras i samma plan. I kända cirkulärsymmetriska högtalarkonstruktioner med talspole kan laminering svårligen realiseras då dessa i så fall skulle innebära att cylindrar med successivt ändrad diameter skulle passas in i varandra med isolerande skikt emellan. I US patent 3,935,398 visas lamineríngar i en liten lufthögtalare för hörapparater. Här har laminering använts för en del av magnetflödesslingan dock inte för den viktigaste delen dvs järnkärnan som omslutes av spolen. I den här typen av högtalare, där spolkärnan består av ett tunt bandstål, vilken också är högtalarens rörliga del som förmedlar vibrationer till luft membranet, kan laminering av bobinstommen/järnkärnan ej användas. 2002-05-02 ;»;=, ;»n:| 10 15 20 25 30 35 o o ø I »a 522 164 s Det finns flera skäl att Iaminering ej prövats i dagens benledningsvibratorer. En anledning att laminering ej hittills prövats är att en exakt analys av den elektromagnetiska funktionen i dagens benledningsvibratorer är praktiskt taget omöjlig att genomföra och följaktligen har ingen konkret påvisat problemets storlek. Det är först efter omfattande tester som den fulla potentialen av föreliggande uppfinning kan inses.

En annan orsak till att Iaminering ej prövats kan ha varit att problemet med virvelströmmar ej varit så stort såsom det blivit i de nya konstruktionerna enligt SE 000810-2 och ingen har uppenbarligen därför försökt lösa problemet på det sätt som föreslås i föreliggande uppfinning! Ett tredje skäl är också att Iaminering svårligen kunnat realiseras ur tillverkningssynpunkt och till rimlig kostnad med dagens företrädesvis cirkulärsymmetriska konstruktioner.

Uppfinningens tillämpningar begränsar sig inte till benledningshörapparater och audiometervibratorer utan kan också med fördel även användas i andra högtalartillämpningar samt som vibrationsgivare eller mikrofon.

Beskrivning av figurer Figur 1. Inimpedansens magnitud-(a) och fas (b) karakteristik hos variabel reluktansvibrator av känt slag (A) samt enligt den föreslagna uppfinningen (B).

Figur 2. Tvärsnitt genom en föredragen utföringsform av uppfinningen.

Figur 3. Detaljer ur den föredragna utföringsformen.

Figur 4. Exempel på optimering av föreliggande vibrator med hjälp av externa elektriska komponenter.

Detaljerad beskrivning I figur 2 visas ett föredraget utföringsexempel som helt eller delvis löser svagheterna med virvelströmsförluster i vibratorer för benledningsbruk. Vibratorn (1) har rektangulär symmetri. Den H-formade bobinstommen (2) är elastiskt upphängd medelst två fjäderelement (3a,b) till biaseringsflödesenheten (4). Signalflödet GJ.. , som genererats av ström som flyter i den kring bobinstommen/järnkärnan placerade spolen (5), sluts kortast möjliga väg genom mjukjärnsmaterialet och väsentligen genom i horisontalplanet utbredda axiella luftgap (6a,b,c,d). Enheten för skapande av magnetiskt biaseringsflöde (statiskt flöde från permanentmagneterna) består av fyra magneter (7a,b,c,d), två ok (8a,b), fyra biasok (9a,b,c,d) och en mothållsmassa (10). 2002-05-02 10 15 20 25 »nya- 35 522 164 ø De fyra biasoken kan utformas så att (9a,b) utgör en integral enhet och (9c,d) utgör en andra enhet. Varje magnet biaserar väsentligen det näraliggande inre Iuftgapet (6a,b,c,d) med biasflödet (Do vilket också löper genom de yttre luftgapen (11a,b,c,d) och genom biasoken (9a,b,c,d).

Den H-formade kärnan/ bobinstommen (2), kring vilken spolen är anbringad, är laminerad såsom visas i figur 3. Lamineringen utgörs av blad (12) med lämpliga magnetiska egenskaper som sammanfogas med ett lim som bildar ett tunnt skikt (13) med låg elektrisk ledningsförmåga mellan bladen. Genom laminering motverkas således den dynamiska ström som uppstår i radialplanet runt det i järn materialet löpande dynamiska flödet. Om inte den H-formade kärnan (2) lamineras kommer virvelströmsförlusterna kraftigt att höja temperaturen i materialet som p.g.a. sin ringa storlek och vikt lätt blir överhettad med risk för kortslutning av spolen som följd. För att ytterligare minska virvelströmsförlusterna kan även de två oken (8a,b) utformas som laminerade enheter.

Som nämns i SE000810-2 så kan permanentmagneterna, för skapande av det statiska biasflödet, placeras på en rad olika sätt. Det är uppenbart att bobinstommen i dessa utföringsexempel kan utföras i rektangulär symmetri och att den därmed kan lamineras. Även de ok som sluter det magnetiska signalflödet kan lamineras.

Den elektriska inimpedansen hos en vibrator enligt uppfinnlngen har stark induktiv karaktär och består väsentligen av en induktans (L) och ohmska förluster i spolen (R) enligt modellen i figur 4. Man kan nu med relativt enkla medel optimera vibratorns funktion i vissa relativt godtyckliga frekvensområden. Exempelvis kan en kondensator (Cl) placeras parallellt med spolen (1) för att åstadkomma en parallell resonans som innebär att vibratorn konsumerar extremt lite effekt vid resonansfrekvensen enligt figur 4a. Detta är betydelsefullt vid användning av digitala slutsteg t.ex. klass D steg där man ej vill att vibratorn skall konsumera energi vid switch- eller bärvågsfrekvensen. Man kan även placera en kondensator (C2) i serie med spolen enligt figur 4b. På detta sätt kan man genom att välja ett lämpligt värde på kondensatorn (CZ), erhålla en mycket effektiv elektromekanisk omvandling i ett visst frekvensområde t.ex. talfrekvensområdet. Denna lösning med C; kan kombineras med Cl och såsom visas i figur 4b där C1 streckats. Kondensatorerna C, och CZ har läckresistanser som ej är visade i figur 4. Kondensatorerna kan ha resistorer i serie eller parallellt med sig själva för att erhålla önskad dämpning (Q-värde) på de uppkomna resonanserna. Slutligen kan kondensatorer (Ca) och (C4) seriekopplas och fungera som delningsfilter mellan två olika 2002-05-02 522 164 z spolar i vibratorn. Den ena spolen (Ll) är optimerad för god funktion i ett frekvensområde t.ex upp till 1-2 kHz och den andra spolen (Lz) är optimerad för god funktion i angänsande frekvensområde t.ex över 1-2 kHz. 5 Trots att alla utföringsexemplen är presenterade för att beskriva uppfinningen är det uppenbart att en fackman kan modifiera, lägga till och ta bort detaljer utan att avvika från uppfinningens omfattning och andemening såsom definieras av följande patentkrav. m-zw ;»;ua 2002-05-02

Claims (1)

1. 0 15 20 25 >:.»|; 35 c ø ~ ø a. 522 0164 8” PATENTKRAV 1. Anordning för generering eller registrering av vibrationer enligt variabel reluktans princip bestående av, en spole (5) för generering/registrering av magnetiskt signalflöde, en bobinstomme av magnetiskt ledande material (2), ett eller flera ok av magnetiskt ledande material (8a,b) och en eller flera permanentmagneter (7a,b,c,d) för generering av magnetiskt biaseringsflöde kännetecknad av, att bobbinstommen (2) utgöres av laminerade blad av magnetiskt ledande material. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av, att även oken (8a,b) utgöres av laminerade blad av magnetiskt ledande material. Anordning enligt krav 1-2, kännetecknad av, att bladen är sammanfogade (fixerade till varandra) med lim som bildar ett skikt (13) med låg elektrisk ledningsförmåga mellan bladen, Anordning enligt krav 1-3, kännetecknad av, att bladen är tillverkade medelst stansning, Anordning enligt krav 1, kännetecknad av, att en kapacitiv impedans är parallellkopplad så att en parallellresonans åstadkoms i ett frekvensområde där vibratorn ej skall konsumera energi t.ex vid en switch eller bärvågsfrekvens. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av, att en kapacitiv impedans är seriekopplad så att en serieresonans åstadkoms i ett frekvensområde där effektiv omvandling från elektrisk energi till mekanisk energiskall åstadkommas. Anordning enligt krav 5 och 6, kännetecknad av, att en kapacitiv impedans är parallellkopplad så att en parallellresonans åstadkoms och en kapacitiv impedans seriekopplas så att en . 0 serieresonans astadkommes. 2002-05-02 522 164 q . . _ g 8. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av, att spolen är tvådelad och ett enkelt delningsfilter är anordnat att styra fördelningen av energi mellan spolarna avseende olika frekvensområden. ~-»«. 2002~05-O2