DE968605C - Elektromagnetischer Lautsprecher - Google Patents
Elektromagnetischer LautsprecherInfo
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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.
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 1I = 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 E0 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 derr- 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-EG2 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 na je zweimal oder die
Schaltungen 11 und na gleichzeitig angewendet
werden. Man gelangt dann z. B. zu den Schaltungen nach Abb. 13 und I3a. 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)
- 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.· 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (7, 8) der Antriebssysteme aus Magnetstahl bestehen.
- 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. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche ferromagnetischen Teile der Antriebssysteme untereinander gegen Wirbelströme isoliert sind.
- 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. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das die beiden Antriebssysteme zusammenhaltende Rohr (16) teilweise zum Durchführen der Spulenenden dient.
- 14. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper und die unmagnetischen Ringe (13 bzw. 14) aus Preßstoff bestehen.
- 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. 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. Elektromagnetischer Lautsprecher nach go Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankermembran (15) radial mit Erregerkraftfluß angenähert gesättigt ist.
- 18. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprechwicklungen der beiden polarisierten Antriebssysteme in Gegentakt geschaltet sind (Abb. 5 und 9).
- 19. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen beider Antriebssysteme in Reihe geschaltet sind.
- 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. 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. 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. 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. 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. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sein Gehäuse staubdicht verschlossen ist.
- 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. Elektromagnetischer Lautsprecher nach Ansprüchen 1 bis 20, gekennzeichnet durch die Verwendung in Verbindung mit weiteren Sprechstromwicklungen als elektromagnetische Mischstufe.
- 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 Zeigersoder 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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DEL8864A DE968605C (de) | 1951-04-27 | 1951-04-27 | Elektromagnetischer Lautsprecher |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DEL8864A DE968605C (de) | 1951-04-27 | 1951-04-27 | Elektromagnetischer Lautsprecher |
Publications (1)
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DE968605C true DE968605C (de) | 1958-03-13 |
Family
ID=7257745
Family Applications (1)
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DEL8864A Expired DE968605C (de) | 1951-04-27 | 1951-04-27 | Elektromagnetischer Lautsprecher |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE968605C (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102011009615B4 (de) * | 2011-01-28 | 2014-09-04 | Christian Matthias Wingerath | Lautsprecher |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2355C (de) * | SIEMENS und HALSKE, Telegraphenbauanstalt in Berlin | Telephone und Rufapparate mit magnetischer Gleichgewichtslage der schwingenden Theile | ||
DE505407C (de) * | 1924-12-13 | 1930-08-20 | Aeg | Apparat zur Umwandlung von elektrischer Energie in Schallenergie und umgekehrt |
DE546120C (de) * | 1929-05-26 | 1932-03-10 | Charles F Nehrke | Federnde Halterung fuer den Antriebsanker elektromagnetischer Lautsprecher in einem im Innern der Spule vorgesehenen Rahmen |
-
1951
- 1951-04-27 DE DEL8864A patent/DE968605C/de not_active Expired
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102011009615B4 (de) * | 2011-01-28 | 2014-09-04 | Christian Matthias Wingerath | Lautsprecher |
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