DE19604088C2

DE19604088C2 - Magnetic electrodynamic parallel axial drive system for loudspeakers

Info

Publication number: DE19604088C2
Application number: DE1996104088
Authority: DE
Inventors: Alfred Ziegenberg; Edmund Prof Dipl Phy Schiessle; Andreas Nuske
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2016-02-07
Also published as: DE19604088A1

Description

1. Reason for the invention

Ein aktuelles Problem in der Elektroakustik ist das hohe Gewicht und das große Volumen des Antriebssystems von konventionellen Lautsprechersystemen oder Beschall-Systemen bei einer guten akustischen Wiedergabe der tiefen Töne mit ausreichender Schall-Leistung.A current problem in electroacoustics is the high weight and the large Volume of the drive system of conventional speaker systems or PA systems with good acoustic reproduction of the low tones sufficient sound power.

Der Erfindungsgegenstand ermöglicht, aufbauend auf dem Stand der Technik, bei einer sehr kleinen flachen Bauweise und einem sehr kleinen Gesamtgewicht eine sehr gute Wiedergabe insbesondere der tiefen Töne, bei voll ausreichender Schall-Leistung.The subject of the invention enables, based on the prior art a very small flat design and a very small overall weight very good reproduction, especially of the low tones, with fully sufficient Sound performance.

Das magnetelektrodynamische Parallelaxialantriebssystem (Erfindungsgegen stand, im weiteren MEPA genannt) kann aufgrund seiner außergewöhnlichen konstruktiven und physikalischen Merkmale sowohl im HiFi-Bereich als auch in der Beschall-Technik erfolgreich eingesetzt werden. The magnet-electrodynamic parallel axial drive system (counter-invention stand, hereinafter referred to as MEPA) due to its exceptional constructive and physical features both in the HiFi area and in the sound technology can be used successfully.

2. State of the art

Es ist ein Antriebssystem für Lautsprecher bekannt, beschreiben in der Patent schrift DE 37 30 305 C1, das den oben dargestellten Merkmalen am nächsten kommt. Die in diesem Patent beschriebene Erfindung stammt von A. Ziegenberg und E. Schiessle. Wir nennen dieses Antriebssystem, zur Unterscheidung vom neuen Erfindungsgegenstand (MEPA), magnetelektrodynamisches Koaxialan triebssystem (im weiteren MEKA genannt). Beim Stand der Technik (MEKA) ist das Magnetsystem im Inneren der Schwingspule koaxial angeordnet. Das Magnetsystem besteht aus zwei axial magnetisierten Magnetscheiben die über eine weichmagnetische Zwischenscheibe, geeigneter Dicke, so angeordnet sind, daß sie sich hinsichtlich ihrer magnetischen Polarisation eine Abstoßung ergibt. Dieses jochlose Magnetsystem zeichnet sich schon durch eine kleine flache und leichte Bauweise aus. Beim Erfindungsgegenstand (MEPA) ist das nur jochlose Magnetsystem durch ein vollständig "eisenfreies" Magnetsystem ersetzt. Das Magnetsystem befindet sich, beim MEPA nun nicht mehr zentrisch in der Mitte der Schwingspule, sondern zentrisch zwischen den beiden axial distanzierten und axial magnetisierten Magnetscheiben. Es ist damit eine flachere Bauweise der Schwingspule möglich. Der total "eisenlose" Magnetkreis ermöglicht eine weitere Gewichtsreduzierung. Durch die konstruktiv neuartige Parallelanord nung von Doppel-Permanentmagnetsystem und Schwingspule ist eine deutliche Verbesserung der Tonqualität im Bereich tiefer Frequenzen, und eine deutliche Anhebung des Schalldruckes und damit der Schall-Leistung möglich.A drive system for loudspeakers is known, described in the patent document DE 37 30 305 C1, the features described above the closest is coming. The invention described in this patent was made by A. Ziegenberg and E. Schiessle. We call this drive system to distinguish it from new subject of the invention (MEPA), magnet electrodynamic coaxial drive system (hereinafter referred to as MEKA). The state of the art (MEKA) is the magnet system is arranged coaxially inside the voice coil. The Magnet system consists of two axially magnetized magnetic disks which over a soft magnetic washer, suitable thickness, are arranged that there is a repulsion with regard to its magnetic polarization. This yoke-free magnet system is characterized by a small flat and lightweight construction. With the subject of the invention (MEPA), this is only yoke-less Magnet system replaced by a completely "iron-free" magnet system. The Magnet system is no longer centered in the middle of the MEPA the voice coil, but centrically between the two axially spaced and axially magnetized magnetic disks. It is therefore a flatter design Voice coil possible. The totally "ironless" magnetic circuit enables one further weight reduction. Due to the constructively new parallel arrangement of the double permanent magnet system and voice coil is a clear one Improve the sound quality in the low frequency range, and a significant Raising the sound pressure and thus the sound power possible.

Die Patentschriften DE 39 29 266 C1 und DE 40 21 651 C1 (Erf.: A. Ziegenberg und E. Schiessle) beschreiben Antriebssysteme bestehend aus mehreren Spulen und mehreren Magneten, insbesondere auch Antriebssysteme für digitale und analoge mehrkanalige Lautsprecher. Diese Patente wirken sich aber auf den neuen Erfindungsgegenstand nicht neuheitsschädlich aus.The patents DE 39 29 266 C1 and DE 40 21 651 C1 (Erf .: A. Ziegenberg and E. Schiessle) describe drive systems consisting of several coils and several magnets, especially drive systems for digital and analog multi-channel speakers. However, these patents affect the new subject of the invention not harmful to novelty.

Die Patentschriften DE 39 29 266 C1 (Erfinder: A. Ziegenberg und E. Schiessle) und DE 43 17 775 C2 (Patentinhaber: Fa. Foster Co, Tokio) sowie die Offen legungsschriften DE 41 30 460 A1 (Patentinhaber Fa. Nokia Pforzheim) und die europäische Offenlegungsschrift EP 0618752 A1 (Kabushiki Kaisha Kenwood) beschreiben in den Patentansprüchen Aufhängungsmechanismen zwischen Schwingspule und Lautsprechermembranen, sie wirken somit auch nicht neu heitsschädlich für den Erfindungsgegenstand (MEPA). The patents DE 39 29 266 C1 (inventors: A. Ziegenberg and E. Schiessle) and DE 43 17 775 C2 (patent owner: Foster Co, Tokyo) and Offen legend DE 41 30 460 A1 (patent holder of Nokia Pforzheim) and the European laid-open publication EP 0618752 A1 (Kabushiki Kaisha Kenwood) describe suspension mechanisms in the claims between Voice coil and loudspeaker diaphragms, so they don't look new harmful to the subject of the invention (MEPA).

3. Structure and physical mode of operation of the subject matter of the invention

In Fig. 1 ist der prinzipielle konstruktive Aufbau des Erfindungsgegenstandes, das "eisenlose" magnetelektrodynamischen Parallelaxialantriebssystem (MEPA) dargestellt.In Fig. 1 the basic construction of the subject matter of the invention, the "ironless" magnet electrodynamic parallel axial drive system (MEPA) is shown.

Auf einer Grundplatte 1.7, aus einem nichtmagnetischen leichten nichtmetalli schen Werkstoff oder einer nichtmagnetischen Leichtmetall-Legierung, ist das MEPA befestigt. Es besteht aus dem ein- oder mehrteiligen Haltebolzen 1.4, aus einem nichtmagnetischen leichten nichtmetallischen Werkstoff oder einer nichtmagnetischen Leichtmetall-Legierung, aus zwei gelochten scheiben förmigen axial magnetisch polarisierten kleinen leichten Permanentmagneten 1.1 und 1.2 auf der Basis seltener Erden und der axial beweglichen Schwingspule 1.3 aus einem dünnen leichten runden oder eckigen Spulendraht aus einem Werkstoff mit einem sehr geringen elektrischen Temperaturkoeffizienten. Die flache Schwingspule hat einen ohmschen Widerstand von 4 bis 8 Ohm. Die Permanentmagnete 1.1 und 1.2 sind so am oberen und unteren Ende des Haltebolzens 1.4 angeordnet, daß ihre magnetischen Nordpole (N) einander zu gewandt sind. Dadurch kommt es zwischen den Permanentmagneten, durch magnetische Abstoßungskräfte, zu einer im wesentlichen radial nach außen ver laufenden Konzentration der magnetischen Feldlinien. Die symmetrisch zwi schen den Permanentmagneten 1.1 und 1.2 angeordnete und axial bewegliche Schwingspule 1.3 befindet sich damit vollständig in einem, im wesentlichen, ra dial nach außen gerichteten Magnetfeld. Schräg verlaufende magnetische Feld linien lassen sich immer in axiale (vertikale) und radiale (horizontale) Komponenten zerlegen, so daß auch schräg verlaufende magnetische Feldlinien für den (unten beschriebenen) Antriebseffekt ausgenutzt werden. Die Schwingspule 1.3 ist über die Membran 1.5 sowie die Hilfsmembran 1.6 zentroelastisch aufgehängt.On a base plate 1.7 , made of a non-magnetic light non-metallic material or a non-magnetic light metal alloy, the MEPA is attached. It consists of the one- or multi-part retaining bolt 1.4 , made of a non-magnetic light non-metallic material or a non-magnetic light metal alloy, made of two perforated disc-shaped, axially magnetically polarized small, light permanent magnets 1.1 and 1.2 based on rare earths and the axially movable voice coil 1.3 a thin, light round or square coil wire made of a material with a very low electrical temperature coefficient. The flat voice coil has an ohmic resistance of 4 to 8 ohms. The permanent magnets 1.1 and 1.2 are arranged at the upper and lower ends of the retaining bolt 1.4 so that their magnetic north poles (N) face each other. This results in a substantially radially outward concentration of the magnetic field lines between the permanent magnets, by magnetic repulsive forces. The symmetrically between the permanent magnets 1.1 and 1.2 arranged and axially movable voice coil 1.3 is thus completely in a, substantially, ra dial outward magnetic field. Oblique magnetic field lines can always be broken down into axial (vertical) and radial (horizontal) components, so that oblique magnetic field lines can also be used for the drive effect (described below). The voice coil 1.3 is suspended centroelastically via the diaphragm 1.5 and the auxiliary diaphragm 1.6 .

Wird nun die Schwingspule 1.3 mit einer niederfrequenten Signalspannung oder einem Gleichspannungssignal beaufschlagt so bewegt sich die Schwingspule 1.3, und mit ihr das Membransystem 1.5 und 1.6, aufgrund der magnetischen Wech selwirkung zwischen den radialen Magnetfeld komponenten der Parallelmagnetanordnung und dem durch die bestromte Schwingspule erzeugten Magnetfeld, im niederfrequenten Rhyth mus oder linear in axialer Richtung. Über diesen physikalischen Mechanismus wird somit der niederfrequente Spulenstrom, oder der Spulengleichstrom, in ein proportionales niederfrequentes akustisches Signal, oder einen Gleichschall- Druck, gewandelt.If the voice coil 1.3 is now subjected to a low-frequency signal voltage or a DC voltage signal, the voice coil 1.3 moves, and with it the membrane system 1.5 and 1.6 , due to the magnetic interaction between the radial magnetic field components of the parallel magnet arrangement and the magnetic field generated by the energized voice coil, in a low-frequency rhythm or linearly in the axial direction. This physical mechanism thus converts the low-frequency coil current, or the coil direct current, into a proportional low-frequency acoustic signal, or a sound pressure.

Für Beschall-Lautsprecher mit einem Membran-Durchmesser von ca. 400 mm wurde mit dem MEPA ein 100 dB-Sinus-Schalldruck erreicht, bei einem MEPA- Gesamtgewicht von nur etwa 100 g. Konventionelle Antriebssysteme besitzen bei vergleichbaren technischen Daten ein Gesamtgewicht von etwa 10 kg. Das Ge wicht für das Antriebssystem nach der Patentschrift DE 37 30 305 C1 hat nur ei nen geringfügig höheren Gewichtswert, aber eine kleinere Schall- Leistung und eine schlechtere Klangwiedergabe bei tiefen Frequen zen, als der Erfindungsgegenstand (MEPA).For PA speakers with a membrane diameter of approx. 400 mm a 100 dB sine sound pressure was achieved with the MEPA, with a MEPA Total weight of only about 100 g. Conventional drive systems have comparable technical data a total weight of about 10 kg. The Ge important for the drive system according to the patent specification DE 37 30 305 C1 is only egg slightly higher weight value, but a smaller sound Performance and poorer sound reproduction at low frequencies zen as the subject of the invention (MEPA).

Der Grund für die höhere Schall-Leistung und die bessere Klangwiedergabe bei tiefen Frequenzen, ist darauf zurückzuführen, daß die Schwingspule für den gesamten Hub (der für tiefe Frequenzen bekanntlich besonders groß sein muß) im konzentrierten Magnetfeld der Parallelmagnetan ordnung 1,1 und 1.2 verbleibt.The reason for the higher sound power and better sound reproduction at low frequencies is due to the fact that the voice coil remains in the concentrated magnetic field of the parallel magnet arrangement 1 , 1 and 1.2 for the entire stroke (which must be known to be particularly large for low frequencies) .

Die geometrische Verteilung des magnetischen Feldes macht auch eine Unter teilung der Schwingspule in drei Abschnitte mit Wicklungen mit unterschied lichen Wicklungsrichtungen wie in der DE 43 17 775 C2 im Patentanspruch 3 beschreiben und in Fig. 8 dargestellt, überflüssig.The geometric distribution of the magnetic field also makes a subdivision of the voice coil into three sections with windings with different winding directions as described in DE 43 17 775 C2 in claim 3 and shown in Fig. 8, superfluous.

Außerdem ist konstruktionsbedingt durch den größeren geometrischen Abstand zwischen den beiden Permanentmagnete, beim MEPA gegenüber dem MEKA, eine einfachere fertigungstechnische Handhabung beim Aufbau des parallelaxi alen Doppel-Magnetsystems möglich.In addition, the larger geometric distance means that it is due to the design between the two permanent magnets, in the MEPA compared to the MEKA, easier handling in terms of manufacturing technology when building the parallelaxi alen double magnet system possible.

Die Schwingspule 1.3 kann zusätzlich mit einem leichten dünnen Innenring aus einer vorzugsweise nichtmagnetostriktiven weichmagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall-Legierung bestückt werden. Dieser bewirkt über die Wirbelstrombildung eine weitere Linearisierung des Schwingspulenhubes im Magnetfeld und ein besseres Impedanzverhalten der Spule über den Nutzfre quenzbereich. Die Impedanzkurve der Spule verläuft im Nutzfrequenzbereich sehr vielfacher und die Impedanzüberhöhung, fällt deutlich schwächer aus. Das elektrische Verhalten der Schwingspule läßt eine bessere Leistungsanpassung der Schwingspulenimpedanz an die Ausgangsimpedanz einer NF-Leistungsendstufe zu. Denselben Effekt kann man mit Hilfe des Haltebolzens 1.4 erreichen, wenn dieser aus einem geeigneten nichtmagnetischen elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht.The voice coil 1.3 can additionally be equipped with a light, thin inner ring made of a preferably non-magnetostrictive, soft-magnetic, amorphous or nanocrystalline metal alloy. This creates a further linearization of the voice coil stroke in the magnetic field via the eddy current formation and a better impedance behavior of the coil over the useful frequency range. The coil's impedance curve is very multiple in the useful frequency range and the impedance increase is much weaker. The electrical behavior of the voice coil permits a better power matching of the voice coil impedance to the output impedance of an LF power output stage. The same effect can be achieved with the aid of the retaining bolt 1.4 if it is made of a suitable non-magnetic, electrically conductive material.

In Fig. 2 ist eine mögliche Ausführungsform eines Lautsprechers oder Beschall- Systems mit einem magnetelektrodynamischen Parallelaxialantriebssystem (MEPA) mit einer Flachmembran dargestellt. Die Permanentmagnete 2.1 und 2.2 bilden zusammen mit der Schwingspule 2.3 und dem Haltebolzen 2.11 das MEPA. Der Zentriertopf 2.4 dient der Aufnahme der Schwingspule und der Ver bindung zwischen der Hilfsmembran 2.6 sowie der Membran 2.5 die ihrerseits mit der Hilfsmembran verbunden ist. Der leichte Distanzring 2.10 ist mit dem Leichtmetall-Korb 2.7 und dieser über eine Halteplatte 2.8 mit der Grundplatte 2.9 verbunden.In FIG. 2 a possible embodiment of a loudspeaker or Beschall- system is shown with a magnet electrodynamic Parallelaxialantriebssystem (CEPA) having a flat membrane. The permanent magnets 2.1 and 2.2 together with the voice coil 2.3 and the retaining bolt 2.11 form the MEPA. The centering pot 2.4 serves to accommodate the voice coil and the connection between the auxiliary diaphragm 2.6 and the diaphragm 2.5, which in turn is connected to the auxiliary diaphragm. The light spacer ring 2.10 is connected to the light metal basket 2.7 and this is connected to the base plate 2.9 via a holding plate 2.8 .

Die physikalische Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes wurde schon weiter oben detailliert beschrieben.The physical mode of operation of the subject matter of the invention has already been described in detail above.

Durch spezielle Ausgestaltungen der Membranen, sowie der Verbindungen zwischen den Membranen und den Verbindungen zwischen den Membranen und der Schwingspule, kann der Wirkungsgrad bei der Übertragung der mechanischen Antriebskraft von der Schwingspule auf die Membran weiter verbessert werden. Beeinflußt wird der Übertragungswirkungsgrad im wesentlichen durch das Gewicht und das elastomechanische Verhalten des verwendeten Membranmaterials sowie das Gewicht und das elastomechanische Verhalten des verwendeten Membranmateri als der mechanischen Kopplungselemente zwischen den Membranen und zwi schen Membranen und Schwingspule. Die Membran sollte aus einem möglichst leichten und doch mechanisch stabilen Material bestehen. Aus bionischer Sicht können hier besonders vorteilhaft natürliche oder künstliche organische horn artige Materialien wie z. B. Chitine oder chitinartige Materialien eingesetzt wer den. Für die Kopplungselemente können besonders vorteilhaft faserelastische natürliche oder künstliche proteinartige oder proteinhaltige Materialien eingesetzt werden.Through special designs of the membranes and the connections between the membranes and the connections between the membranes and the voice coil, the efficiency in the transmission of the mechanical driving force of the voice coil on the membrane can be further improved. Being affected the transmission efficiency essentially by the weight and the elastomechanical behavior of the membrane material used and the Weight and the elastomechanical behavior of the membrane material used as the mechanical coupling elements between the membranes and zwi membranes and voice coil. The membrane should consist of one if possible lightweight, yet mechanically stable material. From a bionic perspective can be particularly advantageous here natural or artificial organic horn like materials such. B. chitins or chitin-like materials used who the. For the coupling elements, fiber-elastic can be particularly advantageous natural or artificial proteinaceous or proteinaceous materials used become.

Der Erfindungsgegenstand (MEPA) läßt sich aufgrund seines konstruktiven Auf baus mit beliebigen Membranen und Membranaufhängungen aus beliebigen Materialien auf sehr einfache Weise kombinieren unter Beibehaltung seiner aus gezeichneten physikalischen und technischen Eigenschaften.The subject of the invention (MEPA) can be based on its constructive build with any membranes and membrane suspensions from any Combine materials in a very simple way while maintaining its look drawn physical and technical properties.

Claims

1. Magnetic electrodynamic ironless parallel axial drive system (MEPA) for loudspeakers or electrodynamic actuators, the system being mechanically fastened to a carrier 1.7 , made of a non-magnetic light non-metallic material or a non-magnetic light metal alloy, with retaining bolts 1.4 made of a non-magnetic light non-metallic material or a non-magnetic Light metal alloy with two perforated disc-shaped axially magnetically polarized small light permanent magnets 1.1 and 1.2 on the basis of rare earths is mechanically firmly connected, with an axially movable membrane-guided voice coil 1.3 made of a thin light round or square coil wire made of a material with a very low electrical temperature coefficient, with a resistance of 4 to 8 ohms, is arranged between the two permanent magnets and is suspended centroelastically via a membrane 1.5 and an auxiliary membrane 1.6 , wherein the permanent magnets 1.1 and 1.2 are arranged at the upper and lower ends of the retaining bolt 1.4 so that their magnetic north poles (N) face each other so that there is a substantially radially outward concentration between the permanent magnets, by magnetic repulsive forces the magnetic field lines comes, characterized in that an axially movable voice coil 1.3 is arranged concentrically and symmetrically between the permanent magnets 1.1 and 1.2 , which is located completely in a substantially radially outward magnetic field.

2. Magnetic electrodynamic parallel axial drive system for loudspeakers or sound systems according to claim 1, characterized in that the two permanent magnets 2.1 and 2.2 are spaced apart via the light metal retaining bolts 2.11 , that the centering cup 2.4 mechanically receives the voice coil 2.3 and at the same time with the auxiliary diaphragm 2.6 and the Flat membrane 2.5 is mechanically connected so that the auxiliary membrane 2.6 is distanced from the flat membrane 2.5 defined, which in turn is connected directly to the auxiliary membrane 2.6 peripherally, the flat membrane 2.5 with the spacer ring 2.10 and this with the light metal basket 2.7 via a Holding plate 2.8 with the base plate 2.9 , a related party.

3. Magnetic electrodynamic parallel axial drive system for loudspeakers or sound systems according to claim 1 and 2 in flat membrane design, characterized in that the permanent magnets 2.1 and 2.2 together with the voice coil 2.3 and the retaining bolt 2.11 form the MEPA, the centering cup 2.4 for receiving the voice coil and the connection between the auxiliary membrane 2.6 and the membrane 2.5 , which in turn is connected to the auxiliary membrane, the light spacer ring 2.10 with the light metal basket 2.7 and this via a holding plate 2.8 with the base plate 2.9 , which also holds the MEPA, connected is.

4. Magnetic electrodynamic parallel axial drive system for loudspeakers or Public address systems according to Claims 1 to 3, characterized, that the membrane from the lightest possible yet mechanically stable Material consists, particularly advantageous light natural or artificial organic horn-like materials such as B. chitins or chitin-like materials, can be used and the coupling elements are particularly advantageous light fiber elastic natural or artificial proteinaceous or prote content materials exist.