DE69206863T2

DE69206863T2 - Permanentmagnetwandler

Info

Publication number: DE69206863T2
Application number: DE69206863T
Authority: DE
Inventors: Ricardo F Carreras; Thomas A Froeschle
Original assignee: Bose Corp
Current assignee: Bose Corp
Priority date: 1991-03-11
Filing date: 1992-02-20
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2012-02-21
Also published as: US5216723A; EP0508570B1; ATE131991T1; EP0508570A3; DE69206863D1; JPH0591592A; EP0508570A2; CA2061444A1

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich allgemein mit Permanentmagnetwandlern, und betrifft insbesondere neue Vorrichtungen und Techniken zum Austauschen mechanischer und elektrischer Energie unter Verwendung eines Permanentmagneten und einer relativ dazu beweglichen Spule auf einem Nagnetkern niedriger Reluktanz.
Typische bekannte, elektromechanische Wandler mit beweglichem Magnet sind in der US-A-3798391, der US-A-3917914 und der US-A-3937904 offenbart. Das letztere Patent offenbart einen Wandler mit einem U-förmigen Kern aus einem magnetisch permeablen Material mit angebrachten Polschuhen, die einen Spalt definieren, und mit einer feststehenden elektrischen Spule auf der Einbuchtung des U-förmigen Kerns weit vom Spalt entfernt. Ein Permanentmagnet ist für eine Bewegung durch den Zentralbereich des Luftspaltes in der Ebene des U-förmigen Kerns zur und weg von der Spule auf der Einbuchtung angeordnet. Der Permanentmagnet hat diagonal angeordnete Pole gleicher magnetischer Orientierung, um eine dem einen Polschuh gegenüberliegende Nord-Süd-Polkombination und eine dem anderen Polschuh gegenüberliegende komplementäre Süd-Nord-Polkombination zu schaffen.
Es ist eine wichtige Aufgabe dieser Erfindung, einen verbesserten Permanentmagnetwandler zu schaffen.
Erfindungsgemäß ist ein Wandler geschaffen mit:
einem Kern aus einem magnetischen Material niedriger Reluktanz, in dem ein Spalt ausgeformt ist;
wenigstens einer auf den Kern gewickelten Spule; und
einer Permanentmagnet-Anordnung in dem Luftspalt in einer Nicht-Kontakt-Beziehung mit dem Kern und derart gehalten,
daß eine Relativbewegung zwischen der Permanentmagnet-Anordnung und dem Kern ermöglicht wird; dadurch gekennzeichnet, daß
die Spule benachbart zum Spalt ist; und
daß die Permanentmagnetanordnung den Spalt im wesentlichen ausfüllt.
Es können erste und zweite Spulen aus einem auf den Kern gewickelten leitenden Material vorgesehen sein, die am Spalt und an gegenüberliegenden Seiten des Spaltes angrenzen. Der Kern kann im allgemeinen U-förmig, C-förmig oder 8-förmig sein, wobei die Bahn relativer Bewegung zwischen dem Permanentmagneten und dem Kern im allgemeinen senkrecht zur Ebene des Kerns ist. Kein Abschnitt des Kerns ist in der Ebene der Permanentmagnet-Bewegung. Der Permanentmagnet umfaßt vorzugsweise erste und zweite aneinandergrenzende Permanentmagnetelemente mit benachbarten ungleichen Polen entlang einer Begrenzung, die im wesentlichen in der Mitte zwischen gegenüberliegenden Flächen des Kernes entlang der Richtung relativer Bewegung verläuft.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Membran mit dem Permanentmagneten verbunden, wobei ein elektrisches Signal an die erste und die zweite Wicklung gelegt werden kann, um ein entsprechendes Magnetfeld im Spalt zu erzeugen, das eine entsprechende relative Auslenkung zwischen dem Permanentmagneten und dem Kern und eine dementsprechende relative Auslenkung der Membran verursacht. Es kann ein Rahmen mit einem ersten und einem zweiten Ende vorgesehen sein, wobei die Umrandung der Membran im Rahmen sich an einem ersten Aufhängeelement am zweiten Ende und innerhalb des Rahmens abstützt; ferner an einem zweiten Aufhängeelement innerhalb des Rahmens, das zwischen der Membran und dem ersten Aufhängeelement angeordnet ist. Der Permanentmagnet ist hierbei zwischen dem ersten und dem zweiten Aufhängeelement innerhalb des Rahmens angeordnet und mit diesen verbunden.
Vorzugsweise ist ein Kombinator mit einem Signaleingang, einem Rückkopplungseingang und einem Ausgang zum Bereitstellen eines kombinierten Signals vorgesehen, das mit der Kombination von Signalen des Signaleingangs und des Rückkopplungseingangs korreliert ist. Es ist eine gesteuerte Signalquelle mit einem an den Kombinatorausgang gekoppelten Eingang und einem mit wenigstens einer Wicklung gekoppelten Ausgang zum Bereitstellen eines gesteuerten Signals vorgesehen. Es ist eine zwischen den Wandler und den Rückkopplungseingang geschaltete Rückkopplungsschaltung vorgesehen, vorzugsweise zum Bereitstellen eines Rückkopplungssignals, das zumindest mit der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Permanentmagnetanordnung oder mit der Spannung und dem Strom in den Wicklungen korreliert ist.
Zahlreiche weitere Merkmale und Vorteile werden in der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung deutlich, in welcher:
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der Erfindung ist;
Fig. 2 eine axiale Teilansicht eines erfindungsgemäßen Lautsprechertreibers ist;
Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Wandlers ist;
Fig. 4 eine fragmentäre Teilansicht des Spaltbereiches des Wandlers aus Fig. 1 ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit zwei parallelen C- Kern-Wandlern mit den Kernen in einer parallelen beabstandeten Ausrichtung ist;
Fig. 6 eine axiale Teilansicht eines Lautsprechertreibers mit dem Wandler aus Fig. 5 ist;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Paar U- förmiger Kerne ist, die durch Stege verbunden sind, um ein Paar beabstandete, zwischen den Schenkelenden ausgebildete Spalte auszubilden;
Fig. 10 eine axiale Teilansicht eines den Wandler aus Fig. 9 eingebauten Lautsprechertreibers ist;
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, die einen 8- förmigen Kern mit einem Spalt in dem zentralen Querstück verwendet;
Fig. 12 eine axiale Teilansicht eines den Wandler aus Fig. 11 verwendenden Lautsprechertreibers ist;
Fig. 13 das Ersatzschaltbild einer bekannten Vorrichtung ist;
Fig. 14 eine graphische Darstellung typischer Frequenzgänge des erfindungsgemäßen Lautsprechertreibers ist;
Fig. 15 ein kombiniertes Blockschema-Schaltkreis-Diagramm eines erfindungsgemäßen Systems ist, das den erfindungsgemäßen Wandler beinhaltet;
Fig. 16 eine graphische Darstellung der von dem System aus Fig. 19 erreichbaren Frequenzgänge ist, welche die Auswirkung beim Variieren von KB zeigen;
Fig. 17 eine graphische Darstellung der Frequenzgänge ist, welche die Auswirkung beim Variieren des Parameters Km ist;
Fig. 18 ein kombiniertes Blockschema-Schaltkreis-Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Systems ist;
Fig. 19 ein kombiniertes Blockschema-Schaltkreis-Diagramm noch eines weiteren erfindungsgemäßen Systems ist;
Fig. 20 eine schematische Darstellung eines vereinfachten elektromechanischen Modells eines erfindungsgemäßen Wandlers ist; und
Fig. 21 einen erfindungsgemäßen, bei der Analyse hilfreichen Wandler zeigt.
Mit Bezug auf die Zeichnung, und insbesondere auf deren Fig. 1, ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wandlers gezeigt. Ein C-förmiger Kern 11 aus einem Material niedriger magnetischer Reluktanz, wie Weicheisen, trägt eine erste Wicklung 12 und eine zweite Wicklung 13 aus leitendem Material, das dicht an dem Spalt 14 anliegend um die Schenkel 11A und 11B gewickelt ist, der im wesentlichen durch die in der beweglichen Magnethalterung 17 sitzenden Permanentmagneten 15 und 16 ausgefüllt ist. Die Permanentmagnete 15 und 16 haben benachbarte ungleiche Pole, wobei die Begrenzung zwischen den Polen mittig angeordnet ist, entlang der Richtung relativer Bewegung 18, zwischen gegenüberliegenden Flächen des Kerns 11, wenn der Strom durch die Wicklungen 12 und 13 im wesentlichen Null ist und keine weiteren externen Kräfte angreifen.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine axiale Teilansicht Lautsprechertreibers gezeigt, der den Wandler aus Fig. 1 beinhaltet. In der gesamten Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen übereinstimmende Elemente.
Ein Lautsprecherkorb 21, der aus Metall, Plastik oder einem anderem geeignetem Material sein kann, verankert die Umrandung des Lautsprecherkonus oder -membran 22 an stern- bzw. spinnenförmigen Aufhängelementen 23 und 24 an gegenüberliegenden Enden des Korbabschnittes, der, wie gezeigt, den Wandler aus Fig. 1 mit dem an einer Wand des Korbes 21 sitzenden Kern 11 umschließt. Ein Ende der Permanentmagnethalterung 17 ist mit dem spinnenförmigen Aufhängeelement 24 verbunden und das andere Ende mit dem spinnenförmigen Aufhängeelement 23 und dem Konus oder der Membran 22. Die rechteckförmige Magnetanordnung umfaßt eine Permanentmagnethalterung 17 und rechteckförmige Magnete 15 und 16 mit umgekehrten Magnetisierungspolaritäten, die in dem Zentrum des Spaltes 14 des C-förmigen Kerns 11 aufgehängt sind. Spulen 12 und 13 sind in Reihe geschaltet und so polarisiert, daß sich die von den durch sie hindurchfließenden Strömen erzeugten Magnetfelder konstruktiv addieren. Mit dieser Anordnung produziert der Strom in den Spulen 12 und 13 ein Magnetfeld, das einen der beiden rechteckförmigen Magnetpolaritätsbereiche anzieht und den Bereich entgegengesetzter Polarität abstößt, um eine Kraft entlang der durch den Pfeil 18 gekennzeichneten Richtung transversal zu der Ebene des C-förmigen Kerns 11 zu erzeugen. Die resultierende Kraft ist linear bezüglich des an die Spulen 12 und 13 gelegten Stromes und nahezu unabhängig von der Position der Magnetanordnung in Bewegungsrichtung, bis die Begrenzung 19 zwischen den Magnetpolaritätsbereichen die Kanten des C-förmigen Kernes 11 erreicht.
Mit Bezug auf Fig. 3 ist ein idealisierter elektrischer Schaltkreis als Ersatzschaltbild des Wandlers aus den Fig. 1 und 2 gezeigt. Dieses Ersatzschaltbild umfaßt einen Transformator 30, einen Widerstand 31, eine Induktanz 32 und eine Kapazität 33. Die Induktanz 32 und die Kapazität 33 können als Elemente betrachtet werden, welche die Bandbreite des Wandlers begrenzen.
Es kann gezeigt werden, daß die maximale Bandbreite für den Wandler aus Fig. 1:
ist, wobei ωB die maximale Bandbreite, Bm die Remanenz oder die von den Permanentmagneten 15 und 16 erzeugte Rest-Induktion, h die Spitzen-Spitzen-Auslenkung der Permanentmagnetanordnung; dm die Dichte der Permanentmagneten 15 und 16 und um die magnetische Permeabilität der Magneten 15 und 16 ist. Um diese maximale Bandbreite zu erreichen, sind die Beabstandungen zwischen der beweglichen Permanentmagnetanordnung mit den Magneten 15 und 16 und der Halterung 17 und dem C-förmigen Kern 11 infinitisimal, es gibt dort keinen magnetischen Streufluß und die Masse der Permanentmagnetanordnung setzt sich allein aus den beiden rechteckförmigen Magnetbereichen 15 und 16 gegenseitiger Polarität zusammen; d.h., daß die Masse der Stützspinne und des Konus vernachlässigbar ist verglichen mit der des Magneten.
Die minimale Masse der beweglichen Magnete 15 und 16 wird durch die vom Wandler erzeugte (oder an den Wandler angelegte) mechanische Arbeit definiert. Der Ausdruck für die Masse ist:
wobei fmax die maximale von der Magnetanordnung 17 erzeugte Kraft, Hm das maximale magnetische Feld in dem Volumen der Permanentmagneten 15 und 16 und Mm die Masse der beweglichen Magneten 15 und 16 ist.
Mit Bezug auf Fig. 4 ist eine Teilansicht des Spaltes 14 im Kern 11 gezeigt. Die Magnetdicke ist als tm definiert. Die totale Breite des Spaltes 14 in dem C-förmigen Kern 11 ist tm + ta, wobei ta die Breite des Beabstandung zwischen dem C- förmigen Kern 11 und den Magneten 15 und 16 ist. Die Beabstandung zwischen den Zentren der Spulen 12 und 13 ist tc. Die in der Induktivität bzw. Spule 32 gespeicherte induktive Energie ist abhängig von dem Magnetvolumen und daher von der mechanischen Arbeit. Die maximale in der Induktivität 32 gespeicherte induktive Energie tritt bei maximaler Kraft auf:
wobei Vm das Volumen der Magneten 15 und 16 und u&sub0; die magnetische Permeabilität von Luft ist.
Um die Bandbreite des Wandlers zu maximieren, sollte diese induktive gespeicherte Energie bei einem Minimum gehalten werden. Dieses Ergebnis kann durch Minimieren der Luftspaltbreite ta erzielt werden. Die Luftspaltbreite kann unter Verwendung genauer Aufhängeelemente, wie 23 und 24, minimiert werden, um die Permanentmagnetanordnung unter allen Betriebs- und Umgebungsbedingungen zentriert zu halten. In Anwendungen, z.B. als Lautsprechertreiber, darf das Aufhängesystem keine statische Reibung zeigen, da eine solche Reibung nicht linear ist und hörbare Verzerrungen erzeugt. Durch Anordnen der Aufhängeelemente 23 und 24 an jedem Ende der Magnetanordnung wird das Zentrieren genau und am besten geeignet, Kräften zu widerstehen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung zwischen der Permanentmagnetanordnung und den Polen des C-förmigen Kerns 11 sind. Diese transversalen Kräfte werden "Aufprallkräfte" ("crashing forces") genannt. Die Aufprallkräfte sind Null, wenn der Wandler mit einer perfekt in dem Spalt 14 des C-förmigen Kerns 11 zentrierten Magnetanordnung aufgebaut ist. Jedoch treten die Aufprallkräfte in praktischen Aufbauten mit nicht perfekter Zentrierung auf. Ferner steigen die Aufprallkräfte proportional zum Ausmaß der Abweichung von einer perfekten Zentrierung an. Tatsächlich erzeugt die magnetische Kraft eine negative Federncharakteristik, die eine Kraft erzeugt, die zur näheren, an den Spalt 14 angrenzenden Polfläche gerichtet ist. In experimentellen Aufbauten ist diese negative Federnkraft zu 250,000 N/m gemessen worden. Da die Abweichung von einer perfekten Zentrierung nur 0,0001 m sein darf, ist die absolute Kraft klein, typischerweise um 25 N. Vorzugsweise ist die Aufhängung geeignet, eine Zentrierung innerhalb von 0,05 mm bei einer gehaltenen Last von 12,5 N für die Lebensdauer des Wandlers zu halten.
Es ist auch herausgefunden worden, daß die Beabstandung tc zwischen den Spulenzentren wichtig zum Minimieren der Induktanz ist. In experimentellen Wandlern ist herausgefunden worden, daß die Induktivität um mehr als einen Faktor von 2 erhöht werden kann, wenn die Spulenbeabstandung nicht minimiert wird. Daher werden die Spulen 12 und 13 so nahe wie noch praktisch möglich an dem Spalt 14 angeordnet und können Mehrschicht-Wicklungen enthalten, um tc und die resultierende Induktivität für eine gegebene Anzahl an Wicklungen weiter zu minimieren unter Beibehaltung eines gewünschten Widerstandes.
Eine andere Eigenschaft der Erfindung für Lautsprechertreiber-Anwendungen ist, daß der Aufbau zum Kombinieren stereophoner Quad oder anderer Mehrkanal-Eingangssignale verwendet werden kann, um als ein analog zu funktionieren und eine monophone, in einem System gewünschte Erregung zu erzeugen, welche den Wandler als Subwoofer verwendet, indem er z.B. das linke Kanalsignal an die Spule 12 und das rechte Kanalsignal an die Spule 13 legt. Die resultierende, von dem Wandler erzeugte Kraft ist dann proportional zur Summe der Signale des linken und des rechten Kanals.
Mit Bezug auf Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die zwei Wandler aus Fig. 1 hintereinander verwendet, um eine erhöhte Kraft zu erzeugen. Fig. 6 zeigt eine axiale Teilansicht eines Lautsprechertreibers, der den Wandler aus Fig. 5 beinhaltet.
Mit Bezug auf Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die U-förmige Kerne 11' und 11" verwendet, welche über ein starres Glied, wie 716, an beiden Seiten zusammengefügt sind. Fig. 8 ist eine axiale Teilansicht eines Lautsprechertreibers, der den Wandler aus Fig. 7 beinhaltet.
Mit Bezug auf Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt, daß U- förmige, über ein starres Glied 41' zusammengehaltene Kerne 11' und 11" mit beabstandeten, parallel zueinander von einer Halterung 17' gehaltenen Permanentmagnetanordnungen verwendet. Fig. 10 ist eine axiale Teilansicht eines Lautsprechertreibers, der den Wandler aus Fig. 9 beinhaltet.
Mit Bezug auf Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die einen 8- förmigen Kern 11" mit dem Spalt in dem zentralen Querträger 11"'C verwendet. Fig. 12 ist eine axiale Teilansicht eines Lautsprechertreibers, der den Wandler aus Fig. 11 beinhaltet.
Weitere Merkmale der Erfindung liegen in den neuen Anwendungen einer aktiven Rückkopplung und von Schaltverstärkern. Es ist wünschenswert, einen Lautsprechermotor zu erhalten, der so effizient wie möglich die thermischen Energieverluste reduziert. Das Erreichen dieser Eigenschaft wirkt sich typischerweise störend auf das Erzielen eines flachen Frequenzganges über die gewünschte Bandbreite für den Treiber aus. Über ein breites Frequenzband stellt die Gehäuseumwandung des Treibers eine variierende mechanische Last für den Lautsprechermotor dar. Es ist wünschenswert, diese variierende mechanische Last mit dem Lautsprechermotor anzutreiben, während der resultierende Frequenzgang relativ glatt gehalten wird.
Die typische aus dem Stand der Technik bekannte Lösung wählt Parameter des Lautsprechermotors für einen glatten akustischen Frequenzgang über die gewünschte Bandbreite aus. Diese Parameter ergeben typischerweise Lautsprechermotoren, die eine hohe thermische Belastungen erfahren, welche der akustischen Vorführung des Lautsprechergehäuse- Systems Grenzen auferlegen. Es ist herausgefunden worden, daß mit der aktiven Rückkopplung ein gewünschter akustischer Frequenzgang (Systemausrichtung) erzielt werden kann, ohne bei den Parametern des Lautsprechermotors einen Kompromiß einzugehen.
Mit Bezug auf Fig. 13 ist ein idealisiertes elektrisches Ersatzschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Lautsprechers samt seines Treibers gezeigt. Ein zu reproduzierendes elektrisches Audiosignal am Eingang 101 erregt den Verstärker 102, um ein verstärktes Audiosignal zu schaffen, daß an die Eingangs-Terminale 115 des Wandlers gelegt wird. Strom fließt durch den elektrischen Widerstand 103 und die Induktivität 104 des Lautsprechermotors und ist an die mechanische Bewegung des Konus über den Transformator 105 gekoppelt. Die bewegliche Masse des Lautsprechermotors ist im Ersatzschaltbild als Kapazität 106 angegeben und die Kopplung vom Konus an das Gehäuse 108 wird über den Konusflächentransformator 107 durchgeführt. Es ist zweckdienlich, das lastmodellierende akustische Gehäuse 108 mit dem Konusflächentransformator 107 zu kombinieren, um eine äquivalente Impedanz Z' 114 auszubilden.
wobei Z die von dem akustischen Gehäuse 108 dargestellte Impedanz und As die effektive Konus- oder Membranfläche ist. Für ein gegebenes akustisches Gehäuse und eine durch eine äquivalente Impedanz Z' 114 charakterisierte Konusfläche werden die Parameter δλ/δx, Ms, L und R so gewählt, daß ein gewünschter Frequenzgang über das ausgewählte Frequenz band zustande kommt. Die Funktion, welche die Eingangsspannung v mit der Ausgabevolumengeschwindigkeit V korreliert, ist:
wobei L die elektrische Induktivität, R der elektrische Widerstand, Ms die totale bewegliche Masse des Lautsprechers, s jω, wobei ω gleich 2π multipliziert mit der Frequenz ist, δλ/δx der Kraftkoeffizient und G der Verstärkungsfaktor ist. Diese Gleichung beschreibt vollständig die Wirkungen der Motorparameter auf den Frequenzgang des Systems, da die akustische Last Z' 114 unabhängig vom Lautsprechermotor ist.
Die Effizienz β eines Lautsprechermotors wird als Verhältnis der mechanischen Krafterzeugung zu den während der Erzeugung dieser Kräfte auftretenden thermischen Verluste ausgedrückt.
wobei i der Strom durch die Spule 104, δλ/δx die mit dem Koeffizienten 105 gekoppelte Kraft und R der elektrische Widerstand 103 ist. Für thermische Betrachtungen ist es wünschenswert, β so groß wie möglich zu machen; wenn die Gleichung (5) durch Einsetzen von β für das Verhältnis in Gleichung (6) verändert wird:
zeigt die resultierende Gleichung jedoch, daß die Effizienz β des Lautsprechermotors den akustischen Frequenzgang des Lautsprechers beeinflußt.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung zum Erzielen eines relativ glatten Frequenzganges über eine spezifizierte Bandbreite liegt darin, einen Wert für β unterhalb der optimalen Effizienz zu wählen.
Mit Bezug auf Fig. 14 wird eine graphische Darstellung typischer Frequenzgänge für das Ersatzschaltbild aus Fig. 13 für drei verschiedene Werte von β gezeigt. Für niedrige Werte von β hat der Frequenzgang scharfe Spitzen, die einen weniger idealen Frequenzgang ergeben. Wenn der Lautsprechermotor-Parameter β erhöht wird, steigt die Glattheit des Frequenzganges; jedoch sinkt die Glattheit des Frequenzganges, wenn β weiter zu Werten höherer Effizienz erhöht wird. Der dazwischenliegende Kompromißwert für β ergibt eine niedrigen Effizienz zum Wandeln der Eingangsenergie in akustische Energie und ein erhöhtes Aufheizen des Lautsprechermotors.
Ein linearer Leistungsverstärker kann mit einem Motor mit hohem β verwendet werden. In diesem Fall kann eine Entzerrung bzw. ein Ausgleich ("equalization") zum Verbessern des Frequenzganges verwendet werden. Etwas Verlustleistung wird von dem Lautsprecher an den Verstärker übertragen und der ausgeglichene Frequenzgang ist empfindlich auf Änderungen in den Lautsprecherparametern.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung erlaubt das Betreiben des Motors mit einem geschaltetem Modem-Leistungsverstärker, wie in dem US Patent Nr. 3,294,981 und 4,456,872 offenbart, was hiermit durch Bezugnahme miteingeführt ist, und der Einsatz einer aktiven Rückkopplung die Verwendung von Motoren mit hohem β, während der gewünschte akustische Betrieb des System beibehalten wird.
Mit Bezug auf Fig. 15 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen aktiven akustischen Systems gezeigt. Ein Eingangssignal am Eingang 201 erregt den Verstärker 202, der einen Eingang des Kombinators 203 erregt. Der Ausgang des Kombinators 203 auf der Leitung 215 erregt die gesteuerte Stromquelle 204. Der Einsatz der Stromquelle 204 beseitigt die Wirkung des Widerstandes 216 und der Induktanz 217 auf den Betrieb des akustischen Systems. Der andere Eingang des Kombinators 203 empfängt eine Geschwindigkeitsrückkopplung 209 und eine Beschleunigungsrückkopplung 210, die zum Erstellen eines gewünschten akustischen Frequenzganges ausgewählt werden. Die Übertragungsfunktion von der Eingangsleitung 201 zum Ausgang der Sekundär-Wicklung 214 des Transformators 205 ist:
wobei M's die totale bewegliche Masse des Lautsprechers, Ki die Spannung-Strom-Verstärkung, Km die Rückkopplungsverstärkung für die Beschleunigung, Kβ die Rückkopplungsverstärkung für die Geschwindigkeit und K die Spannungsverstärkung ist. Für den in Fig. 13 abgebildeten Stand der Technik mit Null Induktanz ist die Übertragungsfunktion vom Eingang 101 zur Impedanz Z' 114:
Für einen gegebenen Lautsprechermotor, wie im Stand der Technik, und eine Spannungs-Strom-Verstärkung Ki für den Stromverstärker 204 mit:
wird die Gleichung (8) für die Übertragungsfunktion exakt dieselbe wie Gleichung (9). Dieser Zusammenhang bedeutet, daß derselbe durch das aus dem Stand der Technik bekannte System aus Fig. 13 erzielte akustische Frequenzgang durch ein aktives erfindungsgemäßes System aus Fig. 15 realisiert wird. Ein Vergleich der Gleichungen (9) und (8) zeigt, daß der Term aus Gleichung (8)
äquivalent zu β aus Gleichung 9 ist, wie auch zu der Wirkung auf den akustischen Frequenzgang des Systems. Die reelle Effizienz des aktiven Systems ist jedoch weiterhin
die sehr groß gemacht werden kann, indem der elektrische Widerstand R ohne Beeinflussung des gewünschten Frequenzganges reduziert wird. Dieses Ergebnis bedeutet, daß Gleichung (13) das effektive System β des aktiven erfindungsgemäßen Systems ist:
Eine ähnliche Bedingung gilt für die bewegliche Masse 206 der Masse Ms des Lautsprechermotors in dem aktiven System. Daraus ergibt sich
als die bewegliche Masse des effektiven Systems, während die reelle bewegliche Masse:
ist.
Der Parameter βeffektiv wie auch Mseffektiv kann durch geeignete Wahl von Kβ und Km unabhängig synthetisiert werden. Mit Bezug auf Fig. 16 ist eine graphische Darstellung des Frequenzganges gezeigt, um die Wirkung von Kβ auf den akustischen Frequenzgang des Systems zu verdeutlichen. Wenn Kβ klein ist, hat der Frequenzgang scharfe Spitzen. Wenn Kβ erhöht wird, nähert sich der Frequenzgang dem gewünschten flachen Frequenzgang. Eine nicht offensichtliche Eigenschaft der Erfindung liegt darin, daß das reelle β (die wahre Effizienz des Lautsprechermotors) sich nicht ändert und durch Niedrighalten des elektrischen Widerstandes R sehr hoch gewählt werden kann, solange βeffektiv (die scheinbare Effizienz) durch Kβ bestimmt wird. Wenn der elektrische Widerstand R niedrig ist, dann sind die thermischen Verluste ebenfalls niedrig; folglich kann das erfindungsgemäße aktive System beträchtlich effizienter für die Umwandlung elektrischer Energie in akustische Energie gemacht werden, während es weiterhin einen gewünschten glatten Frequenzgang in der ausgewählten Bandbreite liefert.
Mit Bezug auf Fig. 17 ist eine graphische Darstellung von Frequenzgängen gezeigt, welche die Wirkung von Km auf den akustischen Frequenzgang für einen Lautsprechermotor mit einer großen realen beweglichen Masse verdeutlichen. Wenn Km steigt, verhält sich das System so, als ob es eine effektive bewegliche Masse hat, die kleiner ist und daher zum Erzielen einer höheren oberen Frequenz bei halber Leistung geeignet ist, um einen erweiterten Frequenzbereich am oberen Bandende zu erzeugen. Aus Stabilitätsgründen wird die effektive bewegliche Masse bevorzugt immer positiv gehalten.
Mit Bezug auf Fig. 18 ist eine andere Ausführungsform eines aktiven erfindungsgemäßen Systems zum Erzeugen von βeffektiv und Meffektiv gezeigt, daß ein der Geschwindigkeit vs proportionales Signal über der Sekundär-Wicklung 320 aus der Rückspannung ("back voltage") herauszieht, die mit einer Sensorspule 323 auf dem Motorkern gemessen wird. Die Sensorspule 323 mißt die Fluß-Änderung im Motorkern, die eine Funktion der in der Spule 315 gespeicherten induktiven Energie und der Motorgeschwindigkeit vs über der Sekundär-Wicklung 320 ist. Die Komponente der gemessenen Spannung auf der Leitung 323, die abhängig von der Spannung über der Induktivität 315 ist, wird durch Subtrahieren eines Signales entfernt, das proportional zu der Zeitableitung des Stromes durch die Spule 315 ist und das von einem Differentiator 309 bereitgestellt wird. Die Lautsprechermotor-Geschwindigkeit vs über der Sekundär-Wicklung 320 ist folglich am Ausgang des Kombinators 310 auf der Leitung 319 erhältlich, und mit dem Kraftkoeffizienten δλ/δx entsprechend dem Wicklungsverhältnis des Transformators 305 skaliert. Netzwerke 312 und 311 werden jeweils für die Synthese eines effektiven β und einer effektiven beweglichen Masse unter Berücksichtigung des Kraftkoeffizienten δλ/δx ausgewählt. Die Übertragungsfunktion vom Eingang 301 zum Ausgang über der Sekundär- Wicklung 320 ist für dieses System exakt dieselbe wie Gleichung (8).
Die Ausführungsformen der Fig. 15 und 18 setzen jeweils spannungsgesteuerte Stromquellen 204 und 304 voraus. Es ist vorteilhaft, einen stromgesteuerten Schaltleistungsverstärker zu verwenden, um die spannungsgesteuerten Stromquellen zum Aufheben der Wirkung der induktiven Komponente für den Lautsprechermotor zu implementieren. Der Schaltleistungsverstärker kann zwischen zwei Spannungszuständen schalten, mit einem Zustand positiver als die gewünschte mittlere Ausgangsspannung und einem zweiten Zustand negativer als die gewünschte mittlere Ausgangsspannung. Eine andere Lösung liegt darin, drei Spannungszustände bereitzustellen: zwei Zustände wie oben beschrieben und einen dritten Zustand ungefähr gleich Null. Eine derartige Lösung ist in dem US Patent Nr. 4,020,361 beschrieben. Sowohl die Zwei- Zustand- als auch die Drei-Zustand-Lösung ist sehr effektiv bei der Umwandlung elektrischer Energie in eine nutzbare Ausgabe. Wenn der elektrische Widerstand 216 und 314 klein gehalten wird, ist βreell groß, und der Einsatz eines Schaltverstärkers wirkt sich in einem außergewöhnlich effizienten System für die Sound-Reproduktion aus. Diese Kombination von Lautsprechertreiber und elektrischem Treibersystem mit aktiver Rückkopplung ergibt ein akustisches System, das den gewünschten Frequenzgang erzeugt, während es sehr effizient bleibt.
Mit Bezug auf Fig. 19 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle verwendet. In dieser Ausführungsform wird die Auswirkung der Induktivität 410 des Lautsprechermotors auf den Frequenzgang des akustischen Systems entfernt, indem ein der Ableitung des Motorstroms proportionales Signal mittels eines Ableitungsnetzwerkes 407, 408, 418 mit Verstärkungsfaktor Kl rückgekoppelt wird. Der elektrische Widerstand 409 wird klein gehalten, um die thermischen Verluste im Lautsprechermotor zu reduzieren. Durch Hinzufügen des Rückkopplungsnetzwerks 417 mit dem Verstärkungsfaktor KR wird die Auswirkung der Widerstandsverminderung 409 auf den akustischen Frequenzgang kompensiert. Die Übertragungsfunktion vom Eingang auf Leitung 401 zun Ausgang über der Sekundär- Wicklung 414 ist, unter der Annahme, daß Kv groß ist:
Der Term aus Gleichung (18)
ist die effektive Induktivität des akustischen Systems. Diese Eigenschaft ermöglicht es, die effektive Induktivität durch eine geeignete Wahl des Verstärkungsfaktors KL für das Ableitungsnetzwerk 418 zu synthetisieren. Der andere Rückkopplungsterm aus Gleichung (18):
ist das Inverse des effektiven β für das System. Für niedrige Werte des elektrischen Widerstandes R und daraus resultierende niedrige thermische Verluste ermöglicht eine Anpassung des Wertes von KR für das Rückkopplungsnetzwerk 417, einen gewünschten Frequenzgang für das akustische System aufzustellen. Dieses Ergebnis ist äquivalent zum Synthetisieren eines effektiven β unter Beibehaltung eines reellen, großen β. Diese Ausführung ermöglicht die Verwendung einer hohen Induktivität und eines Lautsprechermotors mit hohem β unter Beibehaltung eines gewünschten Frequenzganges des Systems. Ein Schaltverstärker kann ebenfalls in diesem System verwendet werden.
Eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle 406 und ein Integrator 404 modellieren das Systemverhalten eines spannungsgesteuerten Schaltverstärkers. Die Spannung kann angelegt werden wie ein Drei-Zustand- oder Zwei-Zustand-Schaltverstärker, wie oben beschrieben. Der Schaltverstärker kann sehr effizient in der Umwandlung elektrischer Energie sein, so daß das gesamte soundreproduzierende System, kombiniert mit einem Lautsprechermotor mit hohem β und einem erfindungsgemäßen Rückkopplungssystem, außergewöhnlich effizient ist.
Mit Bezug auf Fig. 20 ist eine schematische Darstellung eines vereinfachten elektromechanischen Modells eines erfindungsgemäßen Wandlers gezeigt. Ein Element R 2001 stellt den elektrischen Widerstand der Spulen 12 und 13, L 2002 10 die Induktivität der Spulen 12 und 13, (δλ/δx) 2003 die elektromechanische Kopplung und M 2004 die bewegliche Masse des Wandlers dar. Dieses Modell ist bei der Bestimmung der Bandbreite des Wandlers hilfreich.
Die charakteristische Gleichung dieses Modells ist:
und Lösen dieser quadratischen Gleichung führt zu den kritischen Werten (Polen) des elektromechanischen Systems.
Es ist zweckdienlich, die Frequenzbandbreite als geometrisches Mittel von s&sub1; und s&sub2; zu definieren.
Die Gleichung definiert die obere Grenze für die Frequenzbandbreite des Wandlers unter idealen Bedingungen.
Mit Bezug auf Fig. 21 ist ein Wandler gezeigt, der beim Bestimmen der minimalen Induktivität Lmin und der minimalen Masse Mmin unter idealen Bedingungen hilfreich ist.
wobei N die Wicklungsanzahl
ω die Kreisfrequenz, in Radianten pro Sekunde
h die Höhe des Magneten, in Metern
um die lineare Permeabilität des magnetischen Materials, in Henry pro Meter
tm die Dicke des Magneten, in Metern
und dm die Dichte des Magnetmaterials, in Kg/m³ ist. Das Maximum (δλ/δx) ist:
unter idealen Bedingungen. Einsetzen dieser Parameter in Gleichung (24) führt zu der maximalen Frequenzbandbreite (in Radianten pro Sekunde), B.W.max, für den Wandler aus Fig. 21 unter idealen Bedingungen:
Ein Lautsprecherwandler erzeugt eine maximale Volumenverschiebung Vmax über eine gewünschte Bandbreite mit einem maximalen Sound-Druck-Level (loudness). Diese maximale Volumenverschiebung wird als die Spitze-Spitze-Verschiebung des Motors multipliziert mit der effektiven Fläche der Lautsprechermembran ausgedrückt. Für den erfindungsgemäßen Wandler ist:
wobei As die effektive Fläche der Lautsprechermembran ist. Da für eine gegebene Kombination von Lautsprecher und Gehäuse die maximale Volumenverschiebung Vmax konstant ist, kann Gleichung (28) unter Berücksichtigung dieser Zwangsbedingung ausgedrückt werden.
Diese Gleichung zeigt, daß ein Ansteigen der Konusfläche dann die Bandbreite erhöht, wenn der Lautsprecherwandler zum Erzeugen eines vorgegebenen Vmax ausgelegt ist. Diese Eigenschaft ist ebenfalls für aus dem Stand der Technik bekannte Lautsprechermotoren mit beweglicher Spule wahr; jedoch würde ein Lautsprecher mit beweglicher Spule, der Vorteil aus diesem Ergebnis zieht, die Magnetstruktur untragbar hoch für eine Bassreproduktion mit hohem Sound- Druck-Level (SDL) sein. Der erfindungsgemäße Lautsprecherwandler kann andererseits Vorteil aus diesem Ergebnis ziehen, während er gleichzeitig praktisch zu realisieren ist. Weitere Ausführungsformen sind in den Ansprüchen offenbart.

Claims

1. Wandler mit:

einem Kern (11) aus einem magnetischen Material niedriger Reluktanz, in dem ein Spalt (14) ausgeformt ist; wenigstens einer auf den Kern gewickelten Spule (12,13); und

einer Permanentmagnetanordnung (15,16,17) in dem Luftspalt in einer Nicht-Kontakt-Beziehung mit dem Kern und derart gehalten, daß eine Relativbewegung zwischen der Permanentmagnetanordnung und dem Kern ermöglicht wird; dadurch gekennzeichnet, daß

die Spule dem Luftspalt benachbart ist; und

die Permanentmagnetanordnung den Spalt im wesentlichen ausfüllt.

2. Wandler nach Anspruch 1 mit einem im wesentlichen C- förmigen Kern (11).

3. Wandler nach Anspruch 1 mit einem im wesentlichen 8- förmigen Kern (11).

4. Wandler nach Anspruch 1 mit einem im wesentlichen U- förmigen Kern (11).

5. Wandler nach Anspruch 1, der einen Rahmen (21) mit einem ersten und einem zweiten Ende, ein erstes Aufhängeelement (23) an dem zweiten Ende und ein zweites Aufhängeelement (24) aufweist, bei welchem die Permanentmagnetanordnung zwischen dem ersten und dem zweiten Aufhängeelement angeordnet ist.

6. Wandler nach Anspruch 5, bei welchem das erste und das zweite Aufhängeelement und die Permanentmagnetanordnung am Rahmen angebracht sind.

7. Wandler nach Anspruch 1, bei welchem der Permanentmagnet erste und zweite benachbarte Permanentmagnetelement (15,16) mit benachbarten ungleichen Polen entlang einer Begrenzung aufweist, die im wesentlichen mittig zwischen gegenüberliegenden Flächen des Kerns entlang der Richtung relativer Bewegung verläuft.

8. Wandler nach Anspruch 1, der ferner eine mit der Permanentinagnetanordnung verbundene Lautsprechermembran (22) aufweist.

9. Wandler nach Anspruch 5, der ferner eine mit dem Permanentmagneten verbundene Lautsprechermembran (22) aufweist, wobei das erste und das zweite Aufhängeelement stern- bzw. spinnenförmig ist.

10. Wandler nach Anspruch 1, der ferner aufweist: einen Kombinator (203) mit einem Signaleingang, einem Rückkopplungseingang und einem Ausgang zum Bereitsstellen eines kombinierten Signals an dem Kombinatorausgang, welches mit der Kombination der Signale am Signaleingang und am Rückkopplungseingang korreliert ist, eine gesteuerte Signalquelle (204) mit einem an den Kombinatorausgang gekoppelten Eingang und einem Signalausgang zum Bereitstellen eines gesteuerten Signals, das mit dem Signal an dem gesteuerten Signalquelleneingang korreliert ist, wobei der gesteuerte Signalquellenausgang mit wenigstens einer Spule (12,13) verbunden ist, und einen Rückkopplungsschaltkreis (209,210), der den Wandler und den Rückkopplungseingang des Kombinators verschaltet.

11. Wandler nach Anspruch 10, bei welchem der Rückkopplungsschaltkreis ein Rückkopplungssignal bereitstellt, das wenigstens mit der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Permanentmagnetanordnung korreliert ist.

12. Wandler nach Anspruch 11, bei welchem der Rückkopplungsschaltkreis aufweist: eine Quelle eines mit der Geschwindigkeit korrelierten Geschwindigkeitssignals, einen Differentiator zum Bereitstellen eines Ableitungssignals, das proportional zu der Zeitableitung des von der gesteuerten Signalquelle bereitgestellten Signals ist, einen Eingangskombinator mit einem Ableitungseingang zum Empfangen des Ableitungssignals und mit einem Geschwindigkeitseingang zum Empfangen des Geschwindigkeitssignals und einem Ausgang zum Bereitstellen eines skalierten Geschwindigkeitssignals, das mit der Kombination der Signale am Geschwindigkeitsund am Ableitungseingang korreliert ist, ein Netzwerk für das effektive Beta mit einem an den Ausgang des Eingangskombinator gekoppelten Eingang und einem Ausgang zum Bereitstellen eines effektiven Beta-Signals, ein Netzwerk für die effektive bewegliche Masse mit einem an den Ausgang des Eingangskombinators gekoppelten Eingang und einem Ausgang zum Bereitstellen eines Signals für die effektive bewegliche Masse, und einen Ausgangskombinator mit einem an den Ausgang des Netzwerks für das effektive Beta gekoppelten effektiven Beta-Eingang, mit einem an den Ausgang des Netzwerks für die effektive bewegliche Masse gekoppelten Eingang für die effektive bewegliche Masse und mit einem Ausgang zum Bereitstellen eines Signals, das sich mit den Signalen am effektiven Beta-Eingang und am Eingang für die effektive bewegliche Masse korreliert ist, und der an den Rückkopplungseingang des Kombinators gekoppelt ist.

13. Wandler nach Anspruch 10, bei welchem die gesteuerte Signalquelle eine gesteuerte Spannungsquelle ist.

14. Wandler nach Anspruch 10, bei welchem die gesteuerte Signalquelle eine gesteuerte Stromquelle ist.

15. Wandler nach Anspruch 10, bei welchem die gesteuerte Signalquelle ein Schaltverstärker ist.

16. Wandler nach Anspruch 10, bei welchem die gesteuerte Signalquelle ein linearer Verstärker ist.

17. Wandler nach Anspruch 15, bei welchem die gesteuerte Signalquelle ein stromgesteuerter Mehrzustand-Modulationsverstärker ist.

18. Wandler nach Anspruch 15, bei welchem die gesteuerte Quelle ein spannungsgesteuerter Mehrzustand-Modulationsverstärker ist.

19. Wandler nach Anspruch 1, bei welchem erste und zweite auf den Kern gewickelte Spulen benachbart zu dem Spalt an gegenüberliegenden Seiten des Spaltes vorgesehen sind.

20. Wandler nach Anspruch 16, der ferner einen Equalizer- Schaltkreis umfaßt, der mit dem Wandler zum Vermindern von Ungleichförmigkeiten im Frequenzgang des Wandlers innerhalb dessen Betriebsfrequenzbereich zusammenarbeitet.

21. Wandler nach Anspruch 13, bei welchem der Rückkopplungsschaltkreis aufweist: ein Differentiator-Netzwerk, das den Wandler und den Kombinator miteinander koppelt, und zum Bereitstellen eines Rückkopplungssignals proportional zu dem Strom in der wenigstens einen Spule ausgelegt ist, und ein widerstandsempfindliches Netzwerk, das den Wandler und den Kombinator miteinander koppelt und zum Bereitstellen eines Rückkopplungssignals ausgelegt ist, das die Wirkung des Widerstandes auf die wenigstens eine Spule vermindert.

22. Wandler nach Anspruch 1, bei welchem der Betriebsfrequenzbereich des Wandlers im Baßfrequenzbereich mit einer Bandbreite der Größenordnung [(1/LM(δλ/δx)&supmin;²)] liegt, wobei L die Spuleninduktivität, M die bewegliche Masse des Wandlers und δλ/δx die elektromechanische Kopplung zwischen der Spuleninduktivität und der beweglichen Masse ist.

23. Wandler nach Anspruch 8, der ferner ein erstes und ein zweites Aufhängeelement umfaßt, die jeweils mit gegenüberliegenden Enden der Permanentmagnetanordnung verbunden sind, wobei die kombinierte Masse der Lautsprechermembran und der Aufhängeelemente kleiner ist als das zweifache der Masse der Permanentmagnetanordnung, der Wandler eine Spuleninduktivität mit wenigstens einem Drittel der Spuleninduktivität aufweist, die der im Spalt gespeicherten magnetischen Energie zurechenbar ist.

24. Wandler nach Anspruch 8, wobei die Masse der Permanentmagnetanordnung wenigstens 10 g beträgt.

25. Wandler nach Anspruch 24, wobei die Fläche der Membran größer als oder gleich 0,015 m² ist.

26. Wandler nach Anspruch 1, der ferner einen mit der wenigstens einen Spule verbundenen Verstärker aufweist, wobei der Verstärker eine durch wenigstens einen positiven Widerstand und eine negative Induktivität gekennzeichnete Ausgangsimpedanz aufweist, wobei der positive Widerstand wenigstens 1/5 des Widerstandes der wenigstens einen Spule ist.

27. Wandler nach Anspruch 26, bei welchem der Verstärker ein Schaltverstärker ist.

28. Wandler nach Anspruch 26, bei welchem die Größe der negativen Induktivität wenigstens 1/2 der Induktivität der wenigstens einen Spule ist.