DE8012832U1 - Elektromagnetischer wandler - Google Patents

Description

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Patentanwälte Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH ,? » · ,gg

Dipl.-lng. K. GUHSCHMANN l)r\fiAe

Dr rer.nat. W. KURBER ür.KO/je

Dipl.-lng. J. SCHMIDT-EVERS
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Die Neuerung betrifft einen elektromagnetischen Wandler zur Umwandlung mechanisch aufgezeichneter Schallereignisse in elektrische Wechselspannungen, insbesondere zur Abtastung von auf plattenförmigen Trägern aufgezeichneten Stereosignalen, welcher Wandler einen Dauermagnet und vier mit Wicklungen versehene Polstäbe aufweist, deren Achsen in einer senkrechten Ebene die Eckpunkte eines Quadrates markieren und in einem Endbereich der Polstäbe ein von einer Abtastnadel angetriebenes Weicheisenelement um einen Drehpunkt in der zentralen Achse des Wandlersystems beweglich gelagert ist.

Derartig bekannte Wandlersysteme sind mit einer magnetisch gut leitenden Eisenhülle versehen, an der einerends ein meist scheibenförmiger Dauermagnet angeordnet ist. Das andere Ende der weichmagnetischen Eisenhülle ist so ausgebildet, daß sich im Bereich des von der Abtastnadel angetriebenen Weicheisenelements meist in Form eines Weicheisenröhrchens, ein Luftspalt zu den Polstäben bildet. Das Weicheisenröhrchen wird aus Gründen minimaler Signalverzerrung soweit magnetisiert, daß es sich in oder nahe der Sättigung befindet. Die auf den Polstäben vorgesehenen Wicklungen dienen der Umwandlung des entsprechend dem konservierten Schallereignis schwankenden Magnetflusses in proportionale elektrische Spannungen. Der Vorteil eines solcherart aufgebauten Wandlersystems liegt in der geringen dynamischen Masse des bewegten Systems, bestehend aus der Nadel mit dem Nadelträger und dem Weicheisenröhrchen. Als nachteilig ist zunächst die große Anzahl von

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Einzelteilen zu nennen, aus denen sich das bekannte System zusammensetzt und der Aufwand, den die Zusammensetzung des Systems infolgedessen erfordert, weshalb die Herstellung eines solchen bekannten Systems verhältnismäßig teuer ist.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Notwendigkeit, daß, um einen minimalen Klirrfaktor zu erreichen, das Weicheisenröhrchen am Nadelträger in den Bereich der magnetischen Sättigung gebracht werden muß. Diese Notwendigkeit bedingt einen Dauermagneten mit einer gewissen Mindestmasse, der infolge seiner Abmessungen nur schwer in herkömmliche Konstruktionsformen integriert werden kann. Einen weiteren Nachteil stellt das Problem dar, daß im Bereich des Weicheisenelementes, das von der Abtastnadel über den Nadelhalter angetrieben wird, zwischen den Polstäben und der Weicheisenhülse nur ein relativ geringer Streufluß auftritt, was zur Folge hat, daß die geforderte magnetische Sättigung des meist als Röhrchen ausgebildete Weicheisenelements kaum' möglich ist und daher hinsichtlich der von der Sättigung abhängigen Verzerrungsfreiheit einige Abstriche gemacht werden müssen. Um die nötige Empfindlichkeit des bekannten Systems zu erreichen, sind auf den Polstäben Wicklungen mit hoher Windungszahl erforderlich. Dadurch ergibt sich eine hohe Eigeninduktivität der Wicklungen und der Nachteil, daß, wenn derartige Tonabnehmer über Kabel mit größerer Kapazität an einen Verstärker angeschlossen werden, Eesonanzspitzen und damit unzulässige Klangverfälschungen im Hörbereich auftreten.

Es ist auch ein Wandler bekannt geworden, bei dem ein Weicheisenröhrchen im Inneren eines ringförmigen Magneten angeordnet ist, der in achsialer Richtung magnetisiert ist. Diese Anordnung benötigt eine Polplatte, die die Polstäbe trägt und den magnetischen Fluß vom Dauermagneten zu den Polstäben führt. Da sich das Weicheisenelement bei dieser Konstruktion im Bereich der vorderen Enden der Polstäbe befindet, kann zwar die

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magnetische Sättigung des Weicheisenrohrchens praktisch erreicht werden, es sind jedoch zusätzlich flußführende Bauteile erforderlich, die den Aufbau des bekannten Systems kompliziert machen. Da infolge der achsialen Magnetisierung des Dauermagneten seine Wirkung so ist, als ob er an einem Ende der Polstäbe angeordnet wäre, kann eine Gleichfeldkompensation nicht angewendet werden und die Polstäbe unterliegen einer beträchtlichen Vormagnetisierung. Auch der Dauermagnet bleibt in seiner Größe beschränkt, was zur Erzielung einer ausreichenden Empfindlichkeit Wicklungen mit hoher Windungszahl auf den Polstäben erfordert. Die damit verbundenen Nachteile wurden bereits vorstehend erwähnt.

'■ Die Neuerung hat es sich zum Ziel gesetzt, einen elektromagnetischen Wandler der eingangs beschriebenen Art zu schaffen der die vorstehend angeführten Nachteile der bekannten Wandler vermeidet und mit einem Minimum an Bauteilen auskommt. Dieses Ziel wird neuerungsgemäß dadurch erreicht, daß der Dauermagnet die Gestalt eines Rohrstückes aufweist oder stabförmige Teile eines Rohrstücks darstellt, das radial magnetisiert ist, die vier Polstäbe symmetrisch und parallel in bezug auf die zentrale Achse des Wandlersystems den vom rohrförmigen Dauermagnet bzw. von den stabförmigen Teilen umschlossenen Hohlraum durchsetzen und das von der Abtastnadel bewegbare Weicheisenelement in einem Endbereich der Polstäbe unmittelbar in den

{') magnetischen Kreis an einem Ende des rohrförmigen Dauermagneten einbezogen ist.

Der wesentliche Vorteil der neuerungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß es bei den Polstäben innerhalb des rohrförmigen Dauermagnets bzw. den stabförmigen Teilen desselben zu einer Kompensation des Gleichflusses kommt, was eine Magnetisierung des meist als Röhrchen ausgebildeten Weicheisenelements im Bereich der vorderen Enden der Polstäbe in den Sättigungsbereich sicherstellt. Bei den bekannten Konstruktionen ist dies, wie bereits erwähnt, nur schwer möglich, weil durch die Anordnung des Dauermagneten an einem Ende der

Polstäbe, gleichgültig ob direkt oder indirekt, eine wesentlich höhere magnetische Induktion erforderlich ist, um am anderen Ende der Polstäbe einen zur Magnetisierung des Weicheisenelements ausreichenden Fluß aufzubringen. Außerdem müssen die Polstäbe der bekannten Anordnungen dicker sein als bei der Erfindung, weil sie ansonsten in Sättigung gehen, bevor noch die für das bewegliche Weicheisenelement gewünschte Induktion erreicht ist. Durch die rohrstückartige Form des Dauermagneten bzw. dessen Teile läßt sich bei der Neuerung überdies eine höhere Induktion erzielen als bei den relativ kleinen Magnetblöckchen der konventionalen Systeme. Die neuerungsgemäße Ausbildung eines elektromagnetischen Wandlers erbringt aus diesen Gründen eine höhere Empfindlichkeit und eine Verkleinerung des Klirrfaktors im Vergleich zu bekannten Systemen, weil einem hohen magnetischen Wirkfluß nur ein geringer Streufluß über die Polstäbe gegenübersteht. Die Ausbildung des Dauermagneten als Rohrstück bzvi. der Anordnung stabförmige^, radial magnetisierter Teile eines Rohrstückes und die damit verbundene Geometrie des neuerungsgemäßen Systems führen zu einer solchen Konzentration der magnetischen Kraftlinien im Bereich des beweglichen Weicheisenelementes, daß mit einer geringeren Magnetmasse als bisher die magnetische Sättigung des Weicheisenelementes erzielt werden kann, was zweifellos als Vorteil gewertet werden kann. Durch die hohe Empfindlichkeit des neuerungsgemäßen Wandlers kommt man mit weniger Windungen für die Wicklungen auf den Polstäben aus. Es ergibt sich damit der Vorteil, daß infolge der geringeren Eigeninduktivität der Wicklungen, auch längere Kabel bzw. größere Kabelkapazitäten zwischen Wandler und Verstärker vorhanden sein können. Schließlich ist noch darauf hinzuweisen, daß ein rohrstückartiger Dauermagnet aus einem Ferritmaterial hergestellt sein kann, welches Material im Vergleich zu anderen Magnetwerkstoffen wesentlich billiger ist und außerdem in beliebigen Formen hergestellt werden kann. Um die Herstellungkosten weiter herabzusetzen und die etwas

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aufwendige radiale Magnetisierung eines rohrförmigen Gegenstandes zu vermeiden, kann ein solcher rohrförmiger Dauermagnet durch mehrere, vorzugsweise gleichartige, stabförmige Teile ersetzt werden, die achsenparallel in dem gedachten Mantel eines Rohrstückes mit zylindrischem oder quadratischen Querschnitt liegen und als Einzelelemente "bezeichnet werden können.

Die weiteren Vorteile, die sich daraus ergehen liegen darin, daß sich solche Einzelelemente wesentlich einfacher und "besser magnetisieren lassen als ein ferromagnetischer Körper in Form eines Rohrstückes. Die "bessere Magnetisier-

C barkeit der Einzelelemente ergibt wieder eine höhere Feldstärke, woraus eine höhere Empfindlichkeit resultiert. Gibt man den Einzelelementen die Form von Rohrsegmenten, so können diese nach dem Magnetisieren zu einem rohrförmigen Dauermagnet zusammengesetzt werden, wobei die Einzelelemente beispielsweise durch Klebung miteinander verbunden werden können. Infolge der hohen Feldstärke und des hohen Energieproduktes neuerer Magnetmaterialien ist es jedoch nicht erforderlich den Dauermagnet als geschlossenes zylindrisches Rohr auszubilden. Er kann aus einzelnen, stabförmigen, langgestreckten Einzelelementen mit z.B. rechteckigem Querschnitt zusammengesetzt werden, die zueinander und achsenparallel in der geo-

( metrischen Form eines Zylindermantels angeordnet sind. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Stäben können im Hinblick auf die außerordentlichen Eigenschaften moderner Magnetwerkstoffe relativ groß gemacht werden, so daß mit vier Dauermagnetstäben das Auslangen gefunden werden kann. Diese vier Stäbe, von denen jeder je einem Polstab zugeordnet ist, können praktisch jede beliebige Lage gegenüber dem ihm zugeordneten Polstab einnehmen, soferne die Längsachsen beider parallel liegen. Dadurch wid dem Konstrukteur eines solchen './andlers ein großer Spielraum für die räumliche Anordnung der Einzelteile gegeben. Soferne die Einzelelemente als Rohrsegmente ausgebildet werden, reichen bereits zwei gegenüber-

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liegende Elemente, die jeweils einem gegenüberliegenden Paar Polstäbe zugeordnet sind, zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes aus.

Weitere Einzelheiten der Neuerung können der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung entnommen werden, in der Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein neuerungsgemäßes Ausführungsbeispiel zeigt, Fig. 2 den Verlauf der Kraftlinien des magnetischen Feldes erkennen läßt, Fig. 3 die Flußverteilung längs eines Polstabes in Form einer Kurve (unterhalb eines Polstabes gezeichnet) darstellt, Fig. 4- ein Ausführungsbeispiel mit einem aus Rohrsegmenten zusammengesetzten Dauermagneten zeigt, wogegen in Fig. 5 der Dauermagnet aus einzelnen, stabförmigen Elementen besteht, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung ist, bei dem mit vier Magnetstäben das Auslangen gefunden ist, Fig. 7 ebenfalls ein Ausführungsbeispiel mit vier Magnetstäben, jedoch in anderer Anordnung, zeigt, und Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel mit zwei gegenüberliegenden rohrsegmentartigen Einzelelementen darstellt. Die Richtung des magnetischen Feldes ist jeweils durch strichpunktierte Pfeile angegeben.

In der schematischen Querschnittsdarstellung der Fig. 1 eines Ausführungsbeispieles der Neuerung ist mit 1 der Nadelträger bezeichnet, der in einem elastischen Lagerelement 2 beweglich gelagert ist und an seinem freien Ende ein Weicheisenelement 3 in Form eines Röhrchens trägt. Das Röhrchen 3 befindet sich im Bereich der Enden der Polstäbe 4, die mit den Wicklungen 6 versehen sind. Es sind vier Polstäbe 4 vorhanden, von denen infolge der gewählten Darstellung jedoch nur zwei sichtbar sind. Die Polstäbe 4- sind innerhalb des Hohlraumes, den der radial magnetisierte Dauermagnet 5 einschließt, zueinander und in bezug auf die Längsachse des Dauermagneten parallel und symmetrisch angeordnet.

Fig. 2 zeigt den Kraftlinienverlauf in einer Querschnitts-j\ darstellung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispieles. Es ist ersichtlich, daß bei dem neuerungsgemäßen Wandler außer de

Polstäben keine weiteren flußführenden Teile notwendig sind. Der magnetische Gleichfluß ist geteilt und wie Fig. 3 zu entnehmen ist, in der Mitte der Polstäbe praktisch gleich Null und an jedem Ende ein Maximum. Dieser Effekt wird durch die radiale Magnetisierung des Dauermagneten 5 erzielt. Es ist ersichtlich, daß das Röhrchen 3 bei der neuerungsgemäßen Anordnung sicher bis in den Sättigungsbereich durchmagnetisiert wird. Es darf dabei aber nicht übersehen werden, daß es sich bei den Fig. 1 und 2 um Darstellungen handelt, die gegenüber der Wirklichkeit stark vergrößert sind und daß in der Praxis die Zwischenräume, die vom magnetischen Fluß überbrückt werden müssen, nur wenige Zehntelmillimeter betragen.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt neben den Polstäben M- mit den Magnetspulen 3 einen Dauermagnet 5, der aus vier einzelnen, einander gleichen Rohrsegmenten gebildet ist. Diese vier Einzelelemente können an ihren Berührungsflächen miteinander verklebt oder aber auch in einem Kunststoffkörper eingebettet sein. Es ist leicht einzusehen, daß die Vorrichtung zum Magnetisieren der Einzelelemente wesent lieh einfacher aufgebaut sein kann als die, die für einen rohrförmigen Körper erforderlich ist. Man darf ja nicht vergessen, daß die Abmessungen eines elektromagnetischen Wandlers zur Abnahme von Signalen von einem plattenförmigen Tonträger sehr gering sind und daher auch eine bestimmte Maximalgröße der Magnetisierungsvorrichtung nicht überschritten werden kann, wodurch der Grad der Magnetisierung begrenzt ist. Bei der neuerungsgemäßen Zerlegung des Dauermagneten 5 iⁿ Einzelelemente entfällt diese Schwierigkeit, da stabförmige Elemente od.dgl. bezüglich der Magnetisierungsvorrichtung dieser keine Größenbeschränkung auferlegen. Es ist vielmehr so, daß eine Vorrichtung in der Lage ist, eine größere Anzahl von Einzelelementen, die im wesentlichen als zweidimensionaler Gegenstand angesehen werden können, gleichzeitig zu magnetisieren, was bej dreidimensionalen Körpern, wie beispielsweise ein Rohrstück, auf Schwierigkeiten stößt.

Pig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, "bei dem der Dauermagnet 5 ausschließlich durch Magnetstäbe gebildet wird, die achsenparallel zu den Polstäbeu 4 angeordnet sind und eine Art Zylinderfläche einschließen. Die Abstände zwischen den einzelne Stäben, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, können mit einem Kunststoffmaterial ausgefüllt sein, es ist aber auch durchaus möglich, einen die Stäbe aufnehmenden Kunststoffkörper zu verwenden.

Da die modernen Magnetmaterialien ein außerordentlich hohes Energieprodukt aufweisen und Werte bis zu 26 MGCe erreichbar sind, kann die Anzahl der den Dauermagnet bildenden Einzelelemente ohne weiteres auf vier herabgesetzt werden, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 besteht der Dauermagnet 5 aus vier einander gegenüberliegenden Einzelelementen, die je einem der Polstäbe 4-zugeordnet sind. Soferne die Achsen der Elemente parallel zu den Achsen der Polstäbe, und damit parallel zur Achse des Wandlers bleiben, können die Einzelelemente in Stabform gegenüber den ihnen jeweils zugeordneten Polstäben jede beliebige Lage einnehmen, beispielsweise eine solche, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist.

Schließlich ist es möglich, auch mit nur zwei Einzelelementen das Auslangen zu finden, wie dies beispielsweise in Fig. 8 gezeigt ist. Die beiden, den Dauermagnet 5 darstellenden Einzelelemente haben vorzugsweise die Gestalt eines Rohrsegmentes, könnten aber gegebenenfalls nach Art eines Flacheisens ausgebildet sein. Je ein Einzelelement ist einem Paar benachbarter Polstäbe 4- zugeordnet, die einander gegenüberliegen. Bei allen Ausführungsbeispielen ist die Möglichkeit gegeben, wie bereits bei der Besprechung der Fig. 2 kurz erwähnt wurde, die Magnetstäbchen, die die Einseielemente darstellen, entweder in ein vorgefertigtes Wandlergehäuse, das entsprechende Nuten bzw. Ausnehmungen aufweist, einzulegen bzw. einzuschieben, oder die Polstäbe 4- mit den Einzelelementen des

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Dauermagneten 5 in thermoplastischen Kunststoff einzubetten, wobei die Polstäbe und die Magnetanordnung an einem Ende in Kunststoff eingeschlossen werden und später die Hagnetspulen eingesetzt werden können. Es ist auch möglich, die Einzelelemente, gleichgültig ob es sich dabei um Rohrsegmente oder Flachstäbe handelt, allein mit Kunststoff zu umgeben, so daß wieder ein Rohrstück mit geschlossener Oberfläche entsteht, in dessen Hohlraum die Polstäbe untergebracht werden.

Die Halterung der Polstäbe in der gezeigten Lage kann mittels einfacher Kunststofformkörper erfolgen. Noch einfacher ist es aber, die unbeweglichen Teile des erfindungs-C. gemäßen Systems durch Umspritzen mit Kunststoff zu fixieren. Dadurch werden Eigenschwingungen der Polstäbe, die dann auftreten können, wem sie nur an einem Ende befestigt sind, beispielsweise in einer Polplatte verankert sind, restlos vermieden, was für den Frequenzgang des neuerungsgemäßen Wandlers von Vorteil ist. Da er sich außerdem nur aus wenigen Bestandteilen zusammensetzt, ist auch seine Herstellung im Vergleich zu den Herstellungskosten konventioneller elektromagnetischer Wandler deutlich billiger.

Der Patentanwalt

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) 3 J 1 I 1 — Patentanwälte Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Dr. rar. nat. W. K ö Π B E R Dlpl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS Steinsdorfstr.10,8000 MÖNCHEN 22 12. Mai 198o Dr.Kö/je Schutzansprüche

1. Elektromagnetischer Wandler zur Umwandlung mechanisch aufgezeichneter Schallereignisse in elektrische Wechselspannungen, insbesondere zur Abtastung von auf plattenförmigen Trägern aufgezeichnete Stereosignale, welcher Wandler einen Dauermagnet und vier mit Wicklungen versehene Polstäbe aufweist, deren Achsen in einer senkrechten Ebene die Eckpunkte eines Quadrates markieren und in einem Endbereich der Polstäbe ein von einer Abtastnadel angetriebenes Weicheisenelement um einen Drehpunkt in der zentralen Achse des Wandlersystems beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (5) die Gestalt eines Rohrstückes aufweist oder stabförmige Teile eines Rohrstücks darstellt, daß radial magnetisiert ist, die vier Polstäbe (4·) symmetrisch und parallel in bezug auf die zentrale Achse des Wandlersystems den vom rohrförmigen Dauermagneten (5)bzw.von den stabförmigen Teilen umschlossenen Hohlraum durchsetzen und das von der Abtastnadel (1) bewegbare Weicheisenelement (3) in einem Endbereich der Polstäbe (4) unmittelbar in den magnetischen Kreis an einem Ende des rohrförmigen Dauermagneten (5) einbezogen ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen Teile als Rohrsegmente ausgebildet sind.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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die stabformigen Teile einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

4-. Wandler nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß nur vier stabförmige Teile vorgesehen sind, von denen sich Je einer in unmittelbarer Nähe eines der vier Polstäbe (4) befindet.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur zwei einander gegenüberliegende Rohrsegmente vorgesehen sind, die jeweils einem Paar gegenüberliegender Polstäbe (4) zugeordnet sind.