EP0019791B1

EP0019791B1 - Elektromagnetischer Wandler

Info

Publication number: EP0019791B1
Application number: EP80102629A
Authority: EP
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Fidi; Richard Pribyl
Original assignee: AKG Akustische und Kino Geraete GmbH
Current assignee: AKG Acoustics GmbH
Priority date: 1979-05-14
Filing date: 1980-05-12
Publication date: 1982-06-23
Also published as: DE8012832U1; DK150440C; AU5835880A; ES8103904A1; DK150440B; DK209080A; US4367544A; ES491404A0; CA1151557A; DE3060582D1; EP0019791A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Wandler zur Umwandlung mechanisch aufgezeichneter Schallereignisse in elektrische Wechselspannungen insbesondere zur Abtastung von auf plattenförmigen Trägern aufgezeichneten Stereosignalen, welcher Wandler einen Dauermagneten und vier mit Wicklungen versehene Polstäbe aufweist, deren Achsen in einer zur zentralen Achse des Wandlers 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 und unmittelbar in den magnetischen Kreis des Dauermagneten einbezogen ist.
Ein derartiger elektromagnetischer Wandler ist in der US-PS 3441 688 beschrieben. Dieser Wandler ist mit einer magnetisch gut leitenden Eisenhülle versehen, innerhalb der an einem Ende der vier Polstäbe ein scheibenförmiger Dauermagnet angeordnet ist, der in axialer Richtung magnetisiert ist. Am anderen Ende der vier Polstäbe befindet sich im von den Polstäben gebildeten zylindrischen Luftspalt ein von der Abtastnadel angetriebenes Weicheisenröhrchen. Über einen weiteren Luftspalt zwischen Weicheisenröhrchen und der magnetisch gut leitenden Eisenhülle des Wandlers wird der magnetische Kreis geschlossen. Zwei Hilfsmagnete, die im Bereich des Weicheisenröhrchens angeordnet sind, sind mit ihrem 'Magnetfeld senkrecht zu den Achsen der Polstäbe ausgerichtet und führen in den vier Polstäben zu einer fast den Wert Null erreichenden Flußkompensation des vom Hauptmagneten erzeugten magnetischen Flusses. Bei einer Bewegung des Weicheisenröhrchens aus seiner Ruhelage heraus tritt in den Polstäben, entsprechend der Bewegung, eine starke Flußänderung auf. 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 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, oder es bedarf der Unterstützung des vom Hauptmagneten erzeugten Magnetflusses mittels im Bereich des Weicheisenröhrchens angebrachter Hilfsmagnete. 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 ausgebildeten Weicheisenelementes 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, Resonanzspitzen und damit unzulässige Klangverfälschungen im Hörbereich auftreten.
In der DE-PS 2007469 wird ein Wandler beschrieben, dessen fester Dauermagnet als Ringmagnet mit axialer Magnetisierung ausgebildet ist. Am Ende des Nadelträgers ist der Anker in seiner neutralen Position koaxial und symmetrisch zum Ringmagnet angeordnet und entweder als Weicheisenröhrchen oder als Dauermagnet ausgebildet, dessen Magnetisierung gegenüber dem ortsfesten Dauermagneten entgegengesetzt ist. Diese Anordnung benötigt eine Polplatte, die die Polstäbe trägt und den magnetischen Fluß vom Dauermagneten über die Polstäbe schließt. Da bei dieser Anordnung der ringförmige Dauermagnet in seiner Größe beschränkt ist, weil durch die axiale Magnetisierung der Dauermagnet unmittelbar am freien Ende der Polstäbe angebracht ist, zeigt sich, daß, falls der Anker aus einem Weicheisenröhrchen besteht, die Empfindlichkeit der in den Spulen induzierten elektrischen Spannung zu gering ist. Um eine ausreichende Empfindlichkeit zu erzielen, sind hohe Windungszahlen für die Spulen auf den Polstäben erforderlich, die zu den bereits schon weiter oben genannten Nachteilen führen. Wird der Anker als Dauermagnet ausgebildet, so kann bei der bestehenden Ausführungsform die Empfindlichkeit zwar gesteigert werden, es wird aber aufgrund der weitaus größeren zu bewegenden dynamischen Masse im Bereich der hohen Hörfrequenzen und darüber hinaus zunehmend zu nicht gewünschten Empfindiichkeitsvertusten kommen.
Die Erfindung 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 erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Dauermagnet die Gestalt eines Rohrstückes aufweist oder stabförmige Teile eines Rohrstücks darstellt, der radial magnetisiert ist und die vier Polstäbe symmetrisch und zumindest über die Länge des Dauermagneten parallel in bezug auf die zentrale Achse des Wandlersystems den vom rohrförmigen Dauermagnet bzw. von den stabförmigen Teilen umschlossenen Hohlraum durchsetzen.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen 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 Erfindung überdies eine höhere Induktion erzielen als bei den relativ kleinen Magnetblöckchen der konventionalen Systeme. Die erfindungsgemäße 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 bzw. der Anordnung stabförmiger, radial magnetisierter Teile eines Rohrstückes und die damit verbundene Geometrie des erfindungsgemäßen 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 erfindungsgemäßen 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 Herstellungskosten weiter herabzusetzen und die etwas 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 quadratischem Querschnitt liegen und als Einzelelemente bezeichnet werden können.
Die weiteren Vorteile, die sich daraus ergeben, liegen darin, daß sich solche Einzelelemente wesentlich einfacher und besser magnetisieren lassen als ein ferromagnetischer Körper in Form eines Rohrstückes. Die bessere Magnetisierbarkeit 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. Infoige 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 zum Beispiel rechteckigem Querschnitt zusammengesetzt werden, die zueinander und achsenparallel in der geometrischen 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 Poistab einnehmen, sofern die Längsachsen beider parallel liegen. Dadurch wird dem Konstrukteur eines solchen Wandlers ein großer Spielraum für die räumliche Anordnung der Einzelteile gegeben. Sofern die Einzelelemente als Rohrsegmente ausgebildet werden, reichen bereits zwei gegenüberliegende Elemente, die jeweils einem gegenüberliegenden Paar Polstäbe zugeordnet sind, zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes aus.
Weitere Einzelheiten der Erfindung können der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen entnommen werden, in der

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes 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 Erfindung 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 Querschnittsdarstellung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispieles. Es ist ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Wandler außer den 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 erfindungsgemäßen 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 4 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 ober aber auch in einem Kunststoffkörper eingebettet sein. Es ist leicht einzusehen, daß die Vorrichtung zum Magnetisieren der Einzelelemente wesentlich 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 erfindungsgemäßen Zerlegung des Dauermagneten 5 in Einzelelemente entfällt diese Schwierigkeit, da stabförmige Elemente oder dergleichen bezüglich der Magnetisierungsvorrichtung dieser keine Grö- ßenbeschränkung 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 bei dreidimensionalen Körpern, wie beispielsweise ein Rohrstück, auf Schwierigkeiten stößt.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Dauermagnet 5 ausschließlich durch Magnetstäbe gebildet wird, die achsenparallel zu den Polstäben 4 angeordnet sind und eine Art Zylinderfläche einschließen. Die Abstände zwischen den einzelnen 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 MGOe 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. Sofern 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 zv, ei 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 Einzelelemente darstellen, entweder in ein vorgefertigtes Wandlergehäuse, das entsprechende Nuten bzw. Ausnehmungen aufweist, einzulegen bzw. einzuschieben, oder die Polstäbe 4 mit den Einzelelementen des Dauermagneten 5 in thermoplastischen Kunststoff einzubetten, wobei die Polstäbe und die Magnetanordnung an einem Ende in Kunststoff eingeschlossen werden und später die Magnetspulen 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 erfindungsgemäßen Systems durch Umspritzen mit Kunststoff zu fixieren. Dadurch werden Eigenschwingungen der Polstäbe, die dann auftreten können, wenn sie nur an einem Ende befestigt sind, beispielsweise in einer Polplatte verankert sind, restlos vermieden, was für den Frequenzgang des erfindungsgemäßen 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.

Claims

1. Elektromagnetischer Wandler zur Umwandlung mechanisch aufgezeichneter Schallereignisse in elektrische Wechselspannungen insbesondere zur Abtastung von auf plattenförmigen Trägern aufgezeichneten Stereosignalen, welche Wandler einen Dauermagnet (5) und vier mit Wicklungen (6) versehene Polstäbe (4) aufweist, deren Achsen in einer zur zentralen Achse des Wandlers senkrechten Ebene die Eckpunkte eines Quadrates markieren, und in einem Endbereich der Polstäbe (4) ein von einer Abtastnadel (1) angetriebenes Weicheisenelement (3) um einen Drehpunkt in der zentralen Achse des Wandlersystems beweglich gelagert und unmittelbar in den magnetischen Kreis des Dauermagneten (5) einbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (5) die Gestalt eines Rohrstückes aufweist oder stabförmige Teile eines Rohrstücks darstellt, das radial magnetisiert ist und die vier Polstäbe (4) symmetrisch und zumindest über die Länge des Dauermagneten (5) parallel in bezug auf die zentrale Achse des Wandlersystems den vom rohrförmigen Dauermagnet (5) bzw. von den stabförmigen Teilen umschlossenen Hohlräum durchsetzen.

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

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen 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.

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