Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2009/047455 PCT/FR2008/051678
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Structure magnétique pour moteur sans fer de haut-parleur
électrodynamique, moteurs et haut-parleurs
La présente invention concerne une structure magnétique pour
moteur sans fer de haut-parleur électrodynamique, des moteurs
comportant une telle structure ainsi que des haut-parleurs. Elle a des
applications dans le domaine industriel de la restitution sonore et de la
sonorisation, notamment de locaux.
Les haut-parleurs électrodynamiques comportent habituellement
une bobine cylindrique mécaniquement solidaire d'une surface
acoustique émissive encore appelée membrane. La bobine est
généralement portée par un mandrin droit solidaire de la membrane.
Cette surface acoustique émissive est habituellement de forme conique
(cône) ou sphérique (dôme). Les haut-parleurs ont un axe de symétrie
cylindrique en général bien qu'il existe des haut-parleurs elliptiques. Ils
comportent également un circuit magnétique fixe dont la fonction est de
créer dans un entrefer un champ magnétique radial sur la bobine.
Pour obtenir une restitution sonore de qualité, il est souhaitable
d'avoir une induction magnétique la plus constante possible le long
d'une génératrice de l'entrefer, celle sur laquelle est placée et se
déplace la bobine. En effet, les variations de cette induction induisent
des distorsions sonores lorsque la bobine se déplace.
Les circuits magnétiques à fer selon l'état de l'art comportent
généralement un aimant annulaire ou discoïdal à aimantation axiale et
des pièces ferromagnétiques destinées à canaliser le flux magnétique à
travers la bobine. C'est ainsi que la demande WO 96/04706 Axially
focused radial magnet voice coil actuator de M. STRUGACH, propose
l'utilisation d'aimants radiaux. De plus, le circuit magnétique proposé
comporte du fer ou un matériau ferromagnétique doux.
Les défauts induits par la présence du fer dans le circuit magnétique
sont désormais bien établis. En conséquence, depuis quelques années,
des structures de circuits magnétiques sans fer sont proposées. Ainsi, le
brevet EP-0 503 860 Transducer motor assembly de W. HOUSE ne
mentionne pas explicitement la présence de fer et propose l'utilisation de
deux aimants axiaux en répulsion. Cette dernière structure, a été
améliorée en utilisant un aimant radial entre deux aimants axiaux par le
brevet EP-1 553 802 Magnetic circuit and speaker de OHASHI. Dans
ce dernier document, le moteur de haut parleur comporte une
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superposition de trois aimants de même aimantation rémanente et de
polarisations des champs magnétiques alternées à 90 les unes des
autres et dont les orientations de la polarisation magnétique sont telles
que le rebouclage du champ magnétique en dehors des aimants se fait
essentiellement du coté de l'entrefer comme représenté Figure 4 de ce
document.
Enfin, les circuits magnétiques utilisant des aimants de sections
triangulaires ont été proposés dans la demande de brevet FR-05/53331,
Transducteur électrodynamique, applications aux haut-parleurs et
géophones de G. LEMARQUAND, V. LEMARQUAND et B.RICHOUX. Si
ces derniers circuits magnétiques sont performants, ils nécessitent
toutefois un usinage coûteux des aimants.
Il est donc souhaitable de mettre en ceuvre un moteur
électrodynamique sans fer, qui présente de bonnes performances,
notamment grâce à une bonne régularité du champ magnétique dans
l'entrefer, et qui soit relativement simple et peu coûteux à réaliser. C'est
un des buts fixés par la présente invention qui met en ceuvre un/des
aimants permanents à champ magnétique interne radial.
Ainsi, l'invention concerne une structure magnétique génératrice de
champ magnétique pour moteur sans fer de haut-parleur
électrodynamique à bobine mobile, la structure magnétique générant un
champ magnétique dans un entrefer dans lequel est disposée la bobine,
ladite structure magnétique étant formée de l'empilement de trois aimants
correspondant à un aimant intermédiaire et deux aimants de
recouvrement haut et bas, lesdits aimants ayant leurs bords délimitant
l'entrefer alignés et formant une bordure d'entrefer droite, lesdits aimants
étant en outre accolés, l'aimant intermédiaire ayant une polarisation
magnétique radiale, les aimants de recouvrement ayant une même
polarisation magnétique et des aimantations rémanentes sensiblement
identiques.
Selon l'invention, les aimants de recouvrement ont une polarisation
magnétique radiale ou axiale et lorsque la polarisation magnétique des
aimants de recouvrement est radiale, l'aimantation rémanente de chaque
aimant de recouvrement est supérieure à l'aimantation rémanente de
l'aimant intermédiaire, et lorsque la polarisation magnétique des aimants
de recouvrement est axiale, l'aimantation rémanente de chaque aimant de
recouvrement est inférieure à l'aimantation rémanente de l'aimant
intermédiaire.
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Le terme aimant dans le contexte de l'invention couvre aussi
bien un aimant unique (pastille, anneau/couronne), qu'un assemblage
d'aimants (notamment tuiles) comme cela va être explicité.
Dans divers modes de mise en ceuvre de l'invention, les moyens
suivants pouvant être utilisés seuls ou selon toutes les combinaisons
techniquement possibles, sont employés :
- l'aimantation rémanente de chaque aimant de recouvrement est
supérieure ou inférieure selon le cas, de 1% de l'aimantation rémanente
de l'aimant intermédiaire et, de préférence, de 5%,
- l'aimantation rémanente de chaque aimant de recouvrement est
supérieure ou inférieure selon le cas, de 10% de l'aimantation rémanente
de l'aimant intermédiaire,
- dans une structure magnétique, les aimants de recouvrement sont
identiques entre eux en outre en taille,
- dans une structure magnétique, les aimants de recouvrement sont
identiques entre eux en outre en volume,
- dans une structure magnétique, les aimants de recouvrement sont
identiques entre eux en outre en forme,
- dans une structure magnétique, les largeurs des aimants de
recouvrement sont identiques,
- dans une structure magnétique, la largeur de chaque aimant de
recouvrement est inférieure à la largeur de l'aimant intermédiaire,
- dans une structure magnétique, la largeur de chaque aimant de
recouvrement est égale à la largeur de l'aimant intermédiaire,
- dans une structure magnétique, la largeur de chaque aimant de
recouvrement est supérieure à la largeur de l'aimant intermédiaire,
- les bords coté entrefer de chacun des trois aimants sont sur une même
génératrice verticale, (les bords de chacun des trois aimants bordant
l'entrefer sont alignées)
- les trois aimants ont une même polarisation magnétique, la polarisation
étant radiale (horizontale), les faces polaires de même signe des trois
aimants bordant l'entrefer, l'aimantation rémanente de chaque aimant de
recouvrement étant supérieure à l'aimantation rémanente de l'aimant
intermédiaire,
- l'aimant intermédiaire a une polarisation magnétique radiale
(horizontale) et les deux aimants de recouvrement une polarisation
magnétique coaxiale (verticale car parallèle à) à l'axe de symétrie du
haut-parleur, les signes des faces polaires des aimants de recouvrement
au contact de l'aimant intermédiaire étant identiques et de même signe
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que celui de la face polaire bordant l'entrefer de l'aimant intermédiaire,
l'aimantation rémanente de chaque aimant de recouvrement étant
inférieure à l'aimantation rémanente de l'aimant intermédiaire,
- au moins un des aimants à polarisation magnétique radiale est constitué
d'un assemblage d`aimants élémentaires (ou tuiles) juxtaposés sur une
circonférence (ou autre forme adaptée) pour former un anneau ou
couronne,
- les aimants à polarisation magnétique coaxiale à l'axe de symétrie du
haut-parleur sont des aimants bloc couronne, (bloc car
monolithiques/d'une pièce)
- les aimants à polarisation magnétique coaxiale à l'axe de symétrie du
haut-parleur sont des aimants bloc pastille, (bloc car monolithiques/d'une
pièce)
- la structure magnétique est interne,
- la structure magnétique est externe,
- la structure magnétique est à symétrie cylindrique,
- les dimensions et aimantations de la structure magnétique interne sont
indépendantes de celles de la structure magnétique externe, (en effet, en
dehors du cas d'une symétrie cylindrique, plus généralement la structure
interne crée son propre champ uniforme avec ses propres dimensions et
la structure externe crée son propre champ uniforme avec ses propres
dimensions, le champ total étant la somme des deux, toujours uniforme ;
d'une manière générale, les éventuels défauts d'une structure peuvent
être compensées par l'autre structure)
- le haut-parleur est circulaire, elliptique voire carré ou sensiblement
carré.
L'invention concerne également un moteur pour haut-parleur
électrodynamique tel qu'il comporte une seule structure magnétique selon
l'une ou plusieurs des caractéristiques décrites, ladite structure
magnétique pouvant être interne (vers le centre du moteur) ou externe par
rapport à la bobine.
L'invention concerne également un moteur pour haut-parleur
électrodynamique tel qu'il comporte en vis-à-vis et même niveau (hauteur)
deux structures magnétiques interne et externe par rapport à la bobine,
chacune des structures étant selon l'une ou plusieurs des caractéristiques
décrites, les polarisations magnétiques des aimants semblables
(recouvrement interne haut versus recouvrement externe haut ou
intermédiaire interne versus intermédiaire externe ou recouvrement
interne bas versus recouvrement externe bas) étant identiques dans les
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deux structures magnétiques. Dans une variante les structures
magnétiques sont symétriques géométriquement et par révolution par
rapport à la bobine. Dans une autre, elles ne le sont pas ou seulement en
partie.
L'invention concerne enfin un haut-parleur comportant un moteur
selon l'une ou plusieurs des caractéristiques décrites.
Ainsi, un des buts de l'invention est d'obtenir dans l'entrefer le long
de la génératrice portant la bobine, une induction (champ magnétique)
sensiblement constante et, de préférence, sur une hauteur correspondant
au moins sensiblement à la hauteur de l'aimant intermédiaire. On
considère qu'une induction est sensiblement constante si elle ne varie
pas plus de 1% et, de préférence, encore mieux, si elle ne varie pas de
plus de 0,5%, sur la hauteur considérée.
La présente invention, sans qu'elle en soit pour autant limitée, va
maintenant être exemplifiée avec la description qui suit de modes de
réalisation en relation avec :
la Figure 1 qui représente une coupe verticale schématique d'un haut-
parleur à bobine mobile, la coupe passant par l'axe antéro-postérieur
vertical de symétrie cylindrique dudit haut-parleur et montrant un premier
type de moteur électrodynamique à structure magnétique externe et
même polarisation magnétique radiale d'aimants,
la Figure 2 qui représente une coupe verticale schématique d'un haut-
parleur à bobine mobile, la coupe passant par l'axe antéro-postérieur
vertical de symétrie cylindrique dudit haut-parleur et montrant un
deuxième type de moteur électrodynamique à structure magnétique
externe et même polarisation magnétique radiale d'aimants,
la Figure 3 qui représente une coupe verticale schématique d'un haut-
parleur à bobine mobile, la coupe passant par l'axe antéro-postérieur
vertical de symétrie cylindrique dudit haut-parleur et montrant un
troisième type de moteur électrodynamique à structure magnétique
externe et même polarisation magnétique radiale d'aimants,
la Figure 4 qui représente une coupe verticale schématique d'un haut-
parleur à bobine mobile, la coupe passant par l'axe antéro-postérieur
vertical de symétrie cylindrique dudit haut-parleur et montrant un
quatrième type de moteur électrodynamique à structure magnétique
externe et polarisations magnétiques croisées d'aimants,
la Figure 5 qui représente une coupe verticale schématique d'un haut-
parleur à bobine mobile, la coupe passant par l'axe antéro-postérieur
vertical de symétrie cylindrique dudit haut-parleur et montrant un
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cinquième type de moteur électrodynamique à structures
magnétiques externe et interne de même polarisation magnétique radiale
d'aimants et à symétrie de révolution en aimantation et taille entre les
structures interne et externe,
la Figure 6 qui représente une coupe verticale schématique d'un haut-
parleur à bobine mobile, la coupe passant par l'axe antéro-postérieur
vertical de symétrie cylindrique dudit haut-parleur et montrant un sixième
type de moteur électrodynamique à structures magnétiques externe et
interne ayant globalement les mêmes types polarisation magnétique
radiale d'aimants mais sans symétrie parfaite de révolution en
aimantation et taille entre les structures interne et externe, et
la Figure 7 qui représente une coupe verticale schématique d'un haut-
parleur à bobine mobile, la coupe passant par l'axe antéro-postérieur
vertical de symétrie cylindrique dudit haut-parleur et montrant un
septième type de moteur électrodynamique à structures magnétiques
externe et interne ayant chacune des polarisations magnétiques croisées
d'aimants mais sans symétrie parfaite de révolution en taille entre les
structures interne et externe.
Le haut-parleur 1 sur la Figure 1 comporte une bobine 2 portée par
un mandrin 3 solidaire d'une membrane 4 et 4' que l'on ne détaille pas
ici et qui des sont des éléments mobiles du haut parleur. La bobine
baigne dans un champ magnétique statique dans un entrefer (le terme
entrefer est utilisé génériquement même s'il n'y a pas de fer pour
rebouclage du champ magnétique en dehors de l'entrefer dans le moteur
de l'invention qui est sans fer). Le champ magnétique de l'entrefer est
créé par une structure magnétique 5 fixe génératrice dudit champ
magnétique et qui est ici externe. Ainsi, en fonction d'un courant
traversant la bobine, une force est générée qui provoque des
déplacements appelés excursions de la bobine, du mandrin et de la
membrane. A noter que les autres éléments du haut-parleur comme par
exemple le saladier ou la/les suspensions mécaniques ( spider
notamment) ne sont pas représentés pour des raisons de simplification.
La structure magnétique est dans cet exemple externe car vers
l'extérieur du mandrin 3 porte bobine 2 (l'axe 6 de symétrie cylindrique
du haut-parleur 1 est considéré central et est vers l'intérieur par rapport
au mandrin/bobine). La structure magnétique comporte un empilement de
trois aimants, un intermédiaire 8 et deux de recouvrement haut 7 et bas
9, de même polarisation magnétique radiale (horizontale sur la Figure
1) : les signes des faces polaires coté entrefer sont identiques (soit nord,
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soit sud). La largeur (mesure horizontale sur la Figure 1) de tous
ces aimants est identique. Les faces polaires (de même signe ici) de ces
trois aimants côté entrefer viennent en continuité les unes des autres sur
une même ligne droite verticale sensiblement parallèle à la génératrice
du mandrin 3 et à l'axe de symétrie 6 du haut-parleur. Au repos, la
bobine 2 est dans la partie médiane (selon la hauteur et donc
l'excursion) de l'entrefer. Lors des excursions la bobine se déplace dans
cet entrefer.
Dans cette configuration à polarisation magnétique radiale
identique pour les trois aimants, l'aimant intermédiaire 8 a une
aimantation rémanente inférieure à celle de chacun des deux aimants de
recouvrement 5 et 9. Les aimants de recouvrement haut (supérieur) 5 et
bas (inférieur) prennent en sandwich l'aimant intermédiaire 8, tous ces
aimants étant accolés les uns aux autres.
Ainsi, le haut-parleur de la Figure 1 met en ceuvre deux bagues à
polarisations magnétiques radiales (aimants de recouvrement 7 et 9),
l'une au-dessus et l'autre en dessous de l'aimant intermédiaire 8 à
polarisation magnétique radiale. Les aimants constituant ces deux
bagues 7 et 9 possèdent une aimantation rémanente supérieure à
l'aimantation rémanente de l'aimant intermédiaire 8. Grâce à cela et par
une optimisation des dimensions des bagues haute (supérieure) 7 et
basse (inférieure) 9, on obtient une induction constante dans l'entrefer
sur une hauteur importante correspondant au moins sensiblement à la
hauteur de l'aimant intermédiaire.
On doit noter que le terme aimant dans le contexte de l'invention
couvre aussi bien un aimant unique qu'un aimant formé de l'assemblage
de plusieurs aimants élémentaires. Ce dernier cas est essentiellement
considéré pour les aimants à polarisation magnétique radiale
(horizontale sur la Figure) pour lesquels on peut mettre en ceuvre des
assemblages d'aimants élémentaires (encore appelés tuiles) juxtaposés
sur une circonférence (ou ellipse ou autre selon le type de haut-parleur).
Dans une variante non représentée de la Figure 1, la structure
magnétique 5 est interne par rapport au mandrin, c'est-à-dire disposée
vers le centre du haut-parleur par rapport au mandrin. Dans une autre
variante, comme représenté Figure 5, deux structures magnétiques
identiques (au moins en ce qui concerne les polarisations magnétiques
et les dimensions de chaque aimant selon la hauteur) sont mises en
ceuvre de part et d'autre du mandrin. Dans ce dernier cas, on comprend
qu'étant donné que les diamètres sont différents entre la structure
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magnétique interne et externe, les champs magnétiques propres
générés puissent être différents entre les deux structures. Dans une
variante optimisée, on ajuste les volumes des aimants pour égaliser ces
champs magnétiques entre les structures interne et externe.
A noter qu'en variante de la Figure 5, on peut mettre en ceuvre des
structures magnétiques du type 5' (Figure 2) et 5" (Figure 3) selon
toutes les combinaisons possibles avec bordure d'entrefer régulière
(bords droits parallèles).
Sur les Figures 2 et 3 on a représenté des variantes dans
lesquelles les aimants de recouvrement haut 7', 7" et bas 9', 9" ont des
largeurs identiques mais largeur qui est cependant inférieure (Figure 2)
ou supérieure (Figure 3) à celle de l'aimant intermédiaire 8', 8". Dans les
structures magnétiques 5' et 5" des Figures 2 et 3, les aimants de
recouvrement 7', 7" et 9', 9" sont disposés pour que leurs faces polaires
coté entrefer soient sur le même plan que celle de l'aimant intermédiaire
8', 8". On comprend que ceci est valable aussi bien pour une structure
magnétique interne qu'externe (par rapport au mandrin porte bobine) afin
que la bordure d'entrefer soit droite.
A titre d'exemple d'une structure du type de celle de la Figure 2,
l'aimant intermédiaire est du N48 de lOmm de hauteur et de 12mm de
largeur et les aimants de recouvrement sont du N52 et ont chacun une
hauteur de 3mm et une largeur de lOmm. Cette configuration permet
d'obtenir dans un entrefer de 2mm de largeur, au niveau du mandrin
porte bobine (qui se trouve alors approximativement à 1 mm du bord de
l'entrefer) un champ magnétique uniforme de 0,77 Tesla.
Dans la structure magnétique 10 de la Figure 4, seul l'aimant
intermédiaire 8 est à polarisation magnétique radiale (horizontale sur la
Figure) et les polarisations magnétiques des aimants de recouvrement
haut 11 et bas 12 sont, quand à elles, axiales (verticales sur la Figure et
donc parallèles à l'axe de symétrie 6 du haut-parleur). De plus, ces
polarisations magnétiques des aimants de recouvrement 11, 12 sont
opposées entre-elles. Les signes des faces polaires de ces trois aimants
sont tels que le champ magnétique généré est préférentiellement dirigé
vers l'entrefer. Dans la configuration de pôles représentée, le bouclage
(rebouclage) du champ magnétique généré se fait coté entrefer puisque
la face polaire coté entrefer de l'aimant intermédiaire 8 est de signe
opposé au signe des faces polaires libres (haute et basse sur la Figure)
des aimants de recouvrement 11 et 12. Contrairement aux configurations
précédentes à polarisation radiale exclusive, l'aimantation rémanente de
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l'aimant intermédiaire 8 est supérieure à l'aimantation
rémanente de chacun des aimants de recouvrement 11 ou 12. Une
configuration selon la Figure 4 avec aimant intermédiaire 8 de 1,4 Tesla
et aimants de recouvrement 11, 12 de 1,1 Tesla chaque, a pu être
calculée et elle génère une induction magnétique de 0,62 Tesla sur 65%
de la hauteur de l'aimant intermédiaire.
Une autre configuration selon la Figure 4 avec aimant intermédiaire
8 de 1,1 Tesla (5mm de hauteur et 16mm de largeur) et aimants de
recouvrement 11, 12 de 0,52 Tesla chaque (2mm de hauteur et 16mm de
largeur chaque), a pu être calculée et elle génère une induction
magnétique sensiblement uniforme cette fois sur environ 70% de la
hauteur de l'aimant intermédiaire à 0,3mm de la bordure d'entrefer.
Il est important de noter qu'une structure du type de celle de la
Figure 4 (à polarisations croisées des aimants) ne permet pas d'obtenir
une induction magnétique sensiblement uniforme le long de la
génératrice portant la bobine dans l'entrefer sur une hauteur qui soit au
moins égale à la hauteur de l'aimant intermédiaire contrairement aux
autres structures décrites (à polarisations parallèles des aimants).
Dans des variantes de réalisation, les dimensions et/ou
aimantations de la structure magnétique interne sont indépendantes de
celles de la structure magnétique externe. On a représenté deux
réalisations de ce type sur les Figures 6 et 7. On comprend donc que
toutes les combinaisons de différence de taille et/ou aimantation entre
les structures interne et externe sont envisagées dans le cadre de
l'invention. De préférence, en ce qui concerne l'absence de symétrie de
révolution pour l'aimantation, les organisations globales des polarisation
magnétique des structures magnétiques interne et externe restent
identiques, c'est à dire toutes radiale en interne et externe (cf. Figure 5
et 6) ou toutes deux en combinaison axiale + radiale (cf. Figure 7).
Tous les exemples donnés sont indicatifs et on comprend qu'il est
possible, sans sortir du cadre général de l'invention, d'inverser les
structures magnétiques (externe vers interne et/ou symétriquement selon
les cas), les dédoubler (structure magnétique interne et externe),
d'inverser les orientations de la polarisation magnétique (le pôle Nord
devient le Pôle Sud et inversement). On doit enfin noter que si l'on
considère essentiellement des haut-parleurs à symétrie cylindrique
circulaire, à dôme ou à cône, la membrane étant délimitée par des
circonférences, l'invention peut également s'appliquer notamment à des
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haut-parleurs elliptiques, voire carrés ou sensiblement carrés (à
coins arrondis).
