Magnetsystem eines Lautsprecherchassis

Das Magnetsystem ist der feststehende Teil des Antriebs eines dynamischen Lautsprechers: ein Dauermagnet, ein Weg aus Weicheisen und ein schmaler ringförmiger Luftspalt darin. Das Eisen führt den magnetischen Fluss des Magneten und bündelt ihn auf diesen Spalt, in dem die Schwingspule steht. Wie dicht das Feld dort ausfällt, bestimmt zusammen mit der Drahtlänge im Feld den Kraftfaktor — und damit, wie viel Antrieb ein Ampere aus dem Verstärker erzeugt.

Ausführliche Erklärung

Der Fluss eines Dauermagneten sucht sich einen geschlossenen Weg. Legt man ihn in ein Gehäuse aus Weicheisen, folgt er dem Eisen, weil dieses ihm weit weniger Widerstand entgegensetzt als die umgebende Luft. Genau darauf baut der Antrieb auf: Der Eisenweg ist an einer einzigen Stelle unterbrochen, im Luftspalt, und dort muss der gesamte Fluss hindurch. Aus einem Magneten mit mäßiger Feldstärke an seiner Oberfläche wird so ein sehr dichtes Feld auf kleiner Fläche.

Diesen Zusammenhang beschreibt man als magnetischen Kreis — eine Rechnung, die sich wie ein Stromkreis führen lässt: Die Durchflutung entspricht der Spannung, der magnetische Fluss dem Strom, und jeder Abschnitt des Wegs hat einen magnetischen Widerstand, der wie ein elektrischer Widerstand in Reihe liegt. Der englische Ingenieur John Hopkinson formulierte diese Entsprechung in den 1880er Jahren gemeinsam mit seinem Bruder Edward. Der Vergleich erklärt sofort die wichtigste Konsequenz: Der Luftspalt hat den mit Abstand größten Widerstand im ganzen Kreis, also entscheidet er über den Fluss — und das Eisen ringsum lässt sich fast als widerstandsfrei behandeln, solange es dick genug ist und nicht in die Sättigung gerät.

Die Bauteile des Kreises

Die klassische Bauform mit einem Ringmagneten besteht aus vier Teilen:

• Der Dauermagnet ist die Quelle des Flusses. Als Ring liegt er außen um die Achse des Chassis herum.
• Der Polkern ist der Eisenzapfen in der Mitte, oft mit dem unteren Boden aus einem Stück (Topf oder Polplattenboden). Er führt den Fluss von innen an den Spalt.
• Die Polplatte — die obere, gelochte Scheibe — führt ihn von außen an dieselbe Stelle. Ihre Dicke ist zugleich die Höhe des Spalts.
• Der Luftspalt ist der Ringraum zwischen Polkern und Polplatte. Hier steht das Feld radial, also quer zum Draht der Wicklung, und nur diese Anordnung erzeugt eine Kraft in Bewegungsrichtung.

Bei Neodym findet sich häufiger die umgekehrte Anordnung: Der Magnet sitzt als flache Scheibe innen, auf oder unter dem Polkern, und das Eisen führt den Fluss außen herum zurück. Beide Bauformen bilden denselben Kreis; die innenliegende baut flacher und lässt sich leichter abschirmen.

Warum der Spalt die entscheidende Stelle ist

Zwei Maße bestimmen den Spalt. Die Spaltweite ist der radiale Abstand zwischen Polkern und Polplatte, gemessen in Zehntelmillimetern; sie muss die Wicklung samt Träger aufnehmen und ringsum noch Luft lassen. Die Spalthöhe ist die axiale Ausdehnung, also die Dicke der Polplatte.

Die Weite wirkt unmittelbar auf die Flussdichte: Je enger der Ring, desto kleiner der magnetische Widerstand und desto dichter das Feld bei unverändertem Magneten. Das ist der billigste Weg zu mehr Antrieb — und zugleich der, an dem die Fertigung ihre Grenze findet. Enger Spalt heißt engere Toleranzen für Rundlauf, Verklebung und Zentrierung, und er heißt weniger Platz für Späne oder Metallstaub, die während der Montage hineingeraten und später als Kratzen hörbar werden. Was die Wicklung in dieser Bahn hält, leisten Zentrierspinne und Sicke.

Die Höhe der Polplatte legt fest, über welchen Weg die Wicklung im starken Feld bleibt. Aus dem Verhältnis von Spalthöhe zu Wicklungslänge folgen die über- und unterhängende Bauform, die der Eintrag zur Schwingspule ausführt; wie stark der Kraftfaktor jenseits dieses Bereichs abfällt, steht bei der Bl-Verzerrung. Wie weit sich die Wicklung linear bewegen kann, folgt aus der Differenz beider Längen und nicht aus der Spalthöhe allein: Ist die Wicklung länger als der Spalt, verkleinert eine dickere Polplatte den linearen Weg; ist sie kürzer, vergrößert sie ihn. Teurer wird die dicke Polplatte in beiden Fällen, denn sie vergrößert die Fläche, durch die der Fluss muss — dieselbe Flussdichte im Spalt verlangt dann mehr Fluss und damit einen stärkeren Magneten.

Der dritte Punkt ist die Sättigung. Eisen kann nur eine begrenzte Flussdichte führen; ist sie erreicht, bringt mehr Magnet nichts mehr, weil der Weg dorthin dichtmacht. Deshalb ist ein zu dünn dimensionierter Polkern eine harte Grenze, die sich mit keinem größeren Magneten überspringen lässt. Hinzu kommt, dass der Strom der Schwingspule selbst ein Wechselfeld im Eisen erzeugt und dieses damit im Takt der Musik ummagnetisiert; welche Verluste und welche Nichtlinearität daraus entstehen und wozu die Kurzschlussringe aus Kupfer oder Aluminium dienen, klärt der Eintrag zu Wirbelströmen und Hysterese.

Ferrit, Neodym und AlNiCo

Drei Werkstoffgruppen sind im Lautsprecherbau verbreitet, und sie unterscheiden sich weniger im erreichbaren Ergebnis als im Bauraum und im Verhalten bei Wärme.

Hartferrit ist gesintertes Eisenoxid mit einem Anteil Barium oder Strontium, spröde, preiswert und unempfindlich gegen Korrosion. Seine Energiedichte ist die niedrigste der drei, weshalb ein Ferritmagnet bei gleichem Fluss deutlich größer und schwerer ausfällt — der klassische schwarze Ring am Tieftöner. Die Remanenz sinkt mit steigender Temperatur spürbar, kehrt beim Abkühlen aber zurück.

Neodym-Eisen-Bor hat die mit Abstand höchste Energiedichte; derselbe Fluss steckt in einem Bruchteil des Volumens. Flache Einbauchassis, Kalottenhochtöner und alles, was leicht sein soll, entsteht deshalb mit diesem Werkstoff. Erkauft wird das mit dem Preis, mit der Empfindlichkeit gegen Korrosion, die eine Beschichtung nötig macht, und vor allem mit einer begrenzten zulässigen Betriebstemperatur: Wird der Magnet zu heiß, verliert er einen Teil seiner Magnetisierung dauerhaft. Da er wenige Millimeter neben der heißesten Stelle des Chassis sitzt, ist das keine theoretische Größe, sondern ein Konstruktionsparameter — für hohe Temperaturen gibt es eigene Legierungsvarianten.

AlNiCo war vor der Ferritzeit der Standard und findet sich heute vor allem in Instrumentenlautsprechern und in einzelnen hochpreisigen Chassis. Es ist thermisch sehr stabil, lässt sich aber vergleichsweise leicht durch ein Gegenfeld teilentmagnetisieren — und ein solches Gegenfeld erzeugt die Schwingspule bei hohen Pegeln selbst.

Aus alldem folgt die Antwort auf die naheliegende Frage, was die Größe eines Magneten aussagt: für sich genommen nichts. Sie sagt etwas über den Werkstoff und über den Bauraum, den der Konstrukteur hatte. Was am Ende zählt, ist die Flussdichte im Spalt, und die steht in keinem Verhältnis zum Anblick des Magneten.

Streufeld und Abschirmung

Kein Eisenweg ist dicht. Ein Teil des Flusses verlässt den Kreis und steht als Streufeld vor und hinter dem Chassis — bei außenliegenden Ringmagneten stärker als bei innenliegenden Scheibenmagneten. Historisch war das ein handfestes Problem, weil Bildröhrenfernseher auf Fremdfelder mit verzogenen Farben reagierten; daher stammen die als magnetisch geschirmt bezeichneten Chassis, bei denen entweder ein zweiter, gegensinnig gepolter Magnet das äußere Feld aufhebt oder ein Stahltopf den Rückschluss übernimmt.

Mit Flachbildschirmen ist dieser Anlass entfallen, das Streufeld selbst nicht. Empfindlich bleiben magnetische Datenträger und Bandmaterial, und für Menschen mit implantierten medizinischen Geräten gibt es Abstandsempfehlungen der jeweiligen Hersteller. In der Planung wird das dort relevant, wo Chassis und Technik eng zusammenrücken — ein Einbaulautsprecher unmittelbar neben einem Geräteeinschub ist der typische Fall.

Der Weg der Wärme

Weit mehr als neunzig Prozent dessen, was der Verstärker liefert, wird in der Wicklung zu Wärme. Das Magnetsystem ist der Körper, der diese Wärme aufnimmt und abgibt — Polplatte und Polkern sind die einzige größere Masse in unmittelbarer Nähe. Der Übergang findet über den schmalen Luftspalt statt, und Luft leitet schlecht; deshalb helfen Konstrukteure nach, etwa mit einer Bohrung durch den Polkern, mit Öffnungen unter der Zentrierspinne oder mit Ferrofluid im Spalt, einer magnetischen Flüssigkeit, die den Luftraum wärmeleitend überbrückt.

Erwärmt sich das Magnetsystem, sinkt die Flussdichte im Spalt und mit ihr der Kraftfaktor. Das kommt zu dem Effekt hinzu, den die Leistungskompression beschreibt — dort steigt der Widerstand der warmen Wicklung, hier schwächt sich zusätzlich das Feld ab, und beides drückt in dieselbe Richtung. Solange die zulässige Temperatur des Magnetwerkstoffs eingehalten wird, kehrt der Fluss beim Abkühlen zurück; darüber bleibt ein Teil des Verlusts. Wo die harte Grenze liegt, führt die Belastbarkeit aus.

Häufiges Missverständnis

„Neodym ist die modernere Technik, also die bessere." Der Werkstoff entscheidet, wie viel Bauraum ein gegebener Fluss braucht, und nicht, wie gut das Chassis arbeitet. Ein Ferritmagnet erreicht dieselbe Flussdichte im Spalt, er ist dabei nur größer und schwerer — was in einer Standbox niemanden stört und in einer Einbaudose die Entscheidung sein kann. Beim Temperaturverhalten liegen die Vorteile sogar geteilt: Ferrit verliert beim Erwärmen mehr Fluss, holt ihn beim Abkühlen aber vollständig zurück, während Neodym oberhalb seiner zulässigen Betriebstemperatur dauerhaft Schaden nimmt. „Neodym" auf einem Datenblatt ist damit eine Bauform-Angabe und kein Qualitätsurteil.

Ebenso verbreitet ist die Annahme, ein magnetisch geschirmtes Chassis sei die hochwertigere Ausführung. Die Abschirmung löst eine Aufgabe außerhalb des Lautsprechers und ändert am Antrieb nichts zum Besseren; der Kompensationsmagnet kostet Bauraum und Geld, ohne einen einzigen Newton mehr zu erzeugen. Seit Bildröhren aus den Wohnzimmern verschwunden sind, ist die Angabe in den meisten Anwendungen schlicht bedeutungslos geworden.

Nicht zu verwechseln mit

• Schwingspule: der bewegliche Drahtwickel im Spalt. Das Magnetsystem steht still und erzeugt das Feld; die Spule führt den Strom und bewegt sich darin.
• Kraftfaktor Bl: eine Kenngröße, die aus der Flussdichte im Spalt und der Drahtlänge im Feld folgt. Sie beschreibt das Ergebnis des Antriebs, ist aber kein Bauteil.
• Magnetostat und Planarwandler: ebenfalls magnetisch angetrieben, aber ohne Spalt und ohne Spule — dort liegen Leiterbahnen auf einer Folie im Feld von Stabmagneten. Der Eintrag zum Magnetostaten führt das aus.
• magnetische Abschirmung einer Leitung: schützt ein Signal vor Einstreuung von außen. Die Abschirmung eines Chassis hält umgekehrt das eigene Feld zurück.

In der Planung

In einer abgehängten Decke sollen Einbaulautsprecher für eine Wohnküche gesetzt werden, die tagsüber viele Stunden am Stück läuft. Die Einbautiefe ist knapp, und die Kammern über der Decke sind mit Dämmwolle gefüllt. Die naheliegende Frage lautet, welches Chassis dort hineinpasst.

Zuerst steht die Konzeptfrage: Welcher Pegel wird über welche Dauer verlangt? Dauerbeschallung auf mittlerem Pegel ist thermisch eine andere Aufgabe als gelegentliches lautes Hören, und für das Magnetsystem ist genau das der Unterschied — es nimmt die Wärme der Wicklung auf und gibt sie an seine Umgebung ab.

Ein Chassis in einer geschlossenen, gedämmten Deckenkammer steht in einem Raum ohne Luftaustausch; die Wärme verlässt ihn nur langsam. Wer hier flach bauen will, landet konstruktionsbedingt bei einem Neodym-Antrieb, und genau dieser Werkstoff hat die niedrigere zulässige Betriebstemperatur. Die Entscheidung ist also weniger die zwischen zwei Magnetwerkstoffen als die zwischen einem Einbaugehäuse mit definiertem Rückvolumen und einer freien Kammer — und gegebenenfalls die, mehr Lautsprecher mit jeweils weniger Leistung zu setzen, statt wenige an ihrer Grenze zu betreiben.

Am Ende dieser Kette steht die Auswahl des Chassis, und sie schrumpft dann auf zwei Fragen zusammen: Welche Serie bietet ein passendes Einbaugehäuse an, und welche Dauerbelastbarkeit gibt der Hersteller für den Einbaufall an?

Verknüpfte Inhalte

Was sich im Spalt bewegt, erklärt die Schwingspule; was sie in ihrer Bahn hält, die Zentrierspinne und die Sicke. Die Verluste und Nichtlinearitäten des Eisenwegs führt der Eintrag zu Wirbelströmen und Hysterese aus, die Abnahme des Kraftfaktors über dem Hub die Bl-Verzerrung. Als Kennwerte tauchen Feld und Antrieb bei den Thiele-Small-Parametern auf; die thermische Seite steht bei der Leistungskompression und der Belastbarkeit. Wie viel von der zugeführten Leistung überhaupt Schall wird, klärt der Wirkungsgrad.

Quellen

Aufbau des magnetischen Kreises aus Dauermagnet, Polkern und Polplatte, die Bündelung des Flusses auf den ringförmigen Luftspalt und dessen Bedeutung als dominierender magnetischer Widerstand folgen der elektroakustischen Standardliteratur. Die Beschreibung des magnetischen Kreises als Entsprechung zum Stromkreis geht auf Arbeiten von John und Edward Hopkinson aus den 1880er Jahren zurück. Die Eigenschaften der drei Magnetwerkstoffe — Energiedichte, Temperaturverhalten der Remanenz, zulässige Betriebstemperatur und Empfindlichkeit gegen ein Gegenfeld — stammen aus der Werkstoffliteratur zu Dauermagneten. Kennwerte des Chassis, in die die Flussdichte im Spalt eingeht, sind in IEC 60268-5 beschrieben.