DE1639362A1 - Elektromagnet zum Erzeugen eines homogenen elektromagentischen Feldes - Google Patents

Description

Pafenf

^Dr· 'ng. H.

«München is, fyj_t

Tel. 5 38 05 8$

Newport Instruments Ltd» Grawley Road Newport Fagnell, ' Buckinghamshire/England I*. März 1968 Anwaltsakte H-296

Elektromagnet sum Erseugen eines homogenen elektromagnetischen Feldes

Die Erfindung betrifft Elektromagnete sun Erzeugen Suderst hoBogener magnetischer Felder, wie sie beispielsweise in Leitfähigkeiteversuchen und bei Beobachtungen der kernmagnetlsohen Resonanz bonßtigt werden«

Xn dor britischen Patentschrift 1.Ho. 172 sind Magnetanordnungen beschrieben, die ein groAes räumliches homogenes magnetisches Feld erzeugen; hierbei wird die magnetomotorische Kraft entweder durch einen Dauermagneten oder durch Stroratpulen srseugt·

Das Feld im Spalt eines üblichen Elektromagneten wird zwischen swei Oberflächen gebildet, die durch

80 9881/12M ^₃

die Polspitsen definiert »ind'wnd die näheiungsveise Äquipotentialflächen darstellen. Das Verhältnis au· OberflSchendurcta&esser zu Spalt länge bestimmt in wesentlichen die Homogenität des Feld·« In Spalt. Die Homogenität des Feldes kann dadurch verbessert werden, daö man Leitbleche verwendet» daß die Oberflohen der Po!spitzen sorgfältig behandelt werden und dad die Polspitsen genau suelnander ausgerichtet werden.

Durch die Erfindung soll ein Elektromagnet geschaffen werden, der in Vergleich su den bekannten Elektromagneten einen sehr großen Bereich eines äußerst homogenen Magnetfeldes erzeugt.

Der erfindungsgemäße Elektromagnet beeItst swei im Abstand zueinander angeordnete Polstücke aus magnetischem Material sehr geringer Reluktanz, mit sich gegenüberliegenden parallelen Oberflächen, swischen

denen zwei parallele Jochstücke angeordnet sind, um atromdur«hflo«e«&s

die ^s/eile mehrere / gewiekelt sind,

so daß innerhalb der Jochstücke zwei Spulenabschnitte gebildet sind, die gemeinsam mit den sich gegenüberliegenden Oberflächen der Polstüoke einen zwischen den Polstücken gebildeten Luftspalt begrenzen, wobei Jeder

409881/1214

i^frv' ORIGINAL

dar·teilt, beliebige Querschnitt der Spulenabsebnltte ein Rechteck / deasen Huhe^leieh dem Abeiand der sieh gegenüberliegen äsn Oberflächen der Pole tüoke let; die Verteilung der Stromdichte In den Spulenabsehnltten lit derart, &ß für Jeden Punkt der Linien, die auf den eich gegenüberliegenden Oberflächen der Polstüoke senkrecht stehen und vom Rand des Spulenabsehnltts «Inen konstanten Abstand haben« die Bedingung J_x ■ konstant, J « konstant, J_% * 0 erfüllt 1st, worin S die Stromdichte und x, y, s karteslsohe Koordinaten bedeuten un^lle «-Achse parallel su den oben definierten Linien *erläuft; die Windungen der Spulenebsehnltte sindfgleleh und entgeigengerlehtet.

Anhand der Zeichnungen werden Ausftthrungsbeisplele der Erfindung näher erläutert.. Es «eigen:

Flg. 1 einen schematIschen Querschnitt durch einen

Elektrooagneten, mit den die theoretischen Torauasetzungen der Erfindung erläutert werden,

Fig. 2 eine andere seheaatIsche Darstellung der Feldverteilung «wischen Stronwlndungen, die ein äußeres Streu feld von sehr geringer Reluktanz haben»

- 3

BAD ORIGINAL

Fig· 3 ein Ausführungebeispiel einet erflndungageeäJton Elektromagneton,

Fig. H eine Endansieht eines erflndungsgeaäften Elektromagneten, wobei die rechte Halte geschnitten ist,

Fig. 5 ein weiteres Ausführtmgsbelspiel der Erfindung» bei dem mehrere Stromwindungen um die Bahn des Süßeren - Streu feldee gewickelt sind,

Fign. 6a und 6b eine schematIsche Draufsicht bew. einen Querschnitt eines weiteren AusfOhrungebelspiels.·

Damit das M&gnetfeld in einem bestimmten Bereich homogen ist, ist es erforderlieh, daft der magnetische Kreis derart angeordnet 1st, daß die Xquipotentialflachen in den betreffenden Bereich eine Reihe paralleler Ebenen bilden. Jede Abweichung von der Parallelität vermindert B^ den Grad der Homogenität.

Es sei angenommen, daß eine Spule, bestehend aus mehreren Stromwindungen, an «ine elektrische Stromquelle angeschlossen und zwischen swei Blöcke aus magnetischem Material sehr geringer Reluktans eingesetst ist, und zwar ewisehon sich gegenüberliegende, suelnander parallele» ebene Fliehen dieser Blöcke. Es sei ferner angenommen, daft

»ottti/iatf

BAD ORIGINAL

die Spule rechteckige Querschnitte konstanter Höhe hat, daß Jedoch de? innere und äußere Umfang der Spule beliebig geformt sein kann« Da das magnetische Material dar BlOake aus einem Material sehr geringer Reluktanz besteht,, kann angenommen werden, daß das magnetische Potential innerhalb Jedes Blocks konstant 1st. Der . magnetische Feldverlauf einer solchen Anordnung ist in Fig. 1 gesseigt ο

Zn Fig. ι sind die Blöcke aus magnetische« Material geringer Reluktanz mit Io und 12 und die Spule mit 14 bezeichnet. Wie bereits erwähnt, hat die Spul« «Inen rechteckigen Querschnitt und «wischen den beiden Blocken Io und 12 »in« konstante Höhe; ihre Dick· zwischen ihrer Inneren und Süßeren Oberfläche 16 bzw. 18 1st Jedoch unterschiedlich. Des· innere Bereich, in dem das homogene Magnetfeld gebildet werden soll, wird durch die Innere Umfangefläche iß der Spule und durch die obere und untere ebene parallel« Oberfläche 2o und 22 der Blöcke begrenzt. Die waagrechten gestrichelten Linien innerhalb des mittleren Bereichs stellen Äquipotentialflächen dar, und Ihre Parallelität ist ©in Maß für den Qrad der Homogenität. Außerhalb der Spule divergieren diese Hquipotentialflachen. Die Xqulpotentiallis&ien innerhalb der Spule Ii sind unterbrochen, de innerhalb der Spule die Vorstellung der skalaren magnetischen Kqulpotentialflachen nicht mehr zutrifft, und diese Linien

.■;■ - 5■■- ' '; - . ■ ■

9098817iaSi

" ■ -"^:^.^cf~* BAD OfilGiNAL ■

müssen als "Linien ohne Arbeit" betrachtet werden.

Zur Erzeugung eines äußerst homogenen Feldes 1st es erforderlich» daft die Verteilung der Strondiobte in der Spule 14 folgender Bedingung genügt: P(Ir jeden Punkt der Linien, die von den Süßeren Rand 18 der Spule einen konstanten Abstand haben (beispielsweise die Linie EF), muß gelten J_x * konstant; J_y » konstant, und 3_% ■ null; hierin bedeuten J die Stromdichte und x, y, ζ katesisehe Koordinaten, wobei die «-Achse parallel zur Linie EF verlöuft. Diese Bedingung wird in der Präzis durch eine Spule erfüllt, die aus Schichten oder Folien, gleichmäßigen Widerstandes gewickelt ist· Dadurch wird das magnetlache Grundgesetz erfüllt, und die Annahme der Qrtfogonallt&t ist gerechtfertigt =

Die Linien AB und CD in Flg. 1 sind Schnittlinien durch die gleiche Stromflußlinie der Spule. Es handelt sieh data©! um die Stromflußlinie, in der das FeIdM ull 1st, d. h. sie stellt den Kern des Systems dar· Innerhalb des Bereiches, der durch die Stromflußlinie begrenzt wird, von der AB und CD ein Teil bildet, verläuft der Feldfluß in einer Richtung parallel zum Rand der Spule. Außer- ' halb dieses Bereichs ist der Feldfluß entgegengesetzt gerichtet. Die Verteilung der magnetischen Feldstarke

909881/1284 .

" "BADORlGiNAL "

1st so wie in der Zeichnung gezeigt. Längs jeder Linie EP 1st die magnetische Feldstarke H * 1,26NI/I, worin NX die Stroanrlndungszahl des von ABKF eingeschlossenen Bereichs und 1 die Spulenlänge ist. Venn der innere Rand der Spule erreicht ist, wird die Feldstärke bestiramt durch die Stroavlndungszahl des Bereiches mischen AB und dem Rand 16 der Spule. Die Stromwlndungszahi zwlochen dem Kern der Spule und den inneren Rand 16 ist jedoch eine Konstante. In jeder Schnittebene muß daher das Feld am Inneren Rand 16 der Spule das gleiche sein. Da die Spule zwischen zwei parallelen Äquipotentialflächen 2o und 22 eingeschlossen 1st, nuß das Feld innerhalb des gesamten inneren Bereichs homogen sein.

Es kann in gleicher Weise gezeigt werden, daft die Feldverteilung zwischen dem Kern und der äußeren Oberfläche 18 der Spule derart 1st, daß alle Punkte auf der äußeren Oberfläche 18 der Spule eine konstante magnetische Feldstärke haben. Der Wert dieser magnetischen Feldstärke ist im allgemeinen nicht derselbe wie auf der inneren Oberfläche 16 der Spule, und die Feldverteilung außerhalb der Spule 17 ist nicht homogen, abgesehen von den Linien, die mit der äußeren Oberfläche der _k Spule zusammenfallen.

909881/1214

Wie aus Flg. 1 hervorgeht, ist die Verteilung der Feldstärke zwischen X und Y für Jede Querebene FQgleich, außerhalb von X und ¥ hängt die Verteilung der Feldstärke jedoch von der Lage der Querebene ab.

Der Wert der magnetischen Feldstärke Im eilttleren Bereich hängt sowohl von der Stronswlndungszahl pro Spulenlänge als auch von der Geometrie der Anordnung ab. In Fig. 1 ist die Feldstärke im- inneren Bereich mit H₁, die FeId-

nlt stärke ara äußeren Rand 18 der Spule/H₂, die Stromwindungs-

zahl innerhalb des Kerns mit KZ₁, die Stromwindungssahl

mit *
außerhalb des Kerns/NI₂, die Permeans des inneren Bereichs mit P. und die Permeanz des äußeren Bereichs mit P₂ bezeichnet. Es wird außerdem angenommen, daß die Stromdichte in der Spule homogen ist. Unter Berdcksichtigung, daß sich die magnetische Feldstärke längs jeder Linie, die normal sum inneren Umfang der Spule verläuft, sich linear ändert, läßt sieh der Magnetfluß zwischen der inneren Oberfläche 16 der Spule und dem Kern ABCD einerseits und zwischen dem Kern und der äußeren Umfangaflache 18 andererseits berechnen. Hiermit läßt sich zeigen, daß bei bellieblgen Warten für die Länge des* inneren Umfange der Spule, die Spulenlänge 1 und die Permeanzen P₁ und P₂ das Feld innerhalb des Inneren Bereichs homogen ist. Es kann außerdem gezeigt .'werden, daß die höchste Feldstärke bei gegebener Stronwindungssahl

- 8 9098817 1284

BAD ORIGINAL

dann auftritt, wenn die Reluktanz des äußeren Bereichs null ist.

Pig. 2 seigt den Spezlalfall, bei dem die Reluktanz des äußeren Bereichs null ist. Bei dieser Anordnung ist die Spule 14 von magnetischem Material 2*1 vernachlfissigbarer Reluktanz; umgeben.- Da das magnetische Material eine große Masse darstellt, deren Reluktans in wesentlichen null ist, kann angenommen werden, daÄInnerhalb des gesamten Materials das magnetische Potential konstant ist ο Wiederum ist es wichtig, daß die Verteilung der Stromdichte in der Spule die oben erwähnten Bedingungen erfüllt, nämlich J «konstant, J » konstant und J₂ » null. Da das magnetische Material die Spul· umgibt und ein konstantes magnetisches Potential hat, gibt es kein äußeres Feld, und die Reluktanz des äußeren Bereichs ist muli. ' -

In Fig. 3 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel eines

erflndungsgemäßen Elektromagneten gezeigt, der die oben erwähnten Bedingungen erfüllt, nämlich, daß die Spule einen rechteckigen Querschnitt hat, der den vertikalen zur Verfügung stehenden Raum genau ausfüllt, und daß für jeden Punkt einer gegebenen vertikalen Linie

J_x * konstant, J_ «konstant und J_x ■ 0

•09t81/1il4 -

νiCiifi' BAD OWGlHAL

Der in Fig. 3 geseigte Elektromagnet besteht aus rechteckigen Elenenten: swel rechteckigen BlOeken 26 und 28, Sttei Jochetücken 3o und 32 und swei Spulen 3* und 36, die die Jochstfieke 3o und 32 umgeben und einen Spalt von rechteckigen Querschnitt begrensen, der an beiden Seiten offen 1st. Die Tatsache, daß die Spule aus swel getrennten Teilen besteht, beeinträchtigt die Betriebstfeise des Systems nicht» vorausgesetst, daft die Strosnrlndungen der beiden inneren Spulenabtohnltte 34a und 36a gleich und entgegengesetzt gerlohtet sind. Die fiuftere Rückführung für den Strom durch die Sptilenabschnitte 3*b und 36b erhöht allerdings den FeIdstOrkenverlust» und dies muft bei« Festlegen des Querschnitts der Jochstücke 3o und 32 berücksichtigt werden. Eine Abschätzung des Verlustfeldes kann dadurch gemacht werden» daft angenommen wird, daft die MekfOhrstrecke eines Spulenabsehnitts mit einer halbunendllehen Ebene unendlicher Permeabilität in Berührung ist, worauf man dann das Verfahren der "Abbildungsstrom«" (Imag· currents) anwmdea kann.

Flg. 4 reißt ein;. prak\laches AusfOhrungebeleplel eines erfindungsgemfiften Elektroeagneten; die

Linksseite 1st eine Endansloht und die rechte Seite

der ist ein Querschnitt durch die Wicklung. Xn/Flgur

der Flg. 5
wurden/entsprechende Besugsselehen wendet.

S09I81/12I«

■- 'Sa -

ORlGiNAL

Der Elektromagnet besteht aus einer oberen und einer unteren rechteckigen Platte 26 bzw. 28 aus Flußstahl, die sich gegenüberliegende Έ ebene parallele Oberflächen 38 und Ίο aufweisen. Zwischen den beiden Platten 26 und 28 sind swei Jochstücke angeordnet, von denen das eine bei 32 angedeutet ist. Diese beiden Jpehstüoke bestehen aus den gleichen Material wie die Platten 26 und 28. Die Jochstücke sind an den Platten 26 und 28 durch mehrere Schrauben 33 befestigt. Wie in Fig. * gezeigt, verlaufen die Jochstücke parallel zueinander entlang den beiden Rändern der Platten 26 und 28 und sind an den Süßeren Rändern der Platten derart angeordnet, daß sie ein Gebilde von rechteckige» Querschnitt bilden, das an seinen beiden Enden offen 1st, so daß der innere Bereich des Elektromagneten sug&nglleh ist · '

Wie In der rechten Hälfte der Flg. Ί genauer zu sehen 1st, 1st tun jedes Jochstück eine Drahtspule 36 Biit mehreren Windungen und Schienten gewiekelt, wodurch ( Innerhalb des inneren Bereichs des Magneten ein Spulenabschnitt 36a und außerhalb des Jochstücks ein Rückführungeabschnitt 36b gebildet wird. Die Spule hat wiederum rechteckigen Querschnitt und erstreokt sieh über die volle Länge dos Spalts swisehen den Platten 26 und 28. In den Spulen herrscht eine gleichmäßige Strondlchtenverteilung. Un jede Spule ist eine Ansahl

-Ii-

909881/1284

von Windungen eines hohlen Rohrs 4© β·*!**·**· β·· In •ine« Xunsthars *2 oder einen Ihnliehen Materiel finge* bettet 1st. Dieses Rohr ta wird bu» Kühlen der Windungen verwendet, £n«d<sm ein Kühlmittel dt&roh e» hindurehgefflhrt wird.

Bei «tee« bevorsssgten Ausf ähsnsngsbeiepiel der Brfindung sind die Abmessungen des Elektromagneten derart,daft die Breite der Flauten 26 und 28 quer sur Achse de· Spalts ungefähr swoimal die Länge der Platten Hänge dieser Achse ist» wobei die Lange der Platten 26 und ungefSh? gleich der Gesamth&he des Blektronagneten anstechen den ftu&eren Cöarnßchen der Pl&tten 26 und 28 ist.

Die Fig. 5 seigt ein weiteres Auefuhrungsbeiefüel der Erfindung, das gründestslieh wie da» Aueföhrungttooiapiel der Pign. 3 und * euf gebaut ist, das jedoehmehrere

' Strdawävüdusisen £iB?»mi&t, di© wa den Süßeren Bereich des VefflBBtfeldea gewickelt sind. Wie in Figo 5 geselgt, haben die «sssSftsliehen StrosawicKlungen die Form einer Spule $4, die usa einen Verlfingerungsabeehnitt 46, der de« ?oäpiatten 26 und 28 verbunden ist, gewiekelt Wie bereits eswätmt, kann der Elelctroaiagnet dtrart aufgebaut selEä, daß die Reluktans des äuflepen Bereichs eint^eder null od®r ungleich null ist_o Westn die Relidctans des Siaileren Se^ölshs null ist und wenn die susfitaliehe Spule §k ¥o?g@8fh@si ist und wearn die Visx ^.i

90988 1 /1284

■■-.-■ BAD ORIGINAL

dieses» Spule geringer 1st die die Windungftsanl de? Spulen 31 und 36 und in entgegengesetster Richtung wirkt , ISAt sich zeigen» dsfi das Magnetfeld la ianeren Bereich des Elektromagneten homogen bleibt. Wtnn Jedoch die äußere Reluktans null ist_r kann ' durch die Windungszahl der Spule HH die magnetische Feldstärke innerhalb das inneren Bereichs des Elektromagneten nicht vergrößert werden.

■'■■■■■■■■ : ' f' ^:

Wenn Jedoch die Relukt&ns des äußeren Bereiche ungleich null

ist, umschließt die ztasätsliche Spule HH einen Teil

die der äußeren Reiuktan&_a jedoch nioht/gesamte Relukfeans.

Für diesen Fall läßt sich seigen, dafi sich dureh die

ävtfi©ren Stromvindungen der Spule HH die eagnetiseaQ Feldstärke im inneren Bereich des Magneten bis sa einea Wert vergröÄern lüt, den «an bei .'da¹ Reluktans

«rhSlt, jedoch nicht darüber. Für die Oleien* ΐSrsaigkeit der Wicklung der Süßeren Spule HH odesf ihre Form gibt es keine Einschränkung, ihr VolUEaea sollte *

jsdoQh im Vergleich eu der von der äußeren Spule HH eingeschlossenen Persians klein sein«.

In aen Fign. 6a und 6b ist geseigt, daß es außerdem möglieh ist, in den ro!tfcleren Bereich des Elektromagneten einen vertikalen Stab 48 von anfangs unmagnetisiertefi

• — 13 - " :--. ■"..-■■ ' "

909881/12·4

Claims (1)

1. Instruments
   Cr&wley Road
   Newport Pagnell, .
   Buekingharoshir®, England i*«, M8rs 1968

   Anwaltsakte Μ-29β

   Patentansprüche

   (ΙΛElektromagnet mit zwei in Abstand zueinander angs©«= ordneten.Pols&üeken aus magnetischem Material sehr gering®? Rclusktanx, die sieh gegenüberliegende parallele» ebene Oberflächen aufweisen» dadurch gekennzeichnet« daß awischeEs den sieh gcgfiaöberliegenden OberflieSaea ΟΘ, ίο) der Polstuek® (2*5, 28) swdi per&llel® Joehstucke C3o, 32) angeordnet sind_s usa dl· Jeweils »ehrere strondurehflossene / C3*l_s 3») gewickelt sind, so dag innerhalb der JochstCske swei Spulenabschnitte (34a, 3Sa) gebildet sind, die gesteins&ra mit den sieh gegenüberliegenden Ob^rfliehen der Polstfieke einen zwischen den Foistüaken gebildeten Luftspalt be> gren3sen, daß die Spulanabsehnitte einen rechteckigen Querschnitt haben, dessen Höhe gleich de« Abstand der sieh gegenüberliegenden Oberflächen der Polstficke ist, wobei die Verteilung der Stromdichte in den Spulenabschnitten derart isü, daß für Seaen Puikt der

   > i

   ßAD ORIGINAL

   Linien, die auf den sieh gegenüberliegenden Oberflächen de? Polstück® senkrecht stehen und von Rand des Spulenabschnitts einen konstanten Abstand haben, die Bedingung J_x » konstant, J_ « konstant und S_%* erfüllt 1st, worin S die Stromdichte und x,·-», y karte»iccha Koordinaten bedeuten und die s-Aohs· parallel su den oben definierten Linien verlauft»- und daft die Windungen der Spulenabsehnltte gleich und entgegengerichtet sind.

   • ·

   2. Elektromagnet naeh Anspruch 1, dadurch gekenn*elehfiet, daft die Poletacke durch ©ine ffagnetstreeke geringer Reluktans verbunden

   3· Elektroaagnet nach Anspruch % ®i9w 3» dadN&eh kennseichnet, daft tile Joahstfieke aus de« Material wie die Polstück« bestehen.

   3. Elektronagnet nach einen der Torhergehenden AnsprQohe, dadurch gekennselchnet, daft die Polsttioke alt ▼erlajigerungsabschnltten {W versehen sind, die eine Suftere Bahn für das Streu feld bilden, und dafi die Verltngerungabsehnltte »it einer eustts*» liehen Spule {kk) versehen sind, diev*aig«r Windungen als die Spule der Joehstücke und einen entgegengesetzten Rbhtungssinii hat»

   teilt τ/i ati

   BAD ORIGINAL

   5. Elektronagnet nach eine« der vorhergehenden Ansprüche, (!•durch gekennzeichnet» da* die Polstfleke rechteckig sind und eine Breite quer su den Achsen der Joohstflcke haben, die sweisal to grol wie ihre LSnge ist, und daft der Abstand swisehen den fiußeron Ot or flic hen der PolstOeke in wesentlichen so groß ist wie die LSnge der Polstücke.

   9098 81

   BAD ORIGINAL