DE1439579B2

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Publication number: DE1439579B2
Application number: DE19611439579
Authority: DE
Priority date: 1961-09-26
Filing date: 1961-12-08
Publication date: 1970-11-12
Also published as: DE1439579C3; US3197678A; GB977270A; CH393535A; DE1439579A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Polschuhpaar für Elek- eines Stromes elektrisch geladener Teilchen dienen, tromagnete zur Erzeugung von Magnetfeldern ver- beispielsweise magnetische Fokussierlinsen für Korschiedener Stärke bei gleichbleibender geometrischer puskularstrahlen, Elektromagnete für Impulsspektro-Feldverteilung. ■ skopie; Elektromagnete für Kernresonanz- oder

Zur Veranschaulichung des Standes der Technik 5 Elektronenresonanzversuche mit sehr homogenem sind drei Figuren beigefügt: Feld, Ablenkmagnete, Zeemann-Magnete; Elektro-

Fig. la zeigt schematisch einen Schnitt durch magnete zur Erzeugung eines in weiten Grenzen einen bekannten Elektromagneten mit Joch /. konstanten magnetischen Widerstandes, beispiels-Kern K, Wicklung W und Luftspalt L. weise Streudrosseln, Streutransformatoren. Der ge-

F i g. Ib dient zur Erläuterung des nachfolgend io wünschte Bereich der Feldstärkenvariation überin der Beschreibung benützten Ausdrucks Pol- schreitet in all diesen Anwendungen oft 15 000 Gauß, schuh ρ und zeigt einen Schnitt durch die Pol- · ;. weshalb eine Ausdehnung des Bereichs konstanter scuhe ρ eines Elektromagneten mit dazwischenlie-' ' Feldkonfiguration über diese Grenze hinaus ein gendem Luftspalt Lj von t. der Länge d. Die Pol· langjähriges Ziel der Forschung ist.
schuhe ρ sind zusammengesetzt aus' einem Teil des 15 Eine Reihe von Vorstößen in dieser Richtung Eisenkerns K und einem aufgesetzten Polschuh-¹ nehmen die Tatsache der bei 15000 Gauß eintreteneisen S. ;χ; . ■■. ·■· .;. ..··:. ■· den lokalen Sättigung in den Polschuhen al$,unab-

Fig. Ic dient dem gleichen Zweck wie FTg' Ib änderliches Gesetz hin und suchen entsprechend und zeigt einen Schnitt durch die Polschühe ρ eines durch separat gespeiste Zusatzmagnete, Zusatz-Elektromagneten mit Wicklung W und Luftspalt L. 20 spulen und entsprechende komplizierte Steuerein-Die Polschuhe sind ein Teil des Kerns K. richtungen die oberhalb 15 000 Gauß eintretenden

Als Polschuhe bezeichnet man im normalen Felddeformationen zu kompensieren, um die Geo-Sprachgebrauch oft einen auf den Kern K, F i g. Ib, metrie des Feldes konstant zu halten (vgl. beispiels- f aufgesetzten Teil S aus besonders weichem ferro- weise USA.-Patentschrift 2 964 627). ^

magnetischem Material. In der vorliegenden Be- 25 Verschiedene Arbeiten sind bekanntgeworden, Schreibung wird als Polschuh ρ der dem Luftspalt welche den beschriebenen Effekt der Sättigung in zugewandte Eisenteil von der Länge ρ = 2d bezeich- den Polschuhen durch besondere Formen der Polnet, unabhängig davon, ob dieser Teil besonders schuhoberflächen zu beseitigen suchen. Es wurde aufgesetzte Polschuhe enthält (Fig. Ib) oder ein erkannt, daß das Feld im Polschuh selbst homogen Teil von solchen Polschuhen oder ein Teil des 30 verteilt sein sollte und daß scharfkantige Polschuhe Kerns K selbst ist. zu vermeiden sind. Bekanntgewordene Ausführungen

-Es ist bekannt, daß das magnetische Feld aus der .... verwenden Polschuhe, welche von einem bestimmten Oberfläche solcher Polschuhe praktisch senkrecht Abstand vom Luftspalt aus gerundet sind oder in austritt, solange die Feldstärken so gering bleiben; welchen eine Rundung durch einen Polygonzug daß in den Polschuhen keine magnetische Sättigung 35 angenähert ist. Allen diesen Polschuhen ist jedoch eintritt. Die Oberfläche des Polschuhs stellt also gemeinsam, daß sie innerhalb des definierten Abunter diesen Bedingungen eine Äquipotentialfläche Standes ρ = 2d mindestens eine, wenn auch stumpfdes magnetischen Feldes im Luftspalt und seiner winklige Kante aufweisen. Diese Verbesserungen Umgebung dar. Sie bestimmt somit die geometrische haben dazu geführt, daß gegenüber früheren scharf-Form dieses Feldes, d. h. die Lage der Feldlinien und 40 kantigen Polschuhen die Felddeformation mit wachder Äquipotentialflächen. Bei Veränderung der Erre- sender Feldstärke vermindert werden konnte, doch gung des Magneten verändern -sich zwar die Feld- wurde in keinem Fall das Ziel einer gleichbleibenden stärken und Potentiale des Feldes im Luftspalt und geometrischen Verteilung des Feldes bei über in seiner Umgebung, aber die geometrische Konfigu- 16000 Gauß hinausgehender Veränderung seiner ration des Feldes bleibt; erhalten. . ... <■· 45 Stärke erreicht. ..,,

Dieser Sachverhalt ist nach bisherigen Erfährungen Dieses Ziel wird bei dem Polschuhpaar gemäß der

jedoch nur gegeben, solange die Feldstärke im Luft- Erfindung dadurch erreicht, daß in dem an den spalt etwa 15 000 Gauß nirgends überschreitet. Die- Luftspalt angrenzenden Gebiet der Polschuhoberser Wert kann je nach Beschaffenheit des Magneten fläche der Krümmungsradius der Oberfläche an jeder etwas höher oder tiefer liegen, er liegt jedoch 'bei 5° Stelle mindestens so groß ist wie die halbe Länge bekanntgewordenen Magneten nie höher als des Luftspaltes.

16000 Gauß, oft aber schon bei 12000 bis 13 000 Diese Maßnahme beruht auf der durch jahrelange

Gauß. Sobald die Feldstärke diesen kritischen Wert Versuche gewonnenen Erkenntnis, daß man mit dei überschreitet, so ändert sich mit der Erregung auch Kenntnis des lokalen Feldverhaltens an der Oberdie geometrische Konfiguration des Magnetfeldes, 55 fläche der Polschuhe das gestellte Problem lösen und zwar rasch und erheblich. Diese Deformation kann, ohne die Feldverteilung im weiteren Polschuhdes Feldes ist eine, Folge der im Innern des Pol- innern näher zu kennen. Dies ist deshalb sehr nützschuhs eintretenden magnetischen Sättigung: Die lieh, da die lokale Feldverteilung an der Oberfläche magnetische Permeabilität des Materials nimmt in mit bekannten Methoden leicht gemessen werden den gesättigten Bereichen rasch ab, das Feld tritt 60 kann, während dies für die lokale Feldverteilung im nicht mehr senkrecht aus dem Polschuh aus, und Polschuhinnern nicht auf einfache Art möglich ist. somit bleibt die Polschuhoberfläche nicht mehr Die Tatsache, daß die lokale Feldverteilung an

Potentialfläche. Die Eigenschaft der Felddeformation der Oberfläche derart ausschlaggebend ist für das bei höheren Feldern ist in der Technik oft sehr Verhalten des Feldes im Luftspalt, ist sehr überunerwünscht. Viele Anwendungszwecke verlangen 65 raschend, und so ergaben sich im Laufe der Versuche ein Feld von gleichbleibender geometrischer Feld- ebenso völlig unerwartete Resultate.
verteilung bei veränderlicher Stärke. Als Beispiele Diese Resultate sollen an Hand von Fig. 2 a bis 2 d

seien erwähnt: Elektromagnete, die zur Fokussierung näher erläutert werden, welche vier verschiedene

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Polschuhformen zeigen, wobei die Formen nach gestellten Problems darin zu suchen, daß die PoI-

Fig. 2a, 2b und 2c bekannt sind, während die schuhoberfläche auch bei höheren Feldern Äqui-

Form nach Fig. 2d'eine der Erfindung gernäße potentialfläche bleibt. Dies ist dann der Fall, wenn

neue Form ist. · , 7 "■""'·■·· bei schwacher Erregung die höchste lokale Feldstärke

Fig. 2 a zeigt die einfachste Form von Polschühen. .5 in der Polschuhoberfläche in der Symmetrieebene

nämlich rotationssymmetrische Zylinder. Es ist seit herrscht. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird bei Er-

langem bekannt, daß in den Ecken e der Polschuhe höhung der Erregung zuallererst an dieser Stelle

dieser Art sehr früh Sättigung erreicht wird, so daß Sättigung eintreten. Liegt beispielsweise in einem

diese Form in bezug auf das gestellte Problem sehi Magneten nach Fig. 2d das höchste Feld auf der

schlechte Eigenschaften hat. io Mittelachse der Polschuhe und nimmt das Feld in der

Die Polschuhe nach Fig. 2b und 2c, welche.—Überfläche der Polschuhe bei schwacher Erregung

Rundungen oder durch Polygonzüge angenäherte ; - nach außen und hinten kontinuierlich ab, so tritt bei

Rundungen aufweisen, sind besser, haben aber Verstärkung der Erregung zuerst in der Mitte der

immer noch mindestens eine Ecke e. Polschuhoberfläche Sättigung auf. Dort aber ist die

Alle diese Formen mit einer irgendwie gearteten 15 Krümmung der Oberfläche Null, und das Material

Ecke e erweitern den Bereich ohne Felddeformation, kann bis zur Grenze seiner Sättigungsfähigkeit aus-

aber nicht über 15 000 Gauß. An der Ecke mit einem genützt werden. Wenn die Feldkonfiguration bis zu

sehr kleinen oder unendlichen kleinen Krümmungs- hohen Feldstärken konstant bleibt, so bleibt auch

radius tritt sehr rasch Sättigung auf, und das Feld das Streufeld und der magnetische Widerstand des

wird deformiert. Dies ist bekannt, und die allgemeine 20 Luftspaltes konstant.

Vorstellung ist die, daß durch die Sättigung die Ecke Die Optimierungsbedingungen sind am einfachsten

automatisch ausgeschaltet wird, indem dank der zu ermitteln, wenn mit einem elektrischen Analogen

sinkenden Permeabilität die Ecke nicht mehr als gerechnet wird. Gewünscht wird beispielsweise ein

magnetisches Material betrachtet werden kann, son- rotationssymmetrisches homogenes Feld zwischen

dem allmählich der Luft zugerechnet werden darf. 25 zwei Polschuhen, welche einen Luftspalt der Größe d

Aus den Untersuchungen ging die ganz neue Erkennt- einschließen und deren Durchmesser 5 bis 6d be-

nis hervor, daß die Wirkung dieser Ecke völlig un- trägt. Es darf also zweidimensional gerechnet werden,

erwartet die ist, daß sie die ganze Feldverteilung im Das elektrostatische Analogon ist der Plattenkonden-

Innern des Polschuhs ändert und somit einen uner- sator. Damit die gesuchten Äquipotentiallinien in

wartet großen Effekt hervorruft; d. h., daß die Ecke 30 den Bereich des gewünschten Polschuhabstandes

ganz wesentlich für die auftretenden Felddeformatio- fallen, muß der Plattenabstand des Kondensators

nen bei höheren Feldern verantwortlich ist. Wird größer gewählt werden als der Polschuhabstand. Die

nämlich diese Ecke in einer Weise abgerundet, daß Rechnungen haben ergeben, daß der günstigste

der Krümmungsradius nirgends den halben Polschuh- Plattenabstand 2 d beträgt. Zur Vereinfachung wird

abstand überschreitet, so treten die Felddeforma- 35 eine einzige Platte gewählt, welche im Abstand d

tionen erst bei einigen tausend Gauß höheren Feld- gegenüber einer unendlich ausgedehnten Ebene liegt,

stärken auf. Dabei können die geometrischen Diffe- Dies ergibt die gleiche Feldkonfiguration wie beim

renzen zwischen einem Polschuh nach Fig. 2c und Plattenkondensator mit dem Abstand2d. Potential-

einem erfindungsgemäßen Polschuh nach Fig. 2d linien dieses Feldes sind in Fig. 3 gezeichnet. Die

unter Umständen nur wenige Zehntelmillimeter be- 40 Durchrechnung ergibt, daß bei allen Potentiallinien,

tragen, wie dies an einem Magneten mit 30-mm-Luft- welche wie die Linie 1 nach unten zurückgebogen

spalt experimentell festgestellt wurde. sind, das Feld an der Umbiegestelle höher ist als

Bei dem in Fig. 2d dargestellten, ersten Aus- in der Mitte des Plattenkondensators. Diese Poten-

führungsbeispiel der Erfindung ist bis in den in tiallinien sind also ungeeignet. Die Linien von der

Fig. Ib und Fig. Ic veranschaulichten Abstand 45 Form2 und 3 dagegen sind geeignet zur Konstruk-

p = 2d vom Luftspalt keine Ecke mehr vorhanden, tion von Polschuhen. Der optimale Polschuh ent-

und der Krümmungsradius der Polschuhoberfläche spricht der Linie 2, welche die Rotationsachse im

ist an jeder Stelle mindestens so groß wie die halbe Abstand d/2 von der Platte schneidet und sich

Länge des Luftspaltes. Ein solches Polschuhpaar asymptotisch der Senkrechten auf die Plattenebene

erlaubt das Beibehalten der geometrischen Feld- 50 nähert. Längs dieser Linie bleibt das Feld am

verteilung bis zu Feldstärken von 18 000 bis 20000 längsten konstant und nimmt dann monoton

Gauß. ab. Der Luftspalt zwischen den nach dieser

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2d geht die Linie konstruierten Polschuhen hat genau die

Polschuhoberfläche nach der Rundung in eine Ebene Breite d.

über. Diese Ausführungsart ist möglich, aber nicht 55 Das diesem Ausführungsbeispiel entsprechende notwendig. Es ist ersichtlich, daß bei Polschuhen Polschuhpaar zeichnet sich also dadurch aus, daß nach Fig. 2d, obwohl keine Ecken oder Kanten die Oberfläche jedes Polschuhes derjenigen Potentialmehr auftreten, die Sättigung an den Rundungen fläche des zwischen den Platten eines rotationsrascher eintritt als auf der Ebene. Das heißt, daß symmetrischen Plattenkondensators bestehenden diese Ausführungsform zwar eine bedeutende Ver- 60 elektrischen Feldes nachgebildet ist, welcher die Rotabesserung bringt, jedoch noch nicht das Optimum tionsachse in der Entfernung von ¹U des Plattendarstellt, abstandes vor der Platte schneidet. Geringe Abwei-

Ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem eine chungen von dieser Entfernung sind praktisch ohne

solche Optimierung erreicht wird, soll nun an Hand Bedeutung,

von F i g. 3 erläutert werden. 65 Die Ausmessung eines Elektromagneten mit sol-

Ausgehend von der Tatsache, daß jede Polschuh- chen Polschuhen hat ergeben, daß bei einem Luftform bei kleinen Feldern eine Äquipotentialfläche spalt von 30 mm das Feld im Luftspalt bis auf des magnetischen Feldes darstellt, ist die Lösung des 22 000 Gauß homogen bleibt.

Claims

Patentansprüche:

1. Polschuhpaar für Elektromagnete zur Erzeugung von Magnetfeldern verschiedener Stärke bei gleichbleibender geometrischer Feldverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß in dem an den Luftspalt angrenzenden Gebiet der Polschuhoberfläche der Krümmungsradius der Oberfläche an jeder Stelle mindestens so groß ist wie die halbe Länge des Luftspaltes.

2. Polschuhpaar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche jedes Polschuhes derjenigen Potentialfläche des zwischen den Platten eines rotationssymmetrischen Plattenkondensators bestehenden elektrischen Feldes nachgebildet ist, welche die Rotationsachse etwa in der Entfernung von ¹U des Plattenabstandes vor der Platte schneidet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen