DE1439896B2 - Magnet zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes - Google Patents

Description

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Es sind Magneten zur Erzeugung eines weit- mäßig noch eine Einrichtung zur effektiven Vergehend homogenen Magnetfeldes in einem Luft- kürzung des Stabes vorgesehen.

spalt zwischen Magnetpolen bekannt, bei denen Pol- Statt dessen kann aber der Polschuh auch hohlkappe und Polschuh zur Verbesserung der Homo- zylindrisch ausgebildet sein und im Polschuh ein in genität des Feldes in bestimmter Weise gestaltet 5 Richtung der Achse des Polschuhs verstellbarer sind. So ist es bekannt, am Rand der Polkappe einen magnetischer Körper angeordnet sein, durch dessen Ring aus einem Werkstoff höherer Permeabilität vor- Verstellung oder Verschiebung die Form des Hilfszusehen (deutsche Auslegeschrift 1 076 820) oder luftspaltes verändert wird.

zwischen Polkappe und Polschuh einen Hilfs- Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung noch luftspalt vorzusehen (französische Patentschrift io näher erläutert werden; es zeigt
1 290 988). Insbesondere sind auch solche Magneten F i g. 1 eine Vorderansicht einer Magnetvorrichbekannt, bei denen in dem Hilfsluftspalt magnetisch tung, in der die Erfindung verwendet werden kann, permeable Scheiben (schweizerische Patentschrift F i g. 2 einen Teilschnitt durch einen erfindungs-351335) oder Ringe (H.Neumann, Archiv für gemäßen Pol der Magnetvorrichtung,
Technisches Messen, Z60-1, November 1940) an- 15 Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine Ausführungsgeordnet sind. form der Erfindung längs der Linie 3-3 in F i g. 1,

Vor allem mit der letzteren Maßnahme kann eine F i g. 4 Kennlinien zur Veranschaulichung der

recht gute Homogenisierung des Magnetfeldes im Feldänderungen, die mit Hilfe der Erfindung erreicht

Luftspalt zwischen den Magnetpolen erreicht werden, werden können,

sofern die Homogenisierung unter Arbeitsbedin- 20 F i g. 5 einen Teilschnitt durch eine andere Aus-

gungen vorgenommen wird. führungsform der Erfindung.

Praktisch ist es jedoch nicht möglich, auf diese Gemäß der Fig. 1 enthält eine Magnetvorrichtung Weise Inhomogenitäten zu beseitigen, die durch un- 10,beispielsweise eine elektomagnetische Vorrichtung, vermeidbare mechanische Fehler in den Ober- ein magnetisches Joch 12 aus hochpermeablem flächen von Polschuh und Polkappe verursacht wer- 25 Werkstoff. Der Magnet 10 trägt zwei Magnetpole den. Es ist deshalb auch bereits bekannt, in dem 14, die koaxial zueinander, aber im Abstand von-Polschuh eine stromdurchflossene Spule anzu- einander angeordnet sind und am Joch 12 mit BoI-ordnen, deren Strom bis zur Erreichung der besten zen oder Schrauben od. dgl. befestigt sind. Auf den Homogenität verändert wird (schweizerische Patent- Polen 14 sind elektrische Wicklungen 16 angeordnet, schrift 351 335). Der Nachteil von solchen, die 30 durch die die Pole in bekannter Weise entgegenHomogenität verbessernden Spulen liegt darin, daß gesetzt polarisiert werden. Die Wicklungen 16 sind ein erheblicher Aufwand getrieben werden muß, an den Schenkeln 18 des Joches 12 befestigt, die um diesen Hilfsspulenstrom genauso konstant zu ihrerseits mit Quergliedern 20 fest verbunden und halten wie den Strom durch die Erregungswicklungen abgestützt sind. Eine Montageplattform oder des Magneten. 35 Grundplatte 22 und Stützschenkel 24 gewährleisten

Durch die Erfindung soll deshalb ein Magnet der eine körperliche Stabilität der ganzen Vorrichtung, eingangs genannten Art verfügbar gemacht werden, Ein Paar Magnetpolkappen 26 an den inneren Enbei dem auf mechanische Weise eine weitgehende den der Pole 14 sind an Magnetpolschuhen 28 beHomogenität des Magnetfeldes erreicht wird. festigt, beispielsweise durch Anschrauben, die ko-

Zur Lösung dieser Aufgabe wird deshalb von 40 axial zu den Kappen 26 in dem Magneten 10 an-

einem Magnet zur Erzeugung eines weitgehend geordnet sind. Der Magnet liefert ein Magnetfeld

homogenen Magnetfeldes in einem Luftspalt zwi- hoher Intensität, das in einem unmagnetischen Spalt

sehen Magnetpolen, bei denen zwischen Polkappe zwischen den Polkappen 26 konzentriert ist. Der

und Polschuh, die am Rand miteinander verbunden Magnet mit starkem Feld kann beispielsweise in

sind, ein Hilfsluftspalt gebildet ist, der auf die Ver- 45 der Magnetresonanzspektroskopie verwendet wer-

teilung des magnetischen Flusses in der Nähe der den, beispielsweise der Analyse einer Probe, wobei

Polkappe einwirkt, ausgegangen und dieser dadurch die Probe in einer Sonde enthalten ist, die zwischen

verbessert, daß erfindungsgemäß im oder am Hilfs- die Polkappen 26 in das magnetische Feld einge-

luftspalt ein magnetischer Körper angeordnet und setzt wird. Es ist sehr erwünscht, daß die Form der

durch eine von außen betätigbare Einstelleinrich- 50 magnetischen Flußlinien zwischen den Polkappen 26

tung verschiebbar und/oder verformbar ist, derart, so homogen und gleichförmig wie möglich ist,

daß Form und Größe des Hilfsluftspaltes feinfühlig besonders in dem mittig zwischen den Polkappen 26

stetig veränderbar sind. liegenden Feld.

Mit einem solchen Magneten läßt sich nicht nur Gemäß einer Ausführungstorm der Erfindung be-

die gleiche Homogenität erreichen wie bei den 55 steht ein Pol 14 aus einer zylindrischen Polkappe 26

besten bekannten Magneten dieser Art, sondern es mit einem verjüngten Ende und einem Polschuh 28,

ist sogar möglich, gewünschte Inhomogenitäten ein- der an der rückwärtigen Fläche der Polkappe 26

zustellen, wenn das in bestimmten Anwendungsfällen befestigt ist, wie in F i g. 2 dargestellt. An dem der

erwünscht ist. Polkappe 26 benachbarten Ende weist der ganze

Der Hilfsluftspalt selbst kann beispielsweise eine 60 Polschuh 28 eine Aussparung 30 auf, die aus einem

abgestufte Aussparung im Polschuh sein, in dem vor- ersten ringförmigen Teil 32 und einem rohrförmigen

zugsweise eine magnetische Formscheibe angeordnet Teil 34 mit kleinerem Durchmesser besteht, die ko-

ist, die sich z. B. bei Verformung gegen eine Schulter axial angeordnet sind und mit einer Schulter oder

als Stützpunkt abstützt. einem Ring 36 aneinandergrenzen. Die Aussparung

Zur Verstellung kann mit dem Körper ein Stab 65 30 umschließt einen Hilfsluftspalt, der dicht an der

als Einstelleinrichtung verbunden sein, der längs rückwärtigen ebenen Fläche der Polkappe 26 liegt,

der Achse des Poles verschiebbar ist, und zur Er- Im Hilfsluftspalt jedes Poles 14 befindet sich eine

reichung einer thermischen Stabilität wird zweck- flexible magnetische Formscheibe 38, beispielsweise

eine dünne Stahlmembran, deren Durchmesser größer ist als der des rohrförmigen Teils 34 des Polschuhs 28. An der Formscheibe 38 sitzt ein Ring 40, in dessen Öffnung ein Ende eines Stabes 42 sitzt, der an der Scheibe 38 befestigt ist. Der Stab 42 kann durch eine zentral angeordnete Bohrung im Pol 14 durch Verdrehen eines Stopfens oder einer Mutter 44 vorgeschoben oder zurückgezogen werden, der beispielsweise in ein Gewinde an einem Ende des Stabes 42 eingreift. Wenn der Stab 42 zurückgezogen wird, wird die Formscheibe 38 gegen die Schulter 36 gepreßt, von der ein Ende oder eine Ecke dann als Stützpunkt wirkt (Punkt A), durch den eine Verbiegung oder eine Deformation der Scheibe 38 bewirkt wird. Die Form der Scheibe 38 wird gebogen oder kurvenförmig, so daß sie einen meniskusartigen Magnetkörper im Hilfsluftspalt bildet. Diese Wölbung bewirkt eine Änderung der magnetischen Flußlinien in der Polkappe 26. Durch Veränderung der Formen der Scheiben 38, die jeder Polkappe 26 zugeordnet sind, kann das Magnetfeld zwischen den Polkappen kontollierbar verändert werden.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung, die in F i g. 3 dargestellt ist, besteht ein Magnetpol aus einem Polschuh 46 und einer zugehörigen Polkappe 48, die mit dem Polschuh vereinigt ist, der eine kreisförmige Aussparung aufweist, so daß ein Hilfsluftspalt zwischen Kappe und Schuh gebildet wird. Eine relativ dünne Magnetscheibe 50, beispielsweise eine Stahlmembran von etwa 4,58 mm Dicke und etwa 177,2 mm Durchmesser, ist im Hilfsluftspalt angeordnet. Der Hilfsluftspalt enthält auch eine Anzahl konzentrischer Eisen- oder Stahlringe 52 von verschiedenem Durchmesser, die in fester Weise im Ende des Polschuhs 44 liegen. Jeder Ring 52 ist durch einen vorspringenden oder domförmigen Teil 54 gekennzeichnet, an dem die Scheibe 50 deformiert wird, wenn sie mit den Ringen 52 in Berührung kommt. Wenn die Scheibe von der Polkappe 48 auf den Ring 52 zu bewegt wird, bewirkt tatsächlich eine Vielzahl von Stützpunkten, daß sich die Form der Scheibe 50 an ausgewählten, voneinander entfernten Punkten ändert. Die Anzahl, die Formen und die Durchmesser der Ringe 52 können so gewählt werden, daß verschiedene Änderungen des Magnetfeldes je nach Wunsch erreicht werden können. In gleicher Weise kann die Fläche der Formscheibe 50 konvex, konkav, flach oder irgendwie anders geformt sein, wenn die erwünschte Feldform damit erreicht werden kann.

Um eine Bewegung der Scheibe 50 um besonders kleine Beträge längs der gemeinsamen Achse zu erreichen, die durch den Polschuh 46 und die Polkappe 48 definiert ist, so daß kleinste Änderungen in der Magnetfeldform kontrollierbar erreicht werden können, ist ein Kontrollelement 56 vorgesehen, ein Stab, der durch Verdrehung vorgeschoben oder zurückgezogen werden kann. Der Stab 56 ist in einen ringförmigen Einsatz 58 der Scheibe 50 eingeschraubt und wird an einer Drehung relativ zur Scheibe durch eine Einstellschraube 60 gehindert, die den Stab an seinen Platz festhält, wenn er in den Scheibeneinsatz 58 bis zum Grunde eingeschraubt ist. Der Stab 56 weist ein weiteres Gewinde 62 auf, auf dem eine Differentialschraube 64 sitzt, die innen und außen mit Gewinde versehen ist. Das Innengewinde hat beispielsweise 12,7 mm Durchmesser und eine Steigung von 1,95 mm, und das Außengewinde hat beispielsweise einen Durchmesser von 22,2 mm und eine Steigung von 1,81 mm. Das Außengewinde der Differentialschraube 64 sitzt in einem mit Gewinde versehenen Teil des Polschuhs 46 und kann relativ zum Polschuh mit Hilfe eines Schlitzpaares 66 verdreht werden, das an einem Ende der Differentialschraube 64 vorgesehen ist. Die beiden Schlitze 66 sind so geformt, daß sie ein Paar Klauen oder Zinken 68 aufnehmen, die einen Teil eines Einstell-Werkzeuges 70 bilden, das durch einen inneren hohlen Kanal greift, der zum Äußeren des Magneten führt. Das Einstellwerkzeug 70 besteht aus einer hohlen Büchse 72 und einem Einstellknopf 74, der aus dem Magnetaufbau herausragt, so daß die Einstelleinrichtung während des Einsteilens leicht zugänglich ist. Die Büchse 72 und der Knopf 74 sind mit Stiften 76 vereinigt, so daß ein einheitlicher Körper gebildet wird und Büchse und Knopf sich gemeinsam bewegen können. Das Einstellwerkzeug 70 und seine Büchse 72 passen eng in einen Halter 78; es ist leicht drehbar gelagert, beispielsweise in nicht dargestellten Lagern.

Während des Einstellvorganges, wenn es erwünscht ist, die Form des Magnetfeldes zu ändern und relativ flache Flußlinien im mittleren Bereich zwischen den Polkappen 48 einzustellen, wird der Einstellknopf 74 gedreht, während die Klauen 68 in die Schlitze 66 eingreifen, so daß sich die Differentialschraube 64 dreht. Weil die Steigung des Außengewindes kleiner ist als die des Innengewindes, ergibt sich eine relativ kleine Längsverstellung des Steuerelementes 62. Beim Verdrehen des Einstellknopfes in eine Richtung, beispielsweise im Uhrzeigersinn, zieht die axiale Verstellung des Elementes 62 den ringförmigen Einsatz 48 der Scheibe 50 zurück, so daß die Mitte der Scheibe konkav wird. Gleichzeitig werden konzentrische Bereiche der Scheibe 50 gegen die Stützpunkte gepreßt, die durch die Ringe 52 gebildet sind, so daß die Scheibe deformiert und neu geformt wird, wodurch sich die Flußverteilung in der Nachbarschaft der Polkappe 48 ändert. Die Änderungen in den Flußlinien und der Feldform können extrem klein sein, weil die Verstellung der Stange 56 und des Mittelteils der Scheibe 50 ebenfalls sehr geringfügig sind. Es ist beispielsweise mit der erfindungsgemäßen Struktur möglich gewesen, eine Verstellung der Stange von 0,195 mm bei einer Drehung des Einstellknopfes 74 um 360° zu erreichen, wobei sich eine Änderung der Magnetfeldstärke von wesentlich weniger als 0,5 Gauß im interessierenden Bereich zwischen den Polkappen ergab. Im Feld gyromagnetischer Resonanz wurde eine Stabilität in der Größenordnung von 2 in 10⁸ Teilen der geprüften Probe erfindungsgemäß erreicht.

Grundsätzlich erlaubt es die feine mechanische Noniuseinstellung nach der Erfindung, daß die Gradienten im ausgewählten Bereich des Magnetfeldes abgeflacht oder herabgesetzt werden, so daß ein homogener, gleichförmiger Fluß die untersuchte Probe durchsetzt.

Weiterhin wird eine thermische Stabilität erreicht, weil der Stab 56 durch die Verwendung einer Differentialschraube 64 effektiv in seiner Länge verkürzt wird, die den Stab mit dem Einstellwerkzeug 70 verbindet, und zwar gegenüber einem durchgehenden festen Stab zum Zurückziehen der Scheibe 50. Die kürzere Länge in Verbindung mit dem geringen Ausdehnungskoeffizienten (etwa

0,35 · 10-³/°C) des für die Stange 56 verwendeten Weicheisens ergibt vernachlässigbare Änderungen in den Abmessungen des Stabes, so daß sich keine fehlerhafte oder wilde Änderung in der Form der Scheibe 50 ergibt, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Zusätzlich kann eine Kühlung durch Kühlmittel und Rückkopplungssysteme verwendet werden, um Temperaturwirkungen unter Kontrolle zu halten.

In F i g. 4 sind Kurven dargestellt, die tatsächliche Messungen der Feldstärke (H) in Gauß in Abhängigkeit vom Abstand (d) in Zoll längs der mittleren Ebene zwischen den Polkappen darstellen, wenn vom Mittelpunkt oder der Achse der Pole ausgegangen wird, und zwar in einem unmagnetischen Spalt von 19 mm Breite zwischen den Polkappen. Ein Magnetfeld von 14 100 Gauß wurde verwendet, und zwar in einer Kombination, wie sie in F i g. 3 dargestellt wurde, und Änderungen der Feldstärke an diskreten Intervallen vom Mittelpunkt aus wurden für verschiedene Formen der Scheibe aufgezeichnet. Typische Kurven sind in Fig. 4 dargestellt, um die Wirkung der Scheibenverformung auf das Magnetfeld darzustellen.

Die unterbrochene Kurve 80 zeigt die Flußverteilung mit einer Magnetvorrichtung ohne die erfindungsgemäße Einrichtung. Sobald sich die Formscheibe in einer optimal zurückgezogenen Lage im Hilfsluftspalt hinter der Polkappe befindet, wurde eine flache Flußverteilungskurve 82 über einen relativ großen Abstand erhalten. Bei maximaler Zurückziehung der Formscheibe wurde eine Kurve 84 erhalten, die einen größeren Anstieg im mittleren Bereich aufweist. Es ist zu erkennen, daß Feldstärkenänderungen in Milligauß bewirkt werden können, um verschiedene Feldformen zu schaffen, ebenso wie einen relativ flachen Flußweg über ein relativ großes Gebiet, wenn die Erfindung angewandt wird.

In F i g. 5 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in der ein einstellbarer Polschuhring 86 und ein einstellbarer Magnetkörper oder -kern 88 verwendet werden kann, die axial relativ zur Magnetpolkappe 90 bewegt werden können, um den dieser Polkappe zugehörigen Fluß neu zu verteilen. Die Polkappe 90 ist mit einem äußeren Ring 92 verbunden, der als Magnetpolschuh dient, und der einstellbare Ring oder die Magnetbüchse 86 sitzt gegen diesen festen Ring 92 in einem Gleitsitz. Der Magnetkern 88 ist ein massiver Zylinder, der genau in die Büchse 86 paßt und axial unabhängig von der Büchse 86 mittels eines nicht dargestellten Kopfes bewegt werden kann. Statt dessen kann die Hülse 86 in den festen Ring 92 eingeschraubt sein, und der Kern 88 kann in bekannter Weise kontrollierbar eingestellt werden. Der äußere Polschuhring 92 weist einen abgesetzten Teil oder eine Lippe 94 auf, so daß ein Hilfsluftspalt zwischen der Polkappe 90 und dem festen Polschuh 92 gebildet wird. Der Hilfsluftspalt ermöglicht Einstellungen in der Nähe der Rückseite der Polkappe 90 durch Bewegung des verstellbaren Ringes 86 und des Kerns 88 in axialer Richtung relativ zur Polkappe. Die verfügbaren Verstellungen dienen dazu, die Form des Hilfsluftspaltes hinter der Polkappe zu verändern, so daß die Wege der Fußlinien, die der Polkappe zugeordnet sind, verändert werden. Selbstverständlich kann eine Vielzahl von verstellbaren Magnetteilen in der Nähe der Rückseite der Polkappe verwendet werden, um die Flußverteilung zwischen den Polkappen eines Magneten zu kontrollieren.

Es ist zu erwähnen, daß Variationen in den Abmessungen der Bauelemente des Mechanismus, der

ίο Form der Polkappe, der Feldstärke und den metallurgischen Eigenschaften der Werkstoffe den Betrieb des Mechanismus beeinflussen können und daß deshalb die Flußdichten der einzelnen Bauelemente auf einen optimalen Wert gebracht werden sollten.

Es ist auch zu erwähnen, daß die Erfindung nicht auf die speziellen beschriebenen Formen und Werte beschränkt sein soll. Die Erfindung betrifft die Verwendung von Magnetpolelementen, in denen ein Hilfsluftspalt zwischen dem Polschuh und der PoI-kappe jedes Elementes gebildet ist, in dem Einrichtungen angeordnet sind, mit denen die Flußwegverteilung zur Rückseite der Polkappe effektiv die Flußverteilung in dem Luftspalt verändert.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Magnet zur Erzeugung eines weitgehend homogenen Magnetfeldes in einem Luftspalt zwischen Magnetpolen, bei denen zwischen Polkappe und Polschuh, die am Rand miteinander verbunden sind, ein Hilfsluftspalt gebildet ist, der auf die Verteilung des magnetischen Flusses in der Nähe der Polkappe einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß im oder am Hilfsluftspalt ein magnetischer Körper angeordnet und durch eine von außen betätigbare Einstelleinrichtung verschiebbar und/oder verformbar ist, derart, daß Form und Größe des Hilfsluft-Spaltes feinfühlig stetig veränderbar sind.

2. Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsluftspalt eine abgestufte Aussparung im Polschuh ist.

3. Magnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgestufte Aussparung wenigstens eine Schulter als Stützpunkt aufweist, gegen die der magnetische Körper verformt werden kann.

4. Magnet nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Körper eine Formscheibe ist.

5. Magnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Körper ein Stab als Einstelleinrichtung verbunden ist, der längs der Achse des Poles verschiebbar ist.

6. Magnet nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur effektiven Verkürzung des Stabes zwecks Erreichung einer thermischen Stabilität.

7. Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh hohlzylindrisch ist und daß im Polschuh ein in Richtung der Achse des Polschuhes verstellbarer magnetischer Körper angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen