DE102014002067A1

DE102014002067A1 - Device for generating a magnetic field in the intended directions

Info

Publication number: DE102014002067A1
Application number: DE102014002067.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hiebel; Frank Jurisch; Denis Filistovich
Original assignee: Sekels GmbH
Current assignee: Sekels GmbH
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in vorgesehener Richtung hat einen von einer weichmagnetischen Wandung begrenzten Behälter (1), mit paarweise hintereinander angeordneten Wicklungen (L) für jede Raumachse (x, y, z). Durch unterschiedliche Bestromung der Wicklungen (L) lässt sich ein magnetisches Feld mit einem vorgesehenen Gradienten in der vorgesehenen Richtung erzeugen. Weiterhin lässt sich durch eine vorgesehene Verschaltung der Wicklungen (L) die Wandung entmagnetisieren.A device for generating a magnetic field in the intended direction has a container (1) bounded by a soft-magnetic wall, with windings (L) arranged in pairs one behind the other for each spatial axis (x, y, z). By different energization of the windings (L), a magnetic field can be generated with an intended gradient in the intended direction. Furthermore, can be demagnetized by an intended interconnection of the windings (L), the wall.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in vorgesehener Richtung in einem von einer weichmagnetischen Wandung begrenzten Behälter, mit an der Wandung angeordneten Wicklungen zur Erzeugung magnetischer Feldkomponenten in vorgesehenen Raumachsen und mit Anschlüssen zur Bestromung der Wicklungen.The invention relates to a device for generating a magnetic field in the intended direction in a limited by a soft magnetic wall container, arranged on the wall windings for generating magnetic field components in space axes provided and with terminals for energizing the windings.

Solche Vorrichtungen ermöglichen die Erzeugung eines räumlich besonders homogenen Magnetfeldes. Der Magnetische Feldvektor im Innenraum des Behälters lässt sich durch eine geeignete Anordnung und Bestromung der Wicklungen in der vorgesehenen Richtung erzeugen. Durch eine geeignete Geometrie des Behälters und der Wicklungen lassen sich auch die Richtung und Betrag des Feldvektors in mehreren Dimensionen frei wählen. Man produziert Feldkomponenten in den vorgesehenen Raumachsen. Die Feldkomponenten überlagern sich zu einem gesamten Feld in der vorgesehenen Richtung und entsprechender Feldstärke. Zudem ist der Innenraum durch das weichmagnetische Material der Wandung gegen äußere magnetische Störfelder weitgehend abgeschirmt.Such devices allow the generation of a spatially particularly homogeneous magnetic field. The magnetic field vector in the interior of the container can be generated by a suitable arrangement and energization of the windings in the intended direction. By a suitable geometry of the container and the windings, the direction and magnitude of the field vector can be freely selected in several dimensions. Field components are produced in the planned spatial axes. The field components are superimposed to an entire field in the intended direction and corresponding field strength. In addition, the interior is largely shielded by the soft magnetic material of the wall against external magnetic interference.

Häufig ist es jedoch wünschenswert, nicht nur homogene Magnetfelder, sondern auch definierte Magnetfeldgradienten innerhalb des Behälters zu erzeugen. Weiterhin ist es wünschenswert die Wandung des Behälters beispielsweise durch Anlegen von Wechselströmen mit abfallender Amplitude zu entmagnetisieren.Often, however, it is desirable to generate not only homogeneous magnetic fields but also defined magnetic field gradients within the container. Furthermore, it is desirable to demagnetize the wall of the container, for example by applying alternating currents with decreasing amplitude.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass sie einen homogenen magnetischen Feldvektor in vorgesehener Richtung mit überlagertem Gradientenfeld innerhalb des Behälters erzeugt und eine Entmagnetisierung der Wandung des Behälters ermöglicht.The invention is therefore based on the problem to form a device of the type mentioned so that it generates a homogeneous magnetic field vector in the intended direction with superimposed gradient field within the container and allows demagnetization of the wall of the container.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest zwei unterschiedlich gestaltete Wicklungen zur Erzeugung eines in derselben Raumachse gerichteten magnetischen Feldes und dessen Gradienten oder zur Entmagnetisierung der Wandung vorgesehen sind.This problem is inventively solved in that at least two differently shaped windings are provided for generating a directed in the same spatial axis magnetic field and its gradients or for demagnetization of the wall.

Durch diese Gestaltung lässt sich das magnetische Feld in der vorgesehenen Raumachse von zwei unterschiedlich gestalteten Wicklungen erzeugen. Damit besteht auch die Möglichkeit der unterschiedlichen Bestromung der für dieselbe Raumachse vorgesehenen Wicklungen. Hierdurch lässt sich ein Gradient des magnetischen Feldes erzeugen. Die unterschiedliche Gestaltung der Wicklungen kann durch eine unterschiedliche räumliche Positionierung der Wicklungen und/oder einer unterschiedliche Anzahl einzelner Windungen der Wicklungen und/oder einer unterschiedlichen Länge der Wicklungen erzeugt werden. Die Möglichkeit einer Entmagnetisierung der weichmagnetischen Wandung lässt sich durch eine entsprechende Verschaltung und Bestromung der Wicklungen erzeugen.This design makes it possible to generate the magnetic field in the intended spatial axis of two differently shaped windings. Thus there is also the possibility of different energization of the intended for the same spatial axis windings. As a result, a gradient of the magnetic field can be generated. The different design of the windings can be generated by a different spatial positioning of the windings and / or a different number of individual turns of the windings and / or a different length of the windings. The possibility of demagnetization of the soft magnetic wall can be generated by a corresponding interconnection and energization of the windings.

Die Wandung des Behälters ist gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung konstruktiv besonders einfach aufgebaut, wenn die Wandung in der vorgesehenen Raumachse angeordnete, vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigte Platten aufweist und dass die Wicklungen um einzelne Platten geführt sind.The wall of the container according to another advantageous embodiment of the invention structurally particularly simple structure, when the wall arranged in the space axis provided, preferably made of a soft magnetic material plates and that the windings are guided around individual plates.

Die Erzeugung von Gradienten in allen drei Raumachsen gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders einfach, wenn die Wandung sechs zu einem Quader angeordnete Platten aufweist, wobei jede der Platten zwei Paare unterschiedlich gestalteter Wicklungen aufweist und die Paare der Wicklungen über Kreuz zueinander angeordnet sind. Dank der Erfindung lässt sich hierdurch pro Platte ein Beitrag zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in zwei Raumachsen erzeugen. Jede der Raumachsen erhält einen Beitrag aus vier Platten. Die Wicklungen können diagonal über die Platten oder rechtwinklig zu den Kanten der Platten gewickelt sein. Mechanisch besonders einfach gestaltet sich die Anordnung der Wicklungen rechtwinklig zu den Kanten der Platten.The generation of gradients in all three spatial axes is particularly simple according to another advantageous development of the invention, when the wall has six plates arranged in a cuboid, wherein each of the plates has two pairs of differently shaped windings and the pairs of windings are arranged crosswise to one another are. Thanks to the invention, a contribution to the generation of a magnetic field in two spatial axes can thus be produced per plate. Each of the spatial axes receives a contribution from four plates. The windings may be wound diagonally across the panels or at right angles to the edges of the panels. Mechanically particularly simple, the arrangement of the windings designed at right angles to the edges of the plates.

Der bauliche Aufwand zur unterschiedlichen Gestaltung der Wicklungen lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders gering halten, wenn die unterschiedlich gestalteten Wicklungen hintereinander angeordnet sind. Zur Vereinfachung der Ansteuerung sind die Wicklungen gleich lang und weisen dieselbe Anzahl an Windungen auf.The structural complexity for different design of the windings can be kept particularly low according to another advantageous embodiment of the invention, when the differently shaped windings are arranged one behind the other. To simplify the drive, the windings are the same length and have the same number of turns.

Die Wicklungen lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wahlweise zur Erzeugung eines vorgesehenen magnetischen Feldes oder zur Entmagnetisierung einsetzen, wenn den Wicklungen eine Schalteinrichtung vorgeschaltet ist, wobei die Schalteinrichtung zumindest zwei Schaltstellungen zur unterschiedlichen Verschaltung der Anschlüsse der Wicklungen aufweist.According to another advantageous development of the invention, the windings can optionally be used to generate an intended magnetic field or for demagnetization if the windings are preceded by a switching device, wherein the switching device has at least two switching positions for the different interconnection of the terminals of the windings.

Der bauliche Aufwand zum Wechsel zwischen Entmagnetisierung und Erzeugung eines vorgesehenen magnetischen Feldes lässt sich besonders gering halten, wenn die Schalteinrichtung als Schaltstellungen zwei unterschiedlich gestaltete Steckanschlüsse zur Verbindung mit den Wicklungen aufweist. Vorzugsweise sind die unterschiedlich gestalteten Steckanschlüsse codiert und werden von einer Elektronik erkannt. Damit wird eine fehlerhafte Ansteuerung der Wicklungen verhindert. Als Codierung der Steckanschlüsse eignet sich insbesondere das Kurzschließen unterschiedlicher Pins.The structural complexity for changing between demagnetization and generation of an intended magnetic field can be kept particularly low if the switching device has two differently designed plug connections for connection to the windings as switching positions. Preferably, the differently shaped plug-in connections are coded and are of an electronics detected. This prevents faulty control of the windings. The coding of the plug-in connections is in particular the short-circuiting of different pins.

Das erzeugte magnetische Feld lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders vielseitig erzeugen, wenn die Schalteinrichtung zumindest einen Wechselschalter zur Umschaltung der Polung der Wicklungen hat.The generated magnetic field can be generated very versatile according to another advantageous embodiment of the invention, if the switching device has at least one changeover switch for switching the polarity of the windings.

Die Erzeugung des vorgesehenen magnetischen Feldes gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders komfortabel, wenn den Wicklungen Verstärker und ein Computer zur Ansteuerung der Verstärker vorgeschaltet sind. Durch diese Gestaltung lassen sich die Verstärker zur vorgesehenen Felderzeugung mittels Software ansteuern.The generation of the intended magnetic field is particularly convenient according to another advantageous development of the invention, when the windings are preceded by amplifiers and a computer for driving the amplifiers. With this design, the amplifier can be controlled by means of software for the intended field generation.

Der Einfluss äußerer Felder auf die Vorrichtung lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weitgehend vermeiden, wenn die Wandung von zumindest einer Schirmungsschicht aus einem weichmagnetischen Material umgeben ist.The influence of external fields on the device can be largely avoided according to another advantageous development of the invention, when the wall is surrounded by at least one shielding layer of a soft magnetic material.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt inThe invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below. This shows in

1 schematisch einen Behälter mit Wicklungen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in drei Raumachsen, 1 schematically a container with windings for generating a magnetic field in three spatial axes,

2a eine Ansicht auf eine Wandung des Behälters aus 1, 2a a view of a wall of the container 1 .

2b eine Schnittdarstellung durch die Wandung aus 2a entlang der Linie IIb-IIb, 2 B a sectional view through the wall 2a along the line IIb-IIb,

3 schematisch einen Verstärker zur Ansteuerung von Wicklungen der Vorrichtung aus 1, 3 schematically an amplifier for driving windings of the device 1 .

4 schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes mit dem Behälter aus 1, 4 schematically a device for generating a magnetic field with the container 1 .

5 ein Ausführungsbeispiel zur Verschaltung der Wicklungen des Behälters aus 1 bei der Erzeugung des magnetischen Feldes, 5 an embodiment for interconnecting the windings of the container 1 in the generation of the magnetic field,

6 ein Ausführungsbeispiel zur Verschaltung der Wicklungen des Behälters aus 1 bei der Entmagnetisierung der Wandung. 6 an embodiment for interconnecting the windings of the container 1 during demagnetization of the wall.

1 zeigt einen Behälter 1 einer Vorrichtung zur Erzeugung magnetischer Feldkomponenten in den drei Raumachsen x, y, z mit einer Wandung und einer Vielzahl an Wicklungen (L). Die Wandung setzt sich aus sechs Platten I–VI zusammen. Um jede der Platten I–VI sind insgesamt vier Wicklungen L geführt. Die Wicklungen L sind pro Platte I–VI für die jeweilige Raumachse x, y, z paarweise hintereinander angeordnet. Die Platten I–VI sind beispielsweise aus so genannten μ-Metall gefertigt und weisen eine hohe Permeabilität auf. Als Material für die Platten I–VI eignet sich beispielsweise eine weichmagnetische Legierung oder Eisen mit einem μ_r >> 1. 1 shows a container 1 a device for generating magnetic field components in the three spatial axes x, y, z with a wall and a plurality of windings (L). The wall is composed of six plates I-VI. A total of four windings L are led around each of the plates I-VI. The windings L are arranged per plate I-VI for the respective spatial axis x, y, z in pairs one behind the other. The plates I-VI are made, for example, of so-called μ-metal and have a high permeability. As a material for the plates I-VI, for example, a soft magnetic alloy or iron with a μ _r >> 1 is suitable.

Zur Verdeutlichung sind die in den drei Raumachsen x, y, z angeordneten Platten I–VI mit römischen Ziffern gekennzeichnet. Die Wicklungen L sind mit den Buchstaben x, y und z für die zur Erzeugung des magnetischen Feldes in der jeweiligen Raumachse gekennzeichnet. Die einzelnen hintereinander angeordneten Wicklungen sind mit den Buchstaben a und b gekennzeichnet. Damit bedeutet beispielsweise die Kennzeichnung der Wicklung Lx5a, dass die Wicklung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in der Raumachse x auf der Platte V angeordnet ist und es sich mit der Kennzeichnung ”a” um die erste von zwei hintereinander angeordneten Wicklungen handelt.For clarification, the plates I-VI arranged in the three spatial axes x, y, z are marked with Roman numerals. The windings L are identified by the letters x, y and z for the generation of the magnetic field in the respective space axis. The individual successively arranged windings are marked with the letters a and b. Thus, for example, the identification of the winding Lx5a means that the winding for generating a magnetic field in the spatial axis x is arranged on the plate V and that the marking "a" is the first of two windings arranged one behind the other.

2a zeigt die in negativer y-Richtung angeordnete Platte V der Wandung des Behälters 1 aus 1 in einer Ansicht auf die Innenseite des Behälters 1. Hierbei ist zu erkennen, dass die Wicklungen Lz5a, LZ5b, Lx5a und LX5b auf der Innenseite des Behälters 1 parallel zur Kante der Platte V angeordnet sind. An der Außenseite sind die Wicklungen L geneigt geführt und deren erzeugtes Feld durch die Wandung abgeschirmt. Die Wicklungen L erstrecken sich jeweils über die Hälfte der Höhe der Platte V. Je zwei paar Wicklungen L sind über Kreuz zueinander angeordnet, so dass die sich auf der senkrecht zur y-Achse angeordneten Platte V befindlichen Wicklungen zur Erzeugung magnetischer Feldkomponenten in x- und in z-Richtung beitragen. Die Wicklungen L haben mit den Buchstaben ”A” für Anfang und ”E” für Ende gekennzeichnete Anschlüsse. Beaufschlagt man die hintereinander angeordneten Wicklungen L mit unterschiedlichen Strömen, erhält das in der von den beiden Wicklungen L erzeugte magnetische Feld einen Gradienten. 2a shows the arranged in the negative y-direction plate V of the wall of the container 1 out 1 in a view on the inside of the container 1 , It can be seen that the windings Lz5a, LZ5b, Lx5a and LX5b on the inside of the container 1 are arranged parallel to the edge of the plate V. On the outside, the windings L are guided inclined and shielded their field generated by the wall. The windings L each extend over half the height of the plate V. Each two pairs of windings L are arranged crosswise to each other, so that located on the arranged perpendicular to the y-axis plate V windings for generating magnetic field components in x and contribute in the z direction. The windings L have terminals marked with the letters "A" for beginning and "E" for end. If the windings L arranged one behind the other are subjected to different currents, the magnetic field generated by the two windings L receives a gradient.

2b zeigt eine Schnittdarstellung der Platte V aus 2a entlang der Linie IIb-IIb mit zwei magnetischen Feldvektoren HE und HF. Der Feldvektor HE kennzeichnet das magnetische Feld, welches für die Entmagnetisierung der Platte V von Bedeutung ist. Mit dem Feldvektor HF ist das Feld innerhalb des Behälters 1 gekennzeichnet. 2 B shows a sectional view of the plate V from 2a along the line IIb-IIb with two magnetic field vectors HE and HF. The field vector HE characterizes the magnetic field, which is important for the demagnetization of the plate V. With the field vector HF, the field is within the container 1 characterized.

Die Ansteuerung der Wicklungen L erfolgt über insgesamt 6 gleich aufgebauter Verstärker 2, 3, von denen zwei in 3 dargestellt sind. Diese Verstärker 2, 3 weisen jeweils einen Wechselschalter 4, 5 zur wahlweisen Polung der Wicklungen L auf. Die Verschaltung der Signale zur Felderzeugung in den vorgesehenen Raumachsen Fi und den Signalen zur Gradientenerzeugung in den vorgesehenen Raumachsen Gi erfolgt über eine Software in einem in 4 dargestellten Computer 5. Die Verstärker 2, 3 und die Wechselschalter 4, 5 sind Teil einer in 4 dargestellten Schalteinrichtung 6.The control of the windings L is carried out over a total of 6 identically constructed amplifier 2 . 3 of which two in 3 are shown. These amplifiers 2 . 3 each have a changeover switch 4 . 5 for optional polarity of the windings L on. The interconnection of the signals for field generation in the space axes Fi provided and the signals for gradient generation in the space axes Gi provided by a software in an in 4 represented computer 5 , The amplifiers 2 . 3 and the changeover switch 4 . 5 are part of a 4 illustrated switching device 6 ,

4 zeigt schematisch den Aufbau der Versorgung zur Erzeugung des magnetischen Feldes in den vorgesehenen Raumachsen x, y, z. Der bereits in 1 beschriebene Behälter 1 ist über eine Leitung 7 mit der Schalteinrichtung 6 verbunden. Die Leitung 7 führt die einzelnen Anschlüsse A, E der Wicklungen. Die Schalteinrichtung 6 weist eine Y-Leitung 8 mit zwei Steckanschlüssen 9, 10 zur Verbindung mit der Leitung 7 des Behälters 1 auf und wird von dem Computer 5 angesteuert. Einer der Steckanschlüsse 9 dient zur Verschaltung der Wicklungen L zur Erzeugung des magnetischen Feldes in den vorgesehenen Raumachsen x, y, z. Der andere der Steckanschlüsse 10 dient zur Verschaltung der Wicklungen L zur Entmagnetisierung der Platten I–VI der Wandung. Weiterhin zeigt 4, dass der Behälter 1 von weiteren Abschirmungen 11 umgeben ist. Die Abschirmungen 11 sind vorzugsweise wie die Platten I–VI aus einem weichmagnetischen Material gefertigt. 4 shows schematically the structure of the supply for generating the magnetic field in the space axes x, y, z provided. The already in 1 described container 1 is over a line 7 with the switching device 6 connected. The administration 7 leads the individual connections A, E of the windings. The switching device 6 has a Y-line 8th with two plug connections 9 . 10 for connection to the line 7 of the container 1 on and off of the computer 5 driven. One of the plug connections 9 is used to interconnect the windings L for generating the magnetic field in the space axes provided x, y, z. The other of the plug connections 10 is used to interconnect the windings L for demagnetization of the plates I-VI of the wall. Further shows 4 that the container 1 of further shields 11 is surrounded. The shields 11 are preferably like the plates I-VI made of a soft magnetic material.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verschaltung der in 1 dargestellten Wicklungen L und deren Anbindung an die in 3 dargestellten Verstärker 2, 3. Diese Verschaltung dient der Felderzeugung mit den vorgesehenen Gradienten. 5 shows an embodiment of the interconnection of in 1 shown windings L and their connection to the in 3 represented amplifier 2 . 3 , This interconnection serves to generate the field with the intended gradients.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verschaltung zur Entmagnetisierung der Platten I–VI. Mittels dieser Verschaltung wird in den Platten I–VI der in 2b mit HE gekennzeichnete Feldvektor erzeugt. 6 shows an embodiment of the interconnection for demagnetization of the plates I-VI. By means of this interconnection is in the plates I-VI of in 2 B generates HE marked field vector.

Claims

Device for generating a magnetic field in the intended direction in a container bounded by a soft-magnetic wall ( 1 ), with arranged on the wall windings (L) for generating a magnetic field components in space axes provided (x, y, z) and with terminals (A, E) for energizing the windings (L), characterized in that at least two differently shaped Windings (L) for generating a in the same space axis (x, y, z) directed magnetic field (HF) and its gradients or for demagnetization of the wall are provided.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the wall in the intended spatial axis (x, y, z) arranged, preferably made of a soft magnetic material plates (I-VI) and that the windings (L) to individual plates (I-) VI) are guided.

Device according to claim 2, characterized in that the wall comprises six plates (I-VI) arranged in a cuboid, each of the plates (I-VI) comprising two pairs of differently shaped windings (L) and the pairs of windings (L) are arranged in a cross to each other.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the differently shaped windings (L) are arranged one behind the other.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the windings (L) a switching device ( 6 ) is connected upstream, wherein the switching device ( 6 ) has at least two switching positions for different interconnection of the terminals (A, E) of the windings (L).

Apparatus according to claim 5, characterized in that the switching device ( 6 ) as switching positions two differently shaped plug connections ( 9 . 10 ) for connection to the windings (L).

Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the switching device ( 6 ) at least one changeover switch ( 4 . 5 ) for switching the polarity of the windings (L) has.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the windings (L) amplifiers ( 2 . 3 ) and a computer ( 5 ) for controlling the amplifiers ( 2 . 3 ) is connected upstream.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the wall of at least one shield ( 11 ) are surrounded by a soft magnetic material.