DE112013005046T5

DE112013005046T5 - Omnidirektionaler Elektromagnet

Info

Publication number: DE112013005046T5
Application number: DE112013005046.3T
Authority: DE
Inventors: Andrew J. Petruska; Jacob J. Abbott
Original assignee: University of Utah Research Foundation UURF
Current assignee: University of Utah Research Foundation UURF
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-08-06
Also published as: US20150318101A1; US10199147B2; WO2014063048A1

Abstract

Ein omnidirektionaler Elektromagnet (100) wird offenbart. Der omnidirektionale Elektromagnet (100) umfasst einen ferromagnetischen Kern (110) und drei orthogonale Solenoide (120, 130, 140), die um den Kern (110) angeordnet sind. Jedes Solenoid (120, 130, 140) ist ausgelegt, einen Strom von einer Stromquelle aufzunehmen, um eine Ausrichtung und eine Größe eines Magnetfeldes zu steuern, das von dem omnidirektionalen Elektromagneten (100) erzeugt wird. Einer oder mehrere omnidirektionale Elektromagneten (100) können als ein einziges magnetisches Manipulationssystem verwendet werden. Das Magnetfeld, das von dem omnidirektionalen Elektromagnetsystem erzeugt wird, kann verwendet werden, um mindestens eines von einer Kraft, einem Drehmoment, einer Ausrichtung und einer Position eines benachbarten magnetischen Objekts zu steuern.

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/715,625, die am 18. Oktober 2012 eingereicht wurde, und vorliegend durch Bezugnahme aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Magnetsysteme, die räumlich manipulierbar sind. Daher betrifft die Erfindung die Gebiete des Magnetismus, der Physik und der magnetischen Manipulation.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Mikroskalige und mesoskalige Magnetvorrichtungen wie Kapselendoskope und Mikroroboter können mit einem extern erzeugten Magnetfeld manipuliert werden. Das Magnetfeld legt ohne mechanische Verbindung eine Kombination von Kraft und Drehmoment an die Vorrichtung an. Magnetische Manipulationssysteme wurden verwendet, um eine Vorrichtung entlang eines Wegs zu ziehen, eine Vorrichtung über eine Oberfläche zu rollen oder eine Vorrichtung in eine gewünschte Richtung zu bewegen, wie magnetische Katheter und magnetotaktische Bakterien.
Magnetische Manipulationssysteme haben Permanentmagneten und Elektromagneten integriert. Wenngleich die Dipolmomentgröße eines typischen Elektromagneten durch eine Veränderung des elektrischen Stroms variieren kann, kann eine dynamische Bewegung der Dipolmomentausrichtung eines solchen Elektromagneten mühsam sein. Andererseits ist eine dynamische Bewegung der Dipolmomentausrichtung eines Permanentmagneten typischerweise einfacher, jedoch ist seine Dipolmomentgröße festgelegt.
Eine Kombination von Permanentmagneten und Elektromagneten kann verwendet werden, um ein geeignetes Magnetfeld für einen Manipulationsvorgang zu erzeugen. Einige Vorgänge sind jedoch tendenziell besser entweder für Permanentmagnet- oder Elektromagnetsysteme geeignet. Da zum Beispiel Elektromagnetsysteme eine direktere Kontrolle über die Feldstärke haben, wurden sie für Schwebetechnik mit mehreren Freiheitsgraden und zur Positionssteuerung verwendet. Permanentmagneten, die keine elektrische Energie erfordern, um ein Feld zu erzeugen, sind für Zug- oder Rollvorgänge, die eine Bewegung der Magnetquelle entlang komplexer Bahnen erfordern, gut geeignet.
KURZDARSTELLUNG
Daher ist es wünschenswert, die Vorteile sowohl von herkömmlichen Elektromagneten als auch Permanentmagneten zu kombinieren, um eine Dipolmomentgröße und eine Ausrichtung eines Magnetfeldes ohne bewegliche Teile zu erzeugen und zu variieren. Dementsprechend wird ein omnidirektionaler Elektromagnet bereitgestellt. Ein solcher Magnet umfasst einen ferromagnetischen Kern und drei orthogonale Solenoide, die um den Kern angeordnet sind. Jedes Solenoid kann ausgelegt sein, einen Strom von einer Stromquelle aufzunehmen, um eine Ausrichtung und eine Größe eines Magnetfeldes zu steuern, das von dem omnidirektionalen Elektromagneten erzeugt wird. Da sowohl Anziehungs- als auch Seitenkräfte zwischen einer sich drehenden Dipolquelle und einer sich sympathisch drehenden Magnetvorrichtung erzeugt werden können, kann ein Dipol-Drehfeld effektiver sein als das gleichförmige Drehfeld, das von vielen Elektromagnetsystemen erzeugt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine perspektivische Ansicht eines omnidirektionalen Elektromagneten gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung.
1B ist eine auseinandergezogene Ansicht des omnidirektionalen Elektromagneten aus 1A.
2A stellt einen kubischen ferromagnetischen Kern gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung dar.
2B stellt einen zylinderförmigen ferromagnetischen Kern gemäß einem anderen Beispiel der vorliegenden Offenbarung dar.
3 ist eine schematische Darstellung eines omnidirektionalen Magnetsystems gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung.
4 ist eine schematische Darstellung eines omnidirektionalen Magnetsystems gemäß einem anderen Beispiel der vorliegenden Offenbarung.
5 identifiziert generische Dimensionen für einen ferromagnetischen Kern und orthogonale Solenoide des omnidirektionalen Magneten aus 1A und 1B.
6 ist eine Tabelle mit Ergebnissen einer normalisierten Optimierung für einen omnidirektionalen Elektromagneten gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung.
7 stellt Ergebnisse von Simulationen für Feldstärke, Feldform und prozentualen Fehleranteil aus einer Punkt-Dipol-Näherung für jedes Solenoid eines omnidirektionalen Elektromagneten gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung dar.
Diese Figuren sind lediglich zwecks einer leichteren Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt. Änderungen an Abmessungen, Materialien und dergleichen, einschließlich des Austauschs, der Beseitigung oder Hinzufügung von Komponenten, können in Übereinstimmung mit der folgenden Beschreibung und den zugehörigen Ansprüchen ebenfalls vorgenommen werden. Nun wird auf die dargestellten Ausführungsbeispiele Bezug genommen, wobei hierin eine spezifische Sprache zur Beschreibung derselben verwendet wird. Man wird nichtsdestotrotz verstehen, dass dadurch keine Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung beabsichtigt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun wird auf bestimmte Beispiele Bezug genommen, wobei hierin eine spezifische Sprache zur Beschreibung derselben verwendet wird. Hierin erläuterte Beispiele beschreiben einen omnidirektionalen Elektromagneten und ein System, das ein Feld mit einer Dipolmomentgröße und -ausrichtung erzeugen kann, die beide ohne bewegliche Teile variiert werden können, die zur Objektmanipulation verwendet werden können.
Unter Bezugnahme auf die oben dargelegten allgemeinen Ausführungsformen sei darauf hingewiesen, dass bei der Beschreibung eines omnidirektionalen Elektromagneten oder des zugehörigen Verfahrens jede dieser Beschreibungen als aufeinander anwendbar betrachtet werden, und zwar ganz gleich, ob sie im Kontext dieser Ausführungsform explizit erläutert sind oder nicht. Zum Beispiel sind bei der Erläuterung des omnidirektionalen Elektromagneten an sich das System und/oder Verfahrensausführungsformen ebenfalls in solchen Erläuterungen eingeschlossen und umgekehrt.
Man wird verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die jeweiligen Strukturen, Verfahrensschritte oder hierin offenbarten Materialien eingeschränkt ist, sondern auf Äquivalente davon ausgedehnt wird, wie der Durchschnittsfachmann auf den relevanten Fachgebieten erkennen wird. Man wird auch verstehen, dass die Terminologie, die hierin verwendet wird, nur dem Zwecke der Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen dient und nicht einschränkend sein soll.
Es sei darauf hingewiesen, dass, wie in dieser Patentschrift und den beiliegenden Ansprüchen verwendet, die Singularformen „einer”, „eine”, „ein” und „der”, „die”, „das” Pluralangaben einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorgibt. Somit schließt zum Beispiel eine Bezugnahme auf „einen omnidirektionalen Elektromagneten” einen oder mehrere solcher Magneten ein, und eine Bezugnahme auf ein Solenoid” schließt ein oder mehrere solcher Solenoide ein.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Modifikationen und Kombinationen aus der vorliegenden Offenbarung und den Darstellungen abgeleitet werden können und dass die folgenden Figuren dementsprechend nicht als einschränkend zu betrachten sind.
Bei der Beschreibung und Beanspruchung der vorliegenden Erfindung wird die folgende Terminologie gemäß den nachstehend dargelegten Definitionen verwendet.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck „im Wesentlichen” auf das vollständige oder nahezu vollständige Ausmaß oder den Grad einer Aktion, Charakteristik, Eigenschaft, eines Zustands, einer Struktur, eines Elements oder Ergebnisses. Zum Beispiel würde ein Objekt, das „im Wesentlichen” eingeschlossen ist, bedeuten, dass das Objekt entweder vollständig eingeschlossen oder nahezu vollständig eingeschlossen ist. Der genaue gewährbare Abweichungsgrad von der absoluten Vollständigkeit kann in manchen Fällen von dem jeweiligen Kontext abhängen. Allerdings ist eine nahezu Vollständigkeit im Allgemeinen dergestalt, dass das gleiche Gesamtergebnis erhalten wird als wenn eine absolute oder totale Vollständigkeit erhalten würde. Die Verwendung von „im Wesentlichen” ist gleichermaßen anwendbar, wenn dieser Ausdruck mit einer negativen Konnotation verwendet wird, um auf das vollständige oder nahezu vollständige Nichtvorhandensein einer Aktion, Charakteristik, Eigenschaft, eines Zustands, einer Struktur, eines Elements oder Ergebnisses Bezug zu nehmen.
Wie hier verwendet, bezieht sich „benachbart” auf die Nähe von zwei Strukturen oder Elementen. Insbesondere können Elemente, die als „benachbart” identifiziert werden, entweder aneinander angrenzen oder verbunden sein. Solche Elemente können auch nahe oder dicht zueinander liegen, ohne sich jedoch unbedingt zu berühren. Der genaue Grad der Nähe kann in manchen Fällen von dem jeweiligen Kontext abhängen.
Wie hier verwendet, können eine Vielzahl von Elementen, Strukturelementen, Zusammensetzungselementen und/oder Materialien der Einfachheit halber in einer gemeinsamen Liste aufgeführt sein. Allerdings sind diese Listen so auszulegen, also ob jedes Element der Liste individuell als ein separates und einzigartiges Element identifiziert ist. Somit ist kein individuelles Element einer solchen List nur basierend auf dem Vorhandensein in einer gemeinsamen Gruppe als ein tatsächliches Äquivalent eines beliebigen anderen Elements der gleichen Liste zu verstehen, sofern nicht das Gegenteil angegeben ist.
Die Schritte, die in irgendeinem der Verfahrens- oder Prozessansprüche genannt sind, können in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden und sind nicht auf die spezifische, in den Ansprüchen vorgestellte Reihenfolge eingeschränkt, sofern nicht anderweitig angegeben. Einschränkungen hinsichtlich des Konzepts Mittel-plus-Funktion oder Schritt-plus-Funktion werden nur dann angewendet, wenn für eine bestimmte Anspruchseinschränkung alle folgenden Bedingungen in dieser Einschränkung vorhanden sind: a) „Mittel für” oder „Schritt für” ist ausdrücklich angegeben; und b) eine entsprechende Funktion ist ausdrücklich angegeben. Die Struktur, das Material oder die Handlungen, die die Mittel-plus-Funktion unterstützen, sind in der Beschreibung hierin ausdrücklich angegeben. Dementsprechend ist der Schutzbereich der Erfindung einzig und allein durch die beiliegenden Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente zu bestimmen und nicht nur durch die hierin angegebenen Beschreibungen und Beispiele.
In 1A und 1B sind konzeptuelle Darstellungen eines omnidirektionalen Elektromagneten 100 angegeben. Wie hierin offenbart, kann der omnidirektionale Elektromagnet die Steuerung der Feldstärke im Zusammenhang mit herkömmlichen Elektromagneten und die Steuerung der Dipolausrichtung im Zusammenhang mit sich drehenden Permanentmagneten, jedoch ohne bewegliche Teile kombinieren und kann durch einen zusammengestellten Satz von Elektromagneten gebildet sein, die Dipolmomente aufweisen, die R³, den euklidischen Raum von realen Zahlen, in drei Dimensionen umfassen. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung kann der omnidirektionale Elektromagnet einen ferromagnetischen Kern 110 umfassen. Nicht einschränkende Beispiele von ferromagnetischen Materialien können Eisen, Nickel, Kobalt, Legierungen davon (z. B. mit anderen Metallen oder Metalloiden), Verbundstoffe davon und dergleichen umfassen. In einem Aspekt kann der Kern als ein Sphäroid wie eine Sphäre konfiguriert sein, wie in 1A und 1B dargestellt. Andere Formen können für den Kern ebenfalls verwendet werden, wie, jedoch ohne Einschränkung auf einen Würfel, Quader, Zylinder und dergleichen, wie durch die Kerne 110a, 110b in 2A bzw. 2B dargestellt. In einem anderen Aspekt kann der Kern ein im Wesentlichen festes ferromagnetisches Material oder eine Hülle aus ferromagnetischem Material umfassen. Somit kann der Kern in einem Aspekt insgesamt homogen sein, während in einem fakultativen Fall das ferromagnetische Material eine Hülle um ein zweites Material bilden kann. Das zweite Material kann ein anderes ferromagnetisches Material sein oder kann ein beliebiges anderes nicht ferromagnetisches Material sein.
Ein sphärischer Kern weist mindestens drei wünschenswerte Eigenschaften auf. Erstens weist eine Sphäre keine bevorzugte Magnetisierungsrichtung auf, die sich für eine Ominidirektionalität eignet. Zweitens erzeugt eine Sphäre, wenn sie in einem gleichförmigen Feld (ähnlich dem Feld in der Mitte eines Solenoids) angeordnet wird, ein Punkt-Dipolfeld, das analytisch gut modelliert ist. Drittens entspricht das durchschnittlich angelegte Magnetfeld innerhalb einer Sphäre dem Magnetfeld am Zentrum der Sphäre, sodass ihre durchschnittliche Magnetisierung relativ leicht zu berechnen ist. Eine derartige Konfiguration des omnidirektionalen Elektromagneten, dass er einen sphärischen Kern aufweist, kann die Erweiterung der Feldberechnung auf mehrere, zusammenwirkende omnidirektionale Elektromagneten ermöglichen. Dementsprechend sind keine Finiten-Element-Berechnungen notwendig, um eine Echtzeit-(oder nahezu Echtzeit-)-Steuerung zu ermöglichen. Man sollte erkennen, dass andere Kerngeometrien ohne bevorzugte Magnetisierungsrichtung verwendet werden könnten (z. B. ein Würfel oder ein Quader), jedoch kann eine Modellierung des Magnetfeldes nicht so genau vereinfacht werden wie mit einem sphärischen Kern. Eine genaue Modellierung anderer solcher Formen kann auch zu komplizierteren Berechnungen während des Betriebs führen.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1A und 1B kann der omnidirektionale Elektromagnet 100 ferner drei orthogonale Solenoide 120, 130, 140 umfassen, die um den Kern 110 angeordnet sind. Jedes Solenoid kann ausgelegt sein, einen Strom von einer Stromquelle aufzunehmen, um eine Ausrichtung und eine Größe eines Magnetfeldes zu steuern, das von dem omnidirektionalen Elektromagneten erzeugt wird. Die Formen dieser Solenoide können auf spezifische gewünschte Eigenschaften zugeschnitten sein. In einem Gestaltungsbeispiel können die Solenoide das gleiche Dipolmoment in jeder Richtung aufweisen, wenn die Solenoide jeweils mit der gleichen Stromdichte angetrieben werden. Als Alternative können die Solenoide das gleiche Dipolmoment in jeder Richtung erzeugen, wenn jedes Solenoid bei seiner maximalen Stromdichte angetrieben wird, wobei die maximale Stromdichte eine Funktion von Faktoren wie der Wärmeableitung ist. In einer anderen Alternative können die Solenoide die gleiche Dipolmoment-Veränderungsrate in jeder Richtung erzeugen, wenn jedes Solenoid mit der gleichen angelegten Spannung angetrieben wird. In einem Aspekt kann mindestens einer der drei orthogonalen Solenoide als eine quaderförmige Hülse (z. B. eine vierseitiger Quader mit zwei gegenüberliegenden offenen Enden) konfiguriert sein. In einen bestimmten Aspekt können alle drei orthogonalen Solenoide als quaderförmige Hülsen konfiguriert sein, wie in 1A und 1B dargestellt. In diesem Fall kann ein erstes Solenoid 120 der drei orthogonalen Solenoide in einem zweiten Solenoid 130 der drei orthogonalen Solenoide verschachtelt sein, das wiederum in einem dritten Solenoid 140 der drei orthogonalen Solenoide verschachtelt sein kann. Somit können die Solenoide durch einen im Allgemeinen quadratischen Hüllenquerschnitt gekennzeichnet sein. Diese Konfiguration wird nachstehend ausführlicher erläutert, nämlich genauer in Verbindung mit dem sphärischen ferromagnetischen Kern 110. In anderen Aspekten können die Solenoide als andere polygonale Hülsen oder zylindrische Hülsen konfiguriert sein oder können derart konfiguriert sein, dass sie sich an die Oberflächenkontur des Kerns anpassen. Die Solenoide können durch Wickeln auf eine Form oder einen Rahmen hergestellt werden, um die gewünschte Form zu erzielen. Als Alternative können die Solenoide durch direktes Wickeln auf den ferromagnetischen Kern hergestellt werden. Andere Optionen zur Herstellung können verwendet werden, solange jedes Solenoid von den anderen Solenoiden elektrisch isoliert ist.
In einem Aspekt kann ein Raum, der mit 131, 141 angegeben ist, zwischen benachbarten Solenoiden 120, 130 bzw. 130, 140 bereitgestellt sein, sodass ein Kühlmittel wie ein Fluid zwischen den benachbarten Solenoiden angeordnet werden kann. Zum Beispiel kann der omnidirektionale Elektromagnet 100 einen Kühlmittelweg aufweisen, der konfiguriert ist, die Zirkulation eines Kühlmittels um einen oder mehrere der Solenoide und den Kern wie zwischen benachbarten Solenoiden zu ermöglichen. Somit kann der Kühlmittelweg zum Beispiel den Raum 131 und/oder 141 aufweisen. Wärme, die in jeder Spule durch ohmsche Erwärmung erzeugt wird, kann durch Wärmeableitung für eine dauerhafte Verwendung des omnidirektionalen Elektromagneten an die Umgebung ausgeglichen werden. Daher kann eine effiziente Kühlung höhere Feldstärken ermöglichen, indem der maximale Strom erhöht wird, dem der Elektromagnet kontinuierlich unterzogen werden kann. Diese erhöhte Stärke aufgrund höherer Dauerströme kann die Verringerung der Stärke ausgleichen, die durch etwas kleine Solenoide für Kühlwege verursacht wird. In einer Ausführungsform kann der omnidirektionale Elektromagnet in Kühlmittel eingetaucht werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein omnidirektionaler Elektromagnet einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweisen. In einem Aspekt können der Einlass und der Auslass mit Ventilen versehen sein, um einen Fluidstrom in und aus dem omnidirektionalen Elektromagneten zu steuern. Geeignete Kühlmittel können einschließen, sind jedoch in keiner Weise beschränkt auf entionisiertes Wasser oder wässrige Lösungen, Wärmeübertragungsöle (z. B. THERMINOL, DOWTHERM, UCON, Glycole, Mineralöle, Silikonöle und dergleichen). Solche Kühlmittel können im Allgemeinen nicht leitfähig sein.
Unter Bezugnahme auf 3 und weiterer Bezugnahme auf 1A und 1B ist ein omnidirektionales Magnetsystem 101 gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Das System 101 kann einen omnidirektionalen Magneten wie hierin offenbart wie den omnidirektionalen Magneten 100 aufweisen. Der omnidirektionale Magnet kann mit einem Objekt 102 assoziiert sein, wie nachstehend ausführlicher beschrieben, sodass der omnidirektionale Magnet zum Steuern einer Position und/oder einer Ausrichtung des Objekts oder einer Kraft und/oder eines Drehmoments auf das Objekt verwendet werden kann. Das omnidirektionale Magnetsystem 101 kann auch eine Stromquelle 150 aufweisen, die mit dem omnidirektionalen Magneten elektrisch gekoppelt ist 112, wie über einen oder mehrere Drähte oder Kabel, Jedes der orthogonalen Solenoide des omnidirektionalen Magneten kann ausgelegt sein, einen Strom von der Stromquelle aufzunehmen, um eine Ausrichtung und eine Größe eines Magnetfeldes zu steuern, das von dem omnidirektionalen Elektromagneten erzeugt wird. Zur Ermöglichung eines ordnungsgemäßen Betriebs der orthogonalen Solenoide können das Solenoid und/oder die Solenoiddrähte beschichtet, eingebettet oder anderweitig in einem Harz oder Lack angeordnet sein. Das Harz kann zur Bereitstellung von Elektroisolierung, thermischer Leitfähigkeit und/oder struktureller Bindung des Solenoids aneinander wirken, sodass keine zusätzliche Stützstruktur erforderlich ist, um die Form des Solenoids beizubehalten.
Außerdem kann das omnidirektionale Magnetsystem 101 ein Steuersystem 160 aufweisen, das betriebswirksam mit der Stromquelle 150 gekoppelt ist 152, um einen Strom zu dem omnidirektionalen Elektromagneten 100 zu steuern. Das Steuersystem kann den Strom steuern, der von der Stromquelle zugeführt wird, um die Ausrichtung und Größe der Magnetfelder des omnidirektionalen Elektromagneten zu koordinieren, um eine Position und/oder Ausrichtung des Objekts 102 oder einer Kraft und/oder eines Drehmoments auf das Objekt zu steuern. In einem Aspekt dient der omnidirektionale Elektromagnet zur Erzeugung eines Magnetfeldes benachbart zu dem omnidirektionalen Elektromagneten. In einem bestimmten Aspekt dient der omnidirektionale Elektromagnet dem Anlegen einer Kraft oder eines Drehmoments an eine benachbarte Magnetvorrichtung wie dem Objekt 102 mittels des Magnetfeldes, das von dem omnidirektionalen Elektromagneten erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen kann das Steuersystem zur Erzielung des Zwecks und der Ziele des omnidirektionalen Elektromagneten einen Mikroprozessor aufweisen, um ein Programm auszuführen, das zum Steuern des omnidirektionalen Magneten ausgelegt ist.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein anderes Beispiel eines omnidirektionalen Magnetsystems 201 gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Das System 201 ist dem System 101 aus 3 in vielerlei Hinsicht ähnlich. Zum Beispiel kann das System 201 eine Stromquelle 250 und ein Steuersystem 260 aufweisen. Das System 201 weist jedoch mehrere omnidirektionale Magneten 200a, 200b auf, wie hierin offenbart, die mit einem Objekt 202 assoziiert sind, sodass die omnidirektionalen Magneten zusammen verwendet werden können, um eine Position und/oder eine Ausrichtung des Objekts oder eine Kraft und/oder ein Drehmoment auf das Objekt zu steuern. In diesem Fall können Ströme, die den orthogonalen Solenoiden der omnidirektionalen Magneten von der Stromquelle bereitgestellt werden, zum Steuern einer Ausrichtung und einer Größe eines Magnetfeldes konfiguriert sein, das von den omnidirektionalen Elektromagneten gesteuert wird. Man wird erkennen, dass eine beliebige geeignete Anzahl von omnidirektionalen Magneten verwendet werden kann. Man wird auch erkennen, dass die Stromquelle eine beliebige Anzahl von Stromquellen umfassen kann, die mit den Solenoiden elektrisch gekoppelt sind.
Außerdem kann das omnidirektionale Magnetsystem 201 ein Kühlmittelsystem 270 aufweisen, das betriebswirksam mit den omnidirektionalen Magneten 200a, 200b gekoppelt ist, wie durch Förderleitungen 271a, 271b bzw. Rückführleitungen 272a, 272b. Das Kühlmittelsystem kann zum Zirkulieren von Kühlmittel durch die omnidirektionalen Magneten dienen. Zum Beispiel kann das Kühlmittelsystem eine Pumpe aufweisen, um zu bewirken, dass das Kühlmittel durch die omnidirektionalen Elektromagneten zirkuliert. In einem Aspekt kann die Pumpe kontinuierlich betätigt werden, um einen konstanten Fluidstrom durch die omnidirektionalen Elektromagneten bereitzustellen. In einem anderen Aspekt kann der Betrieb der Pumpe von einem Thermostat oder Zeitmesser gesteuert werden, um nach Erreichen einer vorbestimmten Temperatur oder eines vorbestimmten Zeitintervalls einen Kühlmittelstrom bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann das Steuersystem konfiguriert sein, den Betrieb des Kühlmittelsystems wie den Betrieb der Pumpe zu steuern. Pumpenparameter wie eine Volumendurchflussrate können ebenfalls gesteuert werden. In einem Aspekt kann das Steuersystem auch einen Kühlmittelfluss in und aus dem omnidirektionalen Elektromagneten durch die Steuerung eines Einlass- und/oder eines Auslassventils steuern.
Das Steuersystem kann eine beliebige Hardware, Firmware oder andere Rechenvorrichtung sein, die eine Stromquelle und wahlweise einen Kühlmittelstrom wie hierin erwähnt steuern kann. Zu nicht einschränkenden Beispielen von geeigneten Steuersystemen können ein standardmäßiger Desktop- oder Laptopcomputer, eine Handrechenvorrichtung, dedizierte Rechenvorrichtung oder dergleichen gehören. Das Steuersystem kann eine gewünschte Vorrichtung oder eine gesteuerte Objektposition, -ausrichtung, -kraft und/oder -drehmoment empfangen. Sensoren können verwendet werden, um solche Informationen zu erhalten. Das Steuersystem kann dann die Spannung oder den Strom zum Elektromagneten einstellen, um eine gewünschte Bewegung zu erzielen. Als Alternative kann das Steuersystem die Elektromagnettemperatur überwachen oder schätzen, um Kühlwege einzustellen und höhere Betriebsströme zu ermöglichen. In einem anderen Aspekt kann das Steuersystem die Elektromagnetposition modifizieren, um eine Position, Ausrichtung, Kraft und/oder ein Drehmoment auf das gesteuerte Objekt weiter zu beeinflussen.
Wenngleich nachstehend die Ausführung und Optimierung eines omnidirektionalen Elektromagneten mit Solenoiden mit quadratischem Querschnitt erläutert wird, können die Verfahren auf eine beliebige Anzahl und Form von Solenoiden erweitert werden, die zur Konstruktion eines im Allgemeinen omnidirektionalen Elektromagneten verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 5, die generische Abmessungen für den ferromagnetischen Kern 110 und die Solenoide 120, 130, 140 identifiziert, und unter weiterer Bezugnahme auf 1A und 1B erzeugt der omnidirektionale Elektromagnet 100 ein Magnetfeld, das ungefähr durch ein Punkt-Dipolfeld für Positionen außerhalb der kleinsten Begrenzungssphäre des omnidirektionalen Elektromagneten vorhanden sein kann. Das Punkt-Dipolfeld kann in einer koordinatenfreien Form wie folgt ausgedrückt werden
wobei p der Vektor (mit zugehörigem Einheitsvektor p ^) vom Zentrum des omnidirektionalen Elektromagneten zu dem Punkt von Interesse ist, I eine Identitätsmatrix von 3 × 3 ist, μ₀ die Durchlässigkeit von freiem Raum ist und m das Dipolmoment des Systems ist, das eine lineare Kombination der Dipolmomente von jedem Solenoid und dem magnetisierten Kern ist.
Das Dipolmoment für jedes Solenoid mit quadratischem Querschnitt wird durch die Vektorfläche der Stromdichte in dem Solenoid wie folgt angegeben:
wobei J die Stromdichte in Einheiten A·m^–2 ist, L die axiale Länge des Solenoids (mit zugehörigem axialen Einheitsvektor I ^) ist und β₁ = W/L bzw. β₂ = (W + 2T) die Seitenverhältnisse von innerer Breite zu Länge bzw. äußerer Breite zu Länge beschreiben. Das maximale Dipolmoment, das ein rechteckiges Prisma mit einem Begrenzungswürfel mit einer Kantenlänge L, der kein ferromagnetisches Material enthält, in einer Richtung erzeugen kann, ist in (2) mit β₁ = 0 und β₂ = 1 angegeben und ist JL⁴ / 6. Das maximale Dipolmoment, das für einen beliebigen omnidirektionalen Elektromagneten ohne eisenhaltiges Material und mit einer Kantenlänge L zu erwarten wäre, beträgt somit 1/3 des unidirektionalen Falls: JL⁴ / 18.
Das Dipolmoment eines sphärischen Kerns mit geringer Koerzitivfeldstärke und hoher Durchlässigkeit (χ >> 1), wenn dieser in seinem linearen Bereich magnetisiert wird, lautet wie folgt:
wobei der Überstrich für eine Menge steht, die über das Volumen V gemittelt ist, R_c der Radius des Kerns oder D/2 ist und B_c das angelegte Magnetfeld am Zentrum des Kerns ist, das eine lineare Kombination des Feldes aufgrund jedes Solenoid ist und durch das Biot-Savart-Gesetz (für ein Solenoid mit quadratischem Querschnitt und gleichförmiger Stromdichte) wie folgt berechnet werden kann:
Durch Kombinieren der Dipolmomente aufgrund des magnetisierten Kerns und jedes der Solenoide lautet das Dipolmoment insgesamt des Omnimagneten m = m_x + m_y + m_z somit wie folgt
wobei die Indizes x, y und z dem Solenoid entsprechen, das um die kartesischen Achsen x, y bzw. z gewunden ist. Ohne die Allgemeinheit zu verlieren, kann das innerste Solenoid 120 der x-Achse entsprechen, das mittlere Solenoid 130 kann der y-Achse entsprechen und das äußere Solenoid 140 kann der z-Achse entsprechen, wie in 1B dargestellt.
Eine Gestaltungswahl für einen omnidirektionalen Elektromagneten kann erforderlich machen, dass m_x = m_y = m_z ist, wenn J_x = J_y = J_z ist, wobei nur zwei der zehn Bedingungen bereitgestellt sind, die zur Beschreibung einer omnidirektionalen Elektromagnetgestaltung notwendig sind. Die zusätzlichen acht Freiheitsgrade ermöglichen eine weitere individuelle Anpassung der Gestaltung. Zum Beispiel maximiert eine Minimierung des freien Raums (d. h. des Raums, der weder stromführend noch ferromagnetisch ist) und eine Optimierung der Kerngröße die Dipolmomentstärke für eine Gesamtgröße und Stromdichte, wohingegen eine Wahl zur Minimierung der Kugelfunktionen höherer Ordnung, die mit den Solenoiden assoziiert sind, eine genauere Dipolfeldnäherung bereitstellen würde. Als allgemeiner Leitfaden gilt, dass, wenn jede der drei Stromdichten auf ihr jeweiliges Maximum getrieben wird, dann die drei Magnetisierungen gleich sein sollten. Dies wäre ein optimierter omnidirektionaler Elektromagnet, wie hier verwendet. Dementsprechend sind solche Stromdichten nicht unbedingt immer gleich, wobei das jeweilige „Maximum” basierend auf einem bestimmten Satz von Gestaltungsannahmen und subjektiven Spezifikationen spezifiziert ist, die für eine bestimmte Anwendung festgelegt werden. Zum Beispiel könnte die maximale Stromdichte, die an ein bestimmtes Solenoid angelegt werden kann, derart festgelegt werden, dass eine Beharrungstemperatur in der Spule einen bestimmten Wert (z. B. den Wert, bei dem die Isolierung des Drahtes zerbrechen würde) nicht überschreitet; dieser Wert könnte für jedes Solenoid anders sein (z. B. kann das äußerste Solenoid Wärme schneller verlieren als das innerste Solenoid, da es der Außenluft ausgesetzt ist).
Zur Minimierung des freien Raums kann die Breite des innersten Solenoids 120 entsprechend dem Durchmesser des Kerns 110 (W_x = 2R_c) eingestellt werden, die Länge jedes Solenoids kann entsprechend der Breite des nächsten (weiter außen liegenden) Solenoids (L_x = W_y, L_y = W_z) eingestellt werden und das Profil jedes Solenoids kann ein Würfel (β_x,z = β_y,z = β_z,2 = 1) sein. Zusammen definieren die sechs geometrischen Bedingungen, die zwei Definitionsbedingungen, die Bedingung hinsichtlich der Gesamtgröße des omnidirektionalen Elektromagneten bezüglich L_z und die Bedingung hinsichtlich des maximalen Dipolmoments den Zehn-Parameter-Gestaltungsraum voll und ganz.
Eine Minimierung des Quadrupolterms in der Mehrpolexpansion für das Magnetfeld, das von den Solenoiden erzeugt wird, bringt einen omnidirektionalen Elektromagneten hervor, der in Bezug auf das Dipolfeldmodell kaum Fehler aufweist. Der Quadrupolterm kann durch eine harmonische Expansion des Vektorpotenzials des Feldes berechnet werden und weist eine Größe auf, die proportional zu einem Polynom ist, das von der Spulengeometrie abhängig ist. Das Polynom für den Quadrupolterm eines Solenoids mit quadratischem Querschnitt, einer inneren Breite W, Länge L und Wicklungsdicke T lautet wie folgt: (15W² – 15L² + 40T² + 30TW)(4T² + 6TW + 3W²) – 16T⁴ (6)
Geometrien, die (6) auf null stellen, weisen keinen Quadrupolterm in der Mehrpolexpansion auf. Die Gestaltungsbedingungen sind hier die gleichen wie die Gestaltungsbedingungen bezüglich der maximalen Stärke, außer dass die Anforderung, dass jedes Solenoid ein Würfel ist, durch die Anforderung ersetzt wird, dass die Geometrie einer Null in dem Polynom (6) entspricht.
Die folgende Vorgehensweise kann angewendet werden, um die Geometrie zu finden, die numerisch alle Bedingungen erfüllt. Zuerst wird die Bedingung der Gesamtgröße durch Nichtdimensionalisieren des Problems durch Normalisieren aller Längen mit L_z und des Dipolmoments mit (JL_↓max^↑4)/18 (das oben vorgestellte maximale Dipolmoment mit nicht ferromagnetischem Material) aufgenommen. Danach können für eine Sequenz von Kerndurchmessern die Dicken von zwei Solenoiden eingestellt werden, um die Varianz von {m_x; m_y; m_z} zu minimieren, die durch die Gestaltungswahl gegeben ist, dass J_x = J_y = J_z ist, wobei gleichzeitig die geometrischen Bedingungen erfüllt sind. Gleichung 2, 4, 5 und 6 können für nicht würfelförmige Solenoide modifiziert werden, indem Variationen in der x-, y- und z-Dimension Rechnung getragen wird, während Gleichung 3 für nicht sphärische Kerne modifiziert werden kann. Als Alternative können Werkzeuge für eine Finite-Element-Analyse verwendet werden, um diese Variablen für verschieden geformte Solenoide und/oder Kerne zu schätzen, ohne entsprechende Gleichungen explizit abzuleiten.
Die Ergebnisse der normalisierten Optimierung sind in 6 dargestellt. Jeder Punkt auf der Linie, die in 6 dargestellt ist, entspricht einem omnidirektionalen Elektromagneten. In einem Aspekt kann ein Durchmesser des ferromagnetischen Kerns zwischen etwa 40% und etwa 75% einer maximalen äußeren Länge des dritten Solenoids liegen. In einem spezifischen Aspekt kann ein Durchmesser des ferromagnetischen Kerns zwischen etwa 55% und etwa 60% einer maximalen äußeren Länge des dritten Solenoids liegen. Dies kann zur Maximierung der Dipolmomentstärke besonders geeignet sein. Die optimale Gestaltung, die die Stärke maximiert, weist ein Verhältnis von Kerndurchmesser zu äußerer Länge von 0,57 auf, wenn jedes Solenoid als eine würfelförmige Hülse konfiguriert ist, wobei ein bestimmtes Solenoid gleiche äußere Längenabmessungen aufweist. In einem anderen spezifischen Aspekt kann ein Durchmesser des ferromagnetischen Kerns zwischen etwa 60% und etwa 65% einer maximalen äußeren Länge des dritten Solenoids liegen. Dies kann zur Minimierung oder Verringerung von Fehlern des Dipolfeldmodells besonders geeignet sein, wobei dennoch gleichzeitig das erzeugte Dipolmoment maximiert wird. Die optimale Gestaltung, die Fehler des Dipolfeldmodells minimiert oder verringert, weist ein optimales Verhältnis von Kerndurchmesser zu äußerer Länge von 0,63 auf. Andere Solenoidkonfigurationen können variierende optimale Durchmesser aufweisen, können jedoch anhand der hierin dargelegten Prinzipien berechnet werden. Man wird erkennen, dass die Außenabmessungen einer quaderförmigen Hülse derart bemessen sein können, dass sie einen im Wesentlichen perfekten Würfel bilden, oder die Außenabmessungen voneinander um bis zu etwa 15% variieren können. Darüber hinaus können ein oder beide Enden einer quaderförmigen Hülse offenendig sein, um eine Verschachtelung der quaderförmigen Hülsen bereitzustellen und/oder einen ferromagnetischen Kern innerhalb einer quaderförmigen Hülse anzuordnen. Man wird erkennen, dass die Seitenverhältnisse der verschachtelten quaderförmigen Hülsen voneinander variieren können.
Die Leistung der Konfigurationen, die in 6 vorgestellt sind, kann gegenüber kleinen Variationen unempfindlich sein und die Leistung nur geringfügig beeinflussen. Dies kann vorteilhaft sein, da zum Beispiel leichte Abweichungen von der optimalen Konfiguration ermöglichen können, dass Leiter und/oder Kühlmittelwege den inneren Solenoiden und/oder Toleranzen für die Montage bereitgestellt werden.
In der optimalen Gestaltung mit maximaler Stärke kann die Magnetisierung des sphärischen Kerns den freien Raum ausgleichen, welcher der Verschachtelung zugrunde liegt, und stellt eine 15%ige Zunahme der Dipolmomentstärke gegenüber einem omnidirektionalen Elektromagneten ohne Kern bereit. Interessanterweise weist diese optimale Konfiguration ein Dipolmoment in jeder Richtung auf, das 99% des Maximalwertes beträgt, der zu erwarten wäre, wenn das gesamte Volumen benutzt würde, um die Momente ohne freien Raum und ohne ferromagnetisches Material zu schaffen, jedoch mit weniger Energieverbrauch und mehr Wärmeübertragungsoberflächenbereich. Wenngleich die Größe des Dipolmoments in jede Richtung die gleiche ist, sind der Prozentanteil des Dipolmoments, der dem Kern zugeschrieben wird, oder die Wicklungen für jedes Solenoid unterschiedlich. Zum Beispiel beträgt der Prozentanteil des Dipolmoments aus dem (Kern/Wicklungen) ungefähr (38/62), (24/76) und (18/82) für das innere, mittlere bzw. äußere Solenoid. Die optimale Nicht-Quadrupol-Gestaltung ist mit Prozentanteilen von (Kern/Wicklung) von ungefähr (41/59), (28/72) und (21/79) ähnlich. Die mit einem Dipolfeldmodell in Zusammenhang stehende Fehlerrate ist verringert, jedoch verringert die Verringerung des Spulenvolumens zur Minimierung des Quadrupolterms das maximale Moment auf 93% des Maximalwertes, der zu erwarten wäre, wenn kein freier Raum und kein ferromagnetisches Material vorhanden wäre. Interessanterweise entspricht die Geometrie ohne Quadrupolterm Spulen, die breiter als lang sind. Diese Spulengeometrie ist vorteilhaft, da sie die Realisierung einer Gestaltung ausführbarer macht, weil offene Wege zu dem innersten Solenoid für Leiter der Geometrie innewohnend sind.
Da jedes Solenoid in dem omnidirektionalen Elektromagnet eine andere Geometrie aufweist, hat das Magnetfeld, das von jedem Solenoid erzeugt wird, nicht exakt die gleiche Form für Positionen in der Nähe des omnidirektionalen Elektromagneten. Um die feinen Unterschiede hinsichtlich der Feldform zu verstehen, wurden mehrere FEA-Simulationen beider omnidirektionalen Elektromagnetgeometrien unter Verwendung von Ansoft Maxwell 14.0 ausgeführt. In diesen Simulationen wurde jeweils nur einer der Solenoide mit Energie beaufschlagt.
Die Ergebnisse der Simulationen (Feldstärke, Feldform und prozentuale Fehlerrate aus der Punkt-Dipol-Näherung) für jedes Solenoid sind in 7 dargestellt. Da das äußerste Solenoid das größte ist, ist es für den Großteil der Feldabweichungen nahe dem omnidirektionalen Elektromagneten verantwortlich. Das Feld in jeder Richtung verringert sich schnell zu einem reinen Dipolfeld mit Abstand. Zum Beispiel verringern sich die Magnetfeldformen, die von den optimierten Gestaltungen erzeugt werden, auf fünf Prozent eines Punkt-Dipolfeldes innerhalb von zwei minimalen Begrenzungskugelradien. Wie dargestellt, weist die Nicht-Quadrupol-Geometrie ein engeres und symmetrischeres Fehlerband auf. Abweichungen von dem Punkt-Dipolmodell sind mit einem nicht sphärischen Permanentmagnet vergleichbar.
Andere optimale Lösungen können erhalten werden, wenn einige der Bedingungsfaktoren gelockert werden, während gleichzeitig noch immer der Zweck eines omnidirektionalen Elektromagneten erfüllt ist. Zum Beispiel kann die Verwendung eines würfelförmigen Kerns eine ungefähr 48%ige Zunahme der Menge von ferromagnetischem Material gegenüber einem sphärischen Kern der gleichen Breite bereitstellen und kann für eine bestimmte Außenabmessung auf Kosten einer wahrscheinlich schlechteren Anpassung an das Dipolfeldmodell einen stärkeren Magneten erzeugen. Mit einem sphärischen Kern könnte eine Veränderung der Form der Solenoide von einem quadratischen Querschnitt von gleichförmiger Dicke zu einem kreisförmigen Querschnitt sowohl mit einer Dicke als auch einem Radius, die entlang der Achse der Wicklungen variieren, alle Kugelfunktionen höherer Ordnung beseitigen und ein echtes Dipolfeld aufweisen.
Andere Wicklungstechniken wie das gleichzeitige Wickeln der drei orthogonalen Solenoide, sodass die orthogonalen Solenoide miteinander verflochten sind, um insgesamt ein Gewebe um den Kern zu schaffen, können zu einem kompakteren omnidirektionalen Elektromagnet mit wenig oder gar keinem freien Raum führen. Im Gegensatz dazu kann eine Optimierung der Form des freien Raums für eine konvektive oder leitfähige Wärmeableitung die Verwendung einer höheren Stromdichte ermöglichen, sodass ein kompakterer Magnet für ein Dipolmoment insgesamt geschaffen wird. Zusammenfassend gibt es viele Arten und Weisen, einen „optimalen” omnidirektionalen Elektromagnet zu definieren und zu realisieren, der für spezifische Gestaltungsspezifikationen optimiert ist. In jedem Fall kann das optimierte Ergebnis dennoch ein dipolähnliches Feld in jeder Richtung erzeugen. Ferner können das Dipolmoment und das resultierende Magnetfeld für ein oder mehrere Solenoide zu einem beliebigen Zeitpunkt vollständig abgeschaltet werden. Materialien können derart gewählt werden, dass sie eine geringe Remanenz (d. h. Magnetspeicher) aufweisen, sodass restliche Felder in Bezug auf Reaktionen von mechanischen Systemen, die mit den hierin beschriebenen omnidirektionalen Systemen gesteuert werden, unwesentlich sein können.
In einem Aspekt kann das Steuersystem konfiguriert sein, die Magnetfelder in Echtzeit durch die Verwendung einer vorberechneten Feldkarte für jeden omnidirektionalen Elektromagneten (z. B. 7) und durch die Integration des Feldbeitrags am Zentrum jedes Kerns der omnidirektionalen Elektromagneten aufgrund des Feldes aller anderen omnidirektionalen Elektromagnete in dem System zu modulieren, was zu einem Satz gekoppelter algebraischer Gleichungen führt. In einem Aspekt kann die oben beschriebene vorberechnete Feldkarte auf Kosten der Genauigkeit durch eine Dipolfeldnäherung von Gleichung (1) für schnellere und rauschfreie numerische Berechnungen ersetzt werden.
Somit wurden hierin im allgemeinen ein omnidirektionaler Elektromagnet und ein System sowie optimierte Gestaltungen für den spezifischen Fall eines Elektromagneten mit im Allgemeinen quadratischem Hüllenquerschnitt sowohl für die Maximierung der Stärke als auch die Minimierung von Fehlern zwischen dem Feld des omnidirektionalen Elektromagneten und demjenigen eines reinen Dipolfeldes durch Beseitigen des Quadrupolmoments offenbart. Da der omnidirektionale Elektromagnet ein Dipolfeld erzeugen kann, das in jeder Richtung mit einer variablen Größe ausgerichtet ist, kombiniert er die Vorteile eines sich drehenden Permanentmagneten und eines herkömmlichen Elektromagneten für die Manipulation von Magnetvorrichtungen.
Der omnidirektionale Elektromagnet kann in vielen verschiedenen Anwendungen besonders nützlich sein. Zum Beispiel kann der omnidirektionale Elektromagnet zur Verwendung bei der Steuerung oder Manipulation eines Objekts wie oben beschrieben wie einer medizinischen In-vivo-Vorrichtung (z. B. Kapselendoskop, Katheter mit Magnetspitze, MEMS für die Augenchirurgie oder -untersuchung, Cholea-Implantat, chirurgische Vorrichtungen für das Harn- oder Fortpflanzungssystem, Dexterous Manipulator, endoskopische Kamera, schwimmende und kriechende mikroskalige und mesoskalige Vorrichtung, magnetische Schraube usw.) konfiguriert sein. In einem Aspekt kann ein Objekt oder eine Vorrichtung, die von einem omnidirektionalen Magneten gesteuert oder manipuliert wird, einen Magnetbestandteil für die Anwendung eines oder beider einer Kraft und eines Drehmoments aufweisen. In einem bestimmten Beispiel kann ein omnidirektionaler Magnet verwendet werden, um ein magnetisch gesteuertes Kapselendoskop beispielsweise im Magendarmtrakt eines Patienten zu lenken. In diesem Fall kann die Kapsel verschluckt und in der Speiseröhre, dem Magen, Darm und/oder Kolon unter Verwendung eines Gastroskops beobachtet werden. Die Manövrierbarkeit des omnidirektionalen Magneten kann verwendet werden, um die diagnostische Endoskopie zu verbessern sowie die therapeutische Kapselendoskopie zu ermöglichen. In einem anderen bestimmten Beispiel kann ein omnidirektionaler Magnet verwendet werden, um einen Mikroroboter in Weichgewebe fortzubewegen. In diesem Fall kann der omnidirektionale Magnet an einer Schraube befestigt sein, um ein Drehmoment zu erzeugen, um die Schraube zu drehen und den Mikroroboter anzutreiben. In ähnlicher Weise kann ein omnidirektionaler Magnet verwendet werden, um eine starre Helix zu drehen, um Antrieb in einem Fluid zu erzeugen. Außerdem kann ein omnidirektionaler Magnet zusammen mit einem typischen magnetischen Steuersystem zum Steuern oder Manipulieren eines Objekts verwendet werden. Zum Beispiel kann ein omnidirektionaler Magnet als ein „Feinsteuerungs”-System mit hoher Bandbreite verwendet werden und ein typisches Permanentmagnet- oder Elektromagnetmanipulationssystem kann als ein „Grobsteuerungs”-System mit niedriger Bandbreite verwendet werden, um ein Objekt zu steuern. Zusätzliche nicht einschränkende Beispiele von Anwendungen können die Manipulation einer Vorrichtung im Gehirn oder der Wirbelsäule für medizinische Prozeduren an einem sich entwickelnden Fötus, eine mikroskalige Vorrichtung unter der Führung eines optischen Mikroskops, eine Vorrichtung im Weltall (die z. B. in oder in der Nähe einer Raumstation oder eines Satelliten eingesetzt wird) und eine Vorrichtung innerhalb eines Rohrs oder einer rohrähnlichen Struktur einschließen.
Der omnidirektionale Elektromagnet kann auch als ein modulares System konfiguriert sein, das ohne Weiteres an einer vorhandenen Einrichtung anbringbar und von dieser lösbar ist. Mehrere omnidirektionale Elektromagneten können für eine spezifische medizinische Prozedur basierend auf der Anatomie des Patienten und der auszuführenden Prozedur konfiguriert sein, wobei die gleichen omnidirektionalen Elektromagneten für einen neuen Patienten und eine neue Prozedur mit minimalem Aufwand neu konfiguriert werden können. Es darf nicht davon ausgegangen werden, dass die optimale Anzahl von omnidirektionalen Elektromagneten für eine bestimmte Prozedur die gleiche ist wie die optimale Anzahl für eine andere Prozedur. Außerdem darf nicht davon ausgegangen werden, dass die Größe und Stärke der einzelnen omnidirektionalen Elektromagneten innerhalb einer bestimmten Prozedur die gleichen sind.
Man wird verstehen, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen illustrativ für die Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind. Zahlreiche Modifikationen und alternative Anordnungen sind denkbar, ohne von dem Geist und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wobei die vorliegende Erfindung in den Zeichnungen dargestellt und oben in Verbindung mit dem bzw. den Ausführungsbeispiel(en) der Erfindung beschrieben wurde. Der Durchschnittsfachmann wird zu schätzen wissen, dass zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und Konzepten der Erfindung wie in den Ansprüchen dargelegt abzuweichen.

Claims

Omnidirektionaler Elektromagnet, umfassend: einen ferromagnetischen Kern; und drei orthogonale Solenoide, die um den Kern angeordnet sind, wobei jedes Solenoid ausgelegt ist, einen Strom von einer Stromquelle aufzunehmen, um eine Ausrichtung und eine Größe eines Magnetfeldes zu steuern, das von dem omnidirektionalen Elektromagneten erzeugt wird.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 1, wobei der ferromagnetische Kern als ein Sphäroid konfiguriert ist.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 1, wobei der ferromagnetische Kern als ein Quader konfiguriert ist.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 1, wobei der ferromagnetische Kern als ein Zylinder konfiguriert ist.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 1, wobei der ferromagnetische Kern derart konfiguriert ist, dass er eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung aufweist.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 1, wobei der ferromagnetische Kern einen festen Kern umfasst.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 1, wobei die Solenoide in einem Harz oder Lack angeordnet sind.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der drei orthogonalen Solenoide als eine quaderförmige Hülse konfiguriert ist.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 8, wobei die drei orthogonalen Solenoide als quaderfömige Hülsen konfiguriert sind und ein erstes der drei orthogonalen Solenoide in einem zweiten der drei orthogonalen Solenoide verschachtelt ist, das in einem dritten der drei orthogonalen Solenoide verschachtelt ist.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 9, wobei ein Durchmesser des ferromagnetischen Kerns zwischen etwa 40% und etwa 75% einer maximalen äußeren Länge des dritten Solenoids beträgt.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der drei orthogonalen Solenoide miteinander verflochten sind.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Kühlmittel, das zwischen mindestens zwei der drei orthogonalen Solenoide angeordnet ist.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 1, dessen Zweck es ist, ein Magnetfeld benachbart zu dem omnidirektionalen Elektromagneten zu erzeugen.
Omnidirektionaler Elektromagnet nach Anspruch 13, dessen Zweck es ist, mittels des Magnetfeldes, das von dem omnidirektionalen Elektromagneten erzeugt wird, eine Kraft oder ein Drehmoment an eine benachbarte magnetische Vorrichtung anzulegen.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem, umfassend: eine Stromquelle; und einen omnidirektionalen Elektromagneten, der mit der Stromquelle elektrisch gekoppelt ist und Folgendes aufweist einen ferromagnetischen Kern und drei orthogonale Solenoide, die um den Kern angeordnet sind, wobei jedes Solenoid ausgelegt ist, einen Strom von der Stromquelle aufzunehmen, um eine Ausrichtung und eine Größe eines Magnetfeldes zu steuern, das von und benachbart zu dem omnidirektionalen Elektromagneten erzeugt wird.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, ferner umfassend ein Steuersystem zum Steuern eines Stroms zu dem omnidirektionalen Elektromagneten, um eine Ausrichtung und Größe des Magnetfeldes des omnidirektionalen Elektromagneten zu koordinieren, um mindestens eines von einer Position und einer Ausrichtung eines Objekts zu steuern.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, ferner umfassend ein Steuersystem zum Steuern eines Stroms zu dem omnidirektionalen Elektromagneten, um eine Ausrichtung und Größe des Magnetfeldes des omnidirektionalen Elektromagneten zu koordinieren, um mindestens eines von einer Kraft und einem Drehmoment zu steuern, die an ein Objekt angelegt werden.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, ferner umfassend einen oder mehrere zusätzliche omnidirektionale Elektromagneten, die mit der Stromquelle elektrisch gekoppelt sind.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 18, ferner umfassend ein Steuersystem zum Steuern eines Stroms zu den omnidirektionalen Elektromagneten, um eine Ausrichtung und Größe des Magnetfeldes der omnidirektionalen Elektromagneten zu koordinieren, um mindestens eines von einer Position und einer Ausrichtung eines Objekts zu steuern.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 18, ferner umfassend ein Steuersystem zum Steuern eines Stroms zu den omnidirektionalen Elektromagneten, um eine Ausrichtung und Größe der Magnetfelder der omnidirektionalen Elektromagneten zu koordinieren, um mindestens eines von einer Kraft und einem Drehmoment zu steuern, die an ein Objekt angelegt werden.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, das zur Verwendung bei der Manipulation einer Kapselendoskopvorrichtung konfiguriert ist.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, das zur Verwendung bei der Manipulation einer Magnetkathetervorrichtung konfiguriert ist.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, das zur Verwendung bei der Manipulation eines Cochlea-Implantats konfiguriert ist.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, das zur Verwendung bei der Manipulation einer Vorrichtung in einem Auge konfiguriert ist.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, das zur Verwendung bei der Manipulation einer Vorrichtung innerhalb des Harn- oder Fortpflanzungssystems konfiguriert ist.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, das zur Verwendung bei der Manipulation einer Vorrichtung innerhalb des Gehirns oder der Wirbelsäule konfiguriert ist.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, das zur Verwendung bei der Manipulation einer Vorrichtung für medizinische Prozeduren an einem sich entwickelnden Fötus konfiguriert ist.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, das zur Verwendung bei der Manipulation einer mikroskaligen Vorrichtung unter der Leitung eines optischen Mikroskops konfiguriert ist.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, das zur Verwendung bei der Manipulation einer Vorrichtung im Weltall konfiguriert ist.
Omnidirektionales Elektromagnetsystem nach Anspruch 15, das zur Verwendung bei der Manipulation einer Vorrichtung innerhalb eines Rohrs oder einer rohrähnlichen Struktur konfiguriert ist.