DE1169602B - Magnetfeldlinse - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIj

Deutsche Kl.: 21 g - 37/20

Nummer: 1 169 602

Aktenzeichen: S 75144 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 2. August 1961

Auslegetag: 6. Mai 1964

Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldlinse mit 2 «-porigem Feld, wobei η ganzzahlig und größer als 1 ist.

Zur Erzeugung eines magnetischen Vierpolfeldes dient eine magnetische Vierpollinse, die aus paarweise einander gegenüberstehenden Einzelpolen mit hyperpolischer oder angenähert hyperpolischer Oberfläche besteht und durch ein geschlossenes Joch miteinander verbunden sind. Pol und Joch bestehen dabei vorteilhaft aus einem einzigen Eisenkörper. Jeder Pol hat eine eigene Erregerwicklung, und der Wicklungssinn dieser Wicklungen ist so gewählt, daß sich Pole gleicher Polarität gegenüberstehen. Solche Vierpollinsen erfordern einen großen Aufwand an Eisen und komplizierte Wicklungsformen und müssen äußerst präzise gefertigt sein. Sie sind also schwer von Gewicht und aufwendig in der Herstellung.

Eine solche Linse weist die vorgenannten Nachteile nicht auf, wenn erfindungsgemäß an der Innenwand eines hohlen Kreiszylinders parallel zu dessen Achse Stromleiter so verteilt sind, daß die Stromdichte nach der Funktion sinus η · α verläuft. Dabei ist a der Azimutwinkel.

Für den praktischen Aufbau einer solchen Magnetfeldlinse sei auf die von Benaroya und Ramler in der Zeitschrift »Nuclear Instruments and Methods«, Heft 10 (1961), S. 113 bis 120, beschriebene Anordnung zur Erzeugung homogener Felder hingewiesen. Sie besteht aus einem Eisenkern in Form eines bei Motoren üblichen Stators mit Nuten, in denen Wicklungen so angeordnet und stromdurchflossen sind, daß im zylinderförmigen Hohlraum des Eisenkörpers parallel zur Zylinderachse auf den Zylinderinnenmantel verteilte Flächenströme auftreten, deren Dichte etwa dem Sinus des Azimutwinkeis proportional ist. Es wurde erkannt, daß ein solcher genuteter Stator auch zur Erzeugung der für Magnetfeldlinsen erforderlichen inhomogenen Felder herangezogen werden kann. Man erhält z. B. eine Vierpollinse dadurch, daß man die für die homogenen Felder über den Umfang sinusförmig verteilte Flächenstromdichte auf den halben Umfang verteilt und die Wicklung doppelt ausführt, d. h. also mit anderen Worten, daß die Flächenstromdichte im Gegensatz zum homogenen Feld hier dem Sinus des doppelten Azimutwinkels α proportional gemacht werden muß. Am Zylinderumfang herrscht dann ein vom Winkel α abhängiges magnetisches Potential

γ (α) = c-R²-sina-cos a— -c-R²-sm2a. (1) Darin bedeutet R den Radius des Hohlzylinders Magnetfeldlinse

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Max Scheer, Würzburg,

Dipl.-Phys. Eberhard Keil, Offenbach/M.

und c eine Feldkonstante. Für den Fall, daß alle Wicklungen vom gleichen Strom/ durchflossen werden und N die Windungszahl der einzelnen Wicklungen bezeichnet, ergibt sich

c = 2

N-I

Das Einsetzen dieser Beziehung in die Gleichung (1) ergibt dann

γ (a) = N ■ I ■ sin 2 a.. (3)

Diese Verhältnisse, die exakt eigentlich nur für einen zylindrischen, mit einem Eisenring versehenen Hohlraum mit glatter Oberfläche gelten, lassen sich aber mit ausreichender Genauigkeit auch bei genuteten Eisenkörpern verwirklichen, wenn man Windungen in entsprechender Verteilung in den Nuten anordnet.

Die Genauigkeit der Annäherung an die Feldkomponenten in x- und y-Richtung eines dreidimensionalen Koordinatensystems, dessen z-Koordinate mit der Zylinderachse zusammenfällt, wie sie für die *-Achse durch

άγ
J- = c ■ y

äx

und für die v-Achse durch

= C ■ X

(4)

(5)

gegeben ist, und damit auch der ausnutzbare Raum im Innern des Hohlraumes, ist um so größer, je größer die Zahl der Nuten und/oder der Wicklungen in den einzelnen Nuten gewählt ist. Dabei ist der Zusammenhang zwischen der Feldkonstante c und der

¹ ' ■ 409 588/322

Summe der Windungszahlen 2'
gegeben durch

in einem Oktanten

R² I

d. h. c =

21

Hierbei bedeutet / den Strom, der durch die hintereinandergeschalteten Windungen fließt, wobei bei einer Vierpollinse die Summe über einen Oktanten zu nehmen ist.

Die Stromstärke pro Zentimeter Umfang ist gegeben durch

= C-R- cos η α (7)

d/

für eine 2/i-polige Linse. Das magnetische Potential γ (ex) ist dann ganz allgemein

²-sinn a

(8)

Die Schaffung von sechs-, acht- und mehrpoligen Feldern ist dann durch passende Wicklungen der Nuten nach den obengenannten Gesetzmäßigkeiten ohne weiteres möglich.

In der Zeichnung ist für einen einzigen Quadranten eine Vierpolfeldlinse mit einem genuteten Eisenkörper gezeigt, der 72 Nuten insgesamt aufweist. Die übrigen Quadranten sind unter Berücksichtigung der alternierenden Stromrichtung genauso beschaffen, so daß sich ihre Darstellung erübrigt. Die Windungszahlen in den Nuten N₁ bis N₉ sind bei einer Maximalabweichung von 0,5 °/o von dem erwünschten konstanten Feldgradienten in einer Öffnung mit dem Radius 0,8 · R wie folgt zu wählen, und zwar in der Reihenfolge der Nuten N₁ bis N₉ mit 23, 22, 21, 19, 16, 13, 10, 6 und 2. Es ist daraus ersichtlich, daß die Verteilung der Flächenströme vorzugsweise stufenweise vorgenommen wird. Für andere zulässige Abweichungen ergeben sich andere Windungszahlen und andere Stufungen.

Der Einfluß von ganzzahligen Windungen in einzelnen Nuten auf den Feldverlauf gegenüber einem glatten Zylinder läßt sich berechnen unter der Annahme, daß die Linse unendlich lang ist und die Wicklungen aus unendlich dünnen Drähten bestehen, die in der Mitte der Nuten auf einem Kreis mit dem Radius R liegen. Die Anteile der einzelnen Windungen am Feld an einer bestimmten können dann nach dem Biot-Savartschen Gesetz summiert werden. Die obigen Werte für die Windungszahlen stellen Ergebnisse einer solchen Berechnungsweise dar. Dabei ist das Magnetfeld beispielsweise für einen Quadratraster von Punkten berechnet, die innerhalb eines Quadranten in der Öffnung des Zylinders liegen. Die x- und y-Achsen sind von O bis 0,9 · R ίο in Schritte von 0,1 · R eingeteilt. Für ein bestimmtes R erhält man für dieses Beispiel den Wert des Magnetfeldes, indem man die oben angegebenen Zahlen mit

.τ· R

multipliziert.

Die beschriebenen Feldlinsen haben den Vorteil, daß sie wenig Eisen und wenig Wicklungskupfer benötigen und aus üblichen Motorständern bestehen können. Diese lameliierten Ständer erlauben darüber hinaus die Verwendung der Linse für gepulste Vier- und Mehrpolfelder. Auch benötigen diese Linsen keine komplizierten Trapezwicklungen, wie dies bei den bekannten Linsen der Fall ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Magnetfeldlinse mit 2 n-poligem Feld, wobei η ganzzahlig und größer als 1 ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand eines hohlen Kreiszylinders parallel zu dessen Achse Stromleiter so verteilt sind, daß die Stromdichte nach der Funktion sinus η · α verläuft.

2. Magnetfeldlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter in Form von Wicklungen mit der erforderlichen Windungszahl in einem genuteten Eisenkörper nach Art eines Motorständers untergebracht und sämtlich vom gleichen Strom durchflossen sind.

3. Magnetfeldlinse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkörper lamelliert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift »Nuclear Instruments and Methods«, Heft 10, 1961, S. 113 bis 120.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 588/322 4.64 © Bundesdruckerei Bertin