DE1439896C - 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 Fig. 1 eine Vorderansicht einer Magnetvorrichbekannt, bei denen in dem Hilfsluftspalt magnetisch tung, in der die Erfindung verwendet werden kann, permeable Scheiben (schweizerische Patentschrift Fig. 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 Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine andere Aus-

gungen vorgenommen wird. führungsform der Erfindung.

Praktisch ist es jedoch nicht möglich, auf diese Gemäß der F i g. 1 enthält eine Magnetvorrichtung Weise Inhomogenitäten zu beseitigen, die durch un- !©,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-

Zu r 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 cder 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 Fonnscheibe 38, beispielsweise

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eine dünne Stahlmembran, deren Durchmesser größer spielsweise einen Durchmesser von 22,2 mm und ist als der des rohrförmigen Teils 34 des Polschuhs eine Steigung von 1,81mm. Das Außengewinde der 28. An der Formscheibe 38 sitzt ein Ring 40, in Differentialschraube 64 sitzt in einem mit Gewinde dessen Öffnung ein Ende eines Stabes 42 sitzt, der versehenen Teil des Polschuhs 46 und kann relativ an der Scheibe 38 befestigt ist. Der Stab 42 kann 5 zum Polschuh mit Hilfe eines Schlitzpaares 66 verdurch eine zentral angeordnete Bohrung im Pol 14 dreht werden, das an einem Ende der Differentialdurch Verdrehen eines Stopfens oder einer Mutter schraube 64 vorgesehen ist. Die beiden Schlitze 66 44 vorgeschoben oder zurückgezogen werden, der sind εο geformt, daß sie ein Paar Klauen oder Zinbeispielsweise in ein Gewinde an einem Ende des ken 68 aufnehmen, die einen Teil eines Einstell-Stabes 42 eingreift. Wenn der Stab 42 zurückge- io Werkzeuges 70 bilden, das durch einen inneren zogen wird, wird die Formscheibe 38 gegen die hohlen Kanal greift, der zum Äußeren des Magneten Schulter 36 gepreßt, von der ein Ende oder eine Ecke führt. Das Einstellwerkzeug 70 besteht aus einer dann als Stützpunkt wirkt (Punkt A), durch den eine hohlen Büchse 72 und einem Einstellknopf 74, der Verbiegung oder eine Deformation der Scheibe 38 aus dem Magnetaufbau herausragt, so daß die Einbewirkt wird. Die Form der Scheibe 38 wird gebogen 15 stelleinrichtung während des Einstellens leicht zu- oder kurvenförmig, so daß sie einen meniskusartigen gänglich ist. Die Büchse 72 und der Knopf 74 sind Magnetkörper im Hilfsluftspalt bildet. Diese Wöl- mit Stiften 76 vereinigt, so daß ein einheitlicher bung bewirkt eine Änderung der magnetischen Fluß- Körper gebildet wird und Büchse und Knopf sich linien in der Polkappe 26. Durch Veränderung der gemeinsam bewegen können. Das Einstellwerkzeug Formen der Scheiben 38, die jeder Polkappe 26 zu- 20 70 und seine Büchse 72 passen eng in einen Halter geordnet sind, kann das Magnetfeld zwischen den 78; es ist leicht drehbar gelagert, beispielsweise in Polkappen kontollierbar verändert werden. nicht dargestellten Lagern.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Er- Während des Einstellvorganges, wenn es erfindung, die in Fig. 3 dargestellt ist, besteht ein wünscht ist, die Form des Magnetfeldes zu ändern Magnetpol aus einem Polschuh 46 und einer zu- 25 und relativ flache Flußlinien im mittleren Bereich gehörigen Polkappe 48, die mit dem Polschuh ver- zwischen den Polkappen 48 einzustellen, wird der einigt ist, der eine kreisförmige Aussparung aufweist, Einstellknopf 74 gedreht, während die Klauen 68 in so daß ein Hilfsluftspalt zwischen Kappe und Schuh die Schlitze 66 eingreifen, so daß sich die Differengebildet wird. Eine relativ dünne Magnetscheibe 50, tialschraube 64 dreht. Weil die Steigung des Außenbeispielsweise eine Stahlmembran von etwa 4,58 mm 30 gewindes kleiner ist als die des Innengewindes, er-Dicke und etwa 177,2 mm Durchmesser, ist im gibt sich eine relativ kleine Längsverstellung des Hilfsluftspalt angeordnet. Der Hilfsluftspalt enthält Steuerelementes 62. Beim Verdrehen des Einstellauch eine Anzahl konzentrischer Eisen- oder Stahl- knopfes in eine Richtung, beispielsweise im Uhrringe 52 von verschiedenem Durchmesser, die in zeigersinn, zieht die axiale Verstellung des Elementes fester Weise im Ende des Polschuhs 44 liegen. Jeder 35 62 den ringförmigen Einsatz 48 der Scheibe 50 zuRing 52 ist durch einen vorspringenden oder dom- rück, so daß die Mitte der Scheibe konkav wird, förmigen Teil 54 gekennzeichnet, an dem die Scheibe Gleichzeitig werden konzentrische Bereiche der 50 deformiert wird, wenn sie mit den Ringen 52 in Scheibe 50 gegen die Stützpunkte gepreßt, die durch Berührung kommt. Wenn die Scheibe von der Pol- die Ringe 52 gebildet sind, so daß die Scheibe dekappe 48 auf den Ring 52 zu bewegt wird, bewirkt 40 formiert und neu geformt wird, wodurch sich die tatsächlich eine Vielzahl von Stützpunkten, daß sich Flußverteilung in der Nachbarschaft der Polkappe die Form der Scheibe 50 an ausgewählten, vonein- 48 ändert. Die Änderungen in den Flußlinien und ander entfernten Punkten ändert. Die Anzahl, die der Feldform können extrem klein sein, weil die VerFormen und die Durchmesser der Ringe 52 können stellung der Stange 56 und des Mittelteils der Scheibe so gewählt werden, daß verschiedene Änderungen 45 ⁵⁰ ebenfalls sehr geringfügig sind. Es ist beispielsdes Magnetfeldes je nach Wunsch erreicht werden weise mit der erfindungsgemäßen Struktur möglich können. In gleicher Weise kann die Fläche der gewesen, eine Verstellung der Stange von 0,195 mm Formscheibe 50 konvex, konkav, flach oder irgend- bei einer Drehung des Einstellknopfes 74 um 360° wie anders geformt sein, wenn die erwünschte Feld- zu erreichen, wobei sich eine Änderung der Magnetform damit erreicht werden kann. 50 feldstärke von wesentlich weniger als 0,5 Gauß im

Um eine Bewegung der Scheibe 50 um besonders interessierenden Bereich zwischen den Polkappen kleine Beträge längs der gemeinsamen Achse zu er- ergab. Im Feld gyromagnetischer Resonanz wurde reichen, die durch den Polschuh 46 und die Pol- eine Stabilität in der Größenordnung von 2 in 10⁸ kappe 48 definiert ist, so daß kleinste Änderungen Teilen der geprüften Probe erfindungsgemäß erreicht, in der Magnetfeldform kontrollierbar erreicht werden 55 Grundsätzlich erlaubt es die feine mechanische können, ist ein Kontrollelement 56 vorgesehen, ein Noniuseinstellung nach der Erfindung, daß die Stab, der durch Verdrehung vorgeschoben oder zu- Gradienten im ausgewählten Bereich des Magnetrückgezogen werden kann. Der Stab 56 ist in einen feldes abgeflacht oder herabgesetzt werden, so daß ringförmigen Einsatz 58 der Scheibe 50 eingeschraubt ein homogener, gleichförmiger Fluß die untersuchte und wird an einer Drehung relativ zur Scheibe durch 60 Probe durchsetzt.

eine Einstellschraube 60 gehindert, die den Stab an Weiterhin wird eine thermische Stabilität erreicht,

seinen Platz festhält, wenn er in den Scheibeneinsatz weil der Stab 56 durch die Verwendung einer Dif-

58 bis zum Grunde eingeschraubt ist. Der Stab ferentialschraube 64 effektiv in seiner Länge ver-

56 weist ein weiteres Gewinde 62 auf, auf dem eine kürzt wird, die den Stab mit dem Einstellwerkzeug

Differentialschraube 64 sitzt, die innen und außen 65 70 verbindet, und zwar gegenüber einem durch-

mit Gewinde versehen ist. Das Innengewinde hat gehenden festen Stab zum Zurückziehen der

beispielsweise 12,7 mm Durchmesser und eine Stei- Scheibe 50. Die kürzere Länge in Verbindung mit

gung von 1,95 mm, und das Außengewinde hat bei- 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 Fig. 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 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 Polkappe 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 Hilfsluftspaltes 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