DE2259937A1

DE2259937A1 - Magnetisches system

Info

Publication number: DE2259937A1
Application number: DE19722259937
Authority: DE
Inventors: Leslie Kearton Parker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-08-05
Filing date: 1972-12-07
Publication date: 1974-06-12
Also published as: GB1360606A

Description

⁴⁶⁷⁹ Dr. W. PFEIFFER

PATENTANWALT _{( OOCQOO7}

8 MONC-U-J 40 - 2259937

UNGERERSTR. 25 TELEFON 333026

Leslie Kearton Parker, Great Kingshill, England Magnetisches System

Die Erfindung betrifft ein magnetisches System, das eine gleichförmige magnetische Feldstärke in dem Luftspalt eines Arbeitsraums erzeugt, der zwischen den Magnetpolen einer magnetischen Maschine angeordnet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Magnetsystem und die Pole dieses Magnetsystems, die eine Gleichförmigkeit des Magnetfeldes erzeugen, die zur Verwendung für Messungen der magnetischen Kernresonanz genauer als 10 ist.

Magnetische Systeme^ für die Verwendung in Vorrich-.tungen zum Durchführen solcher Messungen können die Form eines magnetischen Ringkreises mit einem Luftspalt zwisehen den Polen haben. Eine Quelle der magnetomotorischen Kraft wird z.B. von einem Permanentmagneten, der in dem Kreis in Reihe geschaltet ist,oder einer elektrischen Induktionswindung bereitgestellt, die um einen Schenkel des Kreises gewickelt ist. Die Pole können kegelstumpfförmig sein und den Fluß an den Polflächen konzentrieren. Bei praktischen Ausführungsformen bestehen sie aus einem Material mit einer hohen Permeabilität, wodurch eine Ungleichförmigkeit des Flusses, der in einen Pol eintritt, verringert wird. Es ist erforderlich, daß das Feld,

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das zwischen den zusammenwirkenden Polflächen herrscht, eine gleichförmige Feldstärke hat und es sind verschiedene Magnetpole bekannt, in die magnetisches Material von vorbestlmmter Permeabilität eingesetzt ist, so daß die Flußlinieiso modifiziert werden, daß die Neigung der magnetischen Kraftlinien einer gekrümmten Bahn ζ v/i sehen und an den Polrändern zu folgen, kompensiert wird. Bei einem bekannten Beispiel zur Kompensation des Leckverlustes aus der seitlichen Fläche eines Poles wird die Form des Poles so modifiziert, daß eine QuerSchnittsfläche des Poles längs dessen Länge in Abhängigkeit von dem von der Abnahme des Flusses verringert wird. Ein auf diese Weise ausgebildeter Pol ist als "B-constantⁿ-Pol bekannt. Bei diesem Pol ist eine Konzentration des Flusses von seiner hinteren Seite zu seiner Arbeitsseite nicht erforderlich.

Eine weitere Kompensation der Randausbauchung der Kraftlinien wurde bereits mit einem sogenannten "Rose-Shira" bewirkt, der aus einem einstellbaren Ring aus magnetischem Material besteht und welcher auf den Pol aufgeschraubt ist und einen Ringteil des Poles neben der Polfläche bildet. Eine Achsialverschiebung dieses Ringes modifiziert die Intensität und die Form des Randflusses, wodurch die Gleichförmigkeit der Feldstärke zwischen den Flächen, die durch diese Ringe begrenzt sind, verbessert wird. Diese einstellbaren Ringe stören jedoch auch die Flußverteilung in eine:* aus einem Stück bestehenden Pol und es ist schwierig, die erforderliche Gleichförmigkeit der Feldstärke

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zu erreichen, insbesondere in den Fällen, in denen die Feldstärke für verschiedene Messungen magnetischer Kernresonanz variiert werden soll..In diesem Fall ist eine Feststellung des verstellbaren Ringes notwendig.

Ein weiterer Nachteil des verstellbaren Ringes besteht darin, daß, wenn ein hohes Maß an Gleichförmigkeit der Feldstärke erforderlich ist, z.B. ein Teil pro

10 oder genauer, es schwierig ist, die Einstellungsgewinde mit hinreichender Genauigkeit herzustellen, um zu gewährleisten, daß die Ebene des Hauptflusses, die durch den verstellbaren Ring erzeugt wird, in jede Einstellung parallel zur Polfläche, die von dem verstellbaren Ring begrenzt wird, bleibt.

Die Erfindung bezweclt daher ein Magnetsystem, in dem die magnetischen Pole zwischen sich ein Feld mit einer Gleichförmigkeit der Feldstärke erzeugen, die größer als io"⁶ ist.

Die Erfindung bezweckt weiter magnetische Pole für ein System mit Einstelleinrichtungen, mit denen Ungleichförmigkeiten der Feldstärke auf vernachlässigbare Anteile reduziert werden können. Es soll schließlich ein magnetisches System erhalten werden, in dem die Feldstärke gleichförmig über den gesamten Bereich der Arbeitsfeldstärken bleibt, ohne daß eine weitere Einstellung vorgenommen werden muß.

Zur Lösung di_eser Aufgaben schlägt die Erfindung vor.

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jeden Pol mit einem Ring aus magnetischem Material zu umgeben, der von dem Pol durch einen ringförmigen Luftspalt oder einem Ring aus praktisch nicht magnetischem Material getrennt ist, wobei der Gradient des magnetischen Potentials in dem Ring in Achsenrichtung, ähnlich dem Gradienten in dem Pol ist, ähnlich der Verfahrensmaßnahme bei der Messung der Wärmeleitfähigkeit,bei der unerwünschte radiale Wärmeströme zu und von einer Probe sich einen Schutzring verhindert werden, in dem ein Temperaturgradient eingestellt wird, der ähnlich dem Temperaturgradienten durch die Probe ist.

Dieser magnetische Feldentzerrungsring verhindert einen Leckfluß längs der Länge des Pols und erzeugt einen intensiven Ringfluß, der das Hauptarbeitsvolumen zwischen den zwei Polen umgibt, welche in gleicher Weise den Fluß abschirmen, von dem gefordert wird, daß er gleichförmig wird. Eine solche Anordnung wird nachstehend als "Feldentzerrungspol" bezeichnet.

Bei einem magnetischen System mit einer, einen magnetischen Fluß erzeugenden Quelle und zwei komplementären Polen, die im Abstand voneinander und koaxial zueinander angeordnet sind, wobei ein Pol den magnetischen Fluß von der Quelle empfängt und in den Raum zwischen den Polen weiterleitet, indem ein gleichförmiger Fluß erzeugt wird, wird die Erfindung darin gesehen, daß jeder Pol einen Zentralpol aus einem Material hoher

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magnetischer Permeabilität mit einer ersten Fläche, die den magnetischen Fluß empfängt, einer zweiten Fläche, die den magnetischen Fluß, nachdem er gleichförmig modifiziert ist, abgibt und einer peripheren Oberfläche, sowie magnetische Feldentzerrungsaufrichtungen aufweist, die Leckverluste des Flusses von der peripheren Oberfläche des Zentralpoles verhindern und die eine erste Fläche,"die den Fluß von der Quelle empfängt und eine zweite Fläche, die den empfangenen Fluß abgibt, hat, der den Bereich des gleichförmigen Flusses umgibt, welcher von der zweiten Fläche des Zentralpoles abgegeben wird.

Die magnetischen Feldentzerrungseinrichtungen nach der Erfindung weisen einen Ring aus magnetischem Material auf, der den Zentralpol umgibt und einen Abstand von diesem einhält, wobei die Form der inneren Fläche des Ringes zweckmäßigerweise komplementär zu der peripheren Oberfläche des Zentralpoles ist und wobei der Ring so geformt und so gebaut ist, daß er praktisch den achsialen magnetischen Feldgradienten erzeugt, der in dem Zentralpol erhalten wird, wenn sowohl der Zentralpol als auch der Ring von dem Fluß der magnetischen Quelle durchflutet wird.

Der Zentralpol kann kegelstumpfförmig oder in irgendeiner anderen Weise geformt sein, um eine Konzentration des Flusses zu erhalten und um in dem Pol· den gewünschten Gradienten des magnetischen Potentials einzustellen.

Weiter ist gemäß der Erfindung ein Feldentzerrungspol

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vorgesehen, in dem die magnetischen Feldentzerrungseinrichtungen mit Einstelleinrichtungen gekoppelt sind, die den Gradienten des magnetischen Potentials in diesen magnetischen Feldentzerrungseinrichtungen einstellen.

Diese Einstelleinrichtungen können aus einem Ring aus magnetischem Material bestehen, der konzentrisch zu den magnetischen Feldentzerrungseinrichtungen und in achsialer Richtung derselben verschiebbar entweder neben der ersten oder der zweiten Fläche der magnetischen Feldentzerrungseinrichtungen angeordnet sind. Diese Einstelleinrichtungen können weiter einen Ring aus magnetischem Material aufweisen, der entweder auf die magnetischen Feldentzerrungseinrichtungen oder auf die Quelle des magnetischen Flusses in Polnähe aufgeschraubt und auf die magnetischen Feldeinrichtungen IU verschiebbar angeordnet sind, wodurch der Fluß, der in diese Feldentzerrungseinrichtungen eintritt, verändert werden kann.

Der Zentralpol und die magnetischen Feldentzerrungseinrichtungen können eine zusammengesetzte Konstruktion bilden, in der sie aus Querschichten aus Material mit hoher magnetischer Permeabilität gebildet sind, die voneinander durch Schichten aus praktisch nicht magnetischem Material getrennt sind, wodurch die transversalen oder radialen Flußänderungen auf vernachlässigbare Anteile reduziert werden und weiter die Gleichföratigkeit der Feldstärke verbessert wird.

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Wenn die magnetischen Feldentzerrungseinrichtungen aus Schichten aufgebaut sind, um den erforderlichen magnetischen Potentialgradienten zu erhalten, können die Einstelleinrichtungen Mittel aufweisen, mit denen .die Schichten zusammengedrückt oder auseinandergezogen werden, wodurch der Gradient modifiziert wird. Um eine j solche Kompression oder Expansion zu erhalten, können die Schichten aus nicht magnetischem Material vorzugsweise aus elastischen Werkstoffen bestehen.

Weiter können gemäß der Erfindung magnetische Entzerrungseinrichtungen vorgesehen sein, die ein oder mehr Induktionswicklungen haben, die, wenn ein elektrischer. Strom durch sie hindurchgeleitet wird, den achsialen magnetischen Potentialgradienten in den Entzerrungseinrichtungen modifizieren. ■

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert.

Figur 1 zeigt ein bevorzugtes Magnetsystem beim Erzeugen gleichförmiger Felder nach der Erfindung, die sich fir . ' die Messung von magnetischen Kernresonanzen eignet.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen einen gleichförmigen Fluß erzeugenden magnetischen Pol mit Entzerrungseinrichtungen nach der Erfindung.

Figur 3 zeigt einen Pol, ähnlich dem in Figur 2, jedoch mit einem geformten Feldentzerrungsring.

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Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Pol nach der Erfindung, in dem der Feldentzerrungsring mit einem Einstellring ausgerüstet ist.

Figur 5 zeigt im Querschnitt das magnetische Blechbündel mit einem Einstellring.

In Figur 1 ist ein magnetisches System zum Erzeugen eines gleichförmigen Flusses in einem Luftspalt dargestellt, das zwei gleiche Pole 1 aufweist. Die Pole sind durch einen Luftspalt 1Λ oder eine Schicht aus praktisch nicht magnetischem Material von einem Blechpaket 2 getrennt, in dem ein magnetischer Fluß dadurch erzeugt wird, daß ein eleketrischer Strqm durch eine Wicklung 3 fließt. Das Feld IB, das zwischen den Polen 1 erzeugt wird, hat eine gleichförmige Stärke innerhalb einer Mittelzone, die durch die Geometrie und die Anordnung jedes Poles definiert wird, wie nachstehend erläutert werden wir.

Figur 2 zeigt einen Pol nach der Erfindung, wobei ein kegelstumpfförmiger magnetischer Zentralpol 4 von einem Feldentzerrungsring 6 ebenfalls aus magnetischem Material umgeben, jedoch von diesem durch einen praktisch ringförmigen Luftspalt getrennt ist, der mit einem nicht magnetischen Material 7, z.B. einem Kunstharz, gefüllt sein kann, so daß eine mechanische Aussteifung und Festigkeit erhalten wird. Der Hauptpol 4 und der Feldentzerrungsring 6 sind ihrerseits von dem magnetischen Blechpaket 2 durch einen weiteren

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Luftspalt oder einen Schichtstoff 8 aus praktisch nicht magnetischem Material getrennt. Ein Ring 6A aus magnetischem Material ist auf den Schutzring 6 aufgeschraubt und umgibt diesen neben der Ebene der Fläche 4A des Zentralpols, Per Zentralpol 4 besteht aus einem Material mit hoher Permeabilität, z.B. "Permendür", während der Ring 6 aus einem Material mit geringer Permeabilität, z.B. Weicheisen, bestehen kann. Dieses Material soll so gewählt werden, daß es etwa denselben magnetischen Potentialgradienten innerhalb des Ringes in achsialer Richtung erzeugt, wie er in dkm Zentralpol vorliegt.

Im Betrieb fließt der Fluß von dem magnetischen Blechpaket 2 durch den Schichtstoff oder Luftspalt 8, sowohl in den Zentralpol 4 als auch in den Ring 6. Der kombinierte Effekt des Spaltes 8 und der hohen Permeabilität des Zentralpols 4 besteht darin, die Ungleichförmigkeiten des Flusses, d,h., dessen radiale oder transversale Komponenten bis auf ein vernachlässigbares Maß zu reduzieren. Die Anordnung des Ringes 6 um den Zentralpol 4 verhindert einen Leckfluß aus den Seiten des Zentralpols 4 und obgleich die Gradienten des magnetischen Potentials in dem Zentralpol 4 und dem Schutzring 6 vorzugsweise gleich sein sollten, führen keine Unterschiede zu Abweichungen infolge der Leckverluste des Flusses von untergeordneter Bedeutung.

Der Ring 6A, der als "Rose-Shim" bezeichnet wird, kann in achsialer Richtung durch Drehen verschoben werden, wodurch das Feld zwischen dem Ring 6A und dem entsprechenden Ring des gegenüberliegenden Poles modifiziert

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wird. Diese Einstellung ermöglicht, wenn notwendig, eine Korrektur der Form des Feldes zwischen dem Zentralpol 4 und den entsprechenden Zentralpol 4*. Auf diese Weise ist es möglich, eine gleichförmige Feldstärke zwischen den Zentralpolen 4 und 4¹ zu erhalten.

In Figur 3 ist ein Pol dargestellt, bei dem der Feldentzerrungsring 9 einen Ring 9A aufweist, der zum Zwecke der Einstellung so geformt ist, daß er den Leckfluß kompensiert, wobei die Querschnittsfläche in demselben Haß verringert wird, wie der Fluß in dem Pol zunimmt. Die Form ist welter so modifiziert, daß sie denselben oder einen ähnlichen magnetischen Potentialgradienten sowie dieselbe oder eine ähnliche Flußkonvergenz erzeugt, wie in dem Zentralpol 4. Alle Ecken wurden von dem Ring 9A entfernt, da ein größerer Leckfluß an den Ecken auftritt.

Eine Verbesserung der Einstellungsmöglichkeit der Reluktanz des Entzerrungsrings ist in Figur 4 dargestellt. Hierbei ist ein Ringteil des Feldentzerrungsrings 10, der einen Abstand von der oberen Fläche IOD hat, auf diesen Ring 10 aufgeschraubt. Eine achsiale Verschiebung des Ringes 1OA verändert die Reluktanz, d.h., den magnetischen Widerstand des Entzerrungsrings 10 und ändert die Form des Feldes zwischen diesem Entzerrungsring 10 und dem entsprechenden Entzerrungsring des gegenüberliegenden Poles, wodurch die Form des Hauptfeldes korrigiert wird. Bei dieser Ausführungsform hat die Schicht 8A aus praktisch nicht magnetischem

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Material einen kleineren Durchmesser, so daß der Ring 1OA an das Blechpaket 2 näher herangerückt werden kann, wodurch der Fluß in dem Entzerrungsring 10 zunimmt.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß Ungenauigkeiten des Gewindes keinen wesentlichen Einfluß auf die Eigenschaften des Poles haben, da die Permeabilität des Entzerrungsrings 10 hinreichend hoch ist, um alle FlußSchwankungen infolge der Unparallelität zwischen dem Ring 1OA und der Oberfläche 2B des Blechbündels 2 auszugleichen. Ein "Rose-Shim" der am anderen Ende des Entzerrungsringes angeordnet ist, hat andererseits nicht die gute Glättungs- oder Ausgleichswirkung.

Eine weitere Verbesserung der soeben beschriebenen Aus— führungsform ist in Figur 5 dargestellt, bei der der Ring 10 nach Figur 4 auf das magnetische Blechpaket 2 als Ring 2A aufgeschraubt ist. Wenn gewünscht, kann ein Entzerrungsring 11 einer zylindrischen Oberfläche vorgesehen sein, die von einem Fortsatz des Ringes 2A umgeben sein kann, jedoch einen Abstand von dem Entzerrungsring hat, wenn der Ring 2A in achsialer Richtung des Poles verschoben wird.

Bei entsprechender Einstellung der Ringe 1OA der Ausführungsform nach Figur 4 und des Ringes 2A der Aus führungsform nach Figur 5 v/ird eine gleichförmige Feldstärke zwischen den Zentralpolen 4 und 4¹ erhalten, selbst wenn die Feldstärke durch Veränderung des'Erre-

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gerstromes durch die Windung 3 nach Figur 1 verändert wird.

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Claims

Patentansprüche

.)Magnetisches System mit einer, einen magnetischen Fluß erzeugenden Quelle und zwei komplementären Feldentzerrungspolen, die im Abstand voneinander und koaxial zueinander angeordnet sind, wobei ein Pol den magnetischen Fluß von der Quelle empfängt und in den Raum zwischen den Polen abgibt, in dem ein gleichförmiger Fluß erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pol (1) einen Zentralpol (4) aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität mit einer ersten Fläche, die den magnetischen Fluß aufnimmt, einer zweiten Fläche (4A), die den magnetischen Fluß, nachdem er gleichförmig modifiziert ist, abgibt und einer Rundfläche, sowie magnetische Feldentzerrungseinrichtungen (6, 6A; 9, 9A; 10, 1OA; 11, 2A) aufweist, die Leckverluste des Flusses von der Randfläche des Zentralpols (4) ausschließen und eine erste Fläche, die den Fluß von der Quelle aufnimmt, sowie eine zweite Fläche/ die den Fluß abgibt, haben der den Bereich des gleichförmigen Flusses aus dem Zentralpol umgibt, wobei die magnetischen Feldentzerrungseinrichtungen einen Ring (6, 9, 10,11) aus magnetischem Material aufweisen, der den Zentralpol (1> umgibt und einen Abstand von diesem einhält, und wobei die Querschnittsfläche des Ringes längs seiner Länge variiert werden kann, um praktisch den achsialen magnetischen Potentialgradienten zu reproduzieren, der in dem Zentralpol vorliegt, wenn sowohl der Zentralpol als auch der Ring von dem Fluß aus der magnetischen Quelle durchflutet werden.

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2. Magnetisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da8 Einstelleinrichtunqen (2A, 6A, 9A, 1OA) vorgesehen sind, mit denen der magnetische Potentialgradient innerhalb der Entzerrungseinrichtungen modifiziert werden kann.
3. Magnetisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch aekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen einen weiteren Ring (2A,6A,9A,1OA) aus magnetischem Material aufweisen, der konzentrisch zu dem Feldentzerrungsring (6,9,10,11) und in achsialer Richtung relativ zu diesem verschieblich angeordnet ist.
4. Mangetisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verschieblich angeordnete Ring (1OA) neben der ersten Oberfläche des Feldentzerrungsringes angeordnet ist.
5. Magnetisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daB der verschiebliche Ringf6A,9A) neben der zweiten Oberfläche des Feldentzerrunqsrinqes angeordnet ist.
6. Magnetisches System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der verschiebliche Ring (6A,9A,1OA) auf den Feldentzerrungsring aufgeschraubt ist.
7. Magnetisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verschiebliche Ring (2A) auf die Quelle des magnetischen Flusses aufgeschraubt ist.

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8. Magnetisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen eine oder mehrere induktive Windungen (3) aufweisen, durch die ein elektrischer Strom geleitet werden kann.
9. Magnetisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (T) zwischen dem Feldentzerrungsring (6,9,10,11) und dem Zentralpol (1) mit nicht magnetischem Material angefüllt ist.
10. Magnetisches System nach einem der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralpol transversal verlaufende Schichten aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität aufweist, die im Abstand voneinander durch Zwischenschichten aus einem Material, das praktisch nicht magnetisierbar ist, gehalten werden.
11. Magnetisches System nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring transversal verlaufende Schichten aus magnetischem Material mit hoher Permeabilität aufweist, die im Abstand voneinander durch Schichten aus einem Material, das praktisch nicht magnetisierbar ist, gehalten werden.
12. Magnetisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Potentialgradient in den Ring durch Einstelleinrichtungen verändert werden kann, durch die der Abstand zwischen benachbarten Schichten aus magnetischem Material verändert werden kann.

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13. Magnetisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralpol und die damit verbundene Feldentzerrunqseinrichtung einen Abstand von der Quelle des magnetischen Flusses haben.
14. Magnetisches System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Entzerrungspol und der Quelle des magnetischen Flusses eine Schicht (8,8A) aus magnetisch nichtleitendem Material ist.
15. Magnetisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralpol ein den Magnetfluß konzentrierender Pol ist.
16. Magnetisches System mit zwei zusammenarbeitenden Entzerrungspolen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des magnetischen Flusses ein Elektromagnet mit einem Kern aus magnetischem Material ist.
17. Magnetisches System mit zwei Entzerrungspolen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des magnetischen Flusses ein Permanentmagnet ist.
18. Magnetisches Kernresonanzspektrometer, dadurch gekennzeichnet, daß es ein magnetisches System nach einem der Ansprüche 16 oder 17 aufweist*

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