DE2802674B2 - Spulenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spulenanordnung, insbesondere für Messungen der kernmagnetischen Resonanz von Gasen, mit einem Spulenkörper, dessen äußere Oberfläche eine Rotationsfläche mit mindestens einen elektrischen Leiter aufnehmenden axialen Nuten aufweist, die parallel zur Rotationsachse verlaufen. Das maßgebliche Anwendungsgebiet der Erfindung sind kernmagnetische Gyroskope.

Eine derartige Spulenanordnung ist bereits aus der FR-PS 14 94 291 bekannt Weiterhin ist es aus der DE-OS 24 05 383 bekannt, auf einen zylinderförmigen

ίο Spulenkörper, der mit wendelförmig verlaufenden Nuten versehen ist, voneinander elektrisch getrennte Leiter zu entwickeln, die zwei getrennt erregbare Spulen bilden. Aus dem DE-GM 72 04 006 ist ferner bekannt, in einer einzigen achsnormalen Ebene verlaufende Leiter dadurch miteinander zu verbinden, daß ein kurzes Stück des Leiters in axialer Richtung verläuft.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es demgegenüber, Spulenanordnungen der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß genau orientierte magnetische Felder in wenigstens zwei zueinander senkrechten Richtungen aufgebaut werden können.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Spulenkörper zusätzlich mindestens einen elektrisehen Leiter aufnehmende ringförmige Nuten aufweist, die jeweils in einer Ebene verlaufen, die senkrecht zur Rotationsachse orientiert ist, daß die Leiter in den ringförmigen Nuten elektrisch von den Leitern in den axialen Nuten getrennt sind und daß die Leiter in den

ω symmetrisch zur Rotationsachse angeordneten axialen Nuten untereinander elektrisch trennbar sind, so daß mindestens zwei voneinander getrennt erregbare Spulen entstehen, die bei Erregung mindestens zwei aufeinander senkrecht stehende magnetische Felder aufbauen. Dabei wird unter »Rotationsachse« eine Achse verstanden, um die eine gedachte Linie rotiert, so daß eine rotationssymmetrische Oberfläche entsteht. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Rotationsfläche eine zylindrische Fläche.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Leiter, der in den ringförmigen Nuten aufgenommen ist, eine Vielzahl von vollständigen Windungen bildet, wobei jede Windung innerhalb einer einzigen achsnormalen Ebene liegt und jedes Paar benachbarter Windungen miteinander dadurch verbunden ist, daß ein kurzes Stück des Leiters in einer axialen Nut aufgenommen ist. Ferner bildet der in den axialen Nuten aufgenommene Leiter eine Spule, indem er sich durch eine Nut in einer axialen Richtung erstreckt und sich durch eine andere Nut in entgegengesetzter axialer Richtung fortsetzt. Auf diese Weise können ein Paar parallel orientierter Spulen verwendet werden, deren jede durch einen Leiter gebildet ist, der sich durch axiale Nuten auf symmetrisch entgegengesetzten Seiten der Halterung erstreckt. Insbesondere zur Erzielung zweier getrennter, senkrecht zueinander verlaufender magnetischer Querfelder werden zwei Spulen angewendet, deren jede eine von zwei achsparallelen Ebenen einnimmt, und deren jede durch einen elektrischen Leiter gebildet ist, der in Nuten aufgenommen wird, welche eine achsparallele Ebene einnehmen, die senkrecht in bezug auf die Ebene der anderen Spule orientiert ist.

In der Praxis sind die elektrischen Leiter üblicher-

b5 weise Drähte. Um eine gegenseitige Behinderung zwischen den getrennten Spulen zu vermeiden, wird vorzugsweise die Tiefe der ringförmigen Nuten unterschiedlich von der Tiefe der axialen Nuten

ausgebildet

Im Falle einer Anwendung in kernmagnetischen Resonanzkreisen besteht der Spulenkörper zweckmäßigerweise aus transparentem Material.

Mit vorliegender Erfindung wird erreicht, ein starkes axiales Magnetfeld wie auch aufeinander senkrecht stehende schwächere Magnetfelder aufzubauen. Diese Vorteile werden im Rahmen vorliegender Erfindung auch dann erreicht wenn die ringförmigen Nuten tiefer als die axialen Nuten ausgebildet werden, da hierbei nach wie vor eine gegenseitige Behinderung zwischen den Wicklungen vermieden wird. Ferner kann im Rahmen vorliegender Erfindung anstelle einer zylindrischen Form eine Anordnung aus zwei angepaßten Konussen, ein Sphäroid oder eine Kugel verwendet werden, es können jedoch auch andere einfache Rotationskörper mit einer äußeren genuteten Oberfläche Anwendung finden. Ferner können die Nuten für die Querfeldspulen gekrümmt sein, statt dal? sie in radialer Richtung verlaufen. Des weiteren kann eine kleinere Anzahl von ringförmigen Nuten angewendet werden, z. B. können bei nur vier Nuten alle diese vier Nuten für die schwachen vertikalen und die schwachen horizontalen Felder in diesen Nuten angeordnet sein, ebenso wie die Zwischenverbindungen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Spulenanordnung gemäß der Erfindung, jo

F i g. 2 eine Stirnansicht der Spulenanordnung nach F i g. 1 mit einer Strahlungsquelle und einer kernmagnetischen Resonanzzelle,

F i g. 3,4 und 5 vergrößerte Querschnittsansichten der Formen der ringförmigen und der axialen Nuten in den js äußeren Oberflächen des Spulenkörpers und

F i g. 6 eine weitere Detailansicht, aus der die Verbindung von ringförmigen Windungen mit unmittelbar benachbarten ringförmigen Windungen hervorgeht.

Fig. 1 zeigt eine Spulenanordnung mit einem Spulenkörper 12, der bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Länge von 25 cm und einen Außendurchmesser von 10 cm besitzt. Dieser Spulenkörper ist als Hohlzylinder ausgebildet, dessen Wanddicke etwa 3,75 mm beträgt.

Die äußere Oberfläche des zylindrischen Spulenkörpers 12 ist mit einer großen Anzahl von in achsnormalen Ebenen verladenden ringförmigen Nuten 14 und zwölf axialen Nuten 16/4 und 165 längs Erzeugender des Zylinders versehen. Diese ringförmigen und axialen Nuten besitzen dünne isolierte elektrische Leiter, zweckmäßigerweise Drähte, die in ihnen gewickelt sind und die bei Erregung magnetische Felder aufbauen, welche quer zur Achse des Spulenkörpers orientiert sind, wie im einzelnen weiter unten erläutert wird.

Fig.2 ist eine Stirnansicht des Spulenkörpers 12 in schematischer Form und zeigt eine auf magnetische Felder ansprechende Zelle 18 sowie eine Strahlungsquelle 20, die in Richtung der Pfeile 42 durch den transparenten Spulenkörper 12 gegen die Zelle 18 e>o strahlt.

Wie vorstehend erwähnt, sind zwölf axiale Nuten 16/4 und 16ß um den Umfang des Spulenkörpers 12 herum versetzt angeordnet. In Verbindung mit den Fig.4 und 5 ergibt sich, daß die vier Nuten 16,4 verhältnismäßig μ breit sind, während die acht Nuten 16ß-l, 16S-2, 16S-4, 16S-5, 16Ö-7, 16S-8, 16ß-10 und 160-11 etwas schmäler sind. Aus F i g. 2 ergibt sich, daß die zwölf Nuten um den Umfang des Spulenkörper in Positionen versetzt angeordnet sind, die ähnlich den Einteilungen eines Ziffernblattes sind. Verwendet man diese Analogie, ergibt sich, daß die breiteren Nuten 16Λ in den 3,6,9 und 12 Uhr entsprechenden Positionen vorgesehen sind, wahrend die schmaleren Nuten 16ß in Positionen auf dem Spulenkörper erscheinen und mit Zusatzbezeichnungen versehen sind, die den Stunderpositionen 1,2,4, 5,7,8,10,11 eines Ziffernblattes entsprechen.

Fig.3 ist eine Schnitt-Detailansicht der Konfiguration der ringförmigen Nuten 14, die sich um den Spulenkörper 12 erstrecken. Die Nuten 14 haben z. B. eine Tiefe von etwa 0,30 mm und etwa die gleiche Breite. In den Nuten 14 sind Kupferdrähte 22 mit einem Durchmesser von 2,5 mm angeordnet, die eine Isolierschicht mit einer Dicke von etwa 0,0125 mm besitzen. Damit beträgt der Gesamtdurchmesser der isolierten Kupferdrähte 22 etwa 0,275 mm.

Die F i g. 4 und 5 zeigen Schnittansichten durch eine der axialen Nuten 16ß und eine der axialen Nuten 16A Jede der axialen Nuten 16/4 und 16Ö hat eine Tiefe von etwa 0,45 mm. Die Nuten 16ß, die in F i g. 4 gezeigt sind, sind verhältnismäßig schmal und haben beispielsweise eine Breite von nur 0,30 mm, während die Nuten 16/4 nach Fig.5 breiter sind und eine Breite von etwa 0,75 mm besitzen. Die Tiefe der Nuten 16,4 und 16ß ist wesentlich größer als die der ringförmigen Nuten 14. Damit können zuerst die Drähte in die Nuten 16,4 und 16ß eingesetzt werden und es kann dann die Spule des Drahtes 22 in den ringförmigen. Nuten 14 gewickelt werden, ohne daß die Drähte aufgrund eines zu starken Hervorstehens der anfangs gewickelten Drähte in den Nuten 16/4,16ß beschädigt werden oder stören.

Zur Anwendung in kernmagnetischen Resonanzgyroskopen ist es erwünscht, verhältnismäßig schwache magnetische Felder zu erhalten, die senkrecht zur Achse des Spulenkörpers 12 orientiert sind. Um ein schwaches Magnetfeld zu erzeugen, das der Zelle 18 (Fig. 2) aufgegeben wird, die senkrecht zur Achse des Spulenkörpers 12 orientiert ist, wird eine erste Spule unter Verwendung eines Drahtes ausgebildet, der längs einer axialen Nut 16ß-2 und zurück längs einer axialen Nut 16ß-10 verläuft. Die Nut 16ß-2 ist eine schmale axiale Nut nach Art der Nut 16ß, die an der Position der Ziffer 2 (in Analogie mit einem Ziffernblatt) angeordnet ist. In ähnlicher Weise ist die Nut 16S-10 eine schmale axiale Nut nach der Art der Nut 16ß, die an der Stundenposition 10 angeordnet ist. Eine zweite Spule, die durch Drähte in den Nuten 16B-4 und 16ß-8 ausgebildet ist, erzeugt ein Magnetfeld, das das Magnetfeld der erstgenannten Spule von Drähten in den Nuten 16ß-2 und 16ß-10 verstärkt. Wenn ein Magnetfeld vertikal in der Darstellung nach F i g. 2 aufgegeben werden soll, werden die oberen und unteren Spulen, wie vorstehend erwähnt, erregt, damit verstärkende magnetische Felder an den Mitten des Spulenkörpers 12 und damit in der Nähe der Zelle 18 erzeugt werden. Der Stromkreis wird geschlossen, indem zugeordnete Paare von axialen Längen von Drähten in den Nuten 16ß durch Umfangsbögen von Drahtlängen miteinander verbunden werden.

Ein weiteres Paar von Spulen, einschließlich einer ersten Spule von Drähten innerhalb der Nuten 16ß-7 Ui. J 16S-11 dient zusammen mit peripheren Umfangsnutzwischenverbindungen und einschließlich einer zweiten Spule von Drähten, die längs der axialen Nuten 16ß-l und 16ß-5 verlaufen, zum Aufbau eines Magnetfeldes längs der Horizontalen in der Darstellung

nach Fig. 2. Damit ergibt die vorbeschriebene Anordnung ein verhältnismäßig starkes magnetisches Feld längs der Achse des Spulenkörpers 12 und zwei verhältnismäßig schwache Kopplungsanordnungen, wodurch drei aufeinander senkrecht stehende Magnetfelder oder Magnetfeldkopplungsschaltungen entstehen.

Fig. 6 ist eine detaillierte Darstellung einer der axialen Nuten 16/4, wo sie eine Reihe von ringförmigen Nuten 14 kreuzt. Bei dieser vereinfachten Darstellung nach Fig.6 ist die Orientierung der Nuten 14 klar gezeigt, da sie achsnormale Ebenen einnehmen. Anstelle wendeiförmiger Nuten, die einen kontinuierlichen Übergang von einer Windung in die nächstbenachbarte Windung ohne eine festgelegte Übergangsstelle ergeben, zeigt die Anordnung der dargestellten Ausführungsform der Erfindung, daß die Nuten 14 kreisförmig sind, da sie in genau achsnormalen Ebenen liegen und Paare von benachbarten Windungen miteinander durch kurze Drahtlängen, die in der Nut 16,4 aufgenommen sind, verbunden sind. Insbesondere ist die isolierte Kupferdrahtwindung 26 zweimal an der Stelle 28 gebogen und setzt sich zur nächstbenachbarter ringförmigen Nut als die Windung 30 des Drahtes fort In ähnlicher Weise macht die Windung 30 nach nahe^i einem vollständigen Kreis um den Spulenkörper 12 ir einer der Nuten 14 eine doppelte Biegung an der Stelle 32 und setzt sich als Windung 34 in der nächstbenachbarten ringförmigen Nut 14 fort.

Des weiteren wird darauf hingewiesen, daß die verschiedenen Verbindungslängen an den Stellen 28,32 usw. in der breiten Nut 16Λ eine axiale Stromkomponente haben, die, wenn sie nicht aufgehoben wird, eine unerwünschte Querkomponente des magnetischen Feldes innerhalb des Spulenkörpers 12 erzeugt. Vor oder nach dem Wickeln der Spule wird deshalb durch Einbringen von Draht in die Nuten J4 eine zusätzliche Drahtlänge für den Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung in der vollen Länge der breiten Nut 16/4 nach Fig. 6 gelegt, wodurch eine exakte Aufhebung des magnetischen Feldes erzielt wird, das durch kurze Zwischenverbindungs-Drahtlängen an den Stellen 28, 32 usw. erzeugt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Spulenanordnung, insbesondere für Messungen der kernmagnetischen Resonanz von Gasen, mit einem Spulenkörper, dessen äußere Oberfläche eine Rotationsfläche mit mindestens einen elektrischen Leiter aufnehmenden axialen Nuten aufweist, die parallel zur Rotationsachse verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (12) zusätzlich mindestens einen elektrischen Leiter (22) aufnehmende ringförmige Nuten (14) aufweist, die jeweils in einer Ebene verlaufen, die senkrecht zur Rotationsachse orientiert ist, daß die Leiter in den ringförmigen Nuten (14) elektrisch von den Leitern in den axialen Nuten (16/4, 16B) getrennt sind und daß die Leiter in den symmetrisch zur Rotationsachse angeordneten axialen Nuten untersinander elektrisch trennbar sind, so daß mindestens zwei voneinander getrennt erregbare Spulen entstehen, die bei Erregung mindestens zwei aufeinander senkrecht stehende magnetische Felder aufbauen.

2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsfläche eine zylindrische Fläche ist.

3. Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (22), der in den ringförmigen Nuten (14) aufgenommen ist, eine Vielzahl von vollständigen Windungen (30, 32, 34) bildet, wobei jede Windung innerhalb einer einzigen achsnormalen Ebene liegt und jedes Paar benachbarter Windungen miteinander dadurch verbunden ist, daß ein kurzes Stück (28,32) des Leiters in einer axialen Nut(16>tyaufgenommen ist.

4. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter, der in den axialen Nuten (16B₇) aufgenommen ist, eine Spule bildet, indem er sich durch eine Nut (16S-2 oder 16S-4) in einer axialen Richtung erstreckt und sich durch eine andere Nut (16ß-10 oder 16Ö-8) in entgegengesetzter axialer Richtung fortsetzt.

5. Spulenanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Paar parallel zueinander orientierter Spulen, deren jede durch einen Leiter gebildet ist, der sich durch axiale Nuten (16Ö-2, 165-10 und 16S-4,165-8) auf symmetrisch entgegengesetzten Seiten der Halterung (12) erstreckt.

6. Spulenanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zwei Spulen, deren jede eine von zwei achsparallelen Ebenen einnimmt und deren jede durch einen elektrischen Leiter gebildet ist, der in Nuten aufgenommen wird, welche eine achsparallele Ebene einnehmen, die senkrecht in bezug auf die Ebene der anderen Spule orientiert ist.

7. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter Drähte sind.

8. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der ringförmigen Nuten (14) unterschiedlich von der Tiefe der axialen Nuten (16A,16ß;ist.

9. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (12) aus transparentem Material besteht.