DE3333955A1

DE3333955A1 - Permanentmagnet-mehrpolgebilde mit einstellbarer staerke

Info

Publication number: DE3333955A1
Application number: DE19833333955
Authority: DE
Inventors: Klaus 94708 Berkeley Calif. Halbach
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1982-09-20
Filing date: 1983-09-20
Publication date: 1984-03-22
Also published as: GB2128812A; FR2533361B1; JPS5976405A; FR2533361A1; GB8323896D0; GB2128812B; CA1214509A; US4549155A

Description

R 7019

Permanentmagnet-Mehrpolgebilde mit einstellbarer Stärke

Es sind bereits eine Anzahl von Verfahren verfügbar, um eine unterschiedliche Stärke besitzende Magnetfelder zu erzeugen. Solche Felder sind insbesondere zweckmäßig für Beschleunigungsvorrichtungen für geladene Teilchen, und zwar zum Ablenken und Fokussieren von Teilchenstrahlen. Elektromagnetische, d.h. Vorrichtungen, die Magnetfelder unter Verwendung elektrischer Ströme erzeugen, welche durch übliche oder superleitende Wicklungen laufen, besitzen ernst zu nehmende Beschränkungen bei bestimmten Anwendungsfällen. Eine Beschränkung besteht darin, daß große Mengen teurer elektrischer Leistung von diesen Systemen verbraucht werden, und zwar entweder für den zum Betrieb eines üblichen Leiters erforderlichen Stroms oder aber zum Kühlen eines Superleiters. Darüber hinaus sind übliche Elektromagnete hinsichtlich bestimmter minimaler Volumina beschränkt, weil ihre Stromdichten umgekehrt proportional zu ihren Linearabmessungen sind, was schließlich zu unüberwindlichen Kühlproblemen führt. Das Ergebnis besteht dann darin, daß die

Ströme für diese Elektromagneten auf kleinere Größen reduziert werden müssen, was schließlich zu kleineren Magnetfeldern führt.

Es hat sich herausgestellt, daß für viele Magnetanwendungsfälle es oftmals vorteilhaft ist, Permanentmagneten statt Elektromagneten zu verwenden, um so die Verwendung von Wicklungen zu eliminieren, die Leistung verbrauchen, wobei durch die Permanentmagnete ebenfalls Stärkefelder in körperlich kleinen Räumen erzeugt werden. Bei in kleinen Räumen zu verwendenden Magneten, die oftmals große Polspitzenfelder benötigen, ist es häufig schwierig, genug -Kupferquerschnittsfläche in dem verfügbaren Raum vorzusehen. Ein Gebiet wo hohe Felder aufweisende Permanentmagnete besonders angewandt werden, ist das Gebiet der Konstruktion von kleinen Quadrupolmagneten zum Führen, Fokussieren und Wenden von geladenen Teilchenstrahlen in Linearbeschleunigungsvorrichtungen, wie sie auf dem Gebiet der Atomphysik und bei der medizinischen Behandlung sowie allgemein auf dem Gebiet der Forschung Verwendung finden. Eine theoretische Analyse dieser Sachverhalte ist folgender Literaturstelle zu entnehmen: J.B. Blewett in "Design of Quadrupoles and Dipoles Using Permanent Magnet Rings", Brookhaven National Laboratory Report No. AADD-89 vom 1o. August T965. Dieser Bericht enthält Gleichungen und Analysen zur Maximierung der Stärke eines ringförmigen oder zylindrischen Quadrupolpermanentmagneten der Verwendung anisotropen Materials.

Ein Verfahren zur Konstruktion von Permanentmagnet-Multipolmagneten wurde in der folgenden Literaturstelle beschrieben: K. Halbach, "Design of Permanent Magnet Multipole Magnets with Oriented Rare Earth Cobalt Materials",in Nuclear Instruments and Methods 169 (1980), Seiten 1-10. Es wird dort eine Quadrupolkonstruktion beschrieben, die eine Anzahl von magnetisch anisotropen Magnetsegmenten verwendet, von denen

jedes eine Achse magnetischer Orientierung in einer unterschiedlichen vorbestimmten Richtung aufweist. Ein vorgeschlagener Anwendungsfall dieser Konstruktion kombiniert zwei mehrpolige Magnete derart, daß ein Quadrupol innerhalb der öffnung des anderen angeordnet ist. Für die verwendeten seltenen Erd-Kobalt-Materialien (REC) ist die überlagerung individueller Magnetfelder möglich, und die Felder jedes Quadrupols addieren oder subtrahieren sich abhängig von ihren relativen Rotationspositionen. Diese Konstruktion hat den Nachteil, daß Randfelder an den Enden des Magneten auftreten, die in Kombination unerwünschte Störungen in den optischen Eigenschaften des Magneten hinsichtlich des Strahls hervorrufen.

Zusammenfassung der Erfindung. Ein Ziel der Erfindung besteht darin, einen Multipol-Permanentmagneten anzugeben, der eine leicht einstellbare Feldstärke besitzt. Ferner bezweckt die Erfindung einen einstellbaren Mehrpol-Magneten vorzusehen, der seine Feldverteilung im wesentlichen ungestört bei Veränderung seiner Stärke beibehält. Ferner bezweckt die Erfindung einen Magneten vorzusehen, der eine veränderbare Feldstärke besitzt, wobei keine elektrische Leistung verbraucht wird. Ferner bezweckt die Erfindung eine kontinuierliche Feldstärkenveränderung eines mehrpoligen Permanentmagneten zu ermöglichen.

Gemäß dieser sowie weiterer Ziele der Erfindung wird eine mehrpolige Permanentmagnet-Struktur vorgesehen, die eine einstellbare Feldstärke besitzt. Zwei oder mehr mit Abstand angeordnete magnetisch weiche Polstücke werden durch einen oder mehrere Permanentmagneten erregt, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie hohe Remanzfeider und starke Koerzitivkräfte besitzen. Eine bevorzugte Gruppe von Materialien mit diesen Eigenschaften sind die seltenen Erd-Kobalt (rare earth cobalt = REC)-Materialien. Gemäß der breitesten Aspekte

der vorliegenden Erfindung werden Mittel vorgesehen, um in variabler Weise den magnetischen Fluß von einem oder mehreren Permanentmagneten mit den Polstücken zu koppeln. Diese variable Kopplung wird dazu verwendet, um die Feldstärke des Magnetfeldes zwischen den Polstücken zu steuern, wobei die Feldverteilung dieses Magnetfeldes im wesentlichen konstant gehalten wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die variable Kupplung für den Magnetfluß der Permanentmagnete zu den Polstücken dadurch erhalten, daß die Polstücke und der Permanentmagnet jeweils Oberflächengebiete besitzen, die bezüglich einander sich bewegen, und die eine magnetische Kupplung dazwischen dann vorsehen, wenn die Oberflächen sich in enger Nachbarschaft befinden. Die Bewegung einer Oberfläche bezüglich der anderen bringt verschiedene Teile der entsprechenden Oberflächengebiete in enge Nachbarschaft, um auf diese Weise die Magnetfeldstärke zwischen den Polstücken.zu steuern.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Permanentmagnete drehbar auf einer magnetisch weichen zylindrischen Hülse gelagert, die sich um die Polstücke herum verdreht. Hilfspermanentmagnete liefern zusätzlichen magnetischen Fluß an die Polstücke und Korrekturpermanentmagnete verhindern die Kopplung unerwünschter Felder von den Permanentmagneten in die Polstücke.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Positionierung der Polstücke um eine Achse herum und die Erregung der Polstücke mit einem oder mehreren Permanentmagneten. Die Einstellung der magnetischen Feldstärke im Raum zwischen den Polen wird dadurch erreicht, daß man die Permanentmagnete bezüglich der Polstücke bewegt, um verschiedene Größen der Nähe zu erhalten, um so die magnetische Kopplung dazwischen zu verändern.

Ein spezifisches bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist ein symmetrischer Quadrupol, bei dem vier Polstücke symmetrisch um eine Längsachse herum angeordnet sind, und vier Permanentmagnete sind zu einer zylindrischen Hülse,die Polstücke umgebend, angeordnet. Entsprechende zylindrische Oberflächen sind auf den Polstücken und den Permanentmagneten derart ausgebildet, daß dann, wenn die Hülse gedreht wird, eine veränderbare magnetische Kopplung erhalten wird.

Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die B-H-Kennlinie für ein seltenes Erd-Kobalt-

(REC)-Material, und zwar aufgenommen in Parallelrichtung zur magnetischen Orientierungsachse (easy acis);

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen Quadrupolpermanentmagneten mit einer variablen Feldstärke in dem in der Mitte vorgesehenen Raum;

Fig. 3 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispxels einer erfindungsgemäßen variablen Quadrupolpermanentmagnet-Struktur;

Fig. 4 einen Schnitt längs Linie 4-4 der Fig. 3.

Im folgenden sei das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben.

Wie bereits oben erwähnt, besteht für bestimmte Anwendungsfälle ein sehr wichtiger Vorteil eines Permanentmagneten gegenüber einem Elektromagneten darin, daß Permanentmagnete ohne Einbuße an magnetischer Feldstärke sehr klein gemacht

werden können. Es sei dazu in Erinnerung gebracht, daß die Stromdichte eines Elektromagneten umgekehrt proportional zur Magnetgröße ist. Derzeit verfügbare orientierte seltene Erd-Kobalt-Materialien erzeugen Magnetfelder,die mindestens so stark sind wie die durch übliche Elektromagnete irgendeiner willkürlichen Größe erzeugten Magnetfelder. Im Vergleich mit anderen konventionelleren magnetischen Materialien haben die seltenen Erd-Kobalt (REC)-Materialien relativ einfache Eigenschaften und Charakteristika, die leicht verständlich und analytisch zu behandeln sind. Diese Eigenschaften machen diese REC-Materialien gute Kandidaten für verbesserte Magnetkonstruktionen, wie sie hier beschrieben werden.

Das Verfahren zur Herstellung von REC-Materialien sei hier kurz im Hinblick auf das Verständnis der Eigenschaften dieser Materialien beschrieben. Eine geschmolzene Mischung aus annähernd fünf Teilen Kobalt und einem Teil einer seltenen Erde, wie beispielsweise Samarium, wird schnell abgekühlt und sodann zerkleinert und gemahlen, um kristalline Teilchen zu ergeben, die Abmessungen in der Größenordnung von 5 Mikrometern besitzen. Diese kristallinen Teilchen sind hochanisotrop und besitzen eine bevorzugte magnetische Polarisationsrichtung in einer Kristallrichtung. Ein sehr starkes Magnetfeld wird angelegt, welches bewirkt, daß sich die einzelnen Teilchen körperlich soweit verdrehen, bis ihre magnetisch bevorzugten Achsen parallel zum angelegten Magnetfeld ausgerichtet sind. Es wird Druck angelegt, um handhabbare Materialdrücke zu bilden und die ausgerichteten Materialblöcke werden sodann gesintert und schließlich einem sehr starken Magnetfeld in einer Richtung parallel oder antiparallel zur zuvor aufgebauten bevorzugten Magnetrichtung ausgesetzt, um volle Magnetisierung wiederzusehen. Dieser Vorgang richtet nahezu sämtliche magnetische Momente in der Magnetisierungs-

»» ♦

ι β «

'ιϊ.

richtung aus, die als die Easy-Achse oder Achse magnetischer Orientierung bezeichnet wird. Die spezielle Eigenschaft, welche das REC-Material so brauchbar macht, besteht darin, daß dieses Remanenz-Magnetfeld außerordentlich stark ist und nur dann geändert werden kann, wenn ein starkes Magnetfeld in der Richtung angelegt wird, die entgegengesetzt zu dem Feld verläuft, welches ursprünglich zur Magnetisierung des REC-Materials verwendet wurde.

Fig. 1 zeigt die B-H-Kurve, aufgenommen in Richtung der sogenannten Easy-Achse für ein seltenes Erd-Kobalt (REC)-Material. Diese Kurve zeigt mehrere wichtige Merkmale. Es handelt sich hier um eine praktisch gerade Linie über einen großen Bereich von Feldstärken hinweg, und zwar mit einer Neigung von nahezu Eins. Die Versetzung der Kurve gegenüber dem Ursprung, d.h. das Remanenz-Feld B , ist typischerweise 0,8 bis 0,95 Tesla, wobei das Koerzitivfeld ungefähr 4 bis 8% kleiner ist als das Remanenzfeld. Diese über einen großen Bereich von Feldstärken vorhandene Linearität und die differentielle Permeabilität nahe Eins gestattet, daß diese Art eines Materials wie ein Vakuum behandelt wird mit einer eingeprägten Ladung oder Stromdichte. Die Folge davon besteht darin, daß die durch unterschiedliche Teile des REC-Materials erzeugten Felder sich linear überlagern und daß diese Felder analytisch recht leicht bei Nichtvorhandensein von magnetisch weichem Material bestimmt werden können, d.h. von Materialien, die linear sind und die keine Hysterese zeigen.

Es gibt verschiedene andere Materialien, die Eigenschaften ähnlich dem REC-Material besitzen; dazu gehören harzgebundenes REC-Material und einige der orientierten Ferrite, wobei diese aber niedrigere Remanenzfelder und größere Permeabilitäten besitzen. Diese Materialien können zur Durchführung der hier beschriebenen Erfindung verwendet werden und diese Materialien sollen allgemein von den REC-Materialien zur Durchführung

des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung umfaßt sein.

Fig. 2 zeigt eine Quadrupol-Version der Erfindung, und zwar in schematischer Darstellung als einen typischen Radialabschnitt durch ein zylindrisches Prisma.

Ein Multipolfeld-Magnetfeld wird allgemein durch ein zweidimensionales Feld erzeugt, das von zwei Richtungskoordinaten abhängt und das von der dritten Richtungskoordinate unabhängig ist. Die Stärke eines solchen Feldes ist proportional zu einer ganzzahligen Potenz von r, wobei r der kürzeste Abstand von dem betrachteten Punkt gegenüber der sich in der dritten Richtung erstreckenden Achse ist. Für ein Quadrupolfeld ist die Feldstärke direkt proportional zu r.

Eine Quadrupol-Konfiguration wird als bevorzugte Ausbildungsform dieser Erfindung beschrieben, wobei sich aber aus der Beschreibung klar ergeben soll, daß jede gewünschte Multipol-Konfiguration, d.h. Dipole, Octupole usw. und Kombinationen daraus, zum Erhalt spezieller Feldkonfigurationen im Rahmen der Erfindung vorgesehen werden können.

Vier Polstücke 10 aus magnetisch weichem Eisen oder Stahl-Material sind in der gezeigten Weise um eine Mittelachse 12 herum angeordnet, welche sich senkrecht zur Papierebene erstreckt. Die Polstücke erstrecken sich symmetrisch in Richtungen parallel zur Achse 12 und sie besitzen gleiche (ähnliche) Querschnitte an verschiedenen Punkten längs dieser Achse. Jedes Polstück hat einen Polspitzenteil 14, der, für einen Quadrupol, eine hyperbolische Gestalt besitzt, die, wie gezeigt, in eine gerade Linie übergeht, um eine optimale Feldverteilung vorzusehen. Die hinteren Oberflächen 16 der Polstücke sind als Teile von zylindrischen Oberflächen ausgeformt .

ft · ·

Vier Permanentmagnete 18, ausgebildet aus einer Anzahl von Stäben aus geeigneten seltenen Erd-Kobalt (REC)-Material oder einem Material mit einer ähnlich hohen Remanenzfeldcharakteristik, sind durch ein geeignetes Klebematerial an der Innenoberfläche einer zylindrischen Hülse 20 befestigt. Die Richtung des durch jeden der Permanentmagnete erzeugten Magnetflusses wird durch einen Pfeil angegeben, der die Easy-Achse jedes Magneten repräsentiert. Die Hülse 20 ist aus einem magnetisch weichen Material ausgebildet und sieht einen Fluß-· pfad zwischen den verschiedenen Permanentmagneten 18 vor. Die Innenoberflächen 22 der Permanentmagnete 18 sind zylindrisch in der gezeigten Weise geformt, um den zylindrischen Formen der hinteren Oberflächen 16 der Polstücke 10 zu entsprechen. Diese Oberflächen 16, 22 sehen ein Mittel zur Kupplung des Magnetflusses der Permanentmagnete 18 mit den Polstücken 10 vor. Diese Kupplung ist variabel, weil dann, wenn die Hülse 20 gedreht wird, unterschiedliche Größen der Oberflächengebiete in enger Nachbarschaft derart angeordnet werden, daß der durch die Permanentmagnete 16 gelieferte Magnetfluß durch den kleinen Luftspalt dazwischenläuft und von den Permanentmagneten 18 zu den Polstücken 10 gekoppelt wird. Die Polstücke 10 sehen einen magnetischen Pfad für diesen Fluß zu den Polspitzen 14 vor, die derart geformt sind, daß der Fluß in dem zwischen den Polstücken vorgesehenen Raum längs der Achse 12 verteilt wird. Auf diese Weise wird durch die Drehung der Position der Permanentmagnete 18 in der durch den Pfeil 25 angedeuteten Richtung aus der Startposition gemäß Fig. 2 heraus die Feldstärke des Feldes eingestellt, und zwar über einen Bereich hinweg auf einen gewünschten Wert für eine bestimmte Anwendung, ohne daß dabei die Feldverteilung gestört wird. Dies ist möglich, weil die Permanentmagnete 18 aus REC-Material ausgebildet sind, d.h. einem Material mit einem hohen Remanenzfeld und einer starken Koerzitivkraft.

Fig. 2 zeigt auch vier Hilfspermanentanordnungen, bestehend aus einem ersten Hilfsmagneten 26 mit einem rechteckigen Querschnitt und einem zweiten Hilfsmagneten 28 mit einem trapezförmigen Querschnitt. Beide sind aus REC-Material ausgebildet und in Position zwischen den Polstücken 10 befestigt. Die Richtung der Easy-Achsen ist durch die Pfeile angedeutet und diese zeiten die Richtung der Magnetfelder, erzeugt durch diese Magnete, an. Die Hilfspermanentmagnete 26, 28 sehen zusätzlichen Magnetfluß für die entsprechenden Polspitzen 14 vor. Dies gestattet die Verfügbarkeit starker Magnetflüsse an den Polspitzen 14, wobei die Sättigung der Polspitzen 10 verhindert, wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß der an die Polspitze 14 eines speziellen Permanentmagneten 10 gelieferte Nettomagnetfluß sich abhängig von der Drehposition und der Polarität der Permanentmagnete 18 verändert, und zwar xabhängig von der Polarität der festen Hilfspermanentmagnete 26, 30.

Korrekturpermanentmagnete 30, ausgebildet aus Stäben aus REC-Material sind benachbart zu den Polstücken nahe den Permanentmagneten 18 befestigt. Die Korrekturpermanentmagnete 30 sind derart gewählt, daß sie Dicken und Magnetfeldstärken sowie Richtungen aufweisen, die unerwünschten Permanentmagnetfeldern entgegenwirken, die in die Seiten der Polstücke eintreten könnten und die Symmetrie eines Quadrupolfeldes zerstören könnten.

In den Fig. 3 und 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines eine veränderbare Stärke besitzenden Quadrupol-Permanentmagneten dargestellt. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten, und zwar mit der Hinzufügung bestimmter funktioneller Einzelheiten zur Erleichterung seiner Verwendung.

Viermagnetisch weiche Polstücke 40 sind an jedem Ende an zwei nichtmagnetischen scheibenförmigen Endplatten 42 befestigt, und zwar mit einer Reihe von Stiften 44, eingekeilt in entsprechende Löcher in den Polstücken 40 und den Endplatten 42. Die Endplatten 42 besitzen eine geeignete Tragstruktur, befestigt daran zur Anordnung des Quadrupol-Magneten in Position, beispielsweise in einer geladene Teilchen aufweisenden Strahlenlinie, die Teilchen längs einer Längsachse 46 aussendet. Der Quadrupol-Magnet dient als ein Teil von Magnetmitteln zum Fokussieren der Teilchenstrahlen.

Jeder der Polstücke 40 besitzt eine hyperbolisch geformte Polspitze 48, positioniert längs der Achse 46 zur Erzeugung eines Magnetfeldes innerhalb des durch diese symmetrisch mit Abstand angeordneten Polspitzen definierten Raums. Vier Hilfspermanentmagnetanordnungen werden aus einer Reihe von REC-Magneten 50 mit rechteckigen Querschnitten gebildet. Die Magnete 50 sind in ihrer Position zwischen den Polstücken 40 durch ein geeignetes Klebematerial befestigt. Die Hilfsmagnete 50 sind aus REC-Material ausgebildet und besitzen Easy-Achsen, wie dies angegeben ist, um Magnetfluß an die Polspitzen 4 8 zu liefern.

Eine Reihe von langgestreckten REC-Stangen 60 mit rechteckigen Querschnitten - wie in Fig. 4 gezeigt - ist durch ein geeignetes Klebematerial an der Innenoberfläche 62 einer magnetischweichen zylindrischen Hülse 64 befestigt, um die vier Permanentmagnete zu bilden. Die Innenoberflächen der Permanentmagnete, gebildet durch die Stangen 60, sind nahe einer nichtmagnetischen Innenhülse 66 angeordnet. Die Enden der Innenhülsen 66 sind innerhalb entsprechender Schlitze auf den Innenwänden eines Paars von Hülsenbefestigungsflanschen 68 befestigt, dia auch die Enden der magnetisch-weichen zylindrischen Hülse 64 zur Drehung um die Längsachse 46 haltern. Die Innenoberflächen der Flansche 68 stehen mit den Außenoberflächen der schei-

benförmigen Befestigungsplatten 42 in Eingriff/ wobei die Zwischenfläche dazwischen als ein Drehlager für die Hülse 64 und die daran befestigten Permanentmagnete 60 dient.

Korrekturpermanentmagnete 30, ausgebildet aus Stäben aus REC-Material und in der angegebenen Weise orientiert, sind benachbart und zwischen den Polstücken 40 nach ihren äußeren Kanten und dicht zu den Permanentmagnetstangen 60 befestigt. Die Korrekturpermanentmagnete 30 besitzen Magnetfeldstärken, die unerwünschten Feldern von den Permanentmagneten entgegenwirken, welche in die Seiten der Polstücke nahe den Zwischenflächen mit den Hilfspermanentmagneten 50 eintreten könnten. Diese unerwünschten Felder würden in einem gewissen Ausmaß die Symmetrie des Quadrupols für bestimmte Drehpositionen der Permanentmagnete dann zerstören, wenn die zylindrische Hülse 64 in der Richtung des Pfeils 70 verdreht wird, und zwar beispielsweise beginnend an der in Fig. 3 gezeigten Startposition.

An jeder Endplatte 42 ist eine magnetisch-weiche Abschirmplatte 71 befestigt, die mit jedem der Polstücke 40 durch vier Blöcke 72 aus REC-Material gekuppelt ist. Dies bewirkt eine Abstimmung der Enden der Quadrupolstruktur gegenüber äußeren Streufeldern und bewirkt eine Einschließung und Formung des Magnetfeldes des Quadrupols nahe dessen Enden.

Fig. 4 zeigt Mittel zum Drehen der zylindrischen Hülse 64, wobei diese Mittel folgendes aufweisen: einen Schrittmotor 74 zum Antrieb einer spielfreien Schnecke 76, die mit einem Ringzahnrad 78 befestigt am Hülsenhalterungsflansch 68 in Eingriff steht. Die Position der Permanentmagnete 60 bezüglich der Polstücke wird durch den Schrittmotor gesteuert, um dadurch eine erwünschte Magnetfeldstärke für den Quadrupol zu erhalten.

• 9 ··

Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele dient der Illustration und soll die Erfindung nicht einschränken. Abwandlungen der Erfindung sind möglich.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Zwei oder mehr magnetisch-weiche Polstücke sind symmetrisch längs einer Längsachse positioniert, um ein Magnetfeld innerhalb eines durch die Polstücke definierten Raums vorzusehen. Zwei oder mehr Permanentmagnete sind an einer externen magnetisch-weichen zylindrischen Hülse befestigt, die sich dreht, um die Permanentmagnete in engere Kopplung mit den Polstücken zu bringen, um dadurch in einstellbarer Weise die Feldstärke des in dem durch die Polstücke definierten Raums erzeugten Magnetfelds zu steuern. Die Permanentmagnete sind vorzugsweise aus seltenen Erd-Kobalt (REC)-Material ausgebildet, was eine hohe magnetische Remanenzfeldstärke und eine starke Koerzitivkraft besitzt. Die Polstücke und die Permanentmagnete weisen entsprechende zylindrische Oberflächen auf, die bezüglich einander positionierbar sind, um die Kopplung dazwischen zu verändern. Hilfspermanentmagnete sind zwischen den Polstücken vorgesehen, um zusätzlichen magnetischen Fluß für das Magnetfeld ohne Sättigung der Polstücke zu erzeugen.

Leerseite

Claims

Ansprüche

f 1 J Ein mehrere Pole aufweisendes Permanentmagnet-Gebilde mit einer einstellbaren Feldstärke, gekennzeichnet durch:

zwei oder mehr mit Abstand angeordnete Polstücke, ausgebildet aus magnetisch-weichem Material und angeordnet um eine vorbestimmte magnetische Feldverteilung dazwischen vorzusehen,

wobei einer der mehreren Permanentmagnete ein hohes Remanenzfeld und eine Koerzitivkraft besitzt und magnetischen Fluß für die Polstücke erzeugt und

Mittel zur variablen Kupplung des Magnetflusses des einen oder mehreren Permanentmagneten mit den Polstücken zur Erzeugung einer variablen magnetischen Feldstärke zwischen den mit Abstand angeordneten Polstücken.

2, Magnetstruktur nach Anspruch 1, wobei die Polstücke und der eine oder die mehreren Permanentmagnete jeweils Oberflächengebiete besitzen, die dazu geeignet sind, um bezüglich einander sich zu bewegen, um so eine magnetische Kupplung dazwischen vorzusehen, wenn die Oberflächengebiete in enger Nachbarschaft angeordnet sind, und wobei der Permanentmagnet und die Polstücke beweglich sind, um verschiedene Teile der Oberflächengebiete der Polstücke und eines oder mehrere Permanentmagnete in enger Nachbarschaft bezüglich einander anzuordnen, um so die magnetische Flußdichte innerhalb der Polstücke zu steuern, und um dementsprechend in variabler Weise die magnetische Feldstärke zwischen den mit Abstand angeordneten Polstücken zu steuern.

3. MagnetStruktur nach Anspruch 1, wobei die variablen Kupplungsmittel ein magnetisch-weiches Glied aufweisen, mit dem ein oder mehrere Permanentmagnete magnetisch gekuppelt sind.

4. Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Permanentmagnete an dem magnetischweichen Glied befestigt sind, welches bezüglich der Polstücke beweglich ist.

5. Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 1, mit einem Hilfspermanentmagneten befestigt bezüglich der Polstücke und zusätzlichen Fluß für die Polstücke erzeugend.

6. Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 1, mit einem Korrekturpermanentmagneten, positioniert benachbart zu den Polstücken derart, daß dessen Magnetfeld die Kopplung unerwünschter Permanentmagnetfelder an die Polstücke verhindert.

7. Eine Multipol-Permanentmagnet-Struktur mit einer einstellbaren Feldstärke, wobei folgendes vorgesehen ist:

erste und zweite Polstücke, ausgebildet aus magnetischweichem Material, wobei jedes Polstück eine Polspitze besitzt, wobei die Polstücke mit Abstand angeordnet sind, um ein Magnetfeld zwischen den Polstücken zu erzeugen;

erste und zweite orientierte Permanentmagnete mit hohen Remanenzfeldern und starken Koerzitivkräften, wobei diese Permanentmagnete Oberflächen aufweisen, die mit entsprechenden Oberflächen der Polstücke zusammenpassen, wobei die Oberflächen dazu dienen, Teile zu besitzen, die in einstellbarer Weise in enger Nachbarschaft zueinander anzuordnen sind,

• ft β

um so die magnetische Kopplung dazwischen zu verändern und um dadurch eine variable magnetische Kopplung zwischen den Permanentmagneten und den Polstücken vorzusehen,

und Mittel zur Bewegung der Permanentmagnete bezüglich der Polstücke zur Veränderung der Kopplung zwischen den Oberflächenteilen der Polstücke und den Permanentmagneten, die in enger Nachbarschaft angeordnet sind, und zwar derart, daß die Flußdichte des magnetischen Feldes zwischen den Polspitzen variabel ist, währen die magnetische Feldverteilung zwischen den Polspitzen im wesentlichen konstant gehalten ist.

8. Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 7, wobei die
Polstücke um eine Längsachse herum angeordnet sind, um eine zylindrische Mehrpolstruktur vorzusehen, mit einem Mittelraum, ausgebildet zwischen den Polspitzen und sich längs der Längsachse erstreckend.

9. Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 8, mit einer
magnetisch-weichen Hülse, an der die Permanentmagnete befestigt sind, und die um die Polstücke herum verdrehbar
ist.

10. Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 7, mit Hilfspermanentmagneten mit hohen Remanenzfeldern und starken Koerzitivkräften, und zwar positioniert zwischen den Polstücken, um zusätzlichen magnetischen Fluß für die Polstücke zu erzeugen und um für starke magnetische Flüsse die Sättigung
der Polstücke zu verhindern.

11» Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 7, mit einem
Korrekturpermanentmagniten, positioniert zwischen den Pol-

stücken derart, daß dessen Magnetfeld der Kupplung unerwünschter Magnetfelder vom Permanentmagneten in die Polstücke entgegenwirkt und diese Kupplung verhindert.

12. Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 7, mit einer Vielzahl von symmetrisch angeordneten Polstücken und einer Vielzahl von Permanentmagneten, die einen symmetrischen, eine variable Stärke aufweisenden Multipol-Magneten bilden.

13. Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 12, wobei folgendes vorgesehen ist:

vier Polstücke, angeordnet um eine Längsachse herum und einen Raum definierend, der sich entlang der Längsachse erstreckt, wobei jedes Polstück eine zylindrische Oberfläche besitzt, die mit den Oberflächen der Polstücke zusammenpaßt,

vier Permanentmagnete mit zylindrischen Oberflächen, die den zylindrischen Oberflächen der Polstücke entsprechen, wobei die Permanentmagnete bezüglich der Polstücke beweglich sind, und

eine magnetisch-weiche Hülse zum Vorsehen einer magnetischen Kupplung zwischen den vier Permanentmagneten.

14. Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 13, mit vier Hilfspermanentmagneten, positioniert zwischen benachbarten Polstücken zur Erzeugung zusätzlichen magnetischen Flusses für die Polstücke.

15. Magnetstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 7, wobei die Permanentmagnete aus einem Material einschließlich eines seltenen Erd-Kobalt-Materials ausgebildet sind.

16. MagnetStruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 7, mit einer Vielzahl von Permanentmagnetblöcken und einer magnetischen Abschirmplatte, positioniert am Ende der Permanentmagnetstruktur und mit jedem der Polstücke durch einen der Blöcke aus Permanentmagnetmaterial gekoppelt.

17. Verfahren zur einstellbaren Veränderung der magnetischen Feldstärke eines mehrere Pole aufweisenden Permanentmagneten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Positionierung von zwei oder mehr magnetisch-weichen Polstücken um eine Längsachse herum zur Bildung eines Raums zwischen den Polstücken,

Anregung der Polstücke mit einem oder mehreren Permanentmagneten mit hohen Remanenzfeldern und starken Koerzitivkräften und magnetisiert in vorbestimmten Richtungen zum Aufbau eines magnetischen Feldes in dem Raum zwischen den Polstücken,

Bewegung eines oder mehrerer der Permanentmagnete bezüglich der Polstücke und der Permanentmagnete,um so unterschiedliche Ausmaße einer magnetischen Kopplung zwischen den Polstücken und den Permanentmagneten zu erhalten, und zwar derart, daß die magnetische Feldstärke in dem Raum zwischen den Polstücken variabel ist, während die magnetische Feldverteilung im wesentlichen konstant in diesem Raum verbleibt.

18. Verfahren nach Anspruch 17 einschließlich des Schrittes des Formens entsprechender Oberflächenteile der Polstücke und der Permanentmagnete auf zylindrische Konfigurationen und Drehung der Permanentmagnete bezüglich der Polstück© zum Erhalt unterschiedlicher Ausmaße einer magnetischen Kupplung zwischen den Polstücken und den Permanentmagneten dann, wenn die verschiedenen Teile der entsprechenden zy-

lindrischen Oberflächenteile in enge Nachbarschaft bewegt werden.

19 * Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch den Schritt des Anordnens der Permanentmagnete an der Innenoberfläche einer zylindrischen magnetisch-weichen Hülse, die sich um die Polstücke herum verdreht.

20. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch den Schritt des Erregens der Polstücke mit einem Hilfspermanentmagneten, positioniert zwischen den Polstücken.