DE3518851A1 - Elektrische maschine zur magnetisierung eines hohlzylindrischen dauermagneten - Google Patents

Elektrische maschine zur magnetisierung eines hohlzylindrischen dauermagneten

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DE3518851A1
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August Dr.techn. 1000 Berlin Schwab
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    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/383Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using permanent magnets
    • HELECTRICITY
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Description

  • Elektrische Maschine zur Magnetisierung eines hohlzylin-
  • drischen Dauermagneten Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem eine zylindrische Bohrung aufweisenden äußeren Teil, der an seinem inneren Umfang eine in Nuten liegende Wicklung trägt und einem zylindrischen, konzentrisch zum äußeren Teil liegenden inneren Teil, der an seinem äußeren Umfang eine zweipolige, über den Umfang verteilte, in Nuten eingebettete Wicklung trägt, wobei der äußere und der innere Teil voneinander durch einen Luftspalt getrennt sind.
  • Derartige elektrische Maschinen sind als Synchronmaschinen mit rotierendem Turboläufer bekannt. Sie werden als Generatoren zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie verwendet und sind z. B. aus dem Buch Moeller-Werr, Leitfaden der Elektrotechnik", Band III, Teubner Verlag 1955, Seite 58 - 69 bekannt. Sie können aber auch als Motoren eingesetzt werden.
  • In einem Aufsatz der Zeitschrift "Nuclear Instruments and Methods", 169 (1980), Seite 4,5 ist ein hohlzylindrischer Dauermagnet beschrieben. Der Dauermagnet besteht aus einem Dauermagnetwerkstoff mit wechselnder Vorzugsrichtung, der auch in Vorzugsrichtung magnetisiert ist, wodurch der Dauermagnetwerkstoff orientiert ist. Dieser hohlzylindrische Dauermagnet hat in seinem Innenraum ein homogenes Magnetfeld und sein Außenraum ist feldfrei, wenn der Dauermagnetwerkstoff in jedem Punkt des Dauermagneten verschieden orientiert ist. Diese Orientierung ist kompliziert und durch eine komplexe Funktion mathematisch beschrieben. Der Autor des Aufsatzes zweifelt daran, daß man eine derartige Orientierung des Dauermagnetwerkstoffes herstellen kann. Er schlägt daher vor,den Dauermagneten aus gleichartigen, vormagnetisierten Segmenten zusammenzusetzen. Jedes Segment soll nur eine Orientierung aufweisen, die von der Orientierung der bXenachbarten Segmente verschieden ist. Der so erhaltene Dauermagnet nutzt den Dauermagnetwerkstoff schlechter aus, als ein holzylindrischer Dauermagnet mit der oben erwähnten Orientierung, weiterhin ist das Feld im Innenraum inhomogener und der Außenraum nicht mehr feldfrei.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die einen hohlzylindrischen Körper aus Dauermagnetwerkstoff, der nicht vormagnetisiert ist, als Ganzes magnetisieren kann, derart, daß das Magnetfeld im Innenraum des so erhaltenen hohlzylindrischen Dauermagneten angenähert homogen ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine elektrische Maschine der eingangs beschriebenen Art so ausgebildet, daß der äußere Teil und der innere Teil feststehend angeordnet sind, daß ein hohizylindrischer Dauermagnet, insbesondere für Kernspintomographenlin den Luftspalt einführbar ist und daß die Wicklung des inneren Teils angenähert sinusförmig verteilt ist, daß die Wicklung des äußeren Teils ebenfalls eine zweipolige, über den Umfang angenähert sinusförmig verteilte Wicklung ist, die mit der Wicklung des inneren Teils eine gemeinsame Wicklungsachse hat.
  • Die zweipolige, angenähert sinusförmig verteilte Wicklung des inneren Teils und die zweipolige, angenähert sinusförmig verteilte Wicklung des äußeren Teils, die mit der Wicklung des inneren Teils eine gemeinsame Wicklungsachse hat, erzeugen, wenn sie von entgegengesetzten Strömen durchflutet werden, zwei angenähert sinusförmig verteilte Strombeläge.
  • Diese beiden Strombeläge magnetisieren einen hohlzylindrischen Dauermagneten aus Dauermagnetwerkstoff, der nicht vormagnetisiert ist und in den Luftspalt eingeführt ist, derart, daß das Magnetfeld im Innenraum des Dauermagneten nach seiner Magnetisierung angenähert homogen ist. Da der Luftspalt so bemessen ist, daß ein hohlzylindrischer Dauermagnet eines Kernspintomographen darin einführbar ist, ist es durch diese ruhende elektrische Maschine möglich, hohlzylindrische Dauermagnete aus Dauermagnetwerkstoff für die Kernspintomographie so zu magnetisieren, daß nach der Magnetisierung im Innern des Dauermagneten ein angenähert homogenes Magnetfeld herrscht. Weil der hohlzylindrische Dauermagnet aus nichtmagnetisiertem Dauermagnetwerkstoff innerhalb des Luftspaltes der elektrischen Maschine als Ganzes magnetisiert wird, ist die Herstellung eines derartigen Dauermagneten bedeutend einfacher als die Herstellung des bekannten Dauermagneten aus Segmenten, die einzeln magnetisiert sind. Die Verwendung eines hohlzylindrischen Dauermagneten aus Dauermagnetwerkstoff als Magnet eines Kernspintomographen ist besonders vorteilhaft, da dort homogene Felder im Innenraum des Magneten und ein möglichst feldfreier Außenraum gefordert werden.
  • Die Abmessungen der elektrischen Maschine richten sich nach der Größe des Dauermagneten. Der Außendurchmesser des inneren Teils der elektrischen Maschine muß kleiner oder gleich dem Innendurchmesser des Dauermagneten sein, der sich bei einem Kernspintomographen nach der Größe des zu untersuchenden Objektes richtet. Der Bohrungsdurchmesser des äußeren Teils der elektrischen Maschine muß größer oder gleich dem Außendurchmesser des Dauermagneten sein. Dieser ist bei gegebenen Innendurchmesser des Dauermagneten abhängig von der Remanenzinduktion des Dauermagnetwerkstoffs und der geforderten Induktion im Innenraum des Dauermagneten.
  • Im folgenden sei der Begriff einer sinusförmig verteilten Wicklung erläutert. Beim Gegenstand der Erfindung sind die sinusförmig verteilten Wicklungen in Nuten an zylindrischen Flächen angeordnet. Die Lage einer Nut ist dabei durch den Umfangswinkel zur Nutmitte bestimmt, die Verteilung ist daher eine Funktion des Umfangswinkels. Die Wicklungen sind in Nuten und nicht unmittelbar an den zylindrischen Flächen angeordnet, da so die Spulen der Wicklungen festgelegt sind.
  • Eine Festlegung der Wicklung ist notwendig, da zwischen benachbarten Leitern Kräfte auftreten, wenn sie vom Strom durchflossen werden.
  • Eine sinusförmig verteilte Wicklung, die an einer zylindrischen Fläche angeordnet ist, im weiteren als sinusförmig verteilte Mantelwicklung bezeichnet, besteht aus in Reihe geschalteten Leitern gleichen Querschnitts, bei der die Zahl der Leiter in einer Nut eine Funktion des Sinus des Umfangswinkels ist. Bei einer zweipoligen sinusförmig verteilten Mantelwicklung liegt das Maximum der Leiterzahl bei einem Umfangswinkel von 90- und 270'. Die Wicklungsachse ist die Verbindungslinie der beiden Orte mit den Umfangswinkel von 0' und 180". Die Leiter, die auf Umfangswinkeln zwischen 0' und 180' liegen, haben die gleiche Durchflutungsrichtung; die Leiter zwischen 180' und 360 haben die dazu entgegengesetzte. Leiter in Nuten mit gleicher Windungszahl, aber entgegengesetzter Durchflutung sind zu einer Spule verbunden.
  • Wie bekannt ist, kann man eine Mantelwicklung aus Spulen gleicher Weite oder aus Spulen ungleicher Weite, deren Mittelpunkte auf der Wicklungsachse liegen, herstellen. Spulen ungleicher Weite sind jedoch vorzuziehen, da man kürzere Wickelköpfe erhält, wodurch der Widerstand der gesamten Wicklung verringert ist und der Aufwand für die speisende Spannungsquelle geringer ist, als bei Spulen gleicher Weite.
  • Um Inhomogenitäten des Magnetfeldes im Innenraum des hohlzylindrischen Dauermagneten ausgleichen zu können, die z. B.
  • durch Schwankungen in den Eigenschaften des Dauermagnetwerkstoffs hervorgerufen werden, ist es sinnvoll, wenn beide Wicklungen getrennt voneinander gespeist sind. Dann können zur Korrektur des Magnetfeldes im Innenraum die beiden Wicklungen unterschiedlich durchflutet werden.
  • Es ist vorteilhaft, wenn der innere Teil. und der äußere Teil aus einem nichtmagnetischen Werkstoff bestehen. Dann kann der hohlzylindrische Dauermagnet nach seiner Magnetisierung ohne großen Kraftaufwand aus dem Luftspalt entfernt werden, da keine magnetischen Kräfte zwischen dem magnetisierten Dauermagneten und den Teilen der elektrischen Maschine auftreten. Sind der äußere Teil und der innere Teil dagegen aus einem weichmagnetischen Werkstoff, wie bei üblich ausgebildeten, eingangs beschriebenen, elektrischen Maschinen, kann der Aufwand an den die Wicklung speisenden Quellen verringert werden, weil nicht so hohe Magnetisierungsströme notwendig sind. Zweckmäßigerweise ist dann der äußere Teil hohlzylindrisch ausgebildet, wodurch man eine zylindersymmetrische Anordnung erhält.
  • Im folgenden sei die Erfindung noch anhand des in der Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die Figur zeigt die vereinfachte Darstellung eines Querschnitts durch eine gemäß der Erfindung ausgebildete elektrische Maschine.
  • Für die Erfindung unwesentliche Teile der elektrischen Maschine, z. B. die Ausbildung der Wickelköpfe und die Lagerung der feststehend angeordneten Teile sind nicht dargestellt.
  • Eine elektrische Maschine 1 weist einen hohlzylindrischen äußeren Teil 2 auf, in dessen zylindrischer Bohrung ein konzentrisch zum äußeren Teil 2 angeordneter, zylindrischer innerer Teil 3 liegt. Weder der äußere Teil 2 noch der innere Teil 3 laufen um, wie es sonst bei gewöhnlichen elektrischen Maschinen der Fall ist. Die Teile 2,3 sind feststehend angeordnet. Der innere Teil 3 ist vom äußeren Teil 2 durch den Luftspalt 4 getrennt. Der Luftspalt 4 ist so bemessen, daß ein hohlzylindrischer Dauermagnet eines Kernspintomographen darin einführbar ist. Der äußere Teil 2 und der innere Teil 3 sind massiv und sie bestehen aus einem nichtmagnetischen Werkstoff.
  • Der äußere Teil 2 hat an seinem inneren Umfang 5 ebenso wie der innere Teil 3 an seinem äußeren Umfang 6 radial gerichtete, in Längsrichtung der Maschine verlaufende Nuten.
  • Die Zahl der Nuten in den beiden Teilen 2,3 ist gleich. Die Nuten im inneren Teil 3 und im äußeren Teil 2 sind jeweils gleichmäßig über den Umfang 5 bzw. 6 verteilt. Einer Nut des inneren Teils 3 liegt eine Nut des äußeren Teils 2 gegenüber. In den Nuten des äußeren Teils 2 und des inneren Teils 3 ist jeweils eine sinusförmig verteilte zweipolige Wicklung 7 bzw. 8 eingebettet. Die Nuten eines Teils 2,3 sind gleich breit, aber unterschiedlich tief und mit den Spulen einer Wicklung 7,8 vollständig gefüllt.
  • Die sinusförmig verteilten Wicklungen 7,8 bestehen aus in Reihe geschalteten Spulen ungleicher Weite, deren Mittelpunkte auf der gemeinsamen Wicklungsachse 9 liegen. Die Spulen einer Wicklung 7,8 bestehen aus Leitern gleichen Querschnitts, da sie vom gleichen Strom durchflossen werden.
  • Weil es sich um angenähert sinusförmig verteilte Wicklungen handelt, weisen die Spulen einer Wicklung 7,8 unterschiedliche Windungszahlen auf, so daß die Nuten eines Teils 2 oder 3 unterschiedlich tief sind. Die Nuten im inneren Teil 3 sind tiefer und schmaler als im äußeren Teil 2, weil am Umfang 5 des äußeren Teils 2 mehr Platz zur Verfügung steht, wodurch man, um den gleichen Strombelag wie am Teil 3 zu erreichen, die Spulen des Teils 2 flacher und breiter als die Spulen des Teils 2 herstellen kann.
  • Die Wicklungen 7, 8 werden bei der Aufmagnetisierung des hohlzylindrischen Dauermagneten aus Dauermagnetwerkstoff, der nicht vormagnetisiert ist, getrennt gespeist. Dadurch können auch unterschiedlich große Strombeläge erzielt werden, wodurch Schwankungen in den Eigenschaften des Dauermagnetwerkstoffs ausgeglichen werden können. Die Durchflutungsrichtung während der Magnetisierung in den einzelnen Spulenseiten ist durch Punkte bzw. Kreuze dargestellt.
  • 5 Ansprüche 1 Figur

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Elektrische Maschine mit einem eine zylindrische Bohrung aufweisenden äußeren Teil, der an seinem inneren Umfang eine in Nuten liegende Wicklung trägt und einem zylindrischen, konzentrisch zum äußeren Teil liegenden inneren Teil, der an seinem äußeren Umfang eine zweipolige, über den Umfang verteilte, in Nuten eingebettete Wicklung trägt, wobei der äußere Teil und der innere Teil voneinander durch einen Luftspalt getrennt sind, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der äußere Teil (2) und der innere Teil (3) feststehend angeordnet sind, daß der Luftspalt (4) so bemessen ist, daß ein hohizylindrischer Dauermagnet, insbesondere für Kernspintomographen, darin einführbar ist, daß die Wicklung (8) des inneren Teils (3) angenähert sinusförmig verteilt ist und daß die Wicklung (7) des äußeren Teils (2) ebenfalls eine zweipolige, über den Umfang (5) angenähert sinusförmig verteilte Wicklung ist, die mit der Wicklung (8) des inneren Teils (3) eine gemeinsame Wicklungsachse (9) hat.
  2. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spulen jeder Wicklung (7,8) Spulen ungleicher Weite sind, deren Mittelpunkte auf der gemeinsamen Wicklungsachse (9) liegen.
  3. 3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Wicklungen (7,8) getrennt voneinander gespeist sind.
  4. 4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der innere Teil (3) und der äußere Teil (2) aus einem nichtmagnetischen Werkstoff bestehen.
  5. 5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h gek e n n z e i c h ne t , daß der äußere Teil (2) hohlzylindrisch ausgebildet ist.
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