DE4329960A1 - Permanent magnet arrangement for producing a defined variable magnetic field - Google Patents

Permanent magnet arrangement for producing a defined variable magnetic field

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Abstract

The permanent magnets (1) of the permanent magnet arrangement are in each case mounted individually such that they can rotate about their centre axis (5) parallel to the common system centre axis (2). The rotation of all permanent magnets (1) is synchronised such that adjacent permanent magnets rotate in the opposite direction with respect to one another in order to change the intensity of the multipole field or in the same direction as one another in order to change the direction of the multipole field in the interior (4). The centre axes (5) of the permanent magnets (1) are parallel to the system centre axis (2). In this way, the fields of permanent magnets of the same shape and size can easily be compensated for in the case of such a permanent magnet arrangement, with the arrangement having a simple construction. The intensity of the field in the interior or the multipole moment can vary continuously by mutual rotation of the magnets. All the rotations can easily be coupled by means of toothed pinion wheels which engage in one another and are fitted on the magnet shafts, underneath the permanent magnets. Rotation of all magnets in the same direction can also be used to change the field direction. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Dauermagnetanordnung zum Erzeugen eines definierten variablen Magnetfeldes in einem Innenraum nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a permanent magnet arrangement for generating of a defined variable magnetic field in an interior according to the preamble of claim 1.

Je nach der Form des Feldverlaufs unterscheidet man allgemein Dipol-, Quadrupol-, Sextupol- oder allgemein Multipolfelder. In einer Vielzahl von technischen Anwendungen, z. B. für La­ boruntersuchungen von Materialien in magnetischen Feldern, bei der Magnetisierung und der magnetischen Behandlung von Materialien, bei der Kernspintomographie oder als Eichmagnete werden zum größten Teil Dipolfelder (das sind homogene Ma­ gnetfelder) gebraucht, insbesondere in der Kernphysik werden darüber hinaus allgemein Multipolfelder eingesetzt, die von Elektromagneten oder durch Dauermagnete erzeugt werden kön­ nen. A general distinction is made depending on the shape of the field Dipole, quadrupole, sextupole or general multipole fields. In a variety of technical applications, e.g. B. for La boron investigations of materials in magnetic fields, in the magnetization and magnetic treatment of Materials, in magnetic resonance imaging or as calibration magnets are mostly dipole fields (these are homogeneous Ma gnetfelder), especially in nuclear physics in addition, multipole fields generally used by Electromagnets or can be generated by permanent magnets nen.  

Für permanentmagnetisch erzeugte Multipolfelder werden zum großen Teil Magnetjoche genutzt, bei denen der von den Perma­ nentmagneten erzeugte Fluß durch Eisenleitstücke konzentriert und geformt wird. Es sind aber auch eisenfreie Magnetanord­ nungen zur Erzeugung von Multipolfeldern bekannt (Design of Permanent Multipole Magnets with oriented Rare Earth Cobalt Material, K. Halbach in Nuclear Instruments and Methods 169 (1980) S. 1-10).For permanently magnetically generated multipole fields are used for large part used magnetic yokes, in which the of the Perma Magnet generated flux concentrated by iron baffles and is shaped. But they are also iron-free magnet arrangements known for the generation of multipole fields (Design of Permanent Multipole Magnets with oriented Rare Earth Cobalt Material, K. Halbach in Nuclear Instruments and Methods 169 (1980) pp. 1-10).

Gegenüber Elektromagneten haben die Magnetsysteme aus Perma­ nentmagneten den Vorteil, daß sie oft kleiner und leichter sind, und daß keine Energie zur Aufrechterhaltung des Magnet­ feldes benötigt wird. Auf der anderen Seite erlaubt eine elektrische Spule eine beliebige Veränderung der Feldstärke durch eine Regelung des elektrischen Stromes. Es sind daher Entwicklungen unternommen worden, Dauermagnetanordnungen mit variablen Magnetfeldern aufzubauen. In der Literatur sind Wege aufgezeigt worden, die bei Magnetjochkonstruktionen (Conceptual Design of a Permanent Quadrupole Magnet with adjustable Strength, Nuclear Instruments and Methods 206 (1983) S. 353-354) und bei eisenfreien Anordnungen (Applica­ tions of yokeless flux confinement, H.A. Leupold and E. Po­ tenziani 11, J. Applied Physics 64 (10), 15. November 1988 S. 5994-5996) die Variation der Feldstärke durch eine Bewegung der Systemkomponenten zueinander ermöglichen. Alle bisherigen Lösungen haben den Nachteil, daß der Aufbau recht kompliziert ist, und daß gerade im Bereich kleiner Felder die gewünschte Feldgeometrie nur recht ungenau erreicht wird, da sich die Felder von unterschiedlich großen oder unterschiedlich ge­ formten Magnetkomponenten kompensieren, wobei eine Kompensa­ tion gerade dadurch praktisch nur unvollkommen zu realisieren ist.Compared to electromagnets, the magnetic systems made of Perma Magnets have the advantage that they are often smaller and lighter and that there is no energy to maintain the magnet field is needed. On the other hand, one allows electrical coil any change in field strength by regulating the electric current. It is therefore Developments have been made using permanent magnet assemblies build up variable magnetic fields. In the literature are Ways have been shown in magnetic yoke constructions (Conceptual Design of a Permanent Quadrupole Magnet with adjustable Strength, Nuclear Instruments and Methods 206 (1983) pp. 353-354) and in iron-free arrangements (Applica tions of yokeless flux confinement, H.A. Leupold and E. Po tenziani 11, J. Applied Physics 64 (10), November 15, 1988 p. 5994-5996) the variation of the field strength through a movement enable the system components to each other. All previous ones Solutions have the disadvantage that the structure is quite complicated and that the desired one is in the area of small fields Field geometry is only achieved very imprecisely because the Fields of different sizes or different ge compensate shaped magnetic components, being a Kompensa because of this, it is practically imperfect to realize this is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dauermagnet­ anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit einem mechanisch einfachen Aufbau derart auszubilden, daß sich bei der Einstellung des Systems auf kleine Felder die vergleichs­ weise großen Felder von Magneten gleicher Form und Größe kompensieren.The invention has for its object a permanent magnet arrangement according to the preamble of claim 1 with a  mechanically simple structure in such a way that at the setting of the system on small fields the comparative wise large fields of magnets of the same shape and size compensate.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst, während in den Ansprüchen 2 bis 6 besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekenn­ zeichnet sind.This object is achieved according to the invention by the indicator of claim 1 solved, while in claims 2 to 6 particularly advantageous developments of the invention are drawn.

Erfindungsgemäß ist eine gerade Anzahl von Einzelmagneten in gleichem Abstand zueinander und auf einem gemeinsamen Radius um eine Mittelachse angeordnet. Alle Magnete sind jeweils um ihre Achse parallel der gemeinsamen Systemmittelachse drehbar gelagert, und ihre Verdrehung wird derart synchronisiert, daß sich entweder alle Magnete im Gleichsinn oder aber jeweils benachbarte Magnete gegenläufig drehen. Die Magnetisierungs­ richtung der Magnete liegt senkrecht zu ihrer Drehachse. Im Grundzustand vor einer Verdrehung sind die Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen benachbarter Magnete alle gleich groß. Ihre Summe, das heißt der Wert des Winkels mul­ tipliziert mit der Anzahl der Magnete, ergibt ein ganzzah­ liges Vielfaches von 360°. Hierdurch wird im Innenraum um die Systemmittelachse ein Multipolfeld erzeugt. Insbesondere wird bei einer Summe von 720° ein Dipolfeld erzeugt.According to the invention, an even number of individual magnets is in equal distance from each other and on a common radius arranged around a central axis. All magnets are around its axis can be rotated parallel to the common system center axis stored, and their rotation is synchronized such that either all magnets in the same direction or each Turn neighboring magnets in opposite directions. The magnetization The direction of the magnets is perpendicular to their axis of rotation. in the The basic state before rotation is the angle between the magnetization directions of neighboring magnets all same size. Their sum, that is the value of the angle mul multiplied by the number of magnets gives an integer major multiple of 360 °. This is in the interior around the System center axis creates a multipole field. In particular a dipole field is generated at a total of 720 °.

Die Stärke des Feldes im Innenraum bzw. das Multipolmoment kann durch gegensinnige Verdrehung der Magnete kontinuierlich verändert werden. Eine Kopplung aller Drehungen ist leicht durch ineinandergreifende Zahnritzel zu realisieren, die auf den Magnetachsen unterhalb der Magnete angebracht sind.The strength of the field in the interior or the multipole moment can continuously by rotating the magnets in opposite directions to be changed. Coupling all rotations is easy through interlocking pinions to realize on the magnet axes are attached below the magnets.

Eine gleichsinnige Verdrehung aller Magnete kann darüber hinaus zur Änderung der Feldrichtung genutzt werden. This can be done by rotating all magnets in the same direction can also be used to change the field direction.  

Die Form der Magnete ist beliebig, eine Zylinderform erlaubt jedoch die dichteste Anordnung der Magnete, bei der die Ma­ gnete noch gegeneinander frei drehbar sind.The shape of the magnets is arbitrary, a cylindrical shape is allowed however the closest arrangement of the magnets, in which the Ma gnete are still freely rotatable against each other.

Der Aufbau einer Dauermagnetanordnung in der beschriebenen Weise ist mechanisch wesentlich einfacher als bei den bisher bekannten Anordnungen, da nur Magnete einer Geometrie benö­ tigt werden, und da diese Magnete nur um ihre eigenen Achsen verdreht, aber nicht, wie bei den herkömmlichen Anordnungen, gegeneinander verschoben oder um eine Achse außerhalb der Magnete verdreht werden.The structure of a permanent magnet arrangement in the described Mechanically is much easier than in the past known arrangements, since only magnets of one geometry are required and because these magnets only move around their own axes twisted, but not, as with the conventional arrangements, shifted against each other or around an axis outside the Magnets are twisted.

Es hat sich gezeigt, daß die Flußdichte in einem Dipolsystem mehr als den halben Wert der remanenten Induktion des Magnet­ werkstoffes erreichen kann. Bei Verwendung eines Magnetwerk­ stoffes mit einer Permeabilität nahe 1 (Hartferrit oder Sel­ tenerdwerkstoffe) können zur Verstärkung der Feldstärke meh­ rere Dauermagnetanordnungen ineinandergesetzt werden, da sich in diesem Fall die Felder der Systeme additiv überlagern. Es kann aber auch eine Dauermagnetanordnung der beschriebenen Art in ein elektrisch oder permanentmagnetisch auf konventio­ nelle Art erzeugtes Feld eingebracht werden.It has been shown that the flux density in a dipole system more than half the remanent induction of the magnet can achieve material. When using a magnetic mechanism material with a permeability close to 1 (hard ferrite or Sel earth materials) can be used to increase the field strength rere permanent magnet arrangements are intertwined, because in this case additively overlay the fields of the systems. It can also be a permanent magnet arrangement of the described Kind in an electrical or permanent magnet on konventio nelle type generated field are introduced.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigenPreferred embodiments of the invention are in the Drawing shown schematically. Show it

Fig. 1 eine Dauermagnetanordnung als Dipolsystem aus acht einzelnen zylindrischen Dauermagneten in perspekti­ vischer Ansicht, Fig. 1 is a permanent magnet arrangement as a dipole system of eight individual cylindrical permanent magnet in Perspecti vischer view,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Dauermagnetanordnung von Fig. 1 mit Feldlinien und mit Angabe der Drehrich­ tungen zur Reduktion der Feldstärke, Fig. 2 shows a section through the permanent magnet arrangement of Fig. 1 with field lines and indicating the rotational Rich obligations to reduce the field strength,

Fig. 3 den gleichen Schnitt wie in Fig. 2 nach Verdrehung aller Magnete um 90°, und Fig. 3 shows the same section as in Fig. 2 after rotation of all magnets by 90 °, and

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Dauermagnetanord­ nung mit sechs Einzelmagneten mit Darstellung des Winkels α zwischen den Magnetisierrichtungen be­ nachbarter Magnete. Fig. 4 shows a section through a further permanent magnet arrangement with six individual magnets showing the angle α between the magnetization directions of adjacent magnets.

Die in Fig. 1 bis 3 und in Fig. 4 gezeigten beiden Ausfüh­ rungsbeispiele von Dauermagnetanordnungen dienen zum Erzeugen eines definierten variablen Magnetfeldes in einem Innenraum. Beide Anordnungen bestehen aus einer geraden Anzahl von Dau­ ermagneten 1 gleicher Form, die in gleichem Abstand unter­ einander und zu einer gemeinsamen Systemmittelachse 2 ange­ ordnet sind. Die Richtung 3 der Magnetisierung liegt dabei in jedem Dauermagneten senkrecht zur Systemmittelachse 2, wobei die Winkel α zwischen den Magnetisierungsrichtungen 3 benach­ barter Dauermagnete 1 in der Grundstellung von Fig. 2 bzw. Fig. 4 alle gleich groß sind.The two examples of permanent magnet arrangements shown in FIGS . 1 to 3 and in FIG. 4 serve to generate a defined variable magnetic field in an interior. Both arrangements consist of an even number of permanent magnets 1 of the same shape, which are arranged at the same distance from each other and to a common system center axis 2 . The direction 3 of the magnetization lies in each permanent magnet perpendicular to the system central axis 2 , the angles α between the magnetization directions 3 adjacent permanent magnets 1 in the basic position of FIG. 2 and FIG. 4 all being the same size.

Bei beiden Dauermagnetanordnungen sind die Dauermagnete 1 einzeln jeweils um ihre Mittelachsen 5 parallel zu der ge­ meinsamen Systemmittelachse 2 drehbar gelagert. Die Verdre­ hung aller Dauermagnete 1 ist in Fig. 1 durch Zahnritzel 6 so synchronisiert, daß sich benachbarte Dauermagnete im Gegen­ sinn zur Veränderung der Stärke des Feldes im Innenraum zu­ einander drehen.In both permanent magnet arrangements, the permanent magnets 1 are individually rotatably mounted about their central axes 5 parallel to the common system central axis 2 . The Verdre hung all permanent magnets 1 is synchronized in Fig. 1 by pinion 6 so that adjacent permanent magnets in the opposite sense to change the strength of the field in the interior to each other.

Jede der beiden Dauermagnetanordnungen ist aus diametral magnetisierten Zylindermagneten aufgebaut, deren Mittelachsen 5 parallel zu der Systemmittelachse 2 liegen.Each of the two permanent magnet arrangements is constructed from diametrically magnetized cylinder magnets, the central axes 5 of which are parallel to the system central axis 2 .

Der Winkel α zwischen der Magnetisierrichtung 3 benachbarter Dauermagnete 1, multipliziert mit der Anzahl der Dauermagne­ te, ergibt bei beiden Dauermagnetanordnungen 720°, so daß in der Mitte der Dauermagnetanordnung ein Dipolfeld (homogenes Magnetfeld) variabler Stärke erzeugt wird.The angle α between the magnetizing direction 3 of adjacent permanent magnets 1 , multiplied by the number of permanent magnets, results in 720 ° for both permanent magnet arrangements, so that a dipole field (homogeneous magnetic field) of variable strength is generated in the middle of the permanent magnet arrangement.

Die Drehung der Dauermagnete 1 ist durch gekoppelte Zahnrit­ zel 6 unterhalb der Dauermagnete synchronisiert. Greifen die Zahnritzel 6 benachbarter Magnete direkt ineinander, so wer­ den diese entsprechend den Drehrichtungen 7 in Fig. 2 gegen­ läufig gedreht und gelangen nach einer Drehung um 90° in die Stellung von Fig. 3. Hierdurch ändert sich das von der Dauer­ magnetanordnung erzeugte Magnetfeld entsprechend den in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Feldlinien 8.The rotation of the permanent magnets 1 is synchronized by coupled Zahnrit cell 6 below the permanent magnets. The pinions 6 of adjacent magnets engage directly with one another, so who rotated them in accordance with the directions of rotation 7 in FIG. 2 against and after 90 ° rotation they reach the position in FIG. 3. This changes the magnetic field generated by the permanent magnet arrangement corresponding to those shown in Fig. 2 and Fig. 3 field lines 8.

Bei einem Antrieb der Zahnritzel 6 durch ein nicht gezeigtes zentrales Zahnrad oder durch einen die Zahnritzel umschlie­ ßenden Zahnriemen oder dergleichen drehen sich alle Dauerma­ gnete 1 gleichsinnig.When the pinion 6 is driven by a central gear (not shown) or by a toothed belt enclosing the pinion or the like, all permanent magnets 1 rotate in the same direction.

Die Dauermagnete 1 bestehen aus Hartferriten oder Seltenerd­ magnetwerkstoffen.The permanent magnets 1 consist of hard ferrites or rare earth magnetic materials.

In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann jede der beiden Dauermagnetanordnungen auch innerhalb eines äußeren Magnet­ feldsystems angeordnet sein, so daß sich innerhalb beider Systeme das Feld des äußeren Systems und das veränderliche Feld der inneren Dauermagnetanordnung überlagern. Hierfür können mehrere Dauermagnetanordnungen ineinandergesetzt wer­ den. Es kann aber auch eine Dauermagnetanordnung in ein elek­ trisch oder permanentmagnetisch erzeugtes Magnetfeld einge­ bracht werden.In an embodiment not shown, either of the two Permanent magnet arrangements also within an outer magnet field systems must be arranged so that within both Systems the field of the external system and the changeable Overlay the field of the inner permanent magnet arrangement. Therefor several permanent magnet arrangements can be nested the. But it can also be a permanent magnet arrangement in an elec tric or permanent magnetic generated magnetic field be brought.

BezugszeichenlisteReference list

1 Dauermagnet
2 Systemmittelachse
3 Magnetisierrichtung
4 Innenraum
5 Mittelachse zu jedem Dauermagneten 1
6 Zahnritzel
7 Drehrichtung
8 Feldlinien. 1 permanent magnet
2 system center axis
3 direction of magnetization
4 interior
5 central axis to each permanent magnet 1
6 sprockets
7 direction of rotation
8 field lines.

Claims (6)

1. Dauermagnetanordnung zum Erzeugen eines definierten variablen Magnetfeldes in einem Innenraum mit einer geraden Anzahl von Dauermagneten gleicher Form, die in gleichem Abstand untereinander und zu einer gemeinsamen Systemmittelachse angeordnet sind, wobei die Richtung der Magnetisierung in jedem Dauermagneten senkrecht zur Systemmittelachse liegt, und wobei die Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen benachbarter Dauermagnete in der Grundstellung alle gleich groß sind, so daß im Innenraum der Dauermagnetanordnung um die Systemmittel­ achse ein magnetisches Multipolfeld erzeugt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dauer­ magnete (1) einzeln jeweils um ihre Mittelachse (5) par­ allel zu der gemeinsamen Systemmittelachse (2) drehbar gelagert sind, wobei die Verdrehung aller Dauermagnete (1) so synchronisiert ist, daß sich benachbarte Dauerma­ gnete im Gegensinn zur Veränderung der Stärke des Multi­ polfeldes oder im Gleichsinn zur Veränderung der Rich­ tung des Multipolfeldes im Innenraum (4) zueinander drehen. 1. Permanent magnet arrangement for generating a defined variable magnetic field in an interior with an even number of permanent magnets of the same shape, which are arranged at the same distance from one another and from a common system center axis, the direction of magnetization in each permanent magnet being perpendicular to the system center axis, and wherein the Angle between the magnetization directions of adjacent permanent magnets in the basic position are all the same size, so that a magnetic multipole field is generated in the interior of the permanent magnet arrangement around the system center axis, characterized in that the permanent magnets ( 1 ) individually around their central axis ( 5 ) par allel to the common system center axis ( 2 ) are rotatably supported, the rotation of all permanent magnets ( 1 ) being synchronized so that adjacent permanent magnets are opposed to changing the strength of the multi-pole field or in the same direction to change the direction of the multipo Turn the oil field in the interior ( 4 ) towards each other. 2. Dauermagnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus diametral magnetisierten Zylindermagneten aufgebaut ist, deren Mittelachsen (5) parallel zu der Systemmittelachse (2) liegen.2. Permanent magnet arrangement according to claim 1, characterized in that it is constructed from diametrically magnetized cylinder magnets, the central axes ( 5 ) of which are parallel to the central system axis ( 2 ). 3. Dauermagnetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Magnetisierrichtung benachbarter Dauerma­ gnete (1), multipliziert mit der Anzahl der Dauermagne­ te, 720° ergibt, so daß in der Mitte der Dauermagnet­ anordnung ein Dipolfeld (homogenes Magnetfeld) variabler Stärke erzeugt wird.3. Permanent magnet arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the angle between the magnetizing direction of adjacent permanent magnet ( 1 ), multiplied by the number of permanent magnet te, results in 720 °, so that in the middle of the permanent magnet arrangement a dipole field (homogeneous Magnetic field) of variable strength is generated. 4. Dauermagnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Dauermagnete (1) durch gekoppelte Zahnritzel (6) unterhalb der Dauermagnete synchronisiert ist.4. Permanent magnet arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the rotation of the permanent magnets ( 1 ) by synchronized pinion ( 6 ) is synchronized below the permanent magnets. 5. Dauermagnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete (1) aus Hartferriten oder Seltenerdmagnet­ werkstoffen bestehen.5. Permanent magnet arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the permanent magnets ( 1 ) consist of hard ferrites or rare earth magnet materials. 6. Dauermagnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie innerhalb eines weiteren äußeren Magnetfeldsystems an­ geordnet ist, so daß sich innerhalb beider Systeme das Feld des äußeren Systems und das veränderliche Feld der inneren Dauermagnetanordnung überlagern.6. Permanent magnet arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that they within another external magnetic field system is ordered so that within both systems Field of the external system and the changing field of overlay the inner permanent magnet arrangement.
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