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Diese Erfindung betrifft Hybridmagnetstrukturen, d.h., magnetische Strukturen, wobei
wenigstens ein Teil der Struktur mit einem Joch versehen ist und wenigstens ein
anderer Teil der Struktur jochfrei ist.
Hintergrund der Erfindung
Permanentmagnetstrukturen, bspw. für die Erzeugung eines gleichförmigen
Magnetfelds in einem Hohlraum, sind bekannt. Solche Strukturen sind z.B. in meiner
Veröffentlichung "Optimum Design of Two-Dimensional Permanent Magnets", T.R. 21, NYU
Medical Center, NYU School of Medicine, 15. Oktober 1989 beschrieben, und magnetische
Strukturen dieser Art, die Joche verlangen, sind z.B. in der PCT Patentanmedung WO-
92/22076 beschrieben.
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Bei der Konstruktion solcher Magnete mit Jochen ist es manchmal unbequem, Mittel
zum Zugang des Hohlraums in der magnetischen Struktur vorzusehen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist auf die Bereitstellung einer magnetischen Struktur hybrider
Art gerichtet, bei der ein Joch für einen Teil der Struktur vorgesehen ist und der Rest
davon jochfrei ist. Es hat sich herausgestellt, daß eine solche Anordnung gewisse
Vorteile liefert, wie den Zugang zu dem Hohlraum der magnetischen Struktur zu
vereinfachen. Eine hybride, magnetische Struktur ist z.B. in WO-91106963 beschrieben und
schließt magnetisierte Prismen ein, die mit flachen Seiten angeordnet sind, die die
Seiten eines Hohlraumes begrenzen, und keine Bereiche aufweisen, die nicht zu dem Fluß
in dem Hohlraum beitragen. Dieser Magnet umfaßt magnetisierte Übergangselemente,
die einen Teil der äußeren Oberfläche der Struktur festlegen und keine Seiten des
Hohlraums
definieren und die eine Induktion nahe von null haben. Joche sind zwischen
benachbarten Prismen vorgesehen und sie berühren die Übergangselemente nicht.
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Kurz gesagt wird gemäß der Erfindung eine Magnetstruktur, wie sie oben angegeben ist,
bereitgestellt, die ein weiteres unabhängiges Joch einschließt, das zwischen
gegenüberstehenden Prismen gekoppelt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Um die Erfindung klarer zu verstehen, wird sie nun mehr im einzelnen unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen geoffenbart, worin:
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Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen, magnetischen Struktur mit
Joch ist;
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Fig. 2 eine Darstellung der Kraftlinien der magnetischen Induktion in einem
Quadranten der Struktur der Fig. 1 ist;
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Fig. 3 eine Darstellung eines Quadranten einer magnetischen Struktur nach
Maßgabe der Erfindung ist;
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Fig. 4 ein Vektordiagramm ist, das die Bestimmung von Parametern der Struktur
der Fig. 3 darstellt;
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Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Quadranten einer magnetischen Struktur
gemäß Fig. 3 ist und eine Bezeichnung eines Jochs für einen Teil davon
einschließt;
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Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Quadranten einer magnetischen Struktur
ist, die eine Abänderung der Struktur der Fig. 5 ist;
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Fig. 7 ein Vektordiagramm ist, das die Bestimmung von Parametern der Struktur
der Fig. 6 darstellt;
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Fig. 8 einen Querschnitt einer magnetischen Struktur zur Erläuterung des
allgemeinen Falles der Erfindung darstellt;
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Fig. 9 einer Querschnittsansicht einer hybriden Struktur nach Maßgabe der
Erfindung ist, die die Verwendung unabhängiger Joche darstellt; und
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Fig. 10 die Querschnittsansicht einer Abänderung der Struktur der Fig. 9 ist.
Offenbarung der Erfindung im einzelnen
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Ein gleichförmiges Magnetfeld kann stets innerhalb eines prismenförmigen Hohlraums
beliebiger Geometrie mittels einer Struktur gleichförmig magnetisierter Prismen erzeugt
werden, die den Hohlraum umschließen In einem solchen Hohlraum fällt eine Seite von
jedem Prisma mit einer Seite des prismenförmigen Hohlraums zusammen, und eine
andere Seite jeden Prismas fällt mit der inneren Oberfläche eines äußeren Jochs hoher,
magnetischer Permeabilität zusammen, das die magnetische Struktur vollkommen
umschließt. Ein Beispiel eines Magneten mit Joch, der aus gleichförmig magnetisierten
Prismen gebildet ist, ist in Fig. 1 in dem besonderen Fall eines prismenförmigen
Hohlraums 20 mit einem regelmäßigen, sechseckigen Querschnitt gezeigt. Die Intensität H
des gleichförmigen Magnetfelds innerhalb des Hohlraums 20 der Fig. list zu einer Seite
21 des Hohlraums senkrecht, und die Remanenzen i (i = 1, 2, 3, 4, 5) der jeweiligen
magnetisierten Prismen 31, 32, 33, 34, 35, 36 haben die gleiche Größe J&sub0;. Die dicke
Linie in Fig. 1 stellt die innere Grenze des Magnetjoches 37 dar. Die Höhe 2y&sub1; der
magnetischen Struktur steht zu der Abmessung 2y&sub0; des sechseckigen Hohlraums zwischen
gegenüberstehenden Seiten 21, 38 in Beziehung durch die Gleichung
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worin K ein konstruktionsparameter ist, der definiert ist:
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worin in MKS Einheiten µ&sub0; =4 10&sup7; H/m
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Der erste Quadrant des Magnetquerschnitts der Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt. die
Remanenz &sub1; ist parallel zu der Achse y und die Remanenz &sub2; ist unter einem Winkel 2θ in
bezug auf die y Achse ausgerichtet, wobei θ der Winkel zwischen der Achse x und der
Grenzfläche 39 zwischen dem Hohlraum und dem Prisma 32 mit der Remanenz &sub2; ist.
Bei dem besonderen Beispiel des regelmäßigen, sechseckigen Hohlraums der Fig. 1:
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2θ = 2π/3 (3)
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Ein charakteristisches Merkmal der Magneten mit Joch der Art der Fig. 1 ist die
Gegenwart der dreieckigen Bereiche 40, 41, 42, 43 aus entweder Luft oder nichtmagnetischem
Material, die die magnetisierten Prismen trennen. Beispielsweise sind in Fig. 2 die zwei
Prismen 31 (S&sub0; S&sub1;. W&sub1; V&sub0;) und 32 (S&sub1; S&sub2; V&sub1;) durch den nichtmagnetischen Bereich (S&sub1;
V&sub1; W&sub1;) getrennt.
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Fig. 2 zeigt die Flußlinien der magnetischen Induktion:
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= + µ&sub0; (4)
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Der Fluß von B innerhalb des Hohlraums 20 erreicht das äußere Joch 37 in dem
Quadranten der Fig. 2 nur innerhalb der zwei Abschnitte (V&sub0; W&sub1;) und (S&sub2; W&sub2;). Innerhalb des
Bereiches (S&sub1; W&sub2; V&sub1; W&sub1;), d.h., des Bereiches 40 und eines Abschnitts des Bereiches 32
läuft der Fluß B zwischen dem Joch und der magnetischen Struktur außerhalb des
Hohlraums um. Mit anderen Worten trägt der Bereich (S&sub1; W&sub2; V&sub1;) des Prismas 32 der
Remanenz &sub2; nicht zu dem Fluß von innerhalb des Hohlraums bei, und stellt einen
Verlust der in dem magnetischen Material des mit Joch versehenen Magneten
gespeicherten Energie dar. Diese Situation ist ähnlich dem Streufeldbereich eines
herkömmlichen Permanentmagneten, wo ein Bruchteil der Energie, die in dem magnetischen
Material gespeichert ist, außerhalb des interessierenden Bereiches verschwendet wird.
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Nimmt man an, daß der Bereich (S&sub1; W&sub2; V&sub1;) des Prismas 32 der Remanenz 12
ausgeschlossen wird, und eine neue Komponente 45 an magnetischem Material mit der
Remanenz 17 und dem Querschnittsbereich (S&sub1; W&sub2; W&sub1;) in die magnetische Struktur
eingeführt wird, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die Remanenz 17 ist in Richtung senkrecht zu der
Seite (W&sub1; W&sub2;) ausgerichtet und erfüllt die Bedingung:
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&sub7; = - µ&sub0; H&sub7; (5)
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wo H&sub7; die Intensität in dem Bereich (S&sub1; W&sub2; W&sub1;) ist. Somit ist die Magnetisierung der
neuen Komponente 45 derart, daß kein Fluß von B in dem Bereich (S&sub1; W&sub2; W&sub1;) erzeugt
wird. Die zwei Medien 31, 47 sind durch die Oberflächen begrenzt, die parallel zu der
magnetischen Induktion in dem entsprechenden Medium sind, und der Übergang
zwischen diesen zwei Medien wird durch einen Körper der Remanenz &sub7; ausgeführt.
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Die Grenze 46 (W&sub1; W&sub2;) der neuen Remanenzkomponente &sub7; ist eine
Äquipotentialfläche mit dem gleichen Potential wie das Magnetjoch. Definitionsgemäß ist in dem
Bereich (S&sub1; W&sub2; W&sub1;) null, und als Folge kann die Grenze 46 (W&sub1; W&sub2;) die Grenzfläche
zwischen dem Medium der Remanenz &sub7; und dem äußeren nichtmagnetischen Medium
sein. Somit kann man bei der idealen Grenze der unendlichen, magnetischen
Permearbilität beliebig die Geometrie des äußeren Jochs des Magneten auswählen, solange
es den Fluß B schließt, der durch die magnetische Struktur erzeugt wird.
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Die Größe der Remanenz &sub7; wird durch das Vektordiagramm der Fig. 4 bestimmt.
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Fig. 4 ist ein Vektordiagramm, das die Bedingungen darstellt, die in der Anordnung der
Fig. 3 vorhanden sind. Fig. 4 ist ein besonderer Fall der allgemeinen Technik zur
Bestimmung der Parameter einer magnetischen Struktur. In diese Figur hat der Kreis C&sub1;
einen der Magnetisierungsgröße &sub1; entsprechenden Durchmesser, wobei der Vektor &sub1;
der Richtung zwischen den durchmessermäßig gegenüberliegenden Punkten N&sub1; und N&sub0;
auf dem Kreis C&sub1; entspricht. Ein Punkt A befindet sich auf der Geraden N&sub1;N&sub0;, so daß der
Vektor AN&sub0; der intensität des Feldes H&sub0; entspricht, das in dem Hohlraum erzeugt wird.
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Der Vektor AN&sub1; ist in der zu dem Vektor AN&sub0; entgegengesetzten Richtung ausgerichtet,
und dieser Vektor entspricht H&sub1;, der Intensität in dem Bereich 31 der Remanenz &sub1;.
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Ein Vektor AN&sub2; ist zu einem Punkt auf dem Kreis C&sub1; konstruiert, der der Feldintensität in
dem Bereich der Remanenz J&sub2; entspricht, und ein Durchmesser N&sub2; N&sub3; ist in den Kreis
gezeichnet, der der Materialremanenz J&sub2; entspricht. (Die Größe der Remanenz J&sub2; muß
gleich der Größe J&sub1; sein. Die Größe und die Richtung des Vektors AN&sub3; entsprechen der
Induktion in dem Bereich der Remanenz J&sub2;).
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Ein Gerade L&sub1; ist senkrecht zu der Geraden N&sub1;N&sub0; in dem Punkt N&sub1; konstruiert, und eine
Gerade L&sub2; ist senkrecht zu AN&sub3; in dem Punkt N&sub2; konstruiert. Der Schnittpunkt N&sub4; der
Geraden L&sub1; und L&sub2; ist der Ursprung des Vektors 17, dessen Spitze mit dem Punkt A
zusammenfällt.
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Der Vektor 17 ist senkrecht zu der Seite (W&sub1; W&sub2;) der neuen Komponente 45
ausgerichtet und im allgemeinen ist seine Größe von J&sub0; verschieden. Nur in dem besonderen Fall:
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K= 1/2 (6)
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hat man:
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J&sub7; = J&sub0; (7)
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In diesem Fall hat die magnetische Struktur in dem ersten Quadranten die in Fig. 5
gezeigte Geometrie, bei der aufgrund der Gleichung 1:
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Y&sub0;/Y&sub1; = 1/2 (8)
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In Fig. 5 ist eine rechteckige Form für das äußere Joch 60 des Magneten ausgewählt
worden, das die (S&sub2; W&sub2;) Grenze des magnetisierten Prismas 47 der Rernanenz &sub2; nicht
berührt. Somit können die Flüsse von über die Abschnitte (V&sub0; W&sub1;) und (S&sub2; W&sub2;) durch
den vierten Quadranten des Magnet
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Struktur der Fig. 1. Die Verringerung des Bereiches des magnetisierten Materials, die
sich aus der Einführung der Remanenzkomponete 17 ergibt, ist ganz offensichtlich.
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Der Austausch des Bereiches (S&sub1; W&sub2; V&sub1; W&sub1;) des mit Joch versehenen Magnets durch
Komponenten einer jochfreien Struktur kann gemacht werden, wobei magnetisches
Material verwendet wird, das die gleiche Remanenz J&sub0; wie der Rest des Magneten hat.
Dies ergibt die Struktur der Fig. 6, die aus den zwei Elementen 61 (S&sub1; W&sub3; W&sub1;) und 62 (S&sub1;
W&sub2; W&sub3;) der Remanenz &sub8; und &sub9; besteht, deren Größe gleich J&sub0; ist. Die Berechnung
der Richtungen von &sub8; und &sub9; ist durch das Vektordiagramm der Fig. 7 dargestellt.
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Da die Remanenzen &sub8; und &sub9; die Größe J&sub0; haben, wird ein Kreis C&sub2; mit Radius J&sub0; mit
der Mitte an dem Punkt A geschlagen. Die Gerade L&sub1; schneidet den Kreis C&sub2; in dem
Punkt N&sub8; und die Gerade L&sub2; schneidet den Kreis C&sub2; in dem Punkt N&sub9;. Der Vektor N&sub8;A
entspricht nun in Richtung und Größe der Remanenz &sub8;, und der Vektor N&sub9;A entspricht
in Richtung und Größe der Remanenz &sub9;.
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Die Remanenzen &sub8; und &sub9; sind senkrecht zu der Seite (W&sub1; W&sub3;) bzw. (W&sub3; W&sub2;) und
erfüllen die Bedingungen:
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&sub8; = - µ &sub8; und &sub9; = µ &sub9; (9)
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wo &sub8; und &sub9; die Intensitäten innerhalb der zwei jochfreien Komponenten sind.
Wiederum unterstreichen die gepunkteten Linien in Fig. 7 die Verringerung des Bereiches
an magnetisiertem Material, das sich aus dem Ausschluß der abgeschnittenen Keile
bekannter, mit Joch versehener Magnete ergibt.
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Wenn die Punkte W&sub1;, W&sub2; verbunden werden, um ein einzelnes Dreieck zu bilden, muß
die Größe &sub7; allgemein von J&sub0; verschieden sein. Nur in dem besonderen Fall, wenn K =
1/2, kann die Größe &sub7; gleich J&sub0; sein, um die Anordnung der Fig. 5 zu liefern, wo die
äußere Grenzschicht gerade ist. Wenn es erwünscht ist, die Übergangseinheit mit
einem Medium zu bauen, das die gleiche Größe J&sub0; wie der Rest der magnetischen
Struktur hat, dann kann der Übergang im allgemeinen nicht die Form eines einzelnen
Dreiecks
haben, d.h., es werden zwei dreieckige Abschnitte benötigt, wie es in Fig. 6 gezeigt
ist.
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Die Fig. 5 und 6 stellen die besonderen Falle der Struktur gemaß der Erfindung dar. In
einem allgemeinen Fall kann dieses Prinzip ausgedehnt werden, wie es unter
Bezugnahme auf Fig. 8 erklart wird. Im allgemeinen ist, wenn eine mit Joch versehene Struktur
um eine polygonale Grenze des Hohlraums entworfen wird, jedes Element an
magnetisiertem Material, das einen Bruchteil des Flusses führt, der in den Hohlraum fließt, in
einem allgemeinen Fall ein Quadrat, das auf einer Seite durch die Grenzflache mit dem
Hohlraum begrenzt ist, die durch die Seite (Sh-1 Sh) in Fig. 8 dargestellt ist. Die andere
Seite des Elements ist durch eine Äquipotentiallinie des Nullpotentials begrenzt, die die
Grenzflache mit dem Joch 70 bildet, d.h., die Linie (Uh Uh+1). Die anderen zwei Seiten
(Sh-1 Uh) und (Sh Uh+1) sind zueinander parallel und parallel zu der magnetischen
Induktion in diesem Element magnetisierten Materials. Infolgedessen haben alle
magnetisierten Materialien, die an den Hohlraum grenzen, diese Form. In diesem besonderen Fall
wird, wo der Punkt Uh+1 mit dem Punkt Sh zusammenfallt, wie bei der Anordnung der Fig.
3, das Quadrat ein Dreieck.
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Die außeren Grenzen aller Elemente aus magnetisiertem Material, wie der Elemente 71
und 72, sind durch Übergangseemente, wie die Elemente 73, 74, miteinander
verbunden, die die Bedingung erfüllen, daß innerhalb des entsprechenden Übergangselements
die Induktion gleich null ist. Da die magnetische Induktion null ist, ist die Intensitat des
Magnetfelds gleich und entgegengesetzt zu der Magnetisierung.
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Bei der allgemeinsten Ausgestaltung der magnetischen Struktur muß die außere
Grenze der Elemente magnetisierten Materials, die den Fluß in den Hohlraum führen, durch
ein Magnetjoch begrenzt werden, d.h., durch einen Körper aus unendlicher oder sehr
hoher Permeabilitat. Alle Übergangselemente, wie das Übergangselement (Sh-1 Uh Uh-1),
wo die Induktion gleich null ist und wo die außere Grenze definitiongemäß eine
Äquipotentialfiache von null Potential ist, benötigen keinerlei Joch, um das Feld zu begrenzen,
so daß die Grenze der entsprechenden Übergangseinheit unmittelbar an das außere
Medium, wie Luft, angrenzen kann. In bezug auf diese Elemente sollte das Joch den
magnetischen Weg in einer Weise schließen, die in bezug auf die Ebene y=0
symmetrisch ist. Es gibt jedoch keinen Grund gemaß der Erfindung, ein einzelnes Joch zu
verlangen,
das an alle magnetisierten Komponenten grenzt. Infolgedessen kann eine
hybride, magnetische Struktur gemäß der Erfindung vorgesehen werden, die eine
Mehrzahl unabhängiger Joche hat.
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Zum Beispiel stellt Fig. 9 den Querschnitt einer vollständigen, magnetischen Struktur
dar, die dem Quadranten entspricht, der in Fig. 3 gezeigt ist, wobei die magnetisierten
Elemente in dem zweiten, dritten und vierten Quadranten durch mit den des ersten
Quadranten gemeinsame Bezugszeichen gekennzeichnet sind, jedoch mit einer
Markierung mit Apostroph, doppeltem Apostroph bzw. dreifachen Apostroph. Bei dieser
Struktur ist ein Joch 80 angeordnet, den magnetischen Weg zwischen dem
gegenüberliegenden, magnetisierten Element zu schließen, wodurch die Struktur vollständig
geschlossen wird, aber die anderen magnetisierten Elemente nicht berührt werden, so daß
sie in bezug auf die Ebene y=0 symmetrisch ist. Ein getrenntes, unabhängiges Joch 81
ist auch symmetrisch in bezug auf die Ebene y=0 vorgesehen, das einen Rückweg
zwischen den Elemente 47, 47"' und den Elementen 47', 47" bildet. Es ist kein Joch für die
Elemente 45, 45', 45" und 45"' vorgesehen.
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Die geometrische Form der Joche ist ohne Bedeutung, da deren Permeabilität äußerst
hoch ist. Zum Beispiel kann sich jedes der Joche über den Umfang der magnetischen
Struktur erstrecken, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Alternativ kann, wie es in Fig. 10
dargestellt ist, beispielsweise das Joch geformt sein, daß es sich nur um eine Seite der
magnetischen Struktur erstreckt. Das Joch muß nicht irgendeine bestimmte Seite der
Struktur schließen.
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Diese Anordnung erlaubt die Bereitstellung einer offenen Struktur. Da die
Übergangselemente magnetisch transparent sind, kann der Hohlraum mit Wirkungen außerhalb von
ihm wechselwirken, ohne daß die magnetische Struktur aufgebrochen und in sie
eingetreten werden muß. Ein solches Merkmal ist mit einer mit Joch versehenen Anordnung
nach dem Stand der Technik, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, nicht möglich.