DE69223959T2

DE69223959T2 - Hocheffizienter dauermagnet mit joch

Info

Publication number: DE69223959T2
Application number: DE69223959T
Authority: DE
Inventors: Manlio Abele
Original assignee: New York University NYU
Current assignee: New York University NYU
Priority date: 1991-05-30
Filing date: 1992-04-06
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2012-04-07
Also published as: JP3019266B2; JPH06508478A; WO1992022076A1; AU2245792A; CA2110288A1; EP0586602A1; EP0586602A4; DE69223959D1; EP0586602B1; US5162771A; ES2110505T3; ATE162003T1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Permanentmagnete mit Joch, die einen verbesserten Wirkungsgrad haben. Solche Magnete können z.B. nur in einem Kemmagnetresonanz-Gerät verwendet werden.

Hintergrund der Erfindung

In Anbetracht der großen Volumina von magnetischen Materialien, die bei der Entwicklung von gleichförmigen Magnetfeldem verwendet werden, und den hohen Kosten solcher magnetischen Materialien ist es wünschenswert, magnetische Strukturen zu schaffen, die einen verbesserten Wirkungsgrad haben.
Magnetische Strukturkonstruktionen für diesen Zweck sind z.B. in der PCT Patentanmeldung WO 91/06963 beschrieben worden, die auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist, und in "Optimum Design of Two-Dimensional Permanent Magnets", T.R.-21, NYU Medical Center, NYU School of Medicine, 15. Oktober 1989.
Ich beziehe mich auf US-A-3,227,931, wo eine Magnetstmktur mit Joch geoffenbart ist; das Joch liegt unmittelbar an magnetisierten Teilen, um eine exteme Äquipotentialfiache zu erhaften.
Des weiteren verweise ich hier auf US Patent Nr.4,647,887 zum Zwecke des Vergleichs, damit der Unterschied zwischen der Theorie und der Arbeitsweise meiner Erfindung und die Umhüllungsanordnung dieser Druckschrift besser erkannt werden kann.
Ich beziehe mich hier auf das US Patent Nr.4,679,022 von Miymoto u.a. als ein Beispiel eines Systems, das Formungspole bekannter Art verwendet, ähnlich jenen, die unter Bezugnahme auf Fig. 11 beschrieben sind, um eine klarere Wertschätzung der Unterschiede zwischen meiner Erfindung und magnetischen Systemen zu ermöglichen, die Formungspole verwenden.

Zusammenfassung der Erfindung

Kurz gesagt schafft die Erfindung eine magnetische Struktur mit Joch, die ein Paar beabstandeter, magnetisierter Bauteile, die eine Permeabilität u&sub0; haben und einen Hohlraum begrenzen, und eine ferromagnetische Endstruktur aufweist, die den genannten Hohlraum schließt und an ein Ende der genannten magnetisierten Bauteile stößt. Die Endstmktur umfaßt wenigstens ein erstes Element mit einem dreieckigen Querschnitt, das eine gegen ein Ende eines der genannten magnetisierten Bauteile stoßendes Ende hat und eine Permeabilität u&sub0; aufweist, und ein zweites Element mit dreieckigem Querschnitt, dessen eine Seite gegen die benachbarte Seite des genannten Hohlraums stößt und das eine Permeabilität u&sub0; aufweist. Das erste und das zweite Element haben von dem magnetisierten Teil fortweisende, zweite Seiten und einen Hohlraum, wobei wenigstens ein Teil einer Äquipotentiallinie festgelegt wird, wodurch die Flußdichte auf der Seite der Äquipotentiallinie von der magnetisierten Struktur fortweisend null ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann eine magnetische Struktur mit einem Joch des weiteren mit einer Struktur aus einem ferromagnetischem Material und einem magnetisiertem Material versehen werden, das an einem Ende des Hohlraums angeordnet wird, das einen Zugang zu dem Hohlraum erlaubt, während irgendeine Inhomogenität des Feldes in dem Hohlraum minimiert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Damit die Erfindung klarer verstanden wird, wird sie nun mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung geoffenbart, worin:
Fig. 1 einen Quadranten eines Querschnitts einer zweidimensionalen Struktur zur Erläuterung der Theorie meiner Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Vektorzeichnung einer magnetischen Struktur zur Erläuterung der Strukturen der Fig. 1 und 3 ist, die konstruiert ist, einen eindimensionalen Fluß von zu erzeugen;
Fig. 3 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Quadraten einer magnetischen Struktur gemäß der Erfindung ist;
Fig. 4 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Abänderung der Struktur der Fig. 3 ist, worin J&sub3;'< (J&sub1;;
Fig. 5 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer weiteren Abwandlung der Struktur der Fig. 3 ist, wobei J&sub4; und J&sub5; gleich J&sub3;' sind;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Abschnitts der magnetischen Struktur der Erfindung für y> 0 ist und eine Ausführungsform der Geometrie eines Jochs zeigt;
Fig. 7 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Quadranten einer magnetischen Struktur der in Fig. 3 gezeigten Art ist und des weiteren eine andere Ausführungsform einer Jochgeometrie darstellt;
Fig. 8 eine Ansicht gemäß Fig. 3 ist und des weiteren ein Filter gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 9 eine Ansicht ist, die die Wirkung von Störungen in einer magnetischen Struktur darstelit;
Fig. 10 eine vereinfachte, volle Querschnittsansicht einer magnetischen Struktur gemäß Fig. 8 ist;
Fig. 11 ein Querschnittsdiagramm ist, das eine herkömmliche Permanentmagnetstruktur darstellt;
Fig. 12 eine herkömmliche Magnetstruktur in Umhüllungskonstruktion darstellt;
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer magnetischen Struktur gemäß der Erfindung ist, wobei ein prismatischer Hohlraum eingeschlossen ist;
Fig. 14 eine Querschnittsansicht ist, die eine geschlossene Jochkonfiguration darstellt, die gemäß der Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 15 eine Querschnittsansicht ist, die eine offene Jochkonfiguration darstellt, die gemäß der Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 16 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer zweidimensionalen, magnetischen Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist, die das offene Ende des Magneten zeigt;
Fig. 17 eine Ansicht eines Abschnitts einer Abänderung der Struktur der Fig. 16 ist;
Fig. 18 eine Endansicht einer bekannten magnetischen Struktur mit einem Hohlraum mit sechseckigem Querschnitt ist;
Fig. 19 eine Endansicht einer dreidimensionalen, magnetischen Struktur gemäß der Fig. 16 ist;
Fig. 20 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der dreidimensionalen, magnetischen Struktur ist, die enuang der Linien 18-18 der Fig. 17 genommen ist;
Fig. 21 einer perspektivische Ansicht des magnetischen Elements 91 der Fig. 17 ist;
Fig. 22 eine perspektivische Ansicht des magnetischen Elements 10 der Fig. 17 ist; und
Fig. 23 eine perspektivische Ansicht des Endes einer magnetischen Struktur gemäß den Fig. 17-20 ist.

Beschreibung der Erfindung im einzelnen

Die Leistungszahl M einer magnetischen Struktur mit einem Hohlraum ist durch die Gleichung definiert:
worin Ac und Am die Querschnittsflächen des Hohlraums bzw. des magnetischen Materials sind und K ein Parameter ist, der definiert ist als:
wo H&sub0; die Größe der Intensität H&sub0; in dem Hohlraum und J&sub1; die gleichförmige Remanenz in dem magnetischen Material ist.
Um das Feld H&sub0; zu erzeugen, ist eine Dicke des Materials notwendig, wie sie durch die Beziehung definiert ist:
Idealerweise wäre, um den Kreis zu schließen, erwünscht, ein Material mit unendlicher, magnetischer Permeabilität zu verwenden. Wenn u sehr groß ist, aber nicht genau unendlich ist, biegen sich die Flußlinien, damit sie sehr nahe der Oberfiäche u&sub1; sind, und wenn u = fallen die Flußlinien an der Oberfläche u&sub1; mit der Oberfiäche zusammen, die der Grenzfläche zwischen dem uijochii und dem magnetisierten Material 10 entspricht.
Fig. 2 stellt ein Vektordiagramm dar, daß die Bedingungen zeigt, die bei der Anordnung der Fig. 1 vorliegen. Fig. 2 ist ein besonderer Fall des allgemeinen Gedankens, die Magnetisierung und die Geometrie jeder Komponente einer magnetischen Struktur zu bestimmen. Der Kreis C&sub0; hat einen Durchmesser gleich der Größe der Magnetisierung J&sub1;, wobei sich der Vektor J&sub1; aufwärts von einem Punkt N zu einem Punkt N&sub0; erstreckt. Ein Punkt A befindet sich auf der Linie N-N&sub0;, und der Vektor A-N&sub0; auf dieser Linie entspricht dem Feld uH&sub0;, das in dem Hohlraum erzeugt wird. Der Vektor AN ist nach unten gerichtet, und dieser Vektor ist gleich J&sub1;-uH&sub0;, und so ist der Vektor AN gleich J&sub1;-uH&sub0;.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, ist ein Quadrant der in Fig. 1 gezeigten Art mit einem ersten Element 11 mit dreieckigem Querschnitt aus magnetischem Material vorgesehen, das mit einer Seite an das Ende des magnetisierten Materials 10 anstoßend angeordnet ist. Ein zweites, dreieckiges Querschnittselement 13 ist mit seiner einen Seite 14 angeordnet, das offene Ende des Hohlraums 15 zu schließen, und stößt mit einer zweiten Seite enuang einer Linie 16 an das Element mit dreieckigem Querschnitt. Die dritte Seite 17 des Elements 11 und die dritte Seite 18 des Elements 13 begrenzen eine äußere Grenzschicht, die gemaß der Erfindung eine Äquipotentiallinie zusammen mit der äußeren Seite u&sub1; des magnetischen Materials 10 festlegt Die Linie 16 erstreckt sich unter einem Winkel α zu der Grenzschicht zwischen dem magnetisierten Material und dem Hohlraum 15 und daher auch zu der Äquipotentialebene 20 an der Mitte der magnetischen Struktur. Bei dieser Anordnung ist die Permeabilität des magnetisierten Materials 10 u&sub1;, die Permeabilität des Elements 11 ist u&sub2; und die Permeabilität des Elements 13 ist u&sub3;.
Bei einer Anfangsberechnung, um eine Struktur abzuleiten, die die obigen Anforderungen erfüllt, wird angenommen, daß J&sub1;=J&sub2;=J&sub3;.
Der allgemeinen Konstruktion folgend und wiederum auf Fig. 2 Bezug nehmend werden die Magnetisierung und die Geometrie irgendeines Materials, das an das magnetisierte Material 10 angrenzt, durch das Vektordiagramm beschrieben, das in den Kreis C&sub2; eingeschrieben ist, der durch den Punkt N und den Punkt A hindurchgeht und dessen Durchmesser die Größe der Magnetisierung J&sub2; ist. Gemäß der Erfindung ist es notwendig, die Stetigkeit der Tangentialkomponente der Intensität des Magnetfeldes über die Grenzschicht hinweg beizubehalten. Das Magnetfeld innerhalb des magnetisierten Materials 10 ist ein Vektor A-N in Fig. 2, der (1-KJ&sub1;) ist. Beim Fehlen der magnetischen Induktion ist das Magnetfeld innerhalb der Komponente, das an das magnetisierte Material 10 angrenzt gleich und entgegengesetzt zu J&sub2;. Infolgedessen muß die Spitze A&sub2; der Intensität -J&sub2; auf der Linie senkrecht zu J&sub1; sein, die durch den Punkt N hindurchgeht. Ähnlich ist J&sub3; die Magnetisierung der Komponente des magnetisierten Materials, das an den Hohlraum angegrenzt. J&sub3; wird durch das Vektordiagramm beschrieben, das in den Kreis C&sub3; eingeschrieben ist. Da die Induktion in diesem Element zu null angenommen wird, das an den Hohlraum angrenzt, muß das Magnetfeld in diesem Element gleich und entgegengesetzt zu J&sub3; sein. Um die Stetigkeitsbedingung des Magnetfeldes über die Grenze zu der Hohlraum hinweg zu erfüllen, muß die Spitze des Vektors -J&sub3; auf der Linie senkrecht zu J&sub1; liegen, die durch den Punkt N&sub0; hindurchgeht.
Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, wird ein Vektor J&sub2; mit einer Größe, die zu der von J&sub1; identisch ist, konstruiert, indem von dem Punkt A&sub2; zu dem Punkt A fortgefahren wird. Der Vektor J&sub2; ist der Durchmesser eines Kreises C&sub2;. Ähnlich erstreckt sich ein Vektor J&sub3; der gleichen Größe wie der Vektor J&sub1; von dem Punkt A&sub3; zu dem Punkt A nach unten. Dieser Vektor J&sub3; ist der Durchmesser des Kreises C&sub3;.
Da B gleich 0 sein muß, muß die Intensität in einem Medium an der Grenzschicht mit dem Ende des magnetischen Mediums 10 gleich und entgegengesetzt zu dem Vektor J&sub2; sein, und aus dem gleichen Grund muß die Intensität des Mediums, das das Ende des Hohlraums begrenzt oder einschließt, gleich und entgegengesetzt zu J&sub3; sein. Wenn ein Kreis um den Punkt A geschlagen wird, mit der Mitte bei A und einem Radius J&sub1;, ist J&sub1; die Größe dieses Vektors. Der Punkt, in dem dieser Kreis den Kreis C&sub2; schneidet, definiert das andere Ende des Vektors J&sub2;. Der Punkt in dem dieser Kreis den Kreis C&sub3; schneidet, definiert den Vektor J&sub3;. Diese zwei Vektoren definieren die Magnetisierung, wo es keine Induktion gibt.
Wie es oben erörtert worden ist, trennt die Linie 16 (Fig. 3) die zwei Elemente 11 und 13 mit dreieckigem Querschnitt. Diese Linie muß sich in einer solchen Richtung fortsetzen, daß die Tangentialkomponente der zwei Vektoren J&sub2; und J&sub3; auf dieser Linie über die Oberfläche stetig ist. Um dieses Ergebnis zu erhalten, muß sich die Linie 16 parallel zu der Linie erstrecken, die durch den Punkt A in Fig. 2 und den Schnittpunkt des Kreises C&sub2; mit C&sub3; definiert ist. Die Außenseite 17, 18 der zwei Elemente mit dreieckigem Querschnitt ist senkrecht zu J&sub2; bzw. J&sub3; und ist eine Äquipotentiallinie, da senkrecht zu J bedeutet, daß sie senkrecht zu H sind. Als ein Ergebnis sind die Linien 17,18 auf Äquipotential. Diese zwei Äquipotentialnien 17,18 erstrecken sich zwischen dem Punkt V&sub1;, wo das Potential 0 ist, und dem Punkt S&sub2;, wo wiederum das Potential 0 ist. Der Punkt S&sub2; liegt auf der Äquatorialebene und infolgedessen ist das Potential in den beiden 17,18 auch 0. Demgemäß ist bei der oben erörterten Anordnung der Fluß nur innerhalb des Bereiches von 0 bis 52 eingeschlossen (Fig. 1). Es gibt keinen Fluß in dem Bereich rechts der Linien 17, 18. Das Potential in diesem Bereich ist 0 und deshalb gibt es keinen Fluß. Dies bedeutet, daß das Potential außerhalb der durch die Linien 17,18 definierten Fläche 0 ist, so daß irgendein Bereich außerhalb hiervon das Potential 0 hat. Infolgedessen definiert in der sich ergebenden Struktur die Oberfläche 17,18 eine Fläche an einem Joch mit unendlicher Permeabilität.
Es ist natürlich offensichtiich, daß die Struktur symmetrisch in bezug auf die Äquatorebene, ebenso wie zu der Linie O-V&sub0; ist. Indem die zwei Elemente 11, 13 mit dreieckigem Querschnitt verwendet werden, ist es offensichuich, daß der magnetische Kreis durch ein Joch geschlossen werden kann, das irgendwo angeordnet wird. Das Joch kann von der Seite 17,18 beabstandet sein oder es kann der Seite 17,18 benachbart sein, da der gesamte Bereich rechts der Seite 17, 18 ein Bereich mit Nullpotential ist.
Die Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht, die innerhalb des Materials gespeicherte Energiemenge zu verringern, während die Verwendung kostengünstiger Materialien gestattet wird. Somit kann, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, am Vektor J&sub3;' zwischen dem Punkt A und der Senkrechten zu der Linie N-N&sub0; an dem Punkt N&sub0; gezogen werden, der kürzer als der Vektor J&sub3; ist, wodurch dies einem kostengünstigeren Material als das entspricht, das durch den Vektor J&sub3; wiedergegeben wird. Der Vektor J&sub3;' definiert den Durchmesser eines Kreises C&sub3;'. Die Linie, die den Punkt A und den Schnittpunkt der Kreise C&sub2; und C&sub3;' verbindet, erstreckt sich in eine Richtung, die die Grenzfläche zwischen den entsprechenden magnetischen Elementen 20, 21 mit dreieckigem Querschnitt begrenzt, wie es in Fig. 4 zu sehen ist.
Um die Abweichung der Erfindung mit anderen Worten zu beschreiben, sei zuerst ein zweidimensionaler, prismatischer Hohlraum mit einem rechteckigen Querschnitt angenommen, und man betrachte das Problem, innerhalb des Hohlraums ein gleichförmiges Magnetfeld zu erzeugen, dessen Intensität H&sub0; senkrecht zu der Achse des Hohlraums und parallel zu einer Seite des Rechtecks ausgerichtet ist, wie es in Fig. 1 angegeben ist, die einen Quadranten des Hohlraumquerschnitts zeigt, dessen Seiten s&sub1;, s&sub2; sind.
Ich habe die Konstruktion von Magneten um einen Hohlraum mit und ohne Joch von der in Fig. 1 dargestellten Art in meinen Veröffenuichungen "Yokeless Permanent Magnets", T.R. 14, Universität von New York, N.Y., 1. November 1986 und "Some Considerations about Permanent Magnet Design for NMR", T.R.-13, Universität von New York, N.Y., 1. Februar 1986 wiedergegeben. Der Magnet ist als eine Struktur mit Joch konstruiert, und die Seite s&sub1; in Fig. 1 ist die Grenzfläche zwischen dem Hohlraum und einem Bereich aus magnetischem Material mit der Remanenz j&sub1;, die parallel zu der y Achse ausgerichtet ist. Die Linie u&sub1; ist die Grenze zwischen demselben Bereich aus magnetischem Material und einem Joch mit unendlicher, magnetischer Permeabilität, und u&sub1; ist eine Äquipotentiallinie φ=o. Innerhalb des rechteckigen Bereiches (OV&sub0;V&sub1;S&sub2;) ist der Fluß von B gleichförmig und parallel zu der y Achse, und
B=KJ&sub1; (4)
mit K ≤ 1.
In Fig. 1 ist die Seite (V&sub1; 82) parallel zu B. Statt anzunehmen, daß s&sub2; die Grenzfläche zwischen dem Hohlraum und einer Komponente aus magnetischem Material eines Magneten mit Joch ist, betrachte man s&sub2; als eine Seite des Hohlraums eines jochfreien Magneten mit der zusätzlichen Annahme, daß s&sub2; die Grenzfläche zwischen dem Hohlraum und einem magnetischen Material ist, wo:
B=0 (5)
Man nehme an, daß das Medium mit der Remanenz J&sub1; durch die Linien w&sub1;,&sub2; eingeschlossen ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, und man nehme auch an, daß w1,2 die Grenzfläche zwischen dem Medium mit der Remanenz J&sub1; und einem magnetischen Material ist, wo B auch diese Bedingung erfüllt.
Die Berechnung der jochfreien, magnetischen Struktur, die zwischen der Linie (V&sub1; S&sub2;) und dem umgebenden Medium eingeführt werden soll, ist durch das Vektordiagramm der Fig. 2 gegeben. Wenn die Remanenz der Komponenten dieser Struktur gleich der Größe von J&sub1; ist, wird die Geometrie der Struktur durch die Vektordiagramme geschaffen, die in die zwei Kreise C&sub2; und C&sub3; eingeschrieben sind, die durch die Punkte A, N bzw. A, N&sub0; hindurchgehen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Die sich ergebende Struktur ist in Fig. 3 gezeigt. Die Remanenz des magnetischen Materials in den Bereichen (V&sub1; S&sub1; U&sub1;) und (S&sub1; S&sub2; U&sub1;) sind Vektoren J&sub2;, J&sub3;, deren Spitzen mit dem Punkt A in Fig. 2 zusammenfallen. Somit wird in beiden Bereichen die Bedingung 3 erfüllt, und die Intensitäten H&sub2;, H&sub3; sind jeweils gleich und entgegengesetzt zu J&sub2;, J&sub3;. Die Grenzfläche (V&sub1; U&sub1;) in Fig. 3 ist senkrecht zu J&sub2; und die Grenzfläche (V&sub2; U&sub1;) ist senkrecht zu J&sub3;. Die Grenzfläche (S&sub1; U&sub1;) zwischen den zwei Bereichen aus magnetischem Material ist parallel zu der gestrichelten Linie, die durch den Punkt A und den zweiten Schnittpunkt E der Kreise C&sub2;, C&sub3; hindurchgeht.
Der Bereich außerhalb der Grenze (V&sub1; U&sub1; S&sub2;) in Fig. 3 ist ein Äquipotentialbereich mit φ=0. Ein geschlossener Rand des äußeren Jochs ist notwendig, den Fluß der magnetischen Induktion zu schließen, der die Linie u&sub1; in Fig. 1 kreuzt. Bei der idealen Grenze eines Jochs mit unendlicher magnetischer Permeabilität kann irgendeine beliebige geschlossene Linie außerhalb der Grenze (V&sub1; U&sub1; S&sub2;) gewählt werden, wie bspw. die in Fig. 3 gezeigte, rechteckige Geometrie. Offensichtlich könnte die Linie (V&sub0; V&sub1; U&sub1; S&sub2;) die Grenzfläche zwischen der magnetischen Struktur und dem Joch sein.
Die Magnetkonfiguration der Fig. 3 macht es möglich, den eindimensionalen Fluß der Induktion B innerhalb des Hohlraums und auch der magnetischen Struktur zu erzeugen. Die Leistungszahl der zweidimensionalen Struktur der Fig. 3 ist
worin 2x&sub0;, 2y&sub0; die Abmessungen des rechteckigen Hohlraums in der Richtung senkrecht bzw. parallel zu der Intensität H&sub0; sind.
An der Grenze von y&sub0; « x&sub0;) nähert sich M der Leistungszahl eines idealen, eindimensionalen Magneten mit Joch, dessen Wert gegeben ist durch
M=K(1-K) (7)
Die zwei dreieckigen Bereiche der Fig. 3 mit den Remanenzen J&sub2;, J&sub3; tragen nicht zu der Energie des Feldes innerhalb des Hohlraums bei. Somit kann es von praktischem Interesse sein, die Struktur der Fig. 3 abzuändem, indem Materialien mit geringeren Remanenzen verwendet werden, um die zwei dreieckigen Bereich zu konstruieren. Dies ist möglich, solange die zwei Bereiche Remanenzen J&sub2;, j&sub3; der Größen
haben.
Beispielsweise liefert das Vektordiagramm der Fig. 2 die Änderung der Geometrie der magnetischen Struktur, die sich aus einer Auswahl von Remanenzen ergibt.
J&sub2;'= J&sub1;, J&sub3;' < J&sub1; (9)
Die Geometrie und die Ausrichtung der Remanenzen in dem neuen Bereich des magnetisierten Materials mit B = 0 wird durch Vektordiagramme geschaffen, die in die Kreise C&sub2;, C&sub3; der Fig. 2 eingeschrieben sind, wo C&sub3; der Kreis mit dem Durchmesser J&sub3; ist. Die sich ergebende, magnetische Struktur ist in Fig. 4 gezeigt. Die Grenzfläche (S&sub1; U&sub1;) ist parallel zu der unterbrochenen Linie, die den Punkt A und den Punkt E' des Schnitts der Kreise C&sub2; und C&sub3; in Fig. 2 verbindet.
Die Auswahl einer Remanenz J&sub3; ( J&sub1; ergibt eine Fläche des Dreiecks (S&sub1; Vi U), die größer als die Fläche des Dreiecks (S&sub1; V&sub1; U') ist. Somit ergibt im allgemeinen Fall die Auswahl eines Materials mit geringererer Remanenz nicht notwendigerweise eine höhere Leistungszahl und geringere Kosten des Magneten.
Die Geometrie des Jochs der Fig. 4 kann abgeändert werden, indem z.B. der Luftspalt zwischen dem magnetischen Material und dem Joch u= entfernt wird, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, wo zwei Bereiche mit der Remanenz J&sub3;' das einzelne Dreieck der Fig. 4 ersetzt haben.
Da die Erfindung ohne weiteres die Verwendung eines kostengünstigereren Materials für alle oder einen Teil der schließenden Struktur des Magneten ermöglicht, ist es praktisch eine Leistungszahl in Größen der Kosten der Struktur statt in Größen der Energie zu berechnen. Wie es oben erörtert worden ist, ist es ohne Bedeutung, ob das Joch zur Kanalisierung des Flusses die Äquipotentialfläche berührt, die durch die Elemente mit dreieckigem Querschnitt definiert sind, oder ob ein Zwischenraum zwischen diesen Oberflächen und dem Joch vorgesehen ist.
Es ist nicht notwendig, daß die Endstruktur nur aus zwei Elementen mit dreieckigem Querschnitt besteht. Somit können, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, zusätzliche Elemente vorgesehen werden. Die Permeabilitäten und der Winkel der Grenzflächen dieser Elemente wird in der gleichen Weise wie in dem Fall der Struktur der Fig. 3 und 4 bestimmt.
Wie es oben erörtert worden ist, ist die Konfiguration des Jochs bei einer Struktur gemäß der Erfindung nicht kritisch. Beispielsweise kann das Joch in der Form eines geschlossenen Kastens sein. Altemativ kann es in der Form eines Kastens mit offenen Ecken sein, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Figur entspricht der Struktur der Fig. 4, die nur einen einzigen Quadranten der Struktur darstellt.
Beispielsweise hat, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, die eine Jochstruktur darstellt, die eine magnetische Struktur umgibt, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, das Joch 30 in der Mitte der magnetischen Struktur an dem Punkt 31 eine Dicke null. Die Dicke des Jochs nimmt in Richtung zu dem Ende der Struktur zu, und die gleiche Dicke wird in den Abschnitten des Jochs nahe den Elementen 11 und 13 mit dreieckigem Querschnitt beibehalten. Die Grenzfläche 32 zwischen dem Abschnitt des Jochs, der gegen das magnetisierte Material 10 stößt, und dem der gegen das Element 11 stößt, erstreckt sich unter einem Winkel von dem Punkt V&sub1;, der die Linien u&sub1; und 17 halbiert. Die Grenzfläche zwischen den Abschnitten des Jochs nahe den Elementen 11 und 13 erstreckt sich parallel zu der Linie 16.
Das Schließen des Flusses von B innerhalb eines Äquipotentialbereiches des Magneten kann durch die Verwendung eines ferromagnetischen Jochs hoher Permeabilität erzielt werden, oder Alternativ kann ein solches Joch hoher Permeabilität durch eine Struktur aus magnetischem Material ersetzt werden, wo:
B=J (10)
Beispielsweise hat, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, die eine Jochstruktur darstellt, die eine magnetische Struktur umgibt, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, das Joch 30 in der Mitte der magnetischen Struktur an dem Punkt 31 eine Dicke null. Die Dicke des Jochs nimmt in Richtung zu dem Ende der Struktur zu, und die gleiche Dicke wird in den Abschnitten des Jochs nahe den Elementen 11 und 13 mit dreieckigem Querschnitt beibehalten. Die Grenzfläche 32 zwischen dem Abschnitt des Jochs, der gegen das magnetisierte Material 10 stößt, und dem, der gegen das Element 11 stößt, erstreckt sich unter einem Winkel von dem Punkt V&sub1;, der die Linien u&sub1; und 17 schneidet. Die Grenzfläche zwischen den Abschnitten des Jochs nahe den Elementen 11 und 13 erstreckt sich parallel zu der Linie 16. In dieser Figur ist der kreuzschraffierte Bereich ein magnetisches Material, das die Bedingung B = J erfüllt. Die dicken Pfeile in dem kreuzschraffierten Bereich geben die Ausrichtung der Remanenzen an, und diese Remanenzen sind parallel zu der Außenbegrenzung jeder Komponente der Struktur. Die Geometrie der Fig. 7 entspricht der Auswahl einer Remanenz J innerhalb des kreuzschraffierten Bereiches der Fig. 7, der in der Größe gleich der Remanenz J&sub1; des rechteckigen Bereiches (V&sub0; Vi S&sub1; SO) ist. (V&sub0; V&sub1;) ist die Grenzfläche zwischen diesem Bereich und der dreieckigen Komponente der neuen Struktur, deren Außenbegrenzung einen Winkel e in bezug auf die Achse x bildet, der gegeben ist durch
sin = θ = K (11)
Wie in dem Fall eines ferromagnetischen Joches mit u= kann die innere Begrenzung der anderen zwei Komponenten der Remanenz i beliebig ausgewählt werden. Fig. 7 entspricht dem besonderen Fall, wo (V&sub1; U&sub1; S&sub2;) die Grenzfläche zwischen dem Material der Remanenz J und den zwei Komponenten der magnetischen Struktur ist, wo B = 0.
Die gestrichelten Linien in Fig. 7 zeigen die Außenumgrenzung eines jochfreien Magneten mit einer einzelnen Schicht, der gemäß dem Verfahren konstruiert ist, das in dem Artikel "Yokeless Permanent Magnets", M.G. Abele, T.R.-14 Universität von New York, N.Y., 1. November 1986 entwickelt ist. Dieser Magnet ist um den rechteckigen Hohlraum (0 S&sub0; S&sub1; S&sub2;) für den gleichen Wert von K konstruiert. Der Unterschied in der Gesamtfläche zwischen den zwei magnetischen Strukturen ist offensichtlich. Der jochfreie Magnet, worin jede Komponente den Fluß B erzeugt und führt, verlangt ein kleineres Volumen an magnetischem Material.
Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, in der der Quadrant der magnetischen Struktur der Fig. 3 dargestellt ist, wobei eine Mehrzahl Äquipotentialnien 40 gezeigt ist, die sich durch das magnetisierte Material 10, die Hohlraumschließelemente 11 und 13 und den Hohlraum 15 erstrecken. Beim Fehlen irgendwelcher Störungen in der magnetischen Struktur sind diese Linien gerade und parallel, wie es dargestellt ist, und liefern ein gleichförmiges Feld H&sub0; in dem Hohlraum.
Man nehme jedoch an, daß der Magnetismus nicht vollkommen gleichförmig ist, sondem beispielsweise eine Störung 41 in dem magnetisierten Material vorliegt, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Die Störung kann eine größere oder kleinere Magnetisierung als der Rest des Materials haben. Das durch diese Störung erzeugte Feld ändert die Örtliche Magnetisierung, und das Material des magnetisierten Materials wird für dieses Feld transparent. Die Störung erzeugt ein Dipolfeld, das sich durch die Struktur hindurch erstreckt. Als eine Folge ist das Feld in dem Hohlraum nicht länger gleichförmig.
Gemäß der Erfindung ist, um die Wirkung der Störung in dem Hohlraum zu minimieren, eine Schicht 50 aus Material hoher Permeabilität an der Grenzfläche zwischen dem magnetisierten Material 10 und dem Hohlraum vorgesehen. Diese Schicht hat eine gleichförmige Dichte und kann ein u von z.B. 4 oder 5 Tausend haben. Aufgrund der Verwendung dieser Schicht 50 hoher Permeabilität ist die Wirkung des Feldes der Störung auf das Feld in dem Hohlraum sehr klein. Die Schicht 50 wirkt als eine Abschirmung oder Filter, um die Wirkung des Feldes der Störung auf das Feld in dem Hohlraum zu mmimieren. Da die Schichten 50 eine gleichförmige Dicke haben, dienen sie nicht dazu, das Feld zu formen, wobei die Form des Feldes die gleiche entweder mit oder ohne sie ist.
Betrachtet man die Anordnung der Erfindung der Fig. 8 mehr im einzelnen, ist die Feldausbildung nicht gestört, wenn eine Äquipotentialfläche als eine Fläche unendlicher, magnetischer Permeabilität angenommen wird. Diese Oberfläche kann eine offene Oberfläche mit einer beliebigen Begrenzung sein, oder sie kann geschlossen sein, wobei dann ein Bereich des Feldes von der Struktur entfernt wird.
In dem Fall des zweidimensionalen Magneten mit Joch, der in dieser Veröffentlichung analysiert wird, wird die Flußausgestaltung der Fig. 3 bei der abgeänderten Struktur der Fig. 8 beibehalten, wo eine geschlossene Äquipotentiamäche mit dem Potential in die Begrenzung eines Materials 50 mit φ= transformiert worden ist.
Wenn das Einführen des Materials mit u= keine Wirkung auf das Feld hat, das durch die Struktur der Fig. 3 erzeugt wird, hat es eine Wirkung auf die Feldstörung, die durch eine Abweichung von den idealen, magnetischen Eigenschaften hervorgerufen wird, wie z.B. den tatsächlichen Entmagnetisierungseigenschaften und besonders wichtig den Magnetisierungstoleranzen. In diesem Fall wirkt das Material 50 mit φ= wie ein Raumfilter, der die Feldstörung herausfiltert, die durch die Herstellungs- und Magnetisierungstoleranzen hervorgerufen worden ist.
In Fig. 8 sind die Geometrien der Äquipotentiallinien 40 nicht ähnlich. Somit beeinflußt die Wahl der Begrenzung mit u= die Leistungszahl. Die Fläche des magnetischen Materials in dem Bereich der Remanenzen J&sub1; zwischen den φ=0 und φ= Äquipotentiallinien ist
Die Fläche der zwei Bereiche der Remanenzen J&sub2;, J&sub2; zwischen den Linien φ=0 und φ= ist
und die Fläche des Hohlraums zwischen den Linien φ=0 und φ= ist
Somit ist die Leistungszahl
Der Wert von M, der durch diese Gleichung gegeben ist, ist kleiner als der für die Struktur der Fig. 3, wie es oben angegeben worden ist, d.h. die Umwandlung der Linie in die Begrenzung u= ergibt eine Abnahme der Leistungszahl. Die Gleichung für die Leistungszahl der Struktur der Fig. 8 zeigt, daß die Leistungszahl für φ=0 nicht verschwindet.
Das Schema der Fig. 10 zeigt die Flußlinien von » in dem Querschnitt der magnetischen Struktur. Da » genau gleich null in den Bereichen der Remanenz J&sub2; und J&sub3; ist, ist die Konstruktion der zweidimensionalen Struktur ohne weiteres zu der Konstruktion eines dreidimensionalen Magneten mit Joch und einem unidirektionalen Fluß von B erweitert.
Man nehme bspw. einen rechteckigen&sub1; prismatischen Hohlraum mit den Abmessungen 2x&sub0;, 2y&sub0;, 2x&sub0; = 2x&sub0; an und man nehme an, daß H&sub0; in Richtung der Achse y ausgerichtet ist. Das Vektordiagramm der Fig. 2 liefert zwei identische Geometrien der zweidimensionalen Strukturen mit den Achsen z und x. Wenn die zwei Strukturen in den zwei Ebenen geschnitten werden
x = ±z (16)
können die π/2 Keile miteinander verbunden werden, und die Begrenzungsbedingungen bei diesen zwei Ebenen werden automatisch erfüllt, weil die magnetische Induktion überall entlang der Achse y ausgerichtet ist Somit wird keine zusätzliche, magnetische Struktur verlangt, den Übergang zwischen den Strukturen herzustellen, die in den x, y und y, z Ebenen berechnet worden sind. Diese Schlußfolgerung gilt auch, wenn zo ≠ xo ist, solange die magnetischen Komponenten der Remanenzen J&sub2; und J&sub3; in den Ebenen geschnitten sind, die unter π/4 in bezug auf die z=0 und x=0 Ebenen ausgerichtet sind. In dem allgemeineren Fall eines prismatischen Hohlraums mit einer polygonalen Basis werden die magnetischen Komponenten der Remanenzen J&sub2;, J&sub3; in Ebenen geschnitten, die die Winkel zwischen den seitlichen Flächen des Prismas halbieren. Wegen der Annahme eines Joches mit u= muß keine geometrische Stetigkeit zwischen den geschlossenen Jochen beibehalten werden, die für die einzelnen Keile ausgewählt wurden.
Die äußere Begrenzung der dreidimensionalen, magnetischen Struktur, die einen rechteckigen, prismatischen Hohlraum einschließt, ist in Fig. 13 in dem Halbraum y> 0 gezeigt. Bei dem Schema des Jochs, das in Fig. 6 gezeigt ist, ist wiederum der Halbraum y > 0. Wie es in der Figur angegeben ist, kann das Joch teilweise offen sein, weil kein Feld in dem Bereich zwischen dem Joch und der magnetischen Struktur vorhanden ist.
Die Fig. 14 und 15 zeigen die Schemata einer geschlossenen und einer offenen Jochkonfiguration gemäß der Erfindung, die verwendet werden können.
Das gleichförmige Feld innerhalb des rechteckigen Hohlraums (0 So S&sub1; S&sub2;) können auch mit der bekannten hybriden&sub1; magnetischen Struktur der Fig. 12 erzeugt werden, wo das magnetische Material in dem rechteckigen Bereich (&sup5;i&sub1; T&sub1; U&sub2; 52) ein Remanenze J&sub1; hat, die in der zu H&sub0; entgegengesetzten Richtung mit einer Größe ausgerichtet ist:
wo u&sub0; die Permeabilität eines Vakuums ist. Die Abszissen Xo, Xi der Punkte S&sub2; und U&sub2; stehen in Beziehung durch die Gleichung
Der Fluß der magnetischen Induktion B&sub1;, der durch die Remanenz J1 erzeugt wird, schließt in dem Hohlraum durch die Oberfläche mit u= (S&sub0; T&sub1;). Die Fläche des Querschnitts des Bereiches der Remanenz J&sub1; ist:
was gleich der Fläche des Bereiches (So Vo V&sub1; S&sub1;) der magnetischen Struktur der Fig. 3 ist.
Die Grenzschicht (T&sub1; U&sub2;) ist keine Äquipotentialfiäche, und das Potential der Fläche (S&sub0; T&sub1;) mit u= ist nicht null. Als Folge kann die Begrenzung (So T&sub1; U&sub2;) nicht die Grenzfläche zwischen der magnetischen Struktur und dem umgebenden Medium sein, und die Fläche (So T&sub1;) kann nicht Teil einer geschlossenen Fläche eines Materials mit u= sein. Eine Struktur aus magnetisiertem Material, das die Bedingung B=O erfüllt, muß zwischen die Begrenzung (S&sub0; T&sub1; U&sub2;) und das umgebende Medium eingeführt werden, wie es in Fig. 12 gezeigt ist. Wenn die Remanenzen J&sub2; und J&sub3; die gleiche Größe wie J&sub1; haben, befindet sich die Begrenzung (U&sub0; U&sub1;) in einem Abstand y&sub1; von der Achse:
Y&sub1; = Ky&sub0; (20)
und die Ausrichtung der Begrenzung (U&sub1; U&sub2;) ist die gleiche wie die der Grenzfläche (U&sub1; S&sub2;) der Fig. 3, wie es aus dem Vektordiagramm der Fig. 2 abgeleitet worden ist.
Der wesentliche Unterschiede zwischen der Struktur der Fig. 12 und der Struktur der Fig. 3 ist, daß sich in Fig. 12 der Fluß innerhalb der Schicht 80, 81 mit B=0 schließt, die den Rest des Magneten einhüllt. Eine Magnetkonstruktion gemäß der Methode der Fig. 12 ist als "Umhüllung" bekannt ("Applications of Cobalt-Samarium Magnets to Microwave Tubes", W. Newgebauer und E.M. Branch, General Electric Co., Schenectady, N.Y., 15. März 1972; J.P. Clarke und H.A. Leupold, IEEE Trans. Magn. MAG-22, Nr.5., S. 1063,1986; und H.A. Leupold und E. Potenziani, IEEE Trans. Magn. MAG-22, Nr. 5. S. 1078,1986). Die Fläche des magnetischen Materials in dem Bereich mit B=0 der Fig. 12 ist wesenuich größer als die Fläche des Materials in dem Bereich 11,13 mit B=0 der Fig. 3, und als Folge ist die Leistungszahl des Magneten der Fig. 12 niedriger.
Die Wirkung der Anordnung der Erfindung, wie es in Fig. 8 und 10 dargestellt ist, wird mit einem herkömmlichen Magneten verglichen, wie er in Fig. 11 dargestellt ist. Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen, achsensymmetrischen Magneten mit einem geschlossenen, zylindrischen Joch, der konstruiert ist, ein gleichförmiges Feld in einem Bereich des Zwischenraums um seine Mitte herum zu erzeugen. Die Komponenten 50 mit u= , die an den Hohlraum 50 der Struktur der Fig. 10 angrenzen, nehmen eine Lage ein, die ähnlich der der Polstücke 75 der Struktur der Fig. 11 ist. Der wesentliche Unterschied liegt in der Tatsache, daß bei der Anordnung der Erfindung, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, das magnetische Material eine geschlossene Struktur ist, die vollständig den Hohlraum 15 des Magneten einschließt, während es bei der herkömmlichen Anordnung der Fig. 11 keine physikalische Trennung des Hohlraums von dem Joch gibt. Die Entfernung der Komponenten 50 mit u= in Fig. 10 hätte keine Wirkung auf die Grundfeldkonfiguration, weil, wie es oben angegeben worden ist, ihre einzige Funktion ist, als Abschirmungen oder Filter von Feldstörungen zu wirken. Die Feldgleichförmigkeit und die Flußbegrenzung innerhalb des interessierenden Bereiches ist die Folge der geschlossenen Struktur des magnetischen Materials der Fig. 10. Diese zwei Funktionen können in der Struktur der Fig. 11 nicht ausgeführt werden, da die Feldkonfiguration bei dieser Anordnung durch die Geometrie der Polstücke gesteuert wird&sub1; und der Streufeldbereich die Folge der offenen Geometrie des Magnethohlraums ist.
Die geschlossene, magnetische Struktur der Fig. 10 schließt den Streufeldbereich des herkömmlichen Magneten der Fig. 11 aus, wo ein großer Bruchteil des gesamten Flusses, der von dem magnetischen Material erzeugt wird&sub1; in einem Volumen außerhalb des interessierenden Bereiches verloren geht. Zusätzlich ist bei der Struktur der Fig. 10 der Bereich der Feldgleichförmigkeit das volle Volumen des prismatischen Hohlraums, während bei dem herkömmlichen Magneten die Feldgleichförmigkeit innerhalb des interessierenden Bereiches auf Kosten eines größeren Volumens des Bereiches zwischen den Polstücken erreicht wird.
Der maximale Wert der Leistungszahl, die durch die Gleichung M = K(1-K) bei K = 0,5 geliefert wird, ist
Mmax = 0,25 (21)
Mmax ist der Standardwert, der verwendet werden kann, die Qualität einer Magnetkonstruktion zu beurteilen. Im idealen Fall einer linearen Entmagnetisierungskennlinie ist der optimale Wert K = 0,5 der Arbeitspunkt, der dem Maximum der Energieerzeugungskurve entspricht.
gibt einen Wert der Leistungszahl der zweidimensionalen Struktur der Fig. 10 zu:
M 0,13 (23)
Bei der dreidimensionalen Struktur der Fig. 13 ist mit Hohlraumabmessungen
die Leistungszahl verringert auf
M 0,1 (25)
mit K = 0,25.
Bei dem herkömmlichen Magneten der Fig. 7 arbeitet das magnetische Material auch an der Spitze des Energieprodukts, und die Geometrie der Struktur ist konstruiert, den ausgewählten Wert des Parameters K bei dem interssierenden Bereich zu erzeugen. In dem besonderen Fall der Fig. 7 ist der Nominalwert von K ungefähr gleich dem Wert K = 0,25 des Schemas der Fig. 10, und die linearen Abmessungen des interessierenden Bereiches, wo das magnetische Feld die Gleichförmigkeitsanforderung erfüllt sind ungefähr halb die Abmessungen des Spalts. Dies ist wegen der offenen Geometrie des Spaltbereiches. Dies ergibt eine Leistungszahl des Magneten der Fig. 7

3M 0,025,

die wesentiich niedriger als der Wert M 0,1 ist. Das Volumen des magnetischen Materials des Magneten der Fig. 7 ist kleiner als das Volumen der geschlossenen Struktur der Fig. 3. Jedoch ist das Volumen des gleichförmigen Feldes in Fig. 7 nur ein Bruchteil des Volumens des Hohlraums der Fig. 3.
Somit ergibt das Schließen des interessierenden Bereiches selbst mit dem gleichen Hochenergiematerial, das verwendet wird, das Feld innerhalb des Hohlraums zu erzeugen, einen kleineren und wirksameren Magnet.
Bei einem praktischen Magneten muß die geschlossene, magnetische Struktur der Fig. 3 teilweise zu dem äußeren Medium hin offen sein. Die Öffnung führt eine Abnahme der Intensität sowie eine Störung des Feldes innerhalb des Hohlraums ein, die teilweise durch die Techniken ausgeglichen werden kann, die in "Generation of a Uniform Field in a Yokeless Permanent Magnet for NMR Clinical Applications", M.G. Abele, T.R.-19, New York University, N.Y. 1. Juli 1988 erörtert sind.
Bei vielen Gelegenheiten ist es erwünscht, eine magnetische Struktur vorzusehen, die einen Hohlraum hat, der sich entlang einer Z Achse der Struktur erstreckt, vollständig auf seinen Seiten eingeschlossen ist, aber ein offenes Ende zur Aufnahme von Gegenständen aufweist. Bei einer solchen Anordnung ist gut bekannt, daß das Feld in der Mitte des Hohlraums nicht homogen ist, es sei denn die Länge der Struktur ist sehr groß verglichen mit ihren Querabmessungen. Beispielsweise ist es bei einigen Anwendungen notwendig, die Feldhomogenität in dem interessierenden Bereich innerhalb von ein bis zehn Teilen pro Million beizubehalten. In der Vergangenheit wurde die endliche Länge des Feldes in einem interessierenden Bereich ausgeglichen, indem eine Reihe Quereinschnitte in dem Kern des magnetisierten Materials vorgesehen worden sind. Des weiteren erhöhten zusätzlich zu der Kompliziertheit, die Orte, Größen usw. solcher Einschnitte zu bestimmen, die Einschnitte stark die Inhomogenität des Feldes unmittelbar außerhalb des ausgeglichenen Bereiches, und verringerten auch die Feldstärke in dem interessierenden Bereich. Auf alle Fälle stand die Lösung zur Verwendung bei magnetischen Strukturen nicht zur Verfügung, wo die Länge des Kerns nicht merklich größer als dessen Querabmessungen war (z.B. wenigstens 3 bis 4 mal die Querabmessungen des Kerns).
Es wird nun auf Fig. 16 Bezug genommen, die auf einfache Weise die Einzelheiten einer magnetischen Struktur nahe einem offenen Ende eines Magneten der in Fig. 1 dargestellten Art zeigt, der einen Hohlraum 15 hat, der sich entlang der Z Achse 90 erstreckt, wobei herausgefunden worden ist, daß eine merkliche Verbesserung der Feldhomogenität in dem Hohlraum erhalten werden kann, indem magnetisierte Element 91 mit dreiekkigem Querschnitt vorgesehen werden, die gegen das Ende von jedem der Elemente 10 aus magnetischem Material, z.B. dem gleichen Material wie die Elemente 10, entlang den Endflächen 92 davon stoßen. Die dreieckigen Elemente 91 haben Seiten 93 zu der Z Achse 90 hin und Seiten 94 von der Z Achse 90 fort. Die Seiten 93, 94 verbinden sich miteinander entlang den Verbindungen 95, wobei die Ränder näher an der Z Achse als die magnetischen Elemente 10 sind.
Bei dieser Anordnung ist es offensichtlich, daß der Sichtwinkel von einem Punkt auf der Z Achse innerhalb des Hohlraums, der durch die Endöffnung an dem Ende der magnetischen Struktur begrenzt ist, verringert worden ist, um weiter die Feldhomogenität in dem Hohlraum zu verstärken.
Die dreieckigen Elemente 91 sind aus einem magnetisiertem Material und haben Magnetisierungen J&sub5; senkrecht zu ihren Seiten 94, wobei die Größe der Magnetisierung J&sub5; durch ein Vektordiagramm gemäß Fig. 2 bestimmt ist. Deshalb ist die Größe von J&sub5; gleich und entgegengesetzt zu dem Magnetfeld innerhalb der Elemente 91 mit dem dreieckigen Querschnitt.
Die gesamte Außenfläche der magnetischen Struktur ist auf einem Äquipotential eines Nullpotentials und kann mit einem magnetischen Joch 96 überdeckt werden.
Bei einer Abänderung der Struktur der Fig. 16 erstreckt sich, wenn eine Schicht 50 aus einem Material 50 hoher Permeabilität auf den Innenflächen der Elemente 10 vorgesehen wird, wie es in Fig. 17 zu sehen ist, der innere Rand der Seite 92 zu dem inneren Rand des Elements 10, wie bei der Anordnung der Fig. 16. In diesem Fall jedoch ist eine Oberfläche 97 zwischen den Enden der Seiten 92 und 93 des Elements 91 mit dreieckigem Querschnitt vorgesehen, wobei sich die Oberfläche 97 parallel zu der Außenseite 94 des Elements mit dreieckigem Querschnitt erstreckt. Das äußere Ende der Schicht 50 aus Material hoher Permeabilität erstreckt sich unter einem spitzen Winkel zu der inneren Oberfläche des Elements 10, um voll gegen die Oberfläche 97 zu stoßen, wie es dargestellt ist.
Fig. 19 und 20 sind eine Endansicht bzw. eine Längsquerschnittsansicht einer magnetischen Struktur gemäß Fig. 16, die an einer magnetischen Struktur angeordnet ist, die bekannter Ausgestaltung sein kann und einen Hohlraum 15 mit sechseckigem Querschnitt aufweist. Fig. 18 ist eine Endansicht einer solchen bekannte, magnetischen Struktur. Wie es dargestellt ist sind die obere und die untere Seite des Hohlraums durch die magnetisierten Elemente 10 begrenzt, und die magnetisierten Elemente 120,121, 122 und 123 mit dreieckigem Querschnitt haben innere Oberflächen, die den Rest der Seiten des Hohlraums begrenzen. Der äußere Umfang dieser Struktur kann rechteckig sein, wie es dargestellt ist, wobei Luft oder ein Material mit ähnlichen magnetischen Eigenschaften in den Bereichen 126 mit dreieckigem Querschnitt zwischen den Elementen 10 und den benachbarten Elementen 121-123 vorgesehen ist. Um die folgende Beschreibung der Struktur zu vereinfachen wird eine Bezugnahme auf die Enden der Elemente 10 angesehen, als daß sie auch die benachbarten Enden der Bereiche 126 einschließt.
Die Anordnung der Fig. 19 und 20 ist somit angepaßt, daß sie an dem Ende eines Kerns einer magnetischen Struktur angeordnet werden kann, wie sie in Fig. 18 dargestellt ist. Bei dieser Anordnung stoßen die Seiten 101 der Elemente 91 mit dreieckigen Querschnitten gegen die Enden der magnetischen Elemente 10 und sind allgemein trapezförmig (siehe Fig. 21), wobei die langen Ränder 102 gegen die äußeren Querränder der magnetischen Elemente 10 stoßen, und die kürzeren, parallelen Ränder 103 gegen die inneren Ränder der magnetischen Elemente 10 nahe dem Hohlraum stoßen. Die Ränder 95 der Elemente 91 haben die gleichen Länge wie die Ränder 103. Demgemäß erstrecken sich die dreieckigen Seitenränder 104 der Elemente 91 in den Ebenen, die nicht rechtwinklig zu den Rändern 95 und 102 sind.
Wie es des weiteren in Fig. 19 dargestellt ist, sind die dreieckigen, pyramidenförmigen, magnetisierten, magnetischen Elemente 100 an dem Ende des Hohlraums vorgesehen und haben Grundflächen 110 (siehe Fig. 22), die gegen getrennte der magnetisierten Elemente 120,121,122, 123 stoßen, ohne den Hohlraum zu überlappen. Diese magnetischen Elemente haben dreieckigen Seitenflächen 111 der gleichen Form wie die Seiten 104 der Element 9i, die gegen die Seiten 104 stoßen. Die Elemente 100 haben innere, dreieckige Seifen 112, die zu dem Hohlraum 15 weisen, und äußere, dreieckige Seiten 114. Die Elemente 100 haben Magnetisierungen, die sich senkrecht zu deren Seiten 114 erstrecken, wobei die Größen der Magnetisierungen durch ein Vektordiagramm gemäß Fig. 2 bestimmt sind.
Fig. 23 stellt eine perspektivische Ansicht eines Endes einer magnetischen Struktur gemäß den Fig. 16-20 dar, um eine klarere Wertschätzung der Erfindung zu ermöglichen.
Wahrend die Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl Ausführungsformen geoffenbart und beschrieben worden ist, liegt es auf der Hand, daß Veränderungen und Abänderungen daran gemacht werden können, und es deshalb beabsichtigt ist, in den folgenden Ansprüchen jede solche Abänderung und Veränderung zu überdecken.

Claims

1. Eine magnetische Struktur mit einem Joch, die einen Hohlraum (15) aufweist, wobei zwei gegenüberliegende Seiten desselben durch ein Paar von beabstandeten magnetisierten Bauteilen (10) definiert sind, wobei die magnetische Struktur mit Joch zusätzlich zumindest ein erstes magnetisches Element (11) mit einem dreieckigen Querschnitt, das eine Seite aufweist, die an ein Ende von einem der magnetisiertem Bauglieder (10) anstäßt, ein zweites magnetisches Element (13) mit einem dreieckigen Querschnitt, der eine Seite (14) aufweist, die eine weitere von den zwei gegenüberliegenden Seiten verschiedene Seite des Hohlraums (15) definiert, und ein Joch aufweist, däs zumindest teilweise beide magnetisierten Bauteile (10) und das erste (11) und das zweite (13) Element umgibt, wobei das erste (11) und das zweite (13) Element zweite Seiten (17, 18) entfernt von dem magnetisierten Bauteil (10) und dem Hohlraum (15) aufweisen, dadurch gekennzeichnet,

daß das erste (11) und das zweite (13) Element jeweils eine Magnetisierungsrichtung, die senkrecht zu jeder der zweiten Seiten (17, 18) der Elemente (11, 13) ist, sowie eine Magnetisierungsamplitude aufweist, die gleich und entgegengesetzt zu einer magnetischen Feldintensität in dem jeweiligen Element, die im wesentlichen keine magnetische Induktion in den Elementen (11, 13) erzeugt, ist, wodurch Äquipotentiallinien an den zweiten Seiten (17, 18) der Elemente (11, 13) festgelegt werden, die zumindest einen Teil einer Äquipotentiallinie, die unabhängig von dem Joch ist, definieren, wodurch die Flußdichte auf der von der magnetisierten Struktur entfernten Seite der Äquipotentiallinie Null ist.

2. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß Anspruch 1, bei der eine Seite des zweiten Elements (13) entlang einer Grenzflächenseite (16) an eine Seite des ersten Elements (11) anstößt.

3. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Joch eine passive Struktur ist, die aus einem ferromagnetischen Material besteht.

4. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Joch eine aktive Struktur ist, die aus einem magnetisierten Material besteht.

5. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der sich das Joch um das erste (11) und das zweite (13) Element erstreckt und an dieselben anstößt.

6. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der sich das Joch um das erste (11) und das zweite (13) Element erstreckt und von denselben beabstandet ist, wodurch eine Region zwischen dem Joch und dem ersten (11) und dem zweiten (13) Element mit einem konstanten Nullpotential und einer Flußdichte von Null definiert ist.

7 Die magnetische Struktur mit Joch gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner eine Schicht (50) von konstanter Dicke aus einem ferromagnetischen Material mit einer hohen Permeabilität aufweist, die eine Grenzfläche zwischen jedem magnetisierten Bauteil (10) und dem Hohlraum (15) definiert.

8. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der die beabstandeten magnetisierten Bauteile (10) eine Magnetisierung J&sub1; aufweisen, und bei der die Richtung der Grenzflächenseite (16) durch ein Vektordiagramm definiert ist, das eine erste und eine zweite Linie parallel zu der Grenzfläche des Hohlraums und eines magnetisierten Bauteils, eine dritte Linie (N-N&sub0;), die sich senkrecht zwischen den parallelen Linien erstreckt und eine Länge proportional zu J&sub1; aufweist, und einen Punkt (A) auf der dritten Linie (N-N&sub0;), der von der ersten Linie um einen Abstand, der proportional zu M&sub0;H&sub0; ist, beabstandet ist, eine vierte Linie (A-A&sub2;), die sich zwischen dem Punkt (A) und der ersten Linie erstreckt und eine Länge aufweist, die proportional zu J&sub2; ist, und eine fünfte Linie aufweist, die sich zwischen dem Punkt (A) und der zweiten Linie erstreckt und eine Länge aufweist, die proportional zu J&sub3; ist, wobei die vierte und die fünfte Linie Durchmesser eines Paars von Kreisen (C&sub2;, C&sub3;) definieren, wobei sich die Grenzflächenseite in einer Richtung parallel zu einer sechsten Linie (A-E) zwischen dem Punkt (A) und dem Schnittpunkt (E) der Kreise (C&sub2;, C&sub3;) erstreckt, wobei J&sub2; und J&sub3; die Magnetisierung des ersten (11) und des zweiten (13) Elements sind und H&sub0; das Feld in dem Hohlraum (15) ist.

9. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, bei der die zwei Seiten des Hohlraums (15) parallel sind, wobei der Hohlraum (15) eine äquatoriale Ebene aufweist, und wobei sich das erste (11) und das zweite (13) Element von einem der magnetisierten Bauteile (10) zu der äquatorialen Ebene erstrecken.

10. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, bei der J&sub1;, J&sub2; und J&sub3; die Magnetisierung der magnetisierten Bauteile (10), des ersten (11) bzw. des zweiten (13) magnetisierten Elements sind, und wobei gilt: J&sub1; = J&sub2; = J&sub3;.

11. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, bei der J&sub1;, J&sub2; und J&sub3; die Magnetisierung der magnetisierten Bauteile (10), des ersten (11) bzw. des zweiten (13) magnetisierten Elements sind, und folgendes gilt:

wobei

K = u&sub0; H&sub0;/J&sub1;

gilt, und wobei H&sub0; das Feld in dem Hohlraum ist, und u&sub0; die Permeabilität des Vakuums ist.

12. Eine magnetische Struktur mit Joch mit zumindest einem magnetisierten Bauteil (10), das sich entlang und beabstandet von einer longitudinalen Achse (90) erstreckt und einen Teil eines Hohlraums (15) definiert, wobei ein Ende der magnetischen Struktur mit Joch an ein Ende des magnetisierten Bauteils (10) anstößt, wobei die Endstruktur ein magnetisiertes Element (91) mit einem dreieckigen Querschnitt aufweist, das eine erste Seite (92) aufweist, die an ein Ende des magnetisierten Bauteils (10) anstößt, dadurch gekennzeichnet,

daß das Element (91) mit dreieckigem Querschnitt eine Kante (93) gegenüber der ersten Seite (92) aufweist, die näher an der longitudinalen Achse (90) ist als das magnetisierte Bauteil (10), wobei der Hohlraum (15) zwischen der gegenüberliegenden Kante (93) und der longitudinalen Achse (90) offen ist, wobei das Element (91) mit dreieckigem Querschnitt eine Magnetisierungsrichtung, die senkrecht zu einer zweiten Seite (94) ist, die von der Achse (90) entfernt ist, und eine Magnetisierungsamplitude aufweist, die gleich und entgegengesetzt zu einer Magnetfeldintensität in dem Element (91) mit dreieckigem Querschnitt ist, die im wesentlichen keine magnetische Induktion in dem Element (91) erzeugt, wodurch zumindest ein Teil einer Äquipotentiallinie entlang der zweiten Seite (94) definiert ist, wodurch die Flußdichte auf der von der magnetischen Struktur entfernten Seite der Äquipotentiallinie im wesentlichen Null ist.

13. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß Anspruch 12, wobei die magnetische Struktur ein Paar von parallelen beabstandeten magnetisierten Bauteilen (10) aufweist.

14. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß Anspruch 12 oder 13, bei der das Element (91) mit dreieckigem Querschnitt Enden (104) aufweist, die in Ebenen mit spitzen Winkeln zu der longitudinalen Achse (90) des Elements liegen, wodurch zumindest zwei Seiten (101) des Elements in einer trapezförmigen Form angeordnet sind.

15. Die magnetische Struktur mit Joch gemäß Anspruch 14, die ferner getrennte dreieckige pyramidenförmige Elemente (100) aus einem magnetisierten Material aufweist, die Seiten (111) aufweisen, die an die Enden (104) des Elements (91) mit dreieckigem Querschnitt anstoßen.