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Dokumentenidentifikation DE69222851T2 30.04.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0586576
Titel HYBRIDDAUERMAGNETE
Anmelder New York University, New York, N.Y., US
Erfinder ABELE, Manlio, G., New York, NY 10016, US
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, Anwaltssozietät, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69222851
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IT, LI, LU, MC, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 03.02.1992
EP-Aktenzeichen 929132496
WO-Anmeldetag 03.02.1992
PCT-Aktenzeichen US9200832
WO-Veröffentlichungsnummer 9222075
WO-Veröffentlichungsdatum 10.12.1992
EP-Offenlegungsdatum 16.03.1994
EP date of grant 22.10.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse H01F 7/00
IPC-Nebenklasse H01F 7/02   G01R 33/38   

Beschreibung[de]

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.

Bei der Konstruktion solcher Magnete mit Jochen ist es manchmal unbequem, Mittel zum Zugang des Hohlraums in der magnetischen Struktur vorzusehen.

Zusammenfassung der Erfindung

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.

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

Um die Erfindung klarer zu verstehen, wird sie nun mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen geoffenbart, worin:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen, magnetischen Struktur mit Joch ist;

Fig. 2 eine Darstellung der Kraftlinien der magnetischen Induktion in einem Quadranten der Struktur der Fig. 1 ist;

Fig. 3 eine Darstellung eines Quadranten einer magnetischen Struktur nach Maßgabe der Erfindung ist;

Fig. 4 ein Vektordiagramm ist, das die Bestimmung von Parametern der Struktur der Fig. 3 darstellt;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Quadranten einer magnetischen Struktur gemäß Fig. 3 ist und eine Bezeichnung eines Jochs für einen Teil davon einschließt;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Quadranten einer magnetischen Struktur ist, die eine Abänderung der Struktur der Fig. 5 ist;

Fig. 7 ein Vektordiagramm ist, das die Bestimmung von Parametern der Struktur der Fig. 6 darstellt;

Fig. 8 einen Querschnitt einer magnetischen Struktur zur Erläuterung des allgemeinen Falles der Erfindung darstellt;

Fig. 9 einer Querschnittsansicht einer hybriden Struktur nach Maßgabe der Erfindung ist, die die Verwendung unabhängiger Joche darstellt; und

Fig. 10 die Querschnittsansicht einer Abänderung der Struktur der Fig. 9 ist.

Offenbarung der Erfindung im einzelnen

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

worin K ein konstruktionsparameter ist, der definiert ist:

worin in MKS Einheiten µ&sub0; =4 10&sup7; H/m

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:

2θ = 2π/3 (3)

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.

Fig. 2 zeigt die Flußlinien der magnetischen Induktion:

= + µ&sub0; (4)

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.

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:

&sub7; = - µ&sub0; H&sub7; (5)

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.

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.

Die Größe der Remanenz &sub7; wird durch das Vektordiagramm der Fig. 4 bestimmt.

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.

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;.

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;).

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.

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:

K= 1/2 (6)

hat man:

J&sub7; = J&sub0; (7)

In diesem Fall hat die magnetische Struktur in dem ersten Quadranten die in Fig. 5 gezeigte Geometrie, bei der aufgrund der Gleichung 1:

Y&sub0;/Y&sub1; = 1/2 (8)

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

Struktur der Fig. 1. Die Verringerung des Bereiches des magnetisierten Materials, die sich aus der Einführung der Remanenzkomponete 17 ergibt, ist ganz offensichtlich.

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.

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;.

Die Remanenzen &sub8; und &sub9; sind senkrecht zu der Seite (W&sub1; W&sub3;) bzw. (W&sub3; W&sub2;) und erfüllen die Bedingungen:

&sub8; = - µ &sub8; und &sub9; = µ &sub9; (9)

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.


Anspruch[de]

1. Eine magnetische Struktur mit einer Mehrzahl von magnetisierten Prismen (31, 47), die derart angeordnet sind, daß flache Seiten die Seiten eines Hohlraums (20) definieren, zum Liefern eines gleichmäßigen magnetischen Felds in dem Hohlraum (20), wobei die magnetisierten Prismen (31, 47) geformt sind, um im wesentlichen keine Regionen aufzuweisen, die nicht zu einem Fluß in dem Hohlraum (20) beitragen, und die ferner magnetisierte Übergangselemente (45) zwischen den magnetisierten Prismen (31, 47) aufweist, wobei die Übergangselemente (45) derart positioniert sind, daß dieselben keine Seiten des Hohlraums (20) definieren, wodurch ein Teil (46) der äußeren Oberfläche der Struktur durch die Übergangselemente (45) definiert ist, wobei die Größe und die Richtungen der Felder der Übergangselemente (45) eine Äquipotentialoberfläche an der äußeren Oberfläche derselben erzeugen, wobei die Induktion in den Übergangselementen gleich Null ist, wobei die Struktur ferner eine Mehrzahl von getrennten Jochen (81) aufweist, die zwischen vorbestimmte der Prismen (47-47', 47"-47"') gekoppelt sind und die Übergangselemente (45) nicht berühren, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Struktur ein weiteres Joch (80) aufweist, das zwischen gegenüberliegende der Prismen (31) gekoppelt ist.

2. Die magnetische Struktur gemäß Anspruch 1, bei der die Prismen (47) dreieckige Prismen sind.

3. Die magnetische Struktur gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Übergangselemente (45) die Form dreieckiger Prismen aufweisen.

4. Die magnetische Struktur gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein einzelnes Übergangselement (45) zwischen jedem Paar von benachbarten der Prismen (31, 47) angeordnet ist.

5. Die magnetische Struktur gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, bei der zwei Übergangselemente (61, 62) zwischen jedem Paar von benachbarten der Prismen (31, 47) angeordnet sind.







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