DE4227503A1

DE4227503A1 - Permanent magnet system for generating homogeneous field - has single element with variable field direction dependent upon position and produced within controlled field

Info

Publication number: DE4227503A1
Application number: DE19924227503
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr Hock
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1992-08-20
Filing date: 1992-08-20
Publication date: 1994-02-24

Abstract

A permanent magnet system is provided with a field direction that varies with position. The magnetic unit can be either ring, cylinder or ball shaped. For a tubular section system the unit is of a single part of isotropic permanently magnetic material, throughout which the field direction varies. The magnetisation is achieved by locating the element in an homogeneous field where the direction is related to the angular position. ADVANTAGE - Allows variable direction field to be produced.

Description

Die Erfindung betrifft ein ring-, zylinder- oder kugel förmiges Dauermagnetsystem mit örtlich variierender Vorzugsrichtung zur Erzeugung eines homogenen Magnetfel des in seinem Inneren gemäß der Formel gamma = 2 _* phi, wobei gamma der Winkel zwischen der Magnetfeldrichtung und der Vorzugsrichtung und phi die Ortskoordinate ist.The invention relates to a ring, cylinder or spherical permanent magnet system with a locally varying preferred direction for generating a homogeneous magnetic field in its interior according to the formula gamma = 2 _* phi, where gamma is the angle between the magnetic field direction and the preferred direction and phi is the spatial coordinate .

Aus der EP-B 0 161 832 ist ein ringförmiges Dauermagnet system zur Erzeugung homogener Magnetfelder bekannt. Dieses bekannte Magnetsystem ist aus Segmenten aufgebaut und erzeugt in seinem Innenraum ein vorgewähltes magne tisches Feld, das quer zur Magnetachse ausgerichtet ist. Um im Inneren des Magnetsystems das gewünschte homogene Magnetfeld zu erzielen, ist jedes der Segmente in einer bestimmten Richtung aufmagnetisiert.An annular permanent magnet is known from EP-B 0 161 832 known system for generating homogeneous magnetic fields. This known magnet system is made up of segments and creates a selected magne in its interior table field that is aligned transversely to the magnetic axis. To achieve the desired homogeneous inside the magnet system To achieve a magnetic field, each of the segments is in one magnetized in a certain direction.

Aus der PCT-Anmeldung WO 88/10500 ist ein hohlzylinder förmiges Dauermagnetsystem bekannt, das in seinem Inneren ebenfalls ein homogenes Magnetfeld erzeugt. Auch dieses Magnetsystem ist aus einzelnen Segmenten aufgebaut, wobei wiederum jedes Segment eine bestimmte Magnetisierungs richtung aufweist.A hollow cylinder is from PCT application WO 88/10500 shaped permanent magnet system known that inside also produces a homogeneous magnetic field. This too Magnet system is made up of individual segments, whereby again each segment has a certain magnetization has direction.

In der PCT-Anmeldung WO 88/02925 wird weiterhin ein Dauermagnetsystem zur Erzeugung homogener Magnetfelder beschrieben, das einen kugelförmigen Aufbau aufweist. Das System besteht ebenfalls aus einzelnen in einer bestimm ten Richtung aufmagnetisierten Segmenten. In PCT application WO 88/02925 there is also a Permanent magnet system for generating homogeneous magnetic fields described, which has a spherical structure. The System also consists of individual in a certain th direction on magnetized segments.

Bei den oben beschriebenen, bekannten Magnetsystemen han delt es sich um sogenannte Halbach-Systeme. Diese Magnet systeme erzeugen in ihrem Inneren ein homogenes Magnet feld. Hierzu ist es erforderlich, daß die Vorzugsrichtung im Magnetmaterial örtlich gemäß der Halbach-Vorschrift gamma = 2 _* phi variiert, wobei gamma der Winkel zwischen der Feldrichtung und der Vorzugsrichtung und phi die Ortskoordinate ist.The known magnet systems described above are so-called Halbach systems. These magnetic systems create a homogeneous magnetic field inside. For this it is necessary that the preferred direction in the magnetic material varies locally according to the Halbach specification gamma = 2 _* phi, where gamma is the angle between the field direction and the preferred direction and phi is the spatial coordinate.

Die bekannten Systeme sind aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt, wobei jedes Segment eine bestimmte Vorzugsrichtung aufweist. Durch die endliche Größe der einzelnen Segmente mit fester Vorzugsrichtung ergibt sich eine Abweichung in der Homogenität des im Innenraum erzeugten Feldes. Wird das Magnetsystem nur in wenige Segmente unterteilt, so ist zwar einerseits der Aufwand zur Herstellung relativ gering; andererseits sind die Abweichungen im Magnetfeld aber erheblich. Durch eine feinere Segmentierung können zwar die Abweichungen in der Magnetfeldhomogenität verringert werden, jedoch vergrößert sich gleichzeitig der Herstellungsaufwand entsprechend. Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, daß die einzelnen Magnetsegmente zunächst magnetisiert und dann im magnetisierten Zustand zu dem Magnetsystem zusammengefügt werden müssen.The known systems are made up of individual segments composed, with each segment a specific Preferred direction. Due to the finite size of the individual segments with a fixed preferred direction result a deviation in the homogeneity of the interior generated field. The magnet system is used only in a few Segments divided, so on the one hand is the effort relatively small to manufacture; on the other hand, they are Deviations in the magnetic field are significant. By a finer segmentation can adversely affect the deviations in the Magnetic field homogeneity can be reduced, however at the same time, the manufacturing effort increases corresponding. Another difficulty is that the individual magnet segments are first magnetized and then in the magnetized state to the magnet system must be put together.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein ring-, rohr- oder kugelförmiges Halbach-System anzugeben, das geringe Abweichungen in der Feldhomogenität bei gleich zeitig geringem Fertigungsaufwand aufweist. Die Aufgabe wird durch ein Dauermagnetsystem mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Magnetisierungsverfahren für die obengenannten Magnetsysteme anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 3 gelöst. The object of the invention is therefore to provide a ring, tube or spherical Halbach system to indicate that small deviations in the field homogeneity at the same has low manufacturing costs in time. The task is by a permanent magnet system with the characteristics of Claims 1 or 2 solved. It is also a task of the invention, a magnetization process for the Specify above magnet systems. This task will by a method having the features of claim 3 solved.

Das erfindungsgemäße Magnetsystem wird einteilig oder mit nur wenigen Segmenten aus isotropem Dauermagnetmaterial aufgebaut. Mit der einteiligen Ausgestaltung können ins besondere ring- oder rohrförmige Magnetsysteme herge stellt werden. Besteht das Magnetsystem aus wenigen Seg menten, so ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Vorzugsrichtung auch innerhalb der Segmente örtlich variiert. Im Unterschied zu den bekannten segmentierten Magnetsystemen wird erfindungsgemäß der komplette Magnet aufmagnetisiert, und zwar indem eine zylinder- bzw. kugelförmige Magnetisiervorrichtung in den Körper eingebracht wird, die in ihrem Inneren ein homogenes Magnetfeld erzeugt. Bei der Magnetisiervorrichtung han delt es sich vorzugsweise um einen in der gewünschten Feldrichtung homogen magnetisierten, anisotropen, zylinder- oder kugelförmigen Permanentmagneten oder um eine Spule, deren Form und Aufbau noch beschrieben wird.The magnet system according to the invention is in one piece or with only a few segments made of isotropic permanent magnet material built up. With the one-piece design ins special ring or tubular magnet systems be put. The magnet system consists of a few seg ment, it is provided according to the invention that the Preferred direction also locally within the segments varies. In contrast to the well-known segmented According to the invention, magnet systems become the complete magnet magnetized, namely by a cylinder or spherical magnetizer in the body is introduced, which is a homogeneous inside Magnetic field generated. With the magnetizing device it is preferably one in the desired Field direction homogeneously magnetized, anisotropic, cylindrical or spherical permanent magnets or around a coil, the shape and structure of which will be described.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Magnetsystems liegen darin, daß dieses aus einem oder wenigen Stücken und somit vergleichsweise preisgünstig hergestellt werden kann. Es ist keine Einzelbearbeitung von Segmenten und kein oder nur geringer Montageaufwand erforderlich. Zudem ist die Magnetisierung an jedem Ort des Magnetsystems entsprechend der Halbach-Vorschrift vorgesehen, und es treten keine oder nur geringe Abweichungen in der Feld homogenität auf. Besonders vorteilhaft ist das erfin dungsgemäße Magnetsystem dann, wenn seine Wandstärke im Verhältnis zum Durchmesser gering ist. Bei einem solchen Magnetsystem wäre anderweitig die nötige Segmentierung nach dem Stand der Technik besonders aufwendig.The advantages of the magnet system according to the invention lie in that this consists of one or a few pieces and thus comparatively inexpensive to manufacture can. It is not an individual processing of segments and little or no installation effort required. In addition is the magnetization at every location of the magnet system provided according to the Halbach regulation, and it there are no or only minor deviations in the field homogeneity. This is particularly advantageous Magnet system according to the invention if its wall thickness in Ratio to the diameter is small. With such a Magnetic system would otherwise be the necessary segmentation according to the prior art particularly complex.

Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Magnetisierung eines solchen Systems besonders einfach und die Her stellung isotroper Magnetsysteme aus kunststoffgebundenen Materialien besonders bevorzugt. Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Magnetsystem insbesondere dort einge setzt werden, wo nur vergleichsweise geringe Felder gefordert sind, da dann geringe Wandstärken benötigt werden und leicht magnetisierbares Ferritmaterial aus reichend ist. Wirtschaftliche Vorteile ergeben sich ins besondere bei größeren Stückzahlen, da die Kosten für Herstellung und Montage einer segmentierten Ausgestaltung nach dem Stand der Technik im wesentlichen proportional zur Stückzahl sind, während die Kosten für die erfin dungsgemäße Magnetisiervorrichtung nur einmal anfallen.In contrast, the magnetization according to the invention of such a system is particularly simple and the fro position of isotropic magnet systems made of plastic-bonded Materials particularly preferred. This can be advantageous Magnet system according to the invention in particular there be set where only comparatively small fields are required because then thin walls are required and are made of easily magnetizable ferrite material is sufficient. There are economic advantages especially with larger quantities, because the costs for Production and assembly of a segmented design essentially proportional according to the prior art to the number of pieces, while the cost of inventing Magnetizing device according to the invention arise only once.

Als Magnetmaterial kommen grundsätzlich nur isotrope Materialien mit einer im zweiten Quadranten annähernd linearen BH-Kennlinie bzw. solche Materialien infrage, bei denen die Koerzitivfeldstärke wesentlich größer ist als das Verhältnis von Remanenz Br zur magnetischen Feldkonstanten µ_o. Es handelt sich dabei insbesondere um gesinterte oder um kunststoffgebundene Ferrite und Seltenerd-Magnete in Form isotroper Sintermagnete und kunststoffgebundener Magnete des Typs Nd-Fe-B oder Sm-Fe-N.In principle, only isotropic materials with a BH characteristic that is approximately linear in the second quadrant or materials in which the coercive field strength is significantly greater than the ratio of remanence Br to the magnetic field constant μ _o are suitable as magnetic material. These are, in particular, sintered or plastic-bonded ferrites and rare earth magnets in the form of isotropic sintered magnets and plastic-bonded magnets of the Nd-Fe-B or Sm-Fe-N type.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Ausführungs beispiele und der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:In the following the invention based on the embodiment examples and the drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine grafische Darstellung der Halbach-Vorschrift; Fig. 1 is a graphical representation of the Halbach regulation;

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes rohrförmiges Magnetsystem; Fig. 2 shows an inventive tubular magnet system;

Fig. 3 ein rohrförmiges Magnetsystem in segmentierter Bauweise nach dem Stand der Technik; Figure 3 is a tubular magnet system in a segmented construction according to the prior art.

Fig. 4 eine zylinderförmige Magnetisierspule und einen zu magnetisierenden Magnetkörper Fig. 4 shows a cylindrical magnetizing coil and a magnetic body to be magnetized

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein ring-, rohr- oder kugelförmiges Magnetsystem. Eingezeichnet sind dort als offener Pfeil die Feldrichtung des homogenen Magnet feldes im Inneren des Systems sowie als geschlossener Pfeil eine Magnetisierungsrichtung an einem bestimmten Ort des Magnetsystems. Ferner sind die entsprechenden Winkel zur Verdeutlichung der Halbach-Vorschrift darge stellt. Mit gamma ist der Winkel zwischen der Magnet feldrichtung und der Vorzugsrichtung und mit phi die Ortskoordinate bezeichnet. Fig. 1 shows a cross section through an annular, tubular or spherical magnet system. The direction of the field of the homogeneous magnetic field inside the system is shown as an open arrow and a direction of magnetization at a specific location of the magnet system as a closed arrow. Furthermore, the corresponding angles to illustrate the Halbach regulation are Darge. The angle between the magnetic field direction and the preferred direction is designated by gamma and the location coordinate by phi.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß - ebenso wie ein gemäß der Bedingung gamma = 2 phi magnetisierter Zylinder in seinem Innenraum ein homogenes transversales Feld erzeugt - ein homogen transversal magnetisierter zylindrischer Permanentmagnet umgekehrt in seinem Außenraum ein Magnetfeld erzeugt, dessen Richtung der oben angegebenen Halbach-Bedingung genügt. Es handelt sich dabei um ein 2D-Dipolfeld. Das gleiche gilt für den dreidimensionalen Fall einer Struktur nach Halbach- Vorschrift, die jedoch azimutal, d. h. um die Feldachse symmetrisch ist, bzw. für den Fall einer inneren homogen magnetisierten Permanentmagnetkugel. Hierauf wird im folgenden nicht mehr eigens hingewiesen. Handelt es sich um ein kugelförmiges Magnetsystem, so muß dieses wenigstens einmal geteilt sein, um die Magnetisier vorrichtung einbringen und entnehmen zu können, d. h. eine solche Vorrichtung muß aus mindestens zwei Segmenten bestehen. Wesentlich für die erfindungsgemäßen Magnet systeme ist der Verzicht auf eine Segmentierung nach Magnetisierungsrichtung bzw. das Vorliegen verschiedener Magnetisierungsrichtungen in einem einzigen Teil des Magnetsystems.The invention is based on the knowledge that - as well like a magnetized according to the condition gamma = 2 phi Cylinder in its interior a homogeneous transverse Field generated - a homogeneously transversely magnetized cylindrical permanent magnet reversed in its Generates a magnetic field, the direction of which Halbach condition specified above is sufficient. It deals is a 2D dipole field. The same applies to the three-dimensional case of a structure according to Halbach Regulation that is azimuthal, i.e. H. around the field axis is symmetrical, or homogeneous in the case of an inner magnetized permanent magnet ball. This is followed in following not specifically pointed out. Is it a spherical magnet system, this must be divided at least once to the magnetizer to be able to insert and remove the device, d. H. Such a device must consist of at least two segments consist. Essential for the magnet according to the invention systems is to do without segmentation Direction of magnetization or the presence of different Magnetization directions in a single part of the Magnet system.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Magnetsystem darge stellt, das rohrförmig ausgebildet ist und aus einem einzigen Teil aus isotropem Dauermagnetmaterial besteht. Die Vorzugsrichtung im Magnetmaterial variiert örtlich. Im Vergleich dazu ist in Fig. 3 ein Magnetsystem nach dem Stand der Technik dargestellt. Dieses ist aus einzelnen Segmenten zusammengebaut, wobei jedes Segment eine feste Vorzugsrichtung aufweist. Bedingt durch die endliche Segmentierung ergeben sich Abweichungen in der Homogenität des Magnetfeldes im Inneren des Systems.In Fig. 2, a magnet system according to the invention is Darge, which is tubular and consists of a single part made of isotropic permanent magnet material. The preferred direction in the magnetic material varies locally. In comparison, a magnet system according to the prior art is shown in FIG. 3. This is assembled from individual segments, each segment having a fixed preferred direction. Due to the finite segmentation, there are deviations in the homogeneity of the magnetic field inside the system.

Die Magnetisierung des erfindungsgemäßen Magnetsystems kann durch einen homogen magnetisierten anisotropen zylinder- bzw. kugelförmigen Permanentmagneten erfolgen. Das Magnetisierfeld dieses Permanentmagneten sollte grundsätzlich größer als lokale innere Streufelder und weitreichende Entmagnetisierungsfelder sein und daher vorzugsweise in der Größenordnung der Remanenz des iso tropen Magnetmaterials liegen. Für den Sonderfall eines schnell abgeschreckten kunststoffgebundenen Magneten des Typs NdFeB werden jedoch noch deutlich größere Magneti sierfelder bevorzugt. In den Magnetsystemen treten ent magnetisierende Felder auf, die schräg zur gewünschten Feldrichtung liegen können und maximal die Größenordnung der Remanenz erreichen. Gewisse Abweichungen der lokalen Magnetisierungsrichtung von der nach der Halbach- Vorschrift idealen Richtung sind hierdurch unvermeidlich. Sie sind aber um so schwächer, je größer das Magnetisier feld im Verhältnis zu diesen entmagnetisierenden Feldern ist.The magnetization of the magnet system according to the invention can by a homogeneously magnetized anisotropic cylindrical or spherical permanent magnets. The magnetizing field of this permanent magnet should basically larger than local internal stray fields and far-reaching demagnetization fields and therefore preferably in the order of remanence of the iso tropical magnetic material. For the special case one quickly quenched plastic bonded magnet NdFeB types, however, become significantly larger magnets preferred fields. Enter in the magnet systems magnetizing fields that are oblique to the desired one The direction of the field can lie and at most the order of magnitude achieve remanence. Certain deviations from the local Magnetization direction from that according to the Halbach This makes regulation ideal direction inevitable. However, the larger the magnetizer, the weaker they are field in relation to these demagnetizing fields is.

Alternativ kann die Magnetisierung des erfindungsgemäßen Dauermagnetsystems auch durch eine Spule erfolgen, die zylinder- bzw. kugelförmig ausgebildet ist. Bei einer solchen Spulen müssen die seitlichen Oberflächen bestromt und die Stromdichte in Feldrichtung muß konstant sein. Beispielsweise erzeugt eine Spule, die in Richtung der Breitengrade mit konstantem axialem Windungsabstand auf die Oberfläche einer Kugel gewickelt wird, nach außen ein Dipolfeld und im Zentrum ein homogenes Feld von Pol zu Pol, ebenso wie ein kugelförmiger Permanentmagnet. Solche Spulen erzeugen die gewünschte Konfiguration zur Magneti sierung des Magnetsystems in einem einzigen Schritt, ohne daß eine Beschränkung in der Feldstärke auftritt, wie dies bei Verwendung einer permanentmagnetischen Magneti siervorrichtung der Fall ist. Im Falle einer Zylinder spule ergeben sich Abweichungen von der Halbach-Konfi guration an den beiden Spulenenden. Die Magnetisierspule muß daher länger sein als das Magnetsystem. Dies ist beispielsweise auch in Fig. 4 dargestellt.Alternatively, the magnetization of the permanent magnet system according to the invention can also take place by means of a coil which is cylindrical or spherical. With such coils, the lateral surfaces must be energized and the current density in the field direction must be constant. For example, a coil that is wound on the surface of a sphere in the direction of latitude with a constant axial winding spacing creates a dipole field on the outside and a homogeneous field from pole to pole in the center, just like a spherical permanent magnet. Such coils produce the desired configuration for magnetizing the magnet system in a single step without a limitation in the field strength, as is the case when using a permanent magnetic magnetizing device. In the case of a cylindrical coil, there are deviations from the Halbach configuration at the two coil ends. The magnetizing coil must therefore be longer than the magnet system. This is also shown in FIG. 4, for example.

Fig. 4 zeigt ein rohrförmiges Magnetsystem 1 sowie eine in dessen Innerem angeordnete Spule 2, die aus Leitern 3 gebildet wird. Die Stromrichtung ist in Fig. 4 ebenso eingezeichnet, wie die sich damit ergebende Feldrichtung. Die Magnetisierspule wird in üblicher Weise mit einem kurzen starken Stromimpuls beaufschlagt. Die entstehenden starken, am Aquator (phi = 90°) nach außen gerichteten Kräfte der Stromleiter können in der Regel vom Magnet system selbst nicht aufgenommen werden. Daher ist es vorteilhaft, eine äußere Unterstützung durch einen star ken unmagnetischen Zylinder vorzusehen, in den das zylinderförmige Magnetsystem zur Magnetisierung eingepaßt oder eingespannt wird. Fig. 4 shows a tubular magnet system 1 and a coil 2 arranged inside it, which is formed from conductors 3 . The current direction is shown in Fig. 4 as well as the resulting field direction. A short, strong current pulse is applied to the magnetizing coil in the usual way. The resulting strong forces of the current conductors on the aquator (phi = 90 °) can generally not be absorbed by the magnet system itself. Therefore, it is advantageous to provide external support by a strong non-magnetic cylinder into which the cylindrical magnet system is fitted or clamped for magnetization.

Die Magnetisierspule kann weiterhin auch einen hoch permeablen Eisenkern enthalten. Neben dem Spulenfeld ist dann auch das entmagnetisierende Feld des Eisenkerns homogen. Eine Ausnahme bilden wiederum die Zylinderenden. Das äußere Feld zur Magnetisierung des Magnetsystems wird dadurch verstärkt, aber in seiner Richtungskonfiguration nicht grundsätzlich geändert. In erwünschter Weise wird mit einer solchen Anordnung lokalen Abweichungen von der idealen Halbach-Konfiguration, die sich durch die endliche Anzahl der Stromleiter ergeben, durch das gleichmäßigere Feld des Eisenkerns entgegengewirkt.The magnetizing coil can still go high permeable iron core included. Next to the coil field is then the demagnetizing field of the iron core homogeneous. The cylinder ends are an exception. The external field for magnetizing the magnet system is thereby reinforced, but in its directional configuration not changed fundamentally. Desirably with such an arrangement local deviations from the ideal Halbach configuration, which is characterized by the result in a finite number of conductors through which counteracted more uniform field of the iron core.

Claims

1. Ring or tubular permanent magnet system with a locally varying preferred direction for generating a homogeneous magnetic field in its interior according to the formula gamma = 2 _* phi, where gamma is the angle between the magnetic field direction and the preferred direction and phi is the location coordinate, characterized in that Permanent magnet system is made in one piece from isotropic permanent magnet material.

2. Ring, cylinder or spherical permanent magnet system made up of a few segments with a locally varying preferred direction for generating a homogeneous magnetic field in its interior according to the formula gamma = 2 _* phi, where gamma is the angle between the magnetic field direction and the preferred direction and phi is the spatial coordinate , characterized in that the preferred direction also varies locally within the segments.

3. A method for magnetizing an annular, tubular or spherical body made of isotropic permanent magnet material with a locally varying preferred direction such that the magnetized body in turn generates a homogeneous magnetic field in its interior according to the formula gamma = 2 _* phi, where gamma is the angle between the magnetic field direction in the interior of the body and the preferred direction and phi is the spatial coordinate, by introducing into the body a cylindrical or spherical magnetizing device which generates a homogeneous magnetic field in its interior.

4. The method according to claim 3, characterized in that as a magnetizing device, a homogeneously magnetized anisotropic, cylindrical or spherical permanent magnet is used.

5. The method according to claim 3, characterized in that a coil is used as a magnetizing device, which is cylindrical or spherical, the side surfaces are energized and their current density is constant in the field direction.