Title:
Verfahren zum Abgleichen eines räumlichen Magnetfeldverlaufs eines Magnetfeldsystems an einen vorgegebenen räumlichen Magnetfeldverlauf und ein mithilfe des Verfahrens abgeglichenes Magnetfeldsystem
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleichen eines räumlichen Magnetfeldverlaufs eines Magnetfeldsystem an einen vorgegebenen räumlichen Magnetfeldverlauf, wobei der Magnetfeldverlauf des Magnetfeldsystems innerhalb eines vorgegebenen Wirkbereiches des Magnetfeldsystems gemessen wird, mit dem vorgegebenen Magnetfeldverlauf verglichen wird, auf der Grundlage der Abweichungen im Magnetfeldverlauf innerhalb des vorgegebenen Wirkbereiches in einem Rückrechnungsverfahren ein räumliches Muster von Korrekturpunkten aus magnetisierbarem Material zur zumindest teilweise Kompensation der Abweichungen berechnet wird und dieses Muster aus einem magnetisierbaren Material in einem additiven Fertigungsverfahren auf zumindest einen nicht magnetische Träger außerhalb des Magnetsystems aufgebracht wird und danach der zumindest eine Träger mit aufgebrachtem magnetisierbaren Material im Magnetfeldsystem angeordnet wird, sodass der Magnetfeldverlauf des Magnetfeldsystems innerhalb des vorgegebenen Wirkbereichs an den vorgegebenen Magnetfeldverlauf angeglichen wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Magnetfeldsystem, umfassend ein, in einem vorgegebenen Wirkbereich einen Magnetfeldverlauf bzw. ein Magnetfeld erzeugendes System wie ein Dauermagnetsystem mit zumindest einem Dauermagneten, wobei das System mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeglichen ist.
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Inventors:
Grönefeld, Martin, Dr. (53127, Bonn, DE)
Application Number:
DE102017100178A
Publication Date:
07/12/2018
Filing Date:
01/06/2017
Assignee:
Windhorst Beteiligungsgesellschaft mbH, 53119 (DE)
International Classes:



Foreign References:
200902110802009-08-27
201300097352013-01-10
59631171999-10-05
Other References:
HUBER, C. [et al.]. 3D print of polymer bonded rare-earth magnets, and 3D magnetic field scanning with an end-user 3D printer. In: Applied Physics Letters, Vol. 109, 2016, No. 16, 4 S. –ISSN 0003-6951
Attorney, Agent or Firm:
LIPPERT STACHOW Patentanwälte Rechtsanwälte Partnerschaft mbB, 51427, Bergisch Gladbach, DE
Claims:
Verfahren zur Abgleichung des räumlichen Magnetfeldverlaufs eines Magnetfeldsystem (1) an einen vorgegebenen räumlichen Magnetfeldverlauf, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldverlauf des Magnetfeldsystems (1) innerhalb eines vorgegebenen Wirkbereiches (3) des Magnetfeldsystems (1) gemessen wird, mit dem vorgegebenen Magnetfeldverlauf verglichen wird, auf der Grundlage der Abweichungen im Magnetfeldverlauf innerhalb des vorgegebenen Wirkbereiches (3) in einem Rückrechnungsverfahren ein räumliches Muster von Korrekturpunkten (6) aus magnetisierbarem Material zur zumindest teilweise Kompensation der Abweichungen berechnet wird und dieses Muster aus einem magnetisierbaren Material in einem additiven Fertigungsverfahren auf zumindest einen nicht magnetischen Träger (5) außerhalb des Magnetsystems (1) aufgebracht wird und danach der zumindest eine Träger (5) mit aufgebrachtem magnetisierbaren Material im Magnetfeldsystem (1) angeordnet wird, sodass der Magnetfeldverlauf des Magnetfeldsystems (1) innerhalb des vorgegebenen Wirkbereichs (3) an den vorgegebenen Magnetfeldverlauf angeglichen wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierbare Material in Kunststoff eingebettet ist und mit einem aufschmelzenden 3D-Drucker auf den zumindest einen nicht magnetischen Träger (5) außerhalb des Magnetsystems (1) aufgebracht wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldverlauf in Bezug auf mehrere Richtungen, insbesondere in senkrecht zueinander verlaufende Richtungen, gemessen und angeglichen wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das räumliche Muster von Korrekturpunkten (6) außerhalb des vorgegebenen räumlichen Wirkbereiches des Magnetfeldsystems (1) angeordnet wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das räumliche Muster von Korrekturpunkten (6) auf dem zumindest einen Träger (5) eine oder mehrere Materialansammlungen mit vorgegebener 3D-Strukturierung bildet.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierbare Material weichmagnetisch ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierbare Material ein permanentmagnetisches Material ist, welches nach dem Aufbringen auf den zumindest einen Träger (5) und vor dem Einbringen in das Magnetfeldsystem (1) magnetisiert wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster aus Korrekturpunkten (6) auf zwei nicht magnetische Träger (5) verteilt aufgebracht wird, die beidseitig des vorgegebenen Wirkbereiches des Magnetfeldsystems (1) angeordnet werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldsystem (1) ein Dauermagnetsystem umfasst zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, wobei als vorgegebener Magnetfeldverlauf im vorgegebenen Wirkbereich (3) ein Magnetfeld konstanter Stärke festgelegt wird, so dass über das Rückrechnungsverfahren ein Muster von Korrekturpunkten (6) aus magnetisierbaren Material zurückgerechnet wird, welches Abweichungen des durch das Magnetfeldsystem (1) erzeugten Magnetfeldes vom vorgegebenen Magnetfeldverlauf im vorgegebenen Wirkbereich (3) im Wesentlichen kompensiert.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldsystem (1) ein Dauermagnetsystem umfasst zur Erzeugung eines Gradientenfeldes, wobei als vorgegebener Magnetfeldverlauf im vorgegebenen Wirkbereich ein Magnetfeld mit konstanter Änderung festgelegt wird, so dass über das Rückrechnungsverfahren ein Muster von Korrekturpunkten aus magnetisierbarem Material zurückgerechnet wird, welches Abweichungen des durch das Magnetfeldsystem (1) erzeugten Magnetfeldverlaufs vom vorgegebenen Magnetfeldverlauf im vorgegebenen Wirkbereich (3) im Wesentlichen kompensiert.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldsystem (1) ein Dauermagnetsystem umfasst zur Erzeugung eines Multipolfeldes, wobei als vorgegebener Magnetfeldverlauf im vorgegebenen Wirkbereich (3) ein Magnetfeld mit einer reinen Quadrupol- Hexupol- oder anderen Multipolstruktur festgelegt wird, sodass über das Rückrechnungsverfahren ein Muster von Korrekturpunkten (6) aus magnetisierbarem Material zurückgerechnet wird, welches Abweichungen des durch das Magnetfeldsystem (1) erzeugten Magnetfeldverlaufs vom vorgegebenen Magnetfeldverlauf im vorgegebenen Wirkbereich (3) im Wesentlichen kompensiert.

Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Serienprozess an Dauermagnetsystemen zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes , eines Gradientenfeldes oder eines Multipolfeldes der Abgleich von Ungleichmäßigkeiten wie Inhomogenitäten im Material zumindest eines vom System umfassten Dauermagneten und/oder von mechanischen Toleranzen, beispielsweise bezüglich Gestalt und/oder der Anordnung des zumindest einen Dauermagneten automatisiert und auf jedes System individuell abgestimmt durchgeführt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückrechnungsverfahren auf der Grundlage von evolutionären Algorithmen und/oder Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt wird.

Magnetfeldsystem, umfassend ein, in einem vorgegebenen Wirkbereich einen Magnetfeldverlauf bzw. ein Magnetfeld erzeugendes System, insbesondere ein Dauermagnetsystem mit zumindest einem Dauermagneten, abgeglichen mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleichen des räumlichen Magnetfeldverlaufs eines Magnetfeldsystems an einen vorgegebenen räumlichen Magnetfeldverlauf sowie ein Magnetfeldsystem, das auf der Grundlage dieses Verfahrens abgeglichen ist.

Herkömmliche Magnetfeldsysteme umfassen elektrische Spulen und/oder Dauermagnete und Trägerkörper und stellen in einer Vielzahl von verschiedenen Anwendungen über einen vorgegebenen Raumbereich, der im Folgenden als vorgegebenes Wirkvolumen oder vorgegebener Wirkbereich bezeichnet wird, ein Magnetfeld mit vorgegebenem Verlauf in Bezug auf Feldstärke und -richtung zur Verfügung. Anwendungen finden solche Systeme in Forschung und Entwicklung, beispielsweise in Teilchenbeschleunigern, in Laboren, in Produktionslinien, beispielsweise bei der magnetischen Bearbeitung metallischer Teilen, in der Medizintechnik wie in Kernspintomografen, in der chemischen Analyse, in der Messtechnik und Sensorik sowie in vielen weiteren Anwendungen. Bei der Herstellung von Magnetfeldsystemen für derartige Anwendungen ist es häufig schwierig, der gewünschten Feldverteilung im Wirkvolumen, d.h. in dem Bereich, in dem das Feld für die spezifische Anwendung benötigt wird, ausreichend genau zu entsprechen. Je nach Anwendung kann die Bereitstellung eines extrem konstanten Magnetfeldes in einem vorgegebenen Volumen, eines Magnetfeldes mit konstantem Gradienten, eines Multipolfelder oder anderer komplexer Feldverteilungen notwendig sein. Abweichungen von einer gewünschten, insbesondere einer gewünschten komplexen Feldverteilung können beispielsweise durch den Magnetfeldsystemaufbau aus physikalischer Sicht begründet sein. Jedoch auch in solchen Fällen, in welchen rein theoretisch ein bestimmtes Design eines Magnetfeldsystemaufbaus die gewünschte Feldverteilung erzeugen würde, kann das Auftreten von Inhomogenitäten in Bauteilekomponenten wie beispielsweise Dauermagneten oder Herstellungstoleranzen solcher oder anderer Komponenten Abweichungen in der gewünschten, idealen Feldverteilung verursachen. Selbst wenn derartige Abweichungen an vorgegebenen Positionen im Wirkvolumen eines herkömmlichen Systems deutlich unter einem Promille der Feldstärke liegen können, können solche Abweichungen für die Durchführung von bestimmten Anwendungen störend sein oder das jeweilige Magnetfeldsystem sogar für bestimmte Anwendung unbrauchbar machen.

Ein solches Magnetfeldsystem kann beispielsweise als Magnetjoch ausgebildet sein, das ein über das Wirkvolumen homogenes Magnetfeld von typischer Weise etwa 50mT bis über ein Tesla erzeugen kann. Bei diesem Magnetfeldsystem stellt die gewünschte bzw. vorgegebene Feldverteilung ein homogenes Feld im gesamten Wirkvolumen dar, wobei jede Diskrepanz von dieser idealen Homogenität des Magnetfeldes eine Abweichung von der vorgegebenen Magnetfeldverteilung darstellt. Die Kompensation derartiger Abweichungen stellt eine große technische Herausforderung dar. Auf dem Gebiet bekannt ist der Einsatz einer Mehrzahl von Spulen oder magnetisierbaren Zusatzbauteilen, bei welchen die Abweichungen bzw. Ungleichmäßigkeiten mehr oder weniger empirisch und nur teilweise kompensiert werden. Diese Vorgehensweise ist zeitintensiv, mechanisch höchst aufwendig, soweit eine Vielzahl derartiger Kompensationsteile zum Einsatz kommt, und darüber hinaus mit hohen Kosten verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Abweichungen eines räumlichen Magnetfeldverlaufs eines Magnetfeldsystems zu einem vorgegebenen räumlichen Magnetfeldverlauf effizient und kostengünstig kompensiert werden können in einem vorgegebenen Wirkbereich bzw. Wirkvolumen des Magnetfeldsystems. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Magnetfeldsystem zu schaffen, das unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine deutlich bessere Übereinstimmung des Magnetfeldverlaufs mit der vorgegebenen, insbesondere idealen Feldverteilung im Wirkvolumen des Magnetfeldsystems aufweist bzw. welches mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens effizienter und kostengünstiger hergestellt werden kann.

Die obenstehende Aufgabe löst die Erfindung verfahrensseitig zumindest teilweise mit einem Verfahren zum Abgleichen eines räumlichen Magnetfeldverlaufs eines Magnetfeldsystems an einen vorgegebenen räumlichen Magnetfeldverlauf mit den Verfahrensschritten:

  • - Messen des Magnetfeldverlaufs des Magnetfeldsystems innerhalb eines vorgegebenen Wirkbereichs des Magnetfeldsystems,
  • - Vergleichen des gemessenen Magnetfeldverlaufs mit dem vorgegebenen Magnetfeldverlauf,
  • - Berechnen eines räumlichen Musters von Korrekturpunkten aus magnetisierbarem Material auf der Grundlage dieser Abweichungen im Magnetfeld zur zumindest teilweise Kompensation der Abweichungen innerhalb des vorgegebenen Wirkbereichs über ein Rückrechnungsverfahren,
  • - Aufbringen des räumlichen Musters aus magnetisierbaren Material in einem additiven Fertigungsverfahren, vorzugsweise als in einem Kunststoff eingebettetes magnetisierbares Material in einem Fused Filament Fabrication -Verfahren auf zumindest einen nichtmagnetischen Träger außerhalb des Magnetfeldsystems, und danach
  • - Anordnen des zumindest einen Trägers mit aufgebrachtem magnetisierbaren Material in das Magnetfeldsystem, sodass der Magnetfeldverlauf des Magnetfeldsystems innerhalb des vorgegebenen Wirkbereichs an den vorgegebenen Magnetfeldverlauf angeglichen wird.

Es sei bemerkt, dass das Merkmal „additives Fertigungsverfahren“ breit zu verstehen ist. Darunter fallen im Weitesten Sinne die additiven Fertigungsverfahren, die sich für das Aufbringen des räumlichen Musters als Teilschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen insbesondere solche, welche in den letzten Jahren typischerweise für schnelle Prototypenerstellung von Kunststoff- oder Metallteilen entwickelt worden sind. Hierzu verwendbare, umgangssprachlich als 3D-Drucker benannte Geräte, die aus Kunststoff 3-dimensionale Formteile herstellen, werden in der Fachsprache als „Fused Filament Fabrication“-, „Fused deposition Modelling“- Geräte oder auch zu Deutsch Schmelzschichtungsgeräte bezeichnet. Hierbei wird ein Kunststofffilament in einem Druckkopf aufgeschmolzen und aus kleinen Tröpfchen die zu erzeugende 3D-Struktur aufgebaut. Zur Erzeugung der magnetisierbaren 3D-Struktur können Funktionswerkstoffe wie magnetisierbare Materialien in den Kunststoff eingebettet sein, sodass bei dieser Ausführungsform der verflüssigte Kunststoff mit eingebetteten Magnetpartikeln auf den zumindest einen Träger aufgebracht wird und dort aushärtet.

Es sei darauf hingewiesen, dass mit der Angabe „räumlicher Magnetfeldverlauf“ die Feldrichtung und/oder die Feldstärke des jeweiligen Magnetfeldes innerhalb des vorgegebenen räumlichen Wirkbereichs gemeint ist. Darüber hinaus meint die Angabe „Korrekturpunkt aus magnetisierbarem Material“ keinen idealen Punkt im mathematischen Sinn, welcher keine Ausdehnung aufweist, sondern eine Materialansammlung von magnetisierbarem Material, die im additiven Fertigungsverfahren als kleiner Teil einer 3D-Struktur erzeugt wird und insofern eine elementare Volumeneinheit eines solchen magnetisierbaren Materials umfasst, die bei dem Aufbringprozess zweckmäßigerweise das gleiche Volumen bzw. Masse aufweisen kann. In einer anderen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Masse bzw. des Volumens bei jedem Druckpunkt (Korrekturpunkt) in einem gewissen Rahmen einstellbar ist, beispielsweise ausgehend von einem kleinsten Volumen bzw. Masse bis zu einem mehrfachen dieser Masse bzw. Volumen, beispielsweise dem Zehnfachen der kleinsten Einheit. Das mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf den jeweiligen Träger ausgegebenen Materials kann auf herkömmliche Weise ausgehärtet werden. Dies wäre beim „Fused Filament Fabrication“- Verfahren die Verfestigung beim Absetzen und Erkalten des Druckpunktes, kann aber bei anderen additiven Fertigungsverfahren auch beispielsweise über Erhitzen oder UV-Bestrahlung erfolgen.

Die Angabe „vorgegebener Magnetfeldverlauf“ in einem vorgegebenen Wirkbereich bzw. Wirkvolumen des Magnetfeldsystems kann einen idealen, insbesondere störungsfreien Magnetfeldverlauf des jeweiligen Magnetfeldsystems meinen. Beispielsweise kann zwischen den beiden Schenkeln eines Magnetjoches in einem mittigen Wirkbereich zwischen den beiden Schenkeln ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld bzw. Magnetfeldverteilung erzeugt werden. Die Homogenität des Feldes reduziert sich mit Vergrößerung des betrachteten Wirkbereichs bzw. Wirkvolumens, wobei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Homogenität in einem betrachteten Wirkbereich verbessert werden kann und/oder der betrachtete Wirkbereich bzw. das betrachtete Wirkvolumen unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vergrößert werden kann bei gleichbleibender Güte der Homogenität. Am Beispiel der betrachteten Magnetjochanordnung wird verständlich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Miniaturisierungen von herkömmlichen Magnetfeldsystemen durchgeführt werden können unter Beibehaltung einer vorgegebenen Güte des Magnetfeldverlaufs in Bezug auf einen vorgegebenen Magnetfeldverlauf in einem vorgegebenen Wirkbereich, wodurch eine wesentliche Kosteneinsparung bei der Gestaltung von Magnetfeldsystemen bereitgestellt werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Abweichungen des Magnetfeldverlaufs von einem vorgegebenen oder idealen Magnetfeldverlauf in einem vorgegebenen Wirkbereich bzw. - volumen des Magnetfeldsystems zumindest teilweise kompensierbar. Zweckmäßigerweise können derartige Abweichungen, insbesondere in Bezug auf die Feldrichtung und/oder die Feldstärke, zumindest um ein Drittel reduziert werden, typischerweise aber auch halbiert oder sogar noch weit stärker reduziert werden.

In Bezug auf das Messen des räumlichen Magnetfeldverlaufs des Magnetfeldes sei bemerkt, dass die magnetische Feldverteilung innerhalb des vorgegebenen Wirkbereichs bzw. Wirkvolumens in einer oder mehreren Dimensionen gemessen und auch an den vorgegebenen Verlauf angepasst werden kann. Für die Messung können beispielsweise ein- bzw. mehrdimensionale Hall-Elemente oder magnetoresistive Messelemente, jedoch auch NMR-Sonden oder Flussspulen in Verbindung mit einem Flussintegrator eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann das oben beschriebene herkömmliche Verfahren zur Kompensation unter Verwendung von Spulen oder fest installierten magnetisierbaren Zusatzbauteilen ersetzen oder ergänzen, insbesondere zur Verbesserung des Grades der Kompensation bzw. der Angleichung eingesetzt werden.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind in der allgemeinen Beschreibung, der Figurenbeschreibung, den Figuren sowie den Unteransprüchen angegeben.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Magnetfeldverlauf des Magnetfeldsystems in Bezug auf mehrere Richtungen, insbesondere in Bezug auf senkrecht zueinander verlaufende Richtungen gemessen und entsprechend an den vorgegebenen räumlichen Magnetfeldverlauf angeglichen wird. Die Angleichung kann somit räumlich erfolgen, d.h. innerhalb des vorgegebenen Wirkbereichs, der in der Regel ein Wirkvolumen darstellen kann. Erfindungsgemäß kann bei dieser Ausführungsform ein Angleich bzw. Abgleich des Magnetfeldverlaufs erfolgen, vorzugsweise in Bezug auf die Feldrichtung als auch in Bezug auf die Feldstärke des magnetischen Feldes.

Um eine geometrische Einschränkung innerhalb des vorgegebenen räumlichen Wirkbereichs zu vermeiden, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das räumliche Muster von Korrekturpunkten außerhalb des vorgegebenen Wirkbereichs des Magnetfeldsystems angeordnet wird. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende Festlegung von Randbedingungen für das Berechnungsverfahrens zur Ermittlung des räumlichen Musters von Korrekturpunkten aus magnetisierbaren Material ermöglicht werden, beispielsweise indem für die Berechnung festgelegt wird, dass das räumliche Muster von Korrekturpunkten und/oder der Träger selbst außerhalb des vorgegebenen Wirkbereichs angeordnet ist.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Korrekturpunkte auf dem zumindest einen Träger in Form einer Materialansammlung mit vorgegebener 3D-Strukturierung ausgebildet werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass Korrekturpunkte auf dem zumindest einen Träger zueinander beabstandet sind, sodass letztlich beliebige Materialansammlungsstrukturen auf dem zumindest einen Träger erzeugbar sind.

Um eine einfache Magnetisierung der Korrekturpunkte auf dem zumindest einen Träger zu ermöglichen, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das magnetisierbare Material einen weichmagnetischen Werkstoff umfasst. Solche weichmagnetische Werkstoffe sind ferromagnetische Materialien, die sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lassen und eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 1000 A/m aufweisen. Das magnetisierbare Material kann alternativ oder auch zusätzlich ein permanentmagnetisches Material sein, welches nach dem Aufbringen auf den zumindest einen Träger und vor dem Einbringen in das Magnetsystem magnetisiert wird. Damit können in Bezug auf die Gestalt beliebig kompliziert aufgebaute 3D-Strukturierungen des magnetisierbaren Materials über ein additives Fertigungsverfahren auf dem zumindest einen Träger erzeugt und dann magnetisiert werden. Nachfolgend wird dann der zumindest eine Träger in das Magnetsystem als normales Bauteil eingebracht und/oder befestigt. Hierdurch wird erreicht, dass die magnetische Feldverteilung des angeglichenen Magnetfeldsystems der idealen Verteilung deutlich näher kommt.

In einer Ausführungsform, bei welcher es sich bei dem magnetisierbaren Material um ein weichmagnetisches Material handelt, kann der Schritt des nachträglichen Magnetisierens außerhalb des Magnetsystems und vor dem Einbringen des zumindest einen, mit Korrekturpunkten bestückten Trägers in das Magnetsystem entfallen, da diese Korrekturpunkten nach dem Einbau des zumindest einen Trägers in das Magnetsystem durch das dortige Magnetfeld magnetisiert werden können.

Ferner kann vorgesehen sein, bei Bedarf das erfindungsgemäße Verfahren iterativ, d.h. mehrere Male anzuwenden. Dabei kann ein teilabgeglichenes Magnetfeldsystem in Bezug auf den Magnetfeldverlauf nochmals innerhalb eines vorgegebenen Wirkbereichs ausgemessen und auf der Grundlage der verbleibenden Abweichungen ein weiteres räumliches Muster von Korrekturpunkten mittels des Rückrechnungsverfahrens berechnet werden zur zumindest teilweisen Kompensation der verbleibenden Abweichungen. Prinzipiell kann eine solche Iteration beliebig häufig durchgeführt werden, bis eine vorgegebene Schwelle in Bezug auf die Abweichungen erzielt ist.

Die gemessene Abweichung von dem idealen Magnetfeldverlauf d.h. die Differenz zwischen dem gemessenen Feldverlauf und dem gewünschten Feldverlauf kann erfindungsgemäß in einer Rückrechnung in ein räumliches Muster von Korrekturpunkten aus magnetisierbaren Material umgesetzt werden. Die gemessene Abweichung stellt dabei quasi das Kompensationsfeld dar, welches über das zu bestimmende räumliches Muster von Korrekturpunkten aus magnetisierbaren Material zu erzeugen ist. Im Gegensatz zu dem umgekehrten Fall, bei dem die Berechnung des magnetischen Feldes aus einer vorgegebenen räumlichen Verteilung von Magnetmaterial über die Anwendung der Maxwell-Gleichungen eine eindeutige und numerisch leicht zu lösendes Aufgabe darstellt, ist dies für die Rückrechnung als Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens schwieriger.

Im Rahmen der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben sich für die angegebene Rückrechnung eine Art von „Versuchs- und Irrtumsmethoden“ als zweckmäßig herausgestellt, die allgemein unter „Monte-Carlo-Simulationen“ oder „genetische bzw. evolutionäre Algorithmen“ beschrieben werden. Hierbei werden bei diesem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens orientiert an den jeweils besten Vorergebnissen iterativ immer neue zufällige Änderungen an Verteilungen des Magnetmaterials rechnergestützt ausprobiert und der „vorwärts“ berechnete Feldverlauf auf eine Verbesserung in Hinsicht auf den gewünschten Feldverlauf hin bewertet, so dass letztlich die beste aller simulierten Verteilungen des Magnetmaterials als Lösung der Rückwärtsrechnung ermittelt wird. Eine weitere mögliche Methode für die Rückrechnung besteht darin, die Abweichungen von dem vorgegebenen bzw. idealen Magnetfeldverlauf in einer Multipolentwicklung darzustellen und die einzelnen Ordnungen durch hierfür festgelegte Verteilungen des Magnetmaterials zu kompensieren. Im Rahmen des Patentes können grundsätzlich alle mathematischen Verfahren genutzt werden, die sich hierfür als effizient herauskristallisieren.

Wie schon obenstehend erläutert, kann die in der angegebenen Rückrechnung bestimmte Verteilung von Korrekturpunkten nun aus einem ggf. in einem Kunststoff eingebetteten magnetisierbaren Material in einem additiven Fertigungsverfahren auf einen oder mehrere nicht magnetische Träger außerhalb des Magnetsystems aufgebracht werden. Schließlich wird oder werden diese Träger mit dem aufgebrachten Muster aus Korrekturpunkten ggf. nach einer Magnetisierung des Materials zur Ausrichtung der Elementarmagneten in das Magnetfeldsystem eingebracht und dort an einer vorbestimmten Position befestigt, wodurch die magnetische Feldverteilung der idealen Verteilung deutlich näher kommt.

Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch ein, in einem vorgegebenen Wirkbereich einen Magnetfeldverlauf bzw. ein Magnetfeld erzeugendes System, insbesondere ein Dauermagnetsystem mit zumindest einem Dauermagneten, wobei das Magnetfeldsystem abgeglichen ist mit einem obenstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren. Das erfindungsgemäße Magnetfeldsystem weist dabei zumindest einen nicht magnetischen Träger auf, auf welchen ein räumliches Muster aus einem magnetisierbaren Material in einem additiven Fertigungsverfahren wie einem 3D-Druckverfahren aufgebracht ist, wobei das räumliche Muster im Rahmen eines Rückrechnungsverfahrens auf der Grundlage einer gemessenen Abweichung im vom Magnetfeldsystem erzeugten Magnetfeldverlauf innerhalb eines vorgegebenen Wirkbereiches von einem vorgegebenen Magnetfeldverlauf zur zumindest teilweisen Kompensation der Abweichung berechnet wird.

Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert, wobei

  • 1 in einer Prinzipdarstellung ein Magnetfeldsystem 1 zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes,
  • 2 in einer Prinzipskizze zwei Träger mit aufgebrachtem Magnetmaterial zur Kompensation einer Störung 4 im Magnetfeldsystem der 1 und
  • 3 ein mit den Trägern gemäß 2 kompensiertes bzw. angeglichenes Magnetfeldsystem 1
zeigt.

1 zeigt ein nicht abgeglichenes bzw. nicht korrigiertes Magnetfeldsystem 1, das in der beschriebenen Ausführungsform als Magnetjoch mit einem Eisenjoch 7 und zwei Magneten 8a, b ausgebildet ist. In der Figur ist der Feldlinienverlauf innerhalb des Eisenjochs 7, der Magnete 8a, b sowie im Spalt zwischen den Magneten angegeben, eine einzelne Feldlinie ist mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. In der beschriebenen Ausführungsform wird ein Wirkbereich bzw. ein Wirkvolumen im Spalt betrachtet, der bzw. das sich innerhalb der mit dem Bezugszeichen 3 angegebenen räumlichen Begrenzung und zwischen den beiden Magneten 8a, b befindet.

Schematisch ist eine Abweichung 4 von der idealen Feldverteilung, im vorliegenden Fall ein homogenes Magnetfeld, gezeigt, die durch Vermessen der Feldverteilung im angegebenen Wirkvolumen 3 erfasst wird. Danach erfolgt eine computergestützte, numerische Rückrechnung ausgehend von der gemessenen Inhomogenität 4 des Magnetfeldes innerhalb des vorbestimmten Bereichs 3 in eine Verteilung von Korrekturpunkten von Magnetmaterial an vorbestimmten Stellen benachbart zu den bzw. im Bereich der spaltseitigen Stirnseiten der Magnete 8a, 8b. Da diese Korrekturpunkte über ein additives Fertigungsverfahren auf Träger 5 aufgebracht werden, siehe 2, wird für die Rückrechnung als Randbedingung die Platzierung eventueller Korrekturpunkte im Bereich bzw. am Ort der wie beschrieben platzierten Träger angesetzt. Die Korrekturpunkte können mehr oder weniger stark magnetisierbare Volumenelemente darstellen, die aus einem Verbundwerkstoff bestehen, der eine Kunststoffmatrix aufweist, in welcher weich- und/oder dauermagnetische Pulverpartikel eingebettet sind. In Abhängigkeit des aufgebrachten Musters von Korrekturpunkten auf den Träger 5, siehe 2, erfolgt eine dreidimensionale Gestaltung von Magnetmaterial auf den Trägern 5. Der nichtmagnetische Träger 5 mit den in 2 schematisch gezeigten Korrekturpunkten 6 aus einem gegebenenfalls in Kunststoff eingebetteten magnetisierbaren Material wird nach dem Erzeugen der 3D-Strukturauf dem Träger mithilfe additiven Fertigungsverfahrens noch gegebenenfalls in eine Magnetisiereinrichtung eingebracht, um das aufgedruckte Magnetmaterial zu magnetisieren, d.h. die Elementarmagnete auszurichten. Dieser Schritt kann in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung entfallen, wenn es sich bei dem magnetisierbaren Material um weichmagnetisches Material handelt, welches eingebaut in das Magnetsystem durch das dortige Magnetfeld magnetisiert wird. Dies kann in den Randbedingungen des Rückrechenverfahrens zur Kompensation des Magnetfeldes berücksichtigt werden, da dann die Richtung der Magnetisierung in der 3D-Struktur immer durch das Feld im System gegeben ist.

In dem beschriebenen Beispiel werden für das abzugleichende System 1 zwei nicht magnetische Trägerplatten verwendet, die nach dem Aufbringen des individuellen Musters und ggf. dem Magnetisieren des auf die Träger aufgebrachten Magnetmaterials in das Magnetfeldsystem 1 eingebracht. Dies ist in 3 gezeigt, wobei die beiden Träger 5 mit dem Muster an Korrekturpunkten 6 jeweils an den spaltseitigen Stirnflächen der Magnete 8a, 8b befestigt werden. Wie der Feldlinienverlauf innerhalb des Wirkvolumens 3 schematisch zeigt, weist das korrigierte Magnetfeldsystem 1 eine deutlich verbesserte Magnetfeldhomogenität auf.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird das Magnetmaterial zur Korrektur der angegebenen Inhomogenität des Magnetfeldes auf einen einzelnen Träger aufgebracht. Diese Ausführungsform ist insbesondere zweckmäßig, wenn an die Korrektur des Magnetfeldverlaufs geringere Anforderungen gestellt werden können.

In dem beschriebenen anhand der Figuren dargestellten Beispiel wurde ein Magnetfeldsystem betrachtet, welches ein möglichst homogenes Feld erzeugt. Gleichermaßen kann die Erfindung aber angewendet werden, wenn der im Wirkvolumen gewünschte Magnetfeldverlauf idealerweise andere Eigenschaften hat. Je nach Ausführungsform kann es sich beispielsweise um einen Magnetfeldverlauf handeln, bei dem nicht das Feld, sondern der Feldgradient, d.h. die räumliche Änderung konstant ist. Es kann sich aber auch allgemeiner um jede Form eines Multipolfeldes handeln, wobei der Begriff aus der mathematischen Entwicklung eines beliebigen Feldverlaufes in einer Reihenentwicklung aus Dipolen, Quadrupolen usw. kommt. So werden z.B. für die Korrektur von Strahlen geladener Teilchen spezielle Quadrupole, Hexupole usw. benötigt. Magnetfeldsysteme auch für solche Anwendungen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeglichen werden, wobei das Verfahren gut automatisierbar ist, so dass es sich auf einen Serienprozeß zur individuellen Abgleichung vieler Systeme eignet.

Bezugszeichenliste

1
Magnetfeldsystem
2
Magnetfeldlinie
3
Wirkvolumen/Wirkbereich
4
Abweichung von idealem Feldverlauf
5
nicht magnetischer Träger
6
Korrekturpunkte
7
Eisenjoch
8a
Magnet
8b
Magnet