Magnetische Systeme designen – mithilfe der CST Studio Suite

Anwendung von Magnetsystemen

Magnetische Systeme oder Systeme, die Magneten und magnetische Felder nutzen, haben ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Branchen und Bereichen. Einige gängige Anwendungen sind: Medizinische Bildgebung, Elektromotoren und Generatoren, Magnetische Trennung, Magnetische Speicherung, Transportwesen, Forschungsinstrumente wie Zirkulatoren, Magnetische Sensoren, Umwelt- und geologische Überwachung, erneuerbare Energietechnologien, Automobilindustrie, Unterhaltungselektronik wie Lautsprecher, Kopfhörer und Mikrofone.

Dies sind nur einige Beispiele, und die Anwendungen von Magnetsystemen dehnen sich weiter aus, während Technologie und Forschung voranschreiten. In manchen Anwendungen ist ein homogenes magnetisches Feld wichtig, während es in anderen Fällen möglicherweise nicht so kritisch ist. Die Notwendigkeit eines homogenen magnetischen Feldes hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab.

Homogenität des magnetischen Feldes

Hier sind einige Kontexte, in denen die Homogenität des magnetischen Feldes wichtig ist:

1. Medizinische Bildgebung (MRI): Bei der Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein hochgradig homogenes magnetisches Feld entscheidend, um genaue und klare Bilder der inneren Strukturen des Körpers zu erhalten. Inhomogenitäten im magnetischen Feld können zu Verzerrungen und Artefakten in den Bildern führen.
2. Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie: Die NMR-Spektroskopie wird zur Analyse der molekularen Zusammensetzung von Substanzen eingesetzt. Ein homogenes magnetisches Feld ist für präzise und konsistente Messungen der Kernspinresonanzfrequenzen unerlässlich..
3. Teilchenbeschleuniger: In Teilchenbeschleunigern wie Zyklotronen und Synchrotrons ist ein homogenes magnetisches Feld notwendig, um die Pfade geladener Teilchen zu lenken und zu kontrollieren, während sie Energie gewinnen und beschleunigt werden.
4. Magnetometrie: Magnetfeldmessungen, die in Geophysik, Umweltüberwachung und wissenschaftlicher Forschung verwendet werden, erfordern oft ein homogenes Feld, um magnetische Eigenschaften genau zu erfassen und zu quantifizieren.
5. Quantencomputing: Einige Technologien im Bereich des Quantencomputings erfordern hochgradig gleichmäßige magnetische Felder, um Qubits, die Grundeinheiten der Quanteninformation, zu manipulieren und zu steuern.
6. Präzisionsmessungen: Bestimmte Präzisionsmessungen, wie solche, die magnetische Suszeptibilität oder magnetische Momente betreffen, erfordern ein homogenes magnetisches Feld, um genaue und wiederholbare Ergebnisse sicherzustellen.
7. Materialtests: In den Materialwissenschaften und in Anwendungen zur Materialprüfung kann ein homogenes magnetisches Feld notwendig sein, um die magnetischen Eigenschaften von Materialien unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen.

Forschungssupercollider-Maschine, unterirdischer Teilchenbeschleuniger

MRT-Röntgenscanner-Maschine (Symbolbild)

Simulation des Magnetsystems von Zirkulatoren unter Verwendung von CST Studio Suite

Mikrowellen-Zirkulatoren sind weit verbreitete passive Bauelemente mit vielfältigen Anwendungen in Test- und Messaufbauten, um Signale von Quellen zum DUT (Device Under Test) zu leiten und Signale, die vom DUT kommen, zu verschiedenen Testgeräten zu trennen. Sie werden verwendet, um Mikrowellenverstärker vor reflektierten Signalen zu schützen und um Schäden am Verstärker zu verhindern. In diesem Artikel werden die Modellierung und Simulation von Magnetsystemen, die in Mikrowellen-Zirkulatoren verwendet werden, betrachtet. Das Modell eines 3-Port-Zirkulators aus der Component Library der CST Studio Suite ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Modell eines 3-Port-Zirkulators aus der Component Library der CST Studio Suite

Ein geeignetes Design eines Magnetsystems für einen Zirkulator muss gleichzeitig eine homogene Verteilung des Magnetfelds in vertikaler Richtung zu den Magneten garantieren und auch ein vernachlässigbares Magnetfeld im Raum außerhalb des Zirkulators sicherstellen. Magnetsysteme werden in 3-Port-Mikrowellenzirkulatoren verwendet, um Ferrite zu magnetisieren, die für die Zirkulation der eintreffenden Mikrowellenenergie verwendet werden. Der Wert des Magnetfeldes ist abhängig vom Ferritmaterial, der Frequenz und der Bandbreite sowie den gewünschten Leistungsparametern des Zirkulators. Dieses magnetische Feld wird mithilfe von Permanentmagneten erzeugt und muss präzise gestaltet werden, während gleichzeitig sichergestellt werden muss, dass sein Wert im Bereich des Ferrits homogen ist. Diese komplexe Aufgabe, die Überlegungen zur Magnetanordnung, magnetischen Materialien und zum Design des magnetischen Kreislaufs beinhaltet, wird mithilfe von CST Studio Suite ausgeführt.

Das magnetische Feld zwischen zwei Permanentmagneten:

Das magnetische Feld zwischen zwei Permanentmagneten wird mithilfe von CST Studio Suite simuliert. Die Magnete werden mit ihrer Geometrie und ihrer Remanenz modelliert. Remanenz, auch als Restinduktion oder magnetischer Rest bezeichnet, ist eine grundlegende Eigenschaft eines Permanentmagneten. Die Remanenz, Br, wird normalerweise in Einheiten von Tesla (T) oder Gauss (G) angegeben. Eine höhere Remanenz zeigt an, dass der Magnet mehr seiner Magnetisierung behält und ein stärkeres Magnetfeld erzeugt, selbst ohne äußeren Einfluss.

Modellierung der Magnete in CST Studio Suite

Verwendet wurden Magneten mit einem Durchmesser von 40cm und einer Dicke von 5cm. Diese wurden in einem Abstand von 20cm angeordnet. Das Magnetfeld in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Magneten (Z-Achse) zwischen zwei Permanentmagneten wird in den beiden folgenden Bildern dargestellt.

Das Magnetfeld in der XY-Ebene

Das Magnetfeld in Z-Richtung auf einer Linie, die in X-Richtung verläuft

Das magnetische Feld zwischen zwei Permanentmagneten mit Joch:

Wenn viele Magnetsysteme in der Nähe voneinander arbeiten, ist es wichtig, die magnetischen Felder jedes Systems in seiner Geometrie zu begrenzen, um eine Interferenz zwischen verschiedenen Magnetsystemen zu vermeiden. Wenn das Magnetsystem mit magnetischem Material wie Stahl bedeckt ist, wird das magnetische Feld im Magnetsystem begrenzt, und seine Stärke ist jenseits des Magnetsystems geringer. Diese Stahlteile, auch als Joch bezeichnet, sind hier in grauer Farbe dargestellt.

Magnetsystem mit Joch

Der Vergleich des magnetischen Feldes in diesen beiden Versionen ist auf der folgenden Abbildung dargestellt.

Das Magnetfeld in Z-Richtung in der Mitte zwei Magnete mit Joch auf einer Linie in X-Richtung

Das Magnetfeld in der XY-Ebene wird in der folgenden Abbildung zwischen zwei Permanentmagneten mit Joch dargestellt.

Das Magnetfeld von Magneten und Joch in der XY-Ebene

Die zusätzliche Anbringung des Jochs sorgt für eine Verstärkung des Magnetfeldes innerhalb der Systemgeometrie, sowie zu einer Reduktion außerhalb des Systems.

Das magnetische Feld zwischen zwei Permanentmagneten mit Polschuh:

Um die Homogenität zu erhöhen, wird eine weitere Komponente aus Stahl namens Polschuh zum System hinzugefügt. Der Polschuh befindet sich zwischen den Magneten. Der Polschuh ist auf der folgenden Abbildung grün dargestellt.

Magnetsystem mit Joch und Polschuh

Wie in Bild 12 zu erkennen ist, führt die Anbringung des Polschuhs zu einer größeren Homogenität des Magnetfeldes innerhalb der Systemgrenzen. Jedoch hat die Anbringung des Polschuhs zu einer Reduktion der Magnetfeldstärke geführt.

Magnetisches Feld in Z-Richtung auf einer Linie in X-Richtung in der Mitte zwei Magnete mit Joch und Polschuh

Das Magnetfeld in der XY-Ebene wird in der folgenden Abbildung zwischen zwei Permanentmagneten mit Joch und Polschuh dargestellt.

Das Magnetfeld von Magneten, Polschuh, Joch in der XY-Ebene

Das magnetische Feld zwischen zwei Permanentmagneten mit Seitenjoch:

In der letzten Version wird eine weitere Komponente aus Stahl hinzugefügt. Dieser Teil wird als Seitenjoch bezeichnet und wird verwendet, um das magnetische Feld außerhalb des Magnetsystems zu reduzieren.

Magnetsystem mit Joch, Polschuh und Seitenjoch

Das Magnetsystem mit Joch, Seitenjoch und Polschuh weist die beste Homogenität auf, und gleichzeitig ist die Stärke des magnetischen Feldes größer.

Magnetisches Feld in Z-Richtung auf einer Linie in X-Richtung, in der Mitte zwei Magnete mit Joch, Polschuh und Seitenjoch

Das Magnetfeld von Magneten, Polschuh, Joch und Seitenjoch in der XY-Ebene

Magnetische Systeme designen: Zusammenfassung

In diesem Blog wird gezeigt, wie mithilfe der CST Studio Suite ein geeignetes Magnetfeld designt werden kann. Das Magnetsystem, das in Mikrowellen-Zirkulatoren verwendet wird, erzeugt ein Magnetfeld im Inneren und außerhalb des Zirkulators. Dieses Magnetfeld muss so gestaltet sein, dass ein homogenes Magnetfeld im Zirkulator erzeugt wird und ein vernachlässigbares Magnetfeld außerhalb des Zirkulators vorhanden ist. CST Studio Suite simuliert Magnetsysteme mithilfe des magnetostatic Lösers. Es wird gezeigt, dass die Magneten mit ihren magnetischen Parametern, wie Remanenz, modelliert werden können. Weiterhin wird gezeigt, dass die Verwendung eines Polschuhs ein homogenes Magnetfeld im Inneren des Zirkulators erzeugt. Darüber hinaus erzeugt die Verwendung eines Jochs und eines Seitenjochs ein noch homogeneres und stärkeres Magnetfeld im Inneren des Zirkulators und reduziert auch das Magnetfeld außerhalb des Zirkulators.