專利名稱：能產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的改善的線圈和所述線圈的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能產(chǎn)生磁場(chǎng)的、尤其適于產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)和/或耐抗大的機(jī)械應(yīng)力的線圈和所述線圈的制造方法。
背景技術(shù)：
在磁場(chǎng)產(chǎn)生領(lǐng)域中，眾所周知，通過由一個(gè)或多個(gè)被強(qiáng)電流穿過的線圈構(gòu)成的“磁體”來產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，其中所述線圈被冷卻。所述線圈可以由圓柱形管構(gòu)成，其中所述圓柱形管由導(dǎo)體或超導(dǎo)體材料制成，并沿整體為螺旋狀的、具有恒定或不恒定節(jié)距的切割線切割，以形成匝。
這些用于強(qiáng)場(chǎng)的線圈目前幾乎只在強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室中使用，并且例如可以有效地在RMN (核磁共振)儀中使用，以實(shí)現(xiàn)磁共振成像。這些RMN儀一般具有隧道形結(jié)構(gòu)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其中所述隧道形結(jié)構(gòu)帶有留給病人的中心空間，所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)一方面集成了用于在中心觀察空間中產(chǎn)生均勻的、強(qiáng)的主磁場(chǎng)的裝置，另一方面集成了射頻激勵(lì)裝置和射頻信號(hào)處理裝置，所述射頻信號(hào)處理裝置用于處理由置于中心觀察空間中的病人的身體響應(yīng)于激勵(lì)序列而重新發(fā)出的射頻信號(hào)。為了區(qū)分作為響應(yīng)而發(fā)出的射頻信號(hào)并創(chuàng)建圖像，這些儀器還包括所謂的梯度線圈，用于在均勻強(qiáng)磁場(chǎng)上疊加附加磁場(chǎng)，所述附加磁場(chǎng)的值取決于其應(yīng)用位置的空間坐標(biāo)。例如在法國(guó)專利申請(qǐng)F(tuán)R 2 892 524中描述了一種這樣的RMN儀。另外，已知描述了感應(yīng)線圈的文件US 2，592，802、EP 0146494和US 3，466，743。文件US 2，592，802描述了這樣一種感應(yīng)線圈，該感應(yīng)線圈由導(dǎo)體材料制成的并沿多條整體為螺旋狀的線切割以形成匝的管構(gòu)成，其中所述匝被用于確保各匝之間分開的豎直部分分開。所述分開部分被切割，以形成圓柱形孔兩側(cè)的一對(duì)分隔件，其中在所述圓柱形孔中有利地插入由絕緣材料制成的桿，該桿用作分隔件，以避免各匝之間的任何接觸。文件EP 0146494描述了這樣一種感應(yīng)線圈，該感應(yīng)線圈由在圓柱形管中實(shí)施的不完整環(huán)狀切除部構(gòu)成，其中所述不完整環(huán)狀切除部通過兩個(gè)豎直切除部連接。這種類型的感應(yīng)線圈用于允許分隔件在核反應(yīng)器中移動(dòng)，而不是用于接收高強(qiáng)度電流以形成強(qiáng)場(chǎng)。文件US 3，466，743描述了這樣一種線圈，該線圈由導(dǎo)體材料制成的、沿整體為螺旋狀的線切割以形成匝的管構(gòu)成，其中所述匝穿過最初沿管實(shí)施的孔，切割線和/或孔填充有絕緣材料以防止當(dāng)線圈被很高強(qiáng)度的電流穿過時(shí)的任何變形，而且還用于維持各匝之間的分開。特別地，當(dāng)絕緣分隔件被布置在孔處時(shí)，分隔件具有比孔更大的尺寸，以完全地填充該孔，并分開相鄰的匝。然而，這些文件中描述的線圈沒有一個(gè)是用于形成所謂的強(qiáng)磁場(chǎng)(即高于I T)，或用于布置在強(qiáng)磁場(chǎng)中，并且其結(jié)構(gòu)不適于這種應(yīng)用。特別地，磁場(chǎng)梯度線圈或產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的線圈受到大的電磁力，這些電磁力造成導(dǎo)致線圈匝變形的機(jī)械應(yīng)力。匝的變形可能造成儀器缺乏可靠性和/或?qū)?shí)現(xiàn)良好質(zhì)量的成像不利的磁場(chǎng)不均勻性。正是因此在2009年4月30日公布的專利申請(qǐng)WO 2009/053420中提出使用由導(dǎo)體材料制成的并沿整體為螺旋狀的線切割以形成多個(gè)匝的管構(gòu)成的線圈，其中，至少一個(gè)匝包括至少一個(gè)凸起，該凸起垂直于呈對(duì)應(yīng)形狀的、在相鄰匝中形成的凹陷延伸。這樣的構(gòu)造的有利之處在于，該構(gòu)造允許吸收電磁力和熱源性機(jī)械力所造成的機(jī)械應(yīng)力。然而，對(duì)于像超導(dǎo)體磁體這樣的大量應(yīng)用，線圈結(jié)構(gòu)必須能夠持續(xù)地被冷卻，尤其是通過冷卻流體、優(yōu)選地(例如基于氮、氦、氫的)低溫流體的流動(dòng)來持續(xù)地被冷卻。該冷卻還必須在結(jié)構(gòu)中盡可能地均勻。這樣的冷卻對(duì)于抵消結(jié)構(gòu)在阻抗轉(zhuǎn)變或過渡(英文為“quench”)情形下受到的熱增強(qiáng)是特別有用的。因此，本發(fā)明的目的之一在于，通過提出一種適于產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)、尤其是適于構(gòu)成超導(dǎo)體磁體的線圈或線圈組以及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單并且不昂貴的所述線圈的制造方法來克服所有這些缺陷。更具體地，本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種適于進(jìn)行熱調(diào)節(jié)、制造簡(jiǎn)單并且優(yōu)選 地導(dǎo)致電磁力和/或熱源性機(jī)械力在線圈的匝上所造成的機(jī)械應(yīng)力被吸收的線圈或線圈組。

發(fā)明內(nèi)容
為了這個(gè)目的，根據(jù)本發(fā)明，提出了一種線圈制造方法，所述線圈能在其被電流穿過的時(shí)候產(chǎn)生所謂強(qiáng)場(chǎng)的磁場(chǎng)，該方法包括在導(dǎo)體和/或超導(dǎo)體材料制成的管中形成匝的步驟，其特征在于，該方法至少包括一個(gè)在所述線圈的至少一個(gè)匝的棱上形成至少一個(gè)凹部的步驟，所述凹部構(gòu)成管的內(nèi)部和外部之間的通道。更具體地，當(dāng)絕緣材料被布置在包括凹部的匝和相鄰的匝之間時(shí)，所述凹部被布置在棱中，使得在線圈受力的時(shí)候該凹部與絕緣材料一起構(gòu)成管的內(nèi)部和外部之間的通道。該方法單獨(dú)或結(jié)合地采用的優(yōu)選的而非限制性的方面如下
-形成至少一個(gè)凹部的步驟包括在所述線圈的至少一個(gè)匝的棱中形成至少一個(gè)第一凹部并在相鄰匝的棱中形成至少一個(gè)第二凹部，以使得第一凹部面對(duì)第二凹部，布置在相鄰的匝中的第一凹部和第二凹部構(gòu)成管的內(nèi)部和外部之間的通道；
-該方法還包括在包括第一凹部的匝上形成至少一個(gè)凸起并且在包括第二凹部的匝上形成至少一個(gè)凹陷，以使得凸起垂直于所述凹陷延伸，從而允許吸收由電磁力和熱源性機(jī)械力造成的機(jī)械應(yīng)力；
-第一凹部在呈凸起狀的輪廓處的匝的棱中形成，而第二凹部則在呈凹陷狀的輪廓處的匝的棱中形成；
-同時(shí)實(shí)施凸起和第一凹部的形成，并且同時(shí)實(shí)施凹陷和第二凹部的形成；
-該方法包括對(duì)凸起和對(duì)應(yīng)凹陷以及凹部進(jìn)行預(yù)先優(yōu)化的步驟；
-優(yōu)化步驟至少包括以下步驟
確定匝、凸起和對(duì)應(yīng)凹陷以及凹部的網(wǎng)格劃分，
根據(jù)該網(wǎng)格劃分模擬熱升溫和/或電磁場(chǎng)，
與不包括凸起和/或不包括凹部的所謂參考網(wǎng)格劃分對(duì)比熱升溫和/或電磁場(chǎng)，
與不包括凸起和/或不包括凹部的所謂參考模型對(duì)比匝在電磁和熱荷載作用下的位移，
通過沿整體為螺旋狀的切割線切割圓柱形管來形成匝、凸起和對(duì)應(yīng)凹陷以及凹部， 在兩個(gè)相鄰匝之間的切割線中布置絕緣材料，該絕緣材料能夠呈絕緣板的形式，其中所述絕緣板包括多個(gè)疊放的絕緣薄片。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提出一種在被電流穿過時(shí)能產(chǎn)生稱為強(qiáng)場(chǎng)的磁場(chǎng)的線圈，其中所述線圈包括至少一個(gè)管或一組管，所述管由導(dǎo)體和/或超導(dǎo)體材料制成并被沿著切割線切割以形成匝，所述線圈的特征在于，至少一個(gè)匝包括至少一個(gè)在所述匝的棱中形成的凹部，所述凹部構(gòu)成管的內(nèi)部和外部之間的通道。優(yōu)選地，線圈包括至少部分地填充切割線的絕緣材料，在面對(duì)所述絕緣材料的匝的棱中形成凹部，所述凹部與絕緣材料一起在線圈受力時(shí)形成管的內(nèi)部和外部之間的通
道。 該線圈的單獨(dú)或結(jié)合地采用的優(yōu)選的而非限制性的方面如下
-至少一個(gè)匝包括至少一個(gè)在所述匝的棱中形成的第一凹部，該第一凹部面對(duì)在相鄰匝的棱中形成的第二凹部，布置在相鄰匝中的第一凹部和第二凹部形成管的內(nèi)部和外部之間的通道；
-包括第一凹部的匝還包括至少一個(gè)垂直于具有對(duì)應(yīng)形狀的凹陷延伸的凸起，其中所述凹陷在包括第二凹部的相鄰匝中形成，第一凹部和第二凹部在分別位于呈凸起狀和凹陷狀的輪廓處的相應(yīng)匝的棱中形成；
-一個(gè)匝的相鄰?fù)蛊鹪诮嵌壬襄e(cuò)開；
-線圈包括多個(gè)凸起和凹陷，所述凸起和凹陷的凹形(concavit6)沿相同方向取向；
-線圈包括多個(gè)凸起和凹陷，并且至少一個(gè)凸起的凹形具有與至少一個(gè)第二凸起的凹形的取向相反的取向；
-每個(gè)凹部都具有為半圓形或三角形或正方形或長(zhǎng)方形或梯形的大體形狀；
-匝包括多個(gè)凹部，匝的相鄰凹部在角度上錯(cuò)開；
-線圈包括至少部分地填充切割線的絕緣材料，至少一個(gè)凹部布置在面對(duì)所述絕緣材料的匝的棱中；
-絕緣材料包括絕緣板，該絕緣板具有多個(gè)疊放的絕緣薄片；
-線圈由塊狀超導(dǎo)體(superaconducteur massif)材料制成；
-線圈還包括用超導(dǎo)體材料形成的帶或線，所述帶或線固定在管的內(nèi)表面和/或外表面上。符合本發(fā)明的線圈將有利地用于構(gòu)成用于強(qiáng)場(chǎng)或均勻場(chǎng)的磁體，例如超導(dǎo)體磁體。這種線圈還可以用作核磁共振儀的螺線管梯度線圈。


從以下基于附圖示例地而非限制性地給出的多個(gè)實(shí)施例變型的描述中，符合本發(fā)明的能產(chǎn)生磁場(chǎng)尤其能產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的線圈和所述線圈的制造方法的其他優(yōu)點(diǎn)和特征將變得顯而易見。在這些附圖中
圖I為符合本發(fā)明的第一實(shí)施例的線圈的透視圖；圖2為符合本發(fā)明的第二實(shí)施例的線圈的透視 圖3為符合本發(fā)明的第三實(shí)施例的線圈的細(xì)節(jié)在絕緣板被壓縮之前的透視 圖4為符合本發(fā)明的第三實(shí)施例的線圈的細(xì)節(jié)在絕緣板被壓縮之后的透視 圖5為示出符合本發(fā)明的線圈的制造步驟的圖示。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，線圈I包括優(yōu)選地整體為空心圓柱形的管2，在管2上通過以任何合適方式沿優(yōu)選地為螺旋形的切割線4切割而形成了匝3，其中所述管2由導(dǎo)電材料(例如金屬)或優(yōu)選地由塊狀超導(dǎo)體(例如秘合金，或者乾或MgB2的化合物)制成,所述線圈任選地包括按本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式填充切割線4的絕緣材料。包括匝3的管2這樣就可以構(gòu)成線圈I。然而，根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，帶有匝的管構(gòu) 成繞組的支撐件，該“繞組+支撐件”組件構(gòu)成所述線圈。在超導(dǎo)體磁體的情形下，繞組可以例如由圍繞被螺旋地切割的管的(例如由NbTi、Nb3Sn、Nb3Al或YBaCuO類型的合金構(gòu)成的)超導(dǎo)體帶或超導(dǎo)體線形成。因此，管用作所述帶的機(jī)械支撐件，并還用于超導(dǎo)體磁體的熱調(diào)節(jié)。在另一個(gè)變型中，所述超導(dǎo)體帶或超導(dǎo)體線被固定為抵靠在螺旋地切割的管的內(nèi)表面上。此外，線圈可以由多個(gè)管2構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明，在匝3中的至少一個(gè)的棱中形成至少一個(gè)凹部10，設(shè)置該凹部以形成開口，即管2的內(nèi)部和外部之間的通道或管道。當(dāng)線圈受力時(shí)以及當(dāng)線圈不受力時(shí)，凹部10自身構(gòu)成開口，即管2的內(nèi)部和外部之間的通道或管道。在這一方面，凹部10對(duì)應(yīng)于在管2中去除材料。特別地，凹部10不包括布置在與包括所述凹部的匝相鄰的匝的棱中的對(duì)應(yīng)形狀。因此，無論匝相對(duì)于彼此的位置如何，即無論匝相對(duì)于彼此受力與否，無論相鄰匝之間是否插入了元件(例如絕緣材料)，構(gòu)成凹部10的該材料去除都允許產(chǎn)生穿過線圈的開口。由此在管的內(nèi)部和外部之間形成的通道允許使冷卻流體穿過線圈流動(dòng)，其中所述冷卻流體例如為水，或低溫流體(例如基于氮、氦或氫的流體)。這因此允許無論管用作繞組的支撐件以構(gòu)成線圈還是管自身就構(gòu)成線圈都實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的持續(xù)冷卻。對(duì)于確保抵消超導(dǎo)體線圈在超導(dǎo)體狀態(tài)向阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變或過渡(英文為“quench”)的情形下經(jīng)歷的任何熱增強(qiáng)所必需的熱傳遞，這種冷卻的可能性是尤其有利的。能夠通過冷卻流體在管的內(nèi)部和外部之間的流動(dòng)來熱調(diào)節(jié)線圈還尤其有利于減少可能是熱源性的機(jī)械變形。優(yōu)選地，凹部被布置在位于絕緣材料對(duì)面的匝的棱區(qū)域中。實(shí)際上，當(dāng)絕緣材料被布置在切割線4中填充該切割線4的整個(gè)或部分時(shí)，該絕緣材料形成阻止載熱流體在兩個(gè)相鄰匝之間流動(dòng)的障礙，并因此導(dǎo)致局部升溫，該局部升溫存在于阻抗式磁體的正常工作中，并對(duì)于超導(dǎo)體存在于“驟冷(quench)”的情形下。當(dāng)面對(duì)絕緣材料的匝3中的至少一個(gè)在其棱處具有凹部10時(shí)，該凹部形成會(huì)允許所追求的熱傳遞的開口。因此，在線圈受力時(shí)，凹部10與絕緣材料一起形成管2的內(nèi)部和外部之間的通道。在絕緣材料對(duì)面形成凹部因此允許通過冷卻流體的穿過來在所述絕緣材料處熱調(diào)節(jié)線圈，以避免任何局部升溫。布置在每個(gè)匝的棱中的凹部可以具有任意的形狀，例如半圓形、三角形、正方形、長(zhǎng)方形、梯形，或其他任何允許產(chǎn)生冷卻流體通道的形狀。要注意的是，凹部的形狀和尺寸被優(yōu)化，以允許冷卻流體通過并在控制其流動(dòng)速度的同時(shí)(通過例如考慮匝的最小寬度)確保匝的物理性質(zhì)(尤其是機(jī)械和電氣性質(zhì))。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，線圈I的多個(gè)匝3包括凹部10，凹部10面對(duì)在相鄰匝3中形成的補(bǔ)充凹部11，使得凹部10、11的協(xié)作形成管2的內(nèi)部和外部之間的開口，用于冷卻流體通過。“補(bǔ)充凹部”指的是具有相似形狀的凹部，即有相似材料去除的凹部。在絕緣材料位于具有凹部10和補(bǔ)充凹部11的兩個(gè)相鄰匝之間的情形下，在線圈受力的時(shí)候，管2的內(nèi)部和外部之間的開口包括兩個(gè)由絕緣材料分別與凹部10和補(bǔ)充凹部11形成的通道。這種實(shí)施例在匝的寬度必須保持小的時(shí)候是尤其優(yōu)選的，這允許將開口的尺寸分布在兩個(gè)相鄰的匝上，并因此避免使匝在凹部處過于脆弱。在該情形下，布置在多個(gè)相鄰匝中的凹部可以有利地具有角度上的錯(cuò)開。在圖I中示出的特定實(shí)施例中，每個(gè)匝3的寬度都是恒定的；然而，所有或部分匝的寬度可以是變化的，分開兩個(gè)相鄰匝的空間的寬度優(yōu)選地是恒定的，包括在凹部的位置。如上所述，匝3優(yōu)選地在整體為圓柱形的管2中通過沿螺旋切割線4切割而形成。根據(jù)Oz軸與管2的回轉(zhuǎn)軸線重合的標(biāo)準(zhǔn)正交笛卡爾坐標(biāo)系中的參數(shù)方程獲得螺旋切割線
4
X = Rcos t, y = Rsin t, z = kt,其中k表示嚴(yán)格為正的給定常數(shù)。R和t對(duì)應(yīng)于在OXOY平面中的圓柱坐標(biāo)。根據(jù)如圖2所示的本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，線圈I的多個(gè)匝3包括凸起5，凸起5垂直于在相鄰匝3中形成的具有對(duì)應(yīng)形狀的凹陷6延伸，允許吸收當(dāng)匝3被高強(qiáng)度電流穿過時(shí)電磁矩在匝3上造成的機(jī)械應(yīng)力。如上所述，還在匝3的棱中在呈凸起5狀的輪廓處設(shè)置凹部10，并且可選但優(yōu)選地，在匝3的棱中在呈凹陷6狀的輪廓處設(shè)置補(bǔ)充凹部11。每個(gè)凹部都在匝的呈凸起狀的輪廓中形成，以面對(duì)布置在相鄰匝的呈凹陷狀的輪廓中的補(bǔ)充凹部。由此，當(dāng)凸起5垂直于對(duì)應(yīng)凹陷6延伸的時(shí)候，凹部10、11協(xié)作，以形成管的內(nèi)部和外部之間的通道或管道，該通道或管道可以用于冷卻流體通過。這種與每個(gè)匝中的凹部關(guān)聯(lián)的凸起和凹陷的布置對(duì)于抵消一方面的熱源性的機(jī)械變形和由電磁力造成的機(jī)械變形是很有利的。該組合效應(yīng)疊加在凹部在熱調(diào)節(jié)方面的最初效應(yīng)上。此外，將凹部布置在凸起和凹陷處是特別有利的，這是因?yàn)檫@允許與凸起和對(duì)應(yīng)凹陷同時(shí)地(例如通過電腐蝕線切割方法來)加工所述凹部，并因此不會(huì)使線圈的加工過程復(fù)雜化，同時(shí)大幅度地改善了所述線圈的熱性質(zhì)。在所說明的特定實(shí)施例中，匝3所有的凸起5和凹陷6整體上沿縱向直線排列。然而，明顯地，兩個(gè)相鄰匝的凸起5可以在角度上錯(cuò)開。在圖2中隨意豎直地示出的線圈I的上部包括多個(gè)凸起5和凹陷6，其凹形(concavite )沿相同方向取向，即朝向所述線圈I的下端。另外，線圈I的下部也包括多個(gè)凸起5和凹陷6，其凹形沿相同方向取向，例如朝向所述線圈I的上端，與所述線圈的上部的匝3的凸起5的凹形的取向的方向相反。顯然，線圈I可以在一個(gè)或多個(gè)匝上只包括一個(gè)凸起和一個(gè)凹陷或包括多個(gè)凸起和凹陷，至少一個(gè)凸起的凹形可以具有與至少一個(gè)第二凸起的凹形的取向相反的取向。
在所說明的實(shí)施例中，每個(gè)凸起5，以及因此每個(gè)凹陷6，都具有半圓形的大體形狀；然而，明顯地，每個(gè)凸起5都可以具有例如三角形、正方形或長(zhǎng)方形的任意形狀。根據(jù)Oz軸與管2的回轉(zhuǎn)軸線重合的標(biāo)準(zhǔn)正交坐標(biāo)系中的參數(shù)方程獲得螺旋切割線4 :x = Rcos f (t), y = Rsin f (t), z = k g(t),其中R和k是嚴(yán)格為正的給定常數(shù)。注意到f(t)可以被替換為f(t，Θ)，以調(diào)整在徑向平面中沿Oz的切割線的角度。凸起5和凹陷6因此將具有整體為錐形的形狀，即其邊緣不與管2的回轉(zhuǎn)軸線垂直。函數(shù)g(t)優(yōu)選地為三角函數(shù)，其形式例如為x = Rcos (t), y = Rsin (t), z = t/(2* π)*(l+a*cos(4t))。由此，相對(duì)于參考螺旋切割線，螺旋切割線4在匝3中形成凸起5和凹陷6，其中參考螺旋切割線根據(jù)以下參數(shù)方程獲得X = Rcos t, y = Rsin t, z = kt,其中k是嚴(yán)格為正的給定常數(shù)。 這里，“凸起”指的是匝3相對(duì)于通過參考螺旋切割線獲得的匝而凸出的部分。根據(jù)符合本發(fā)明的線圈的另一個(gè)實(shí)施例變型，參照?qǐng)D3和圖4，該線圈以和前述相同的方式由整體為圓柱形的管2構(gòu)成，在管2上通過沿整體為螺旋狀的切割線4切割而形成了匝3，其中所述匝包括凸起5和具有對(duì)應(yīng)形狀的凹陷6，此外在匝的每個(gè)凸起和凹陷處形成凹部。在所說明的實(shí)施例中，所述凸起5和所述凹陷6具有梯形形狀，而凹部則具有長(zhǎng)方形形狀。凸起5和凹陷6的截面可以從管3的外壁向內(nèi)壁減小。凸起和凹陷的這種形狀尤其適于實(shí)施精細(xì)的匝和/或適于絕緣體的楔入。此外，注意到該技術(shù)可以應(yīng)用于電流密度不均勻的線圈設(shè)計(jì)。另外，參照?qǐng)D3,例如稱為“pre-preg”(“pre-impregnated”的英語縮寫,意為“預(yù)浸”)的預(yù)浸玻璃纖維板的絕緣板或聚酰亞胺類型的絕緣片可以被布置在兩個(gè)相鄰匝3之間，所述板優(yōu)選地具有環(huán)形的截面形狀。為了允許引入這些絕緣板7，匝3通過任何合適的方式分開(圖3)。這些絕緣板7有利地由多個(gè)疊放的絕緣薄片8構(gòu)成，優(yōu)選地由至少3個(gè)疊放的絕緣薄片8構(gòu)成。這樣，參照?qǐng)D4，絕緣體一旦被壓緊就符合匝3的輪廓(dessin)而不會(huì)斷裂。實(shí)際上，該絕緣薄片8的疊放使得絕緣體內(nèi)部應(yīng)力減小。另外，中間片8從不與匝3的金屬或超導(dǎo)體材料直接接觸，這樣保證了更好的電安全性。明顯地，絕緣板7可以包括任意數(shù)量的片8，并且可以由任意絕緣材料制成，而不因此超出本發(fā)明的范圍。設(shè)置在凸起5和凹陷6處的凹部10、11在包括絕緣板8的區(qū)域中的布置是特別有利的，這是因?yàn)橛蛇@些凹部形成的開口允許確保在該區(qū)域中的熱傳遞，否則該區(qū)域會(huì)在線圈中形成熱點(diǎn)，而這是要避免的以便能夠具有均勻的熱調(diào)節(jié)。此外，要說明的是，在連續(xù)的凸起5和凹陷6之間楔入絕緣板可以允許冷卻液體在包括凸起5和凹陷6的兩個(gè)區(qū)域之間通過(圖4)。實(shí)際上，絕緣板分開在管2上形成的匝3，由此在包括凸起5和凹陷6的兩個(gè)區(qū)域之間產(chǎn)生空隙9，這些空隙9還允許冷卻流體在管的內(nèi)部和外部之間流動(dòng)，反之亦然。在阻抗式磁體的情形下，所述冷卻液體包括例如水，在超導(dǎo)材料的情形下，所述冷卻液體包括例如液態(tài)氮或氦。這樣的布置因此允許具有更好的熱調(diào)節(jié)，這是因?yàn)椴粌H通過布置在凹陷6和凸起5之間的空隙9而且還在由凹部10、11形成的通道處進(jìn)行熱調(diào)節(jié)。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D5來解釋符合本發(fā)明的線圈的制造方法。在第一步驟100中,借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAO)軟件(如CATIA 或由Open CascadeSAS公司商業(yè)化的Open Cascade)來建立匝的幾何模型。在步驟200中，根據(jù)該CAO模型，通過合適的軟件(如CATIA 軟件或DistSne公司的網(wǎng)格劃分器Ghs3cf )，進(jìn)行匝3以及凸起5和對(duì)應(yīng)凹陷6以及凹部10、11的網(wǎng)格劃分，然后在步驟300中，進(jìn)行對(duì)應(yīng)于前述網(wǎng)格劃分的熱升溫和/或電磁場(chǎng)和/或機(jī)械性能的模擬。在步驟400中，將通過所述網(wǎng)格劃分而得到的所述熱升溫和/或電磁場(chǎng)和/或機(jī)械變形與不包括凸起和凹陷和/或不包括凹部的所謂參考模型進(jìn)行比較。如果需要，可以對(duì)匝的幾何構(gòu)造進(jìn)行修改。然后，重復(fù)該過程直至獲得合適的模型。該相同的過程可以用于優(yōu)化機(jī)械應(yīng)力。然后，重復(fù)步驟100至400，直至獲得具有最小熱升溫和/或均勻或幾乎均勻的磁場(chǎng)和/或由于電磁和熱荷載引起的位移之最小化的網(wǎng)格劃分。 然后將如此確定的、對(duì)應(yīng)于保留切割線的參數(shù)曲線傳給數(shù)字切割機(jī)，在步驟500中，該數(shù)字切割機(jī)在管2中進(jìn)行匝3、凸起5和凹陷6以及凹部10、11的切割。當(dāng)凹部10、11位于凸起5和凹陷6處時(shí)，其切割可以與凸起5和對(duì)應(yīng)凹陷6的切割同時(shí)進(jìn)行，這在加工
方面非常有利。注意到，在網(wǎng)格劃分步驟100之前，根據(jù)IEEE TRANSACTIONS ON APPLIEDSUPERCONDUCTIVITY,第 12 卷，第 I 期，2002 年 3 月的 Christophe Trophime,KonstantinEgorov、Franpois Debray>ffalter Joss 和 Guy Aubert 的出版論文〈〈Magnet Calculationsat the Grenoble High Magnetic Field Laboratory (格勒諾布爾強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的磁體計(jì)算)》的教導(dǎo)進(jìn)行確定匝數(shù)、匝的寬度、管的尺寸(其長(zhǎng)度、厚度和外直徑)的步驟。另外，將觀察到，凸起5與凹陷6協(xié)作，以保證匝的定心。顯然，管2可以包括一組管，所述管2或管組優(yōu)選地由導(dǎo)體材料和/或塊狀超導(dǎo)體材料制成?？商娲兀?可以包括支撐管，所述支撐管由例如銅或不銹金屬制成，其上通過例如焊接固定有超導(dǎo)體電線或電纜。設(shè)有符合本發(fā)明的凸起5和凹陷6以及凹部的支撐管因此具有吸收電磁力的功能以及在“驟冷”(即超導(dǎo)體部分意外或不意外地回復(fù)正常狀態(tài))的情況下熱消散的功能。最后，明顯地，前述線圈可以在實(shí)驗(yàn)用途的磁場(chǎng)產(chǎn)生領(lǐng)域或例如核磁共振成像的領(lǐng)域具有眾多的應(yīng)用，并且剛剛所給出的示例只是就本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域而言的特定例示，而絕非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種線圈制造方法，所述線圈能夠在其被電流穿過時(shí)產(chǎn)生稱為強(qiáng)場(chǎng)的磁場(chǎng)，所述方法包括在導(dǎo)體和/或超導(dǎo)體材料制成的管中形成匝的步驟，其特征在于，所述方法至少包括一個(gè)在所述線圈的至少一個(gè)匝的棱中形成至少一個(gè)凹部的步驟，和一個(gè)將絕緣材料布置在包括所述凹部的匝和相鄰匝之間的步驟，其中所述凹部布置在所述棱中，以與所述絕緣材料一起在所述線圈受力的時(shí)候形成所述管的內(nèi)部和外部之間的通道。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述形成至少一個(gè)凹部的步驟包括在所述線圈的至少一個(gè)匝的棱中形成至少一個(gè)第一凹部并在相鄰匝的棱中形成至少一個(gè)第二凹部，以使得所述第一凹部面對(duì)所述第二凹部，其中布置在相鄰的匝中的所述第一凹部和第二凹部形成所述管的內(nèi)部和外部之間的通道。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在包括所述第一凹部的匝上形成至少一個(gè)凸起，并在包括所述第二凹部的匝上形成至少一個(gè)凹陷，以使得所述凸起垂直于所述凹陷延伸，從而允許吸收由電磁力和熱源性機(jī)械力所造成的機(jī)械應(yīng)力。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一凹部在呈凸起狀輪廓處的匝的棱中形成，而所述第二凹部則在呈凹陷狀輪廓處的匝的棱中形成。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述凸起和第一凹部的形成同時(shí)地實(shí)施，并且所述凹陷和第二凹部的形成同時(shí)地實(shí)施。
6.如權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括對(duì)所述凸起和對(duì)應(yīng)的所述凹陷以及所述凹部進(jìn)行預(yù)先優(yōu)化的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述優(yōu)化步驟至少包括以下步驟 -確定所述匝以及所述凸起和對(duì)應(yīng)的所述凹陷以及所述凹部的網(wǎng)格劃分； -根據(jù)所述網(wǎng)格劃分模擬熱升溫和/或電磁場(chǎng)； -將所述熱升溫和/或電磁場(chǎng)與不包括凸起和/或不包括凹部的所謂參考網(wǎng)格劃分的進(jìn)行比較； -將所述匝在電磁和熱荷載下的位移與不包括凸起和/或不包括凹部的所謂參考模型的進(jìn)行比較。
8.如權(quán)利要求3至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過沿整體為螺旋狀的切割線切割圓柱形管來形成所述匝、所述凸起和對(duì)應(yīng)的所述凹陷、以及所述凹部。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述絕緣材料以絕緣板(7)的形式布置在兩個(gè)相鄰匝之間的切割線中，其中所述絕緣板包括多個(gè)疊放的絕緣薄片(8)。
10.一種線圈，所述線圈在被電流穿過時(shí)能產(chǎn)生稱為強(qiáng)場(chǎng)的磁場(chǎng)，所述線圈(I)包括至少一個(gè)管(2)或一組管，所述管由導(dǎo)體和/或超導(dǎo)體材料制成并被沿切割線(4)切割以形成匝(3)，其特征在于，所述線圈(I)包括至少部分地填充所述切割線(4)的絕緣材料，其特征還在于，至少一個(gè)匝(3)包括至少一個(gè)在所述匝(3)的面對(duì)所述絕緣材料的棱中形成的凹部(10)，所述凹部(10)與所述絕緣材料一起在所述線圈受力的時(shí)候形成所述管(2)的內(nèi)部和外部之間的通道。
11.如權(quán)利要求10所述的線圈，其特征在于，至少一個(gè)匝(3)包括至少一個(gè)在所述匝的棱中形成的第一凹部(10)，所述第一凹部(10)面對(duì)在相鄰匝(3)的棱中形成的第二凹部(11)，布置在相鄰的匝中的所述第一凹部(10)和第二凹部(11)形成所述管(2)的內(nèi)部和外部之間的通道。
12.如權(quán)利要求11所述的線圈，其特征在于，包括所述第一凹部(10)的匝(3)還包括至少一個(gè)凸起(5)，所述凸起垂直于具有對(duì)應(yīng)形狀的凹陷(6)延伸，所述凹陷在包括所述第二凹部(11)的相鄰匝(3)中形成，其中所述第一凹部(10)和第二凹部(11)在分別位于呈凸起(5)狀的輪廓處和呈凹陷(6)狀的輪廓處的相應(yīng)匝(3)的棱中形成。
13.如權(quán)利要求12所述的線圈，其特征在于，匝(3)的相鄰的凸起(5)在角度上錯(cuò)開。
14.如權(quán)利要求12或13所述的線圈，其特征在于，所述線圈包括多個(gè)凸起(5)和凹陷(6)，它們的凹形沿相同方向取向。
15.如權(quán)利要求12或13所述的線圈，其特征在于，所述線圈包括多個(gè)凸起(5)和凹陷(6)，其特征還在于，至少一個(gè)凸起(5)的凹形具有與至少一個(gè)第二凸起(5)的凹形的取向相反的取向。
16.如權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的線圈，其特征在于，每個(gè)凹部(10、11)都具有半圓形或三角形或正方形或長(zhǎng)方形或梯形的大體形狀。
17.如權(quán)利要求10至16中任一項(xiàng)所述的線圈，其特征在于，所述匝(3)包括多個(gè)凹部，匝(3)的相鄰凹部在角度上錯(cuò)開。
18.如權(quán)利要求10至17中任一項(xiàng)所述的線圈，其特征在于，所述絕緣材料包括絕緣板(7),所述絕緣板具有多個(gè)疊放的絕緣薄片(8)。
19.如權(quán)利要求10至18中任一項(xiàng)所述的線圈，其特征在于，所述線圈由塊狀超導(dǎo)體材料制成。
20.如權(quán)利要求10至19中任一項(xiàng)所述的線圈，其特征在于，所述線圈還包括由超導(dǎo)體材料形成的帶或線，所述帶或線固定在所述管(2)的內(nèi)表面和/或外表面上。
21.如權(quán)利要求10至20中任一項(xiàng)所述的線圈在超導(dǎo)體磁體上的應(yīng)用。
22.如權(quán)利要求10至20中任一項(xiàng)所述的線圈在核磁共振儀的螺線管梯度線圈上的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種線圈制造方法，所述線圈用于在其被電流穿過時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，所述方法包括在導(dǎo)體和/或超導(dǎo)體材料制成的管中形成匝、在所述線圈的至少一個(gè)匝的棱中形成至少一個(gè)凹部，以及將絕緣材料布置在包括所述凹部的匝和相鄰匝之間，其中所述凹部布置在所述棱中，以與所述絕緣材料一起在所述線圈受力的時(shí)候形成所述管內(nèi)部和外部之間的通道。本發(fā)明還涉及一種用于在其被電流穿過時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的線圈，所述線圈包括至少一個(gè)由導(dǎo)體或超導(dǎo)體材料制成的、沿切割線切割以形成匝(3)的管(2)，所述線圈具有至少部分地填充所述切割線的絕緣材料，并且至少一個(gè)匝(3)包括在面對(duì)所述絕緣材料的棱中形成的凹部(10)，所述凹部(10)與所述絕緣材料一起在所述線圈受力時(shí)形成所述管(2)內(nèi)部和外部之間的通道。
文檔編號(hào)H01F6/06GK102934178SQ201180030170
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者F.德布雷, J.杜馬斯, R.普菲斯特, C.特羅菲姆, J-M.蒂代拉, N.維達(dá)爾 申請(qǐng)人:法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心