專利名稱：磁體組件和構(gòu)造磁體組件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括纏繞到線圈架上的導(dǎo)電線圈的磁體。更具體而言，本發(fā)明涉及具有纏繞到線圈架上的超導(dǎo)導(dǎo)線線圈的超導(dǎo)磁體，其中線圈架由比導(dǎo)線材料具有更大熱膨脹系數(shù)的材料制成。本發(fā)明可以適用于螺線管磁體和具有其它結(jié)構(gòu)的磁體，只要它們被纏繞到線圈架上即可。特別是，本發(fā)明涉及具有纏繞在線圈架外表面上形成的凹腔內(nèi)的線圈的磁體。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)磁體已公知用于核磁共振成像、核磁共振光譜分析或磁共振成像。雖然本發(fā)明的磁體結(jié)構(gòu)可以有效地應(yīng)用在這些技術(shù)中。然而，本發(fā)明決不限于這些應(yīng)用。
對(duì)這些成像技術(shù)的要求是能夠產(chǎn)生在空間方面極均勻的、在時(shí)間方面穩(wěn)定的背景磁場(chǎng)。在一種已公知的超導(dǎo)磁體中，無論是螺線管磁體還是具有其它構(gòu)造的磁體，該磁體典型地由串聯(lián)聯(lián)接在一起的多個(gè)單獨(dú)的導(dǎo)電線圈形成。在工作中，強(qiáng)磁力作用在所述線圈上并且必須設(shè)置堅(jiān)固的機(jī)械裝置以將線圈保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩．?dāng)工作電流被施加到磁體上時(shí)，即通常所說的電流抬升(ramp-up)過程，在線圈上將產(chǎn)生這些力，并且在這些力的作用下，線圈將具有產(chǎn)生移動(dòng)和/或變形的傾向。當(dāng)電流從線圈上消除時(shí)，所述力減小且線圈傾向于返回到其初始位置。
為了產(chǎn)生用于本發(fā)明成像目的的可以接受質(zhì)量的場(chǎng)，從一次電流抬升到下一次電流抬升過程中必須以非常高的精度保持線圈的定位準(zhǔn)確度。線圈的相對(duì)位置發(fā)生僅幾微米的位移將會(huì)劣化所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的質(zhì)量，并且由此可使在相關(guān)成像系統(tǒng)中產(chǎn)生的圖像劣化。
用于確保多個(gè)線圈精確定位的一種已公知的布置是選擇線圈和被纏繞到其上的線圈架的材料，以使得線圈和線圈架的熱膨脹系數(shù)相匹配接近。在這種布置中，在冷卻，以及電流抬升、電流降低(ramp down)以及工作過程中線圈與線圈架保持接觸是有必要的。這已涉及對(duì)于線圈架而言使用復(fù)合材料如玻璃增強(qiáng)塑料，或者其它材料如不銹鋼。但是已發(fā)現(xiàn)這些材料比較昂貴。另一種可選方式是，已經(jīng)設(shè)置了更復(fù)雜的機(jī)械保持裝置，允許相對(duì)廉價(jià)的材料如鋁和鋁合金用于線圈架。這些實(shí)施例中可以使用“外部線圈架”線圈，其中線圈架具有比線圈材料更大的熱膨脹系數(shù)，但是線圈架位于線圈外面。當(dāng)組件冷卻時(shí)，這種熱膨脹系數(shù)差異對(duì)于將線圈更緊地夾在其相應(yīng)的位置處而言是有利的。
在使用鋁或鋁合金線圈架的其它已公知的裝置中，不設(shè)置專門的線圈保持裝置。當(dāng)磁體冷卻時(shí)，由于線圈架具有更大的熱膨脹系數(shù)，因此在線圈內(nèi)徑與線圈架表面之間產(chǎn)生間隙。該間隙的大小可以為十分之幾毫米，例如0.3毫米。該線圈在線圈架上變松，并且在重力的作用下傾向于下落，使得它的上部?jī)?nèi)徑與線圈架相接觸。這樣就意味著所述線圈不再與線圈架同心。在具有不等尺寸的多個(gè)線圈的典型磁體中，這可能就意味著所述線圈不再同軸，這進(jìn)而使所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的空間均勻性劣化。在工作中，磁力將會(huì)作用在線圈上，傾向于使它們沿其徑向方向進(jìn)行延伸。這可能會(huì)導(dǎo)致線圈向外產(chǎn)生變形，由此增大了線圈內(nèi)徑與線圈架表面之間的間隙。特別是由于每一線圈中的機(jī)械應(yīng)變由于各線圈性質(zhì)和局部磁場(chǎng)強(qiáng)度的原因可能是不同的，除了熱變形之外，由于磁力作用導(dǎo)致產(chǎn)生的這種形變?cè)龃罅司€圈在工作中徑向中心線錯(cuò)位的可能性。
在工作中由所產(chǎn)生的磁場(chǎng)產(chǎn)生的上述變形力的效應(yīng)為通常所說的“變化所致位移(ramp shift)”均勻化問題并且通常會(huì)影響到所有線圈。此外，當(dāng)在工作中磁體用于例如成像目的時(shí)，使用其它線圈。例如，梯度線圈常常與脈沖激勵(lì)結(jié)合在一起使用。在脈沖激勵(lì)過程中，相應(yīng)的徑向力脈沖將被加到磁體線圈上。這可能會(huì)導(dǎo)致線圈產(chǎn)生形變或位移。這種由梯度線圈引起的位移被認(rèn)為明顯僅與磁體的中心線圈相關(guān)。在更多的軸向偏心線圈中，在工作中，作用在線圈上的軸向力傾向于將其更牢固地保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。由梯度線圈脈沖發(fā)生引起的線圈位置的移動(dòng)還可對(duì)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的空間均勻性具有不利影響，但是由于周期性地施加由梯度場(chǎng)引起的作用力，因此由梯度場(chǎng)引起的位移還可對(duì)磁體磁場(chǎng)的時(shí)間穩(wěn)定性造成不利影響。
現(xiàn)有技術(shù)中的布置傾向于遵循以上兩種可選方式之一，即或是通過仔細(xì)選擇材料和/或機(jī)械約束，確保不產(chǎn)生可能導(dǎo)致急冷的移動(dòng)，從而確保線圈穩(wěn)固地保持在線圈架上，或是不管對(duì)磁場(chǎng)質(zhì)量的任何可能的影響，允許線圈進(jìn)行自由移動(dòng)，使得線圈與線圈架的任何相對(duì)移動(dòng)不會(huì)消散任何可觀的熱量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服在現(xiàn)有技術(shù)解決方案中所存在的至少一些缺點(diǎn)，從而允許線圈架可使用相對(duì)較低成本的材料。特別是使用鋁或含有至少50％的鋁的合金作為線圈架的材料。這些材料相對(duì)便宜并且重量輕。
由此，本發(fā)明提供了如所附技術(shù)方案所列出的方法和/或設(shè)備。


通過僅以實(shí)例方式給出的對(duì)一些實(shí)施例的以下描述，并結(jié)合附圖，本發(fā)明的以上和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為明確，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的線圈和線圈架裝置的剖視圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的線圈和線圈架裝置的剖視圖；和圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的線圈和線圈架裝置的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
如所公知地，超導(dǎo)磁體線圈對(duì)急冷過程十分敏感。在超導(dǎo)線圈內(nèi)一定點(diǎn)處即便是較小的能量輸入也可能足以導(dǎo)致一部分超導(dǎo)導(dǎo)線變?yōu)槌B(tài)，即具有電阻性。一旦一小部分超導(dǎo)導(dǎo)線已變?yōu)榫哂须娮栊?，那么在線圈中流動(dòng)的電流將會(huì)造成對(duì)導(dǎo)線的電阻部分的進(jìn)一步加熱。該加熱進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致更多導(dǎo)線變?yōu)殡娮栊缘?。這種情況持續(xù)直至儲(chǔ)存在超導(dǎo)線圈中的所有能量已經(jīng)以熱量的形式被耗散掉。當(dāng)然重要的是在盡可能的情況下避免偶然發(fā)生這種情況。
如上面所述，已公知當(dāng)超導(dǎo)線圈作為磁體結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行工作時(shí)，超導(dǎo)線圈受到較大的作用力。若由于在線圈上施加的作用力克服線圈與線圈架之間的摩擦相互作用而導(dǎo)致一部分線圈突然產(chǎn)生移動(dòng)，那么可能耗散失去足夠大的能量從而導(dǎo)致線圈內(nèi)產(chǎn)生急冷。基于這一原因，所需要的是或是布置所述線圈使得所述線圈根本就不能在線圈架上進(jìn)行移動(dòng)；或是布置所述線圈使得所述線圈在不耗散能量的條件下能夠容易地在線圈架上進(jìn)行移動(dòng)。通?？赏ㄟ^使用多種機(jī)械夾緊裝置，并將線圈夾緊到線圈架上，從而實(shí)現(xiàn)第一種可選方式，其中所述線圈架的熱膨脹系數(shù)與所述線圈的熱膨脹系數(shù)匹配接近。通常通過在每個(gè)線圈與線圈架的相鄰表面之間設(shè)置一個(gè)低摩擦材料例如聚四氟乙烯(PTFE)的隔離層從而實(shí)現(xiàn)第二種可選方式。
本發(fā)明使得能夠使用具有不同于線圈的熱膨脹系數(shù)的低成本線圈架材料。特別是，通過將線圈纏繞到內(nèi)部線圈架上，且使得機(jī)械約束至少基本上在每一線圈的整個(gè)周邊之上作用在每個(gè)線圈的外表面上，得以進(jìn)行實(shí)施。這些機(jī)械約束確保多個(gè)線圈準(zhǔn)確地保持處于其相應(yīng)的相對(duì)位置，并且確保線圈相對(duì)于線圈架所產(chǎn)生的任何移動(dòng)在連續(xù)的電流抬升和電流降低過程中是精確可重復(fù)的。所述機(jī)械約束進(jìn)一步設(shè)有用于確保使線圈相對(duì)于線圈架逐步進(jìn)行各種移動(dòng)從而使得沒有可能產(chǎn)生突然移動(dòng)從而導(dǎo)致產(chǎn)生急冷的裝置。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的纏繞到線圈架10上的線圈14的局部剖視圖。線圈架和線圈大體上關(guān)于由半徑r定義的圓柱形體積旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。半徑r定義出徑向，而平行于圖1所示方向Z的圓柱體軸線定義出軸向。在下面的說明書中所使用的術(shù)語(yǔ)徑向和軸向分別垂直于和平行于圓柱形體積的軸線。圖中所示出的線圈架10可由相對(duì)便宜的材料如鋁或包含至少50％的鋁的鋁合金形成。設(shè)置凹腔12用于以常規(guī)方式容納線圈14。所述凹腔比將要在其內(nèi)形成的線圈的厚度略微更深。設(shè)置由低摩擦材料例如聚四氟乙烯(PTFE)制成的隔離層16，從而為凹腔12加入位于線圈架與線圈之間的襯層。如常規(guī)工藝，將線圈14的導(dǎo)線纏繞到線圈架10上。當(dāng)纏繞結(jié)束時(shí)，進(jìn)行樹脂浸漬工藝以對(duì)線圈進(jìn)行樹脂浸漬。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，經(jīng)過樹脂浸漬處理的線圈不與線圈架10直接接觸，而是通過由低摩擦材料制成的隔離層16而與線圈架10隔開。
一旦浸漬樹脂已經(jīng)硬化，那么在線圈上纏繞上填充材料例如織造的玻璃帶18，以至少大體上填滿凹腔12的剩余深度，并且優(yōu)選略微高出線圈架10的環(huán)繞表面20。
然后將夾具22附加固定到填充材料層上。該夾具可由例如鋁或其它金屬等材料制成。優(yōu)選地，選擇夾具的材料以使得其熱膨脹系數(shù)與線圈架材料的熱膨脹系數(shù)接近匹配。例如，夾具22可以是厚度t為約2毫米的薄鋁板。優(yōu)選對(duì)所述夾具進(jìn)行穿孔，使得至少在填充材料上面的區(qū)域中具有穿孔24。所述夾具足夠?qū)?，從而使得一部分夾具位于線圈架的環(huán)繞表面20之上。沿徑向取向的夾緊螺釘26穿過夾具中的孔從而與線圈架中相對(duì)應(yīng)的螺紋孔28相接合?？商峁┯糜趯A具附接到線圈架上的其它可選方式，例如貫穿螺栓、將夾具焊接到線圈架上、或者張緊捆扎在夾具外表面周圍。
然后進(jìn)行第二浸漬步驟。用石蠟或類似物質(zhì)對(duì)填充材料18進(jìn)行浸漬處理。用于進(jìn)行所述第二浸漬步驟的材料應(yīng)為脆性的并且具有相對(duì)較低的熱導(dǎo)率。
當(dāng)磁體被冷卻至用于進(jìn)行超導(dǎo)作業(yè)的低溫溫度時(shí)，線圈14的收縮程度比線圈架小。這將會(huì)導(dǎo)致由于存在膨脹差異而使在夾具22的內(nèi)表面上承載作用力。這樣可能會(huì)導(dǎo)致夾具產(chǎn)生形變。在工作中，線圈14受到同樣傾向于使線圈沿徑向產(chǎn)生形變的徑向力的作用。這些效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致在線圈14和線圈架10之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于在線圈和線圈架之間的界面上涂覆有隔離層16，因此線圈和線圈架彼此之間能夠容易地進(jìn)行移動(dòng)，而不耗散熱量，所述熱量耗散可能會(huì)導(dǎo)致在線圈內(nèi)產(chǎn)生急冷。經(jīng)過浸漬處理的填充材料18利用穿孔24內(nèi)存在的浸漬材料可被鍵合到夾具上。夾具與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致穿孔內(nèi)的浸漬材料剪切遠(yuǎn)離經(jīng)過浸漬處理的填充材料18。該浸漬材料必須是脆性的，從而使得能夠進(jìn)行所述移動(dòng)而不耗散大量的能量，所述能量耗散可能會(huì)導(dǎo)致在線圈14內(nèi)產(chǎn)生急冷。然而，夾具與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將會(huì)造成在其界面處產(chǎn)生一定的能量耗散。所述夾具的相應(yīng)表面上可涂覆有隔離材料例如聚四氟乙烯(PTFE)以減少能量的耗散。此外，可選擇填充材料18和相關(guān)的浸漬材料，從而與夾具22的材料相比具有相對(duì)更低的熱導(dǎo)率，從而使得在夾具與填充材料18之間的界面處產(chǎn)生的任何熱量將會(huì)主要流動(dòng)通過夾具材料流至線圈架，避免流過線圈。這又一次對(duì)于減少在線圈內(nèi)產(chǎn)生急冷十分重要。
所述夾具可由單件或多件構(gòu)成。所述夾具至少大體上覆蓋了填充材料層的整個(gè)外周。優(yōu)選地，所述夾具由至少三個(gè)部件構(gòu)成，更優(yōu)選由至少四個(gè)部件構(gòu)成。如果夾具由單個(gè)環(huán)構(gòu)成，那么安裝起來非常困難。若夾具由纏繞在線圈架周圍的單件制成，那么線圈14有可能在工作過程中在線圈架兩端的連接區(qū)域中產(chǎn)生形變，由此使線圈略微呈蛋形。這對(duì)于所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的均勻性而言是不利的。通過使夾具設(shè)有至少三個(gè)，且更優(yōu)選至少四個(gè)部件，在夾具部件的連接處產(chǎn)生的線圈的任何形變將會(huì)更均勻地分布在線圈周邊，由此減小了對(duì)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的均勻性的影響作用。通過進(jìn)行有限元分析，可使夾具的設(shè)計(jì)在材料厚度、螺絲數(shù)量和螺絲位置等方面得到最優(yōu)化，從而確保所述夾具具有彈性且線圈變形是可接受的。必須選擇夾具的材料和厚度，從而使得夾具所經(jīng)受的變形范圍不會(huì)導(dǎo)致夾具產(chǎn)生永久變形。
隨著線圈14和線圈架被冷卻至低溫溫度，并且在電流抬升過程中隨著電流進(jìn)入線圈中，在凹腔12中線圈14的內(nèi)徑與線圈架10的外徑之間出現(xiàn)間隙。該相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致夾具22向外產(chǎn)生撓曲，被螺絲26保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。已發(fā)現(xiàn)這對(duì)于完全約束所述線圈是有效的。由于夾具被設(shè)置在至少大體上線圈的整個(gè)周邊周圍，因此線圈被保持處于軸向?qū)R位置，這是由于在線圈與線圈架之間在線圈周邊各點(diǎn)處出現(xiàn)了至少大體上相等的間隙。由于本發(fā)明中優(yōu)選設(shè)置了纏繞到線圈架上的磁體的所有線圈，因此所有這些線圈保持軸向?qū)R，從而改善了所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的空間均勻性和時(shí)間可重復(fù)性。已發(fā)現(xiàn)在外力作用下夾具自線圈的向外撓曲足以使線圈保持處于軸向方向。線圈材料與線圈架材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異總之對(duì)軸向的影響作用比對(duì)徑向的影響作用要小。如圖中所示出的線圈的軸向范圍可以在10厘米的區(qū)域內(nèi)，而線圈架的內(nèi)半徑r通常為1米或更大。
雖然上述工藝相對(duì)復(fù)雜，其原因主要在于要求采用兩個(gè)獨(dú)立的浸漬處理步驟，但是這被認(rèn)為代表了使用普通材料的一種有效的折衷方案。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)石蠟是一種浸漬填料層18的有效材料，這是由于石蠟不易碎且允許產(chǎn)生移動(dòng)而不開裂。這些特性減小了由于過于劇烈地浸漬材料導(dǎo)致線圈產(chǎn)生急冷而產(chǎn)生移動(dòng)的機(jī)會(huì)。然而，如果使用石蠟作為浸漬材料進(jìn)行單一浸漬處理步驟，那么線圈將與石蠟保持在一起，已發(fā)現(xiàn)與使用樹脂浸漬材料相比，使用石蠟作為浸漬材料對(duì)于機(jī)械移動(dòng)而言具有更小的阻力。已發(fā)現(xiàn)樹脂作為線圈的浸漬材料更為可靠。另一方面，如果采用使用樹脂作為浸漬材料的單一浸漬處理步驟，那么經(jīng)過浸漬處理的線圈和填充材料通過在夾具穿孔中的浸漬材料，阻止在夾具與經(jīng)過浸漬處理的線圈結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，將會(huì)被鍵合到夾具上。在進(jìn)行操作后，線圈將不可能回復(fù)到其相同的位置，從而降低了所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的時(shí)間穩(wěn)定性。該樹脂還結(jié)合到夾具的下側(cè)，這樣就需要提供隔離涂層，例如位于夾具的下側(cè)上的聚四氟乙烯(PTFE)層。由于樹脂將會(huì)硬化成相對(duì)較脆較硬的材料，且線圈的移動(dòng)相對(duì)較為劇烈，從而導(dǎo)致線圈產(chǎn)生急冷的機(jī)會(huì)增加。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的纏繞到線圈架上的線圈的局部剖視圖。如在上述實(shí)施例中的一樣，線圈架10中設(shè)有凹腔12用于以常規(guī)方式容納線圈14。所述凹腔比將要在其內(nèi)形成的線圈的厚度略微更深。設(shè)置由低摩擦材料例如聚四氟乙烯(PTFE)制成的隔離層16，從而為凹腔12加入位于線圈架與線圈之間的襯層。與常規(guī)方式相同，線圈14中的導(dǎo)線被纏繞到線圈架上。當(dāng)纏繞結(jié)束時(shí)，填充材料例如25毫米或50毫米寬的織造玻璃帶18的部分層被纏繞到線圈14表面的選定部分上，接近線圈的至少一個(gè)軸向端。填充材料18被纏繞以在選定部分中至少大體上填充凹腔12的剩余深度。優(yōu)選地，將填充材料18設(shè)置為這樣的厚度，以使其略微高出線圈架10的環(huán)繞表面20。填充材料可以是可被結(jié)合到線圈上且具有較低導(dǎo)熱性的任何填料。
然后將夾具30附加固定到填充材料18的部分層的至少部分表面上。該夾具可由例如鋁或其它金屬等材料制成。優(yōu)選地，選擇夾具的材料以使得其熱膨脹系數(shù)與線圈架材料的熱膨脹系數(shù)接近匹配。例如，夾具30可以是厚度t為約2毫米的薄鋁板。在該實(shí)施例中，所述夾具不應(yīng)被穿孔。所述夾具足夠?qū)?，從而使得一部分夾具位于線圈架的環(huán)繞表面20之上。夾具30在線圈架10的環(huán)繞表面20的一部分之上進(jìn)行延伸，至少延伸使得能夠足以提供利用螺絲26或其它緊固方式將夾具牢固地附接到線圈架上的孔的距離。沿徑向取向的夾緊螺釘26穿過夾具中的孔從而與線圈架中相對(duì)應(yīng)的螺紋孔28相接合?？商峁┯糜趯A具附接到線圈架上的其它可選方式，例如貫穿螺栓、將夾具焊接到線圈架上、或者張緊捆扎在夾具外表面周圍。
然后進(jìn)行樹脂浸漬工藝以在單一步驟中對(duì)線圈和填充材料18的部分層進(jìn)行樹脂浸漬處理。填充材料18減小了硬化時(shí)樹脂的收縮，同時(shí)還降低了夾具與線圈之間的熱導(dǎo)率。已發(fā)現(xiàn)可通過線圈和部分填料層的暴露表面實(shí)現(xiàn)有效的浸漬。所得到的結(jié)構(gòu)為線圈和填料作為單一一體的填充樹脂的部件。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，經(jīng)過樹脂浸漬處理的線圈不與線圈架10直接接觸，而是通過由低摩擦材料制成的隔離層16而與線圈架10隔開。夾具30的下側(cè)應(yīng)設(shè)有隔離層如聚四氟乙烯(PTFE)層，使得所使用的樹脂不結(jié)合到夾具30上。如果對(duì)夾具進(jìn)行穿孔處理，那么經(jīng)過樹脂浸漬處理的填充材料將會(huì)被鍵合到夾具上，阻止在夾具與線圈之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)是所不希望的，其可導(dǎo)致線圈產(chǎn)生突然劇烈的運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致急冷。
所述夾具30可由單件或多件構(gòu)成。所述夾具在至少其部分軸向?qū)挾壬现辽俅篌w上覆蓋了填充材料18的部分層的整個(gè)外周。優(yōu)選地，所述夾具由至少三個(gè)部件構(gòu)成，更優(yōu)選由至少四個(gè)部件構(gòu)成。如果夾具由單個(gè)環(huán)構(gòu)成，那么安裝起來非常困難。若夾具由纏繞在線圈架周圍的單件制成，那么線圈14有可能在工作過程中在夾具兩端的連接區(qū)域中產(chǎn)生形變，由此使線圈略微呈蛋形。這對(duì)于所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的空間均勻性而言是不利的。通過使夾具設(shè)有至少三個(gè)，且更優(yōu)選至少四個(gè)優(yōu)選為等尺寸的部件，在夾具部件的連接處產(chǎn)生的線圈的任何形變將會(huì)更均勻地分布在線圈周邊附近，由此減小了對(duì)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的均勻性的影響作用。通過進(jìn)行有限元分析，可使夾具的設(shè)計(jì)在材料厚度、保持螺絲26的數(shù)量和保持螺絲26的位置等方面得到最優(yōu)化，從而確保所述夾具具有彈性且線圈變形是可接受的。必須選擇夾具30的材料和厚度，從而使得夾具所經(jīng)受的變形范圍不會(huì)導(dǎo)致夾具產(chǎn)生永久變形。所述夾具的材料和設(shè)計(jì)以及螺絲26的位置必須使得能夠提供足夠大的彈性，從而確保把線圈保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，同時(shí)不過度剛硬使得線圈被不是很圓地推出，這樣可能使所產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生變形或者導(dǎo)致產(chǎn)生急冷。已發(fā)現(xiàn)厚度約為2毫米的高強(qiáng)度7075T6等級(jí)的薄鋁板是適用于夾具30的適當(dāng)材料。對(duì)于鋁夾具而言，所述隔離涂層可以是PTFE沉積層，或者是與夾具材料相容的任何其它已公知的隔離劑。
隨著線圈14和線圈架10被冷卻至低溫溫度，并且在電流抬升過程中隨著電流進(jìn)入線圈14中，在凹腔12中線圈14的內(nèi)徑與線圈架10的外徑之間出現(xiàn)間隙。該相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致夾具30向外產(chǎn)生撓曲，被螺絲26保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。已發(fā)現(xiàn)這對(duì)于完全約束所述線圈是有效的。由于夾具被設(shè)置在至少大體上線圈的整個(gè)外周附近，因此線圈被保持處于軸向?qū)R位置，這是由于在線圈與線圈架之間在線圈架周部各點(diǎn)處出現(xiàn)了至少大體上相等的間隙。由于本發(fā)明中優(yōu)選設(shè)置了纏繞到線圈架上的磁體的所有線圈，因此所有這些線圈保持軸向?qū)R，從而改善了所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的空間均勻性和時(shí)間可重復(fù)性。線圈材料與線圈架材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異對(duì)軸向的影響作用比對(duì)徑向的影響作用要小。如圖中所示出的線圈的軸向范圍可以在10厘米的區(qū)域內(nèi)，而線圈架的內(nèi)半徑r通常為1米或更大。
在圖2所示的實(shí)施例中，施加到夾具上的絕大部分力在最接近保持螺絲的線圈的軸向端附近呈帶狀存在，所述帶用附圖標(biāo)記32所示。由于所述夾具可自由產(chǎn)生撓曲遠(yuǎn)離所述線圈，因此可在軸向遠(yuǎn)離保持螺絲26的夾具的區(qū)域保持相對(duì)較小的作用力。在一些實(shí)施例中，已發(fā)現(xiàn)這可能是不利的，其原因在于線圈可產(chǎn)生形變，使得軸向遠(yuǎn)離保持螺絲26的線圈部分34發(fā)生形變離開線圈架10的程度比最接近保持螺絲的部分32發(fā)生形變離開線圈架10的程度更大。當(dāng)線圈在徑向上相對(duì)于其軸向更薄時(shí)尤其是這種情況。在這些實(shí)施例中，可在線圈的兩個(gè)軸向端設(shè)置填充材料18和夾具32的相對(duì)應(yīng)的布置。圖3中還示出了一個(gè)這樣的實(shí)施例。這些實(shí)施例是有效的，但是比圖2所示布置更昂貴且組裝起來更復(fù)雜。
權(quán)利要求
1.一種磁體組件，所述磁體組件包括具有其中形成有凹腔(12)的外表面(20)的線圈架和纏繞到所述凹腔(12)中的線圈(14)，所述凹腔的深度大于所述線圈，其中所述線圈上覆蓋有填充材料(18)層，所述填充材料層具有足夠大的厚度以使得其外表面至少與線圈架的外表面(20)相對(duì)齊；夾具(22，30)被設(shè)置在填充材料層的至少部分表面之上并且被緊固到線圈架的外表面上；所述填充材料和線圈上浸漬有固體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體組件，其中所述線圈架由熱膨脹系數(shù)大于所述線圈材料的熱膨脹系數(shù)的材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體，其中所述填料層大體上在所述線圈的整個(gè)外表面之上進(jìn)行延伸并且所述夾具(24)延伸跨過所述凹腔并且在凹腔的兩側(cè)被緊固到線圈架上，至少在覆蓋所述填充材料層的區(qū)域中對(duì)所述夾具進(jìn)行穿孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁體，其中所述線圈用熱固性樹脂材料進(jìn)行浸漬處理，且所述填料層用蠟進(jìn)行浸漬處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體，其中所述填料層僅在所述線圈外表面的軸向部分上面進(jìn)行延伸，并且所述夾具(30)至少部分地在填充材料層上面進(jìn)行延伸且僅部分地跨過所述凹腔并且僅在所述凹腔的一側(cè)被緊固到線圈架上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁體，進(jìn)一步設(shè)有在所述線圈外表面的第二軸向部分上面進(jìn)行延伸的類似的填料層，并且第二夾具(30)至少部分地在第二層填充材料上面進(jìn)行延伸且僅部分地跨過所述凹腔并且在所述凹腔的另一側(cè)被緊固到線圈架上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁體，其中所述線圈和所述填料層均用熱固性樹脂材料進(jìn)行浸漬處理。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的磁體，其中設(shè)置一個(gè)隔離層(16)，從而為凹腔加入位于線圈架與線圈之間的襯層。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的磁體，其中設(shè)置一個(gè)隔離層，用于覆蓋與所述填料層相接觸的所述夾具的表面。
10.一種構(gòu)造磁體組件的方法，所述磁體組件包括具有其中形成有凹腔(12)的外表面(20)的線圈架和纏繞到所述凹腔(12)中的線圈(14)，所述凹腔的深度大于所述線圈，所述方法包括以下步驟將所述線圈纏繞到所述凹腔中；用填充材料(18)層覆蓋所述線圈，所述填充材料層具有足夠大的厚度以使得其外表面至少與線圈架的外表面(20)相對(duì)齊；在填充材料層的至少部分表面之上設(shè)置夾具(22，30)并且將所述夾具緊固到線圈架的外表面上；用變?yōu)楣腆w的材料浸漬所述填充材料和線圈。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述填料層大體上在所述線圈的整個(gè)外表面之上進(jìn)行延伸并且所述夾具(24)延伸跨過所述凹腔并且在凹腔的兩側(cè)被緊固到線圈架上，至少在覆蓋所述填充材料層的區(qū)域中對(duì)所述夾具進(jìn)行穿孔，使得所述填料層可浸漬穿過所述穿孔的夾具。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在施加填料層之前用熱固性樹脂材料對(duì)所述線圈進(jìn)行浸漬處理，并且之后用蠟對(duì)所述填料層進(jìn)行浸漬處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述填料層僅設(shè)置在所述線圈外表面的軸向部分上面，并且所述夾具(24)至少部分地在填料層上面進(jìn)行延伸且僅部分地跨過所述凹腔并且僅在所述凹腔的一側(cè)被緊固到線圈架上。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述線圈和所述填料層均用熱固性樹脂材料進(jìn)行浸漬處理。
全文摘要
一種磁體組件，所述磁體組件包括具有其中形成有凹腔(12)的外表面(20)的線圈架和纏繞到所述凹腔(12)中的線圈(14)，所述凹腔的深度大于線圈，其中所述線圈上覆蓋有填充材料(18)層，所述填充材料層具有足夠大的厚度以使得其外表面至少與線圈架的外表面(20)相對(duì)齊；夾具(22，30)被設(shè)置在填充材料層的至少部分表面之上并且被緊固到線圈架的外表面上；所述填充材料和線圈上浸漬有固體材料。
文檔編號(hào)H01F41/00GK1992103SQ200610068318
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者S·J·卡爾弗特, P·J·達(dá)維斯 申請(qǐng)人:西門子磁體技術(shù)有限公司