专利名称：被覆薄层抗涡流方法
技术领域：
本发明涉及金属材料在交变电磁场条件下的应用技术，特别是涉及将这类材料应用于磁共振成像(MRI)条件的抗涡流技术。
涡流是交变电磁场在导电介质表层感应出逆抗原电磁场的交变电流。除在电磁感应炉和罩极电动机等领域，有它一定的应用价值之外，一般来说，涡流对电子设备和电气系统的正常工作和性能提高有诸多危害。涡流造成高频干扰、设备发热、电磁场频率特性畸变，电磁转换效率下降，常见于变压器、电机电器及仪器装置中。磁共振成像设备中的涡流，不仅影响图像质量，而且影响成像速度。
现有技术抗涡流方法，一种是采用合金材料，并改变结构设计，例如变压器和电机电器中普遍采用的硅钢片迭层结构；另一种方法是，利用粉末冶金和烧结技术，制造例如铁氧体这样的在高频电磁场环境里仍有相当导磁性能而又具有很高电阻率的实体材料。然而，这两种方法在工程应用中都只能减轻涡流和磁滞的消极作用，涡流的组合效应却依然存在。尤其是，某些电磁设备的结构不能改变，例如MRI设备的面壁，特定使用工业纯铁板或铝板、铜板，这些材料电阻率极低，会在交变电磁场中产生很大涡流而又无法使用上述两种技术来遏制涡流的消极作用。
本发明的目的在于避免上述现有技术的不足之处而提供出一种无需改变结构设计就能有效遏制涡流的方法，从而显著提高核磁共振成像设备的成像速度和成像质量。
研究表明，工程电磁场领域，涡流能量集中在导电介质表层。在一确定系统中，即在交变电磁场和导电介质结构不变的条件下，涡流渗入介质表层的深度δ=1/πμσf]]>式中μ是介质磁导率，σ是介质电导率，f是交变电磁场频率。
从能量隔离观点出发，在导电介质表面粘贴或镀覆高电阻率、高磁导率材料薄层(以下简称薄层)，使外加交变电磁场在薄层内的感应电流自成回路，即涡流独立于最小单元，并使各单元的感应电流各向异性，使得所述薄层在外加电磁场激励下综合感应电流趋于零，从而隔离涡流能量，解决了抗涡流问题。
基于上述观点，本发明的目的可以通过采取以下措施来达到使用一种被覆薄层抗涡流方法，基于涡流的趋肤效应，在形成涡流的结构表面粘贴或镀覆高电阻率、高磁导率的材料薄层，使外加交变电磁场在薄层内的综合感应电流趋于零。
附图的图面说明如下
图1是本发明方法被覆材料薄层的结构示意图；图2是用硅钢合金微粒21与有机硅胶或塑料22调合形成薄层的示意图；图3是硅钢合金微粒23镀覆在导电介质1表层的示意图；图4和图7是在不用被覆材料薄层2的情况下，用探测线圈5分别针对铝质极板11和薄铁极板12测得的空间场感应涡流电势Eed随时间t的变化曲线；图5、图6是分别针对铝质极板11和薄铁极板12、并采用本发明被覆材料薄层2隔离，在静磁场强度H0＝0用探测线圈5测得的空间场感应涡流电势Eed随时间t的变化曲线；图8、图9是针对工业纯铁极板12、采用本发明被覆材料薄层2隔离、并分别以H0＝0.30特斯拉和H0＝0.15特斯拉为静磁场强度测得的空间场感应涡流电势Eed随时间t的变化曲线。
以下就附图所示之各最佳实施例作进一步详细说明图1至图3展示本发明的抗涡流方法。基于涡流的趋肤效应，在图1中，在形成涡流的导电介质结构，具体地说，是金属极板1表面粘贴或镀覆高电阻率ρ、高磁导率μ的材料薄层2，使外加交变电磁场在薄层2内综合感应电流趋于零。所述金属极板1，在MRI设备中通常是工业纯铁。所述材料薄层2的厚度t，基于对交变电磁场中涡流渗入介质表层深度δ的认识，应该有t≥1/πμσf]]>在导电介质结构1表面粘贴或镀覆的材料薄层2，其介质电阻率ρ一定要很高，或者说，介质电导率σ要很低，具体要求是σ≤1.75×106欧-1米-1。不仅如此，所述材料薄层2的介质磁导率μ也必须很高。如果应用它的电磁设备工作在无外磁场的环境，即静磁场H0＝0，该薄层2的磁化特性要求是BH|Hc=0≥2000μ0,∂B∂H|H0=0≥2000μ0,]]>式中B为磁感应强度，H为磁场强度，μ0是真空环境的磁导率。
如果应用所述材料薄层2的电磁设备工作在静磁场为H0的外界环境中，该薄层2的磁化特性应是BH|H=H0≥2000μ0,∂B∂H|H=H0≥2000μ0]]>。也就是说，在磁场强度为H0的静磁场中，薄层2不仅平均的相对磁导率要求大于2000，而且在H0那一点动态的相对磁导率也要求大于2000，否则便达不到显著遏制涡流的效果。
可以用不同方法将抗涡流材料薄层2固定到导电介质结构1，也就是某种金属极板的表面。本发明最佳实施例之一，如图2所示，在导电介质结构1表面粘贴的材料薄层2，是由硅钢合金微粒21调合有机硅胶或塑料22形成的。可以应用的塑料包括聚乙烯、聚丙烯及不饱和聚酯，主要是不要使用容易脆裂的塑料。微粒21的直径，在本发明的实施例中是10微米。本发明的另一最佳实施例，如图3所示，在导电介质结构1表面镀覆的材料薄层2，是硅钢合金微粒23的集合，并且要求微粒23的直径d＜k/3fmax，式中fmax是外加激励电流的最高工作频率，k是一个系数，与分子或电荷传输速度有关。实验表明，用电镀方法，而不是用化学胶粘剂将抗涡流材料——硅钢被覆在导电介质结构1的表面，所达到的抗涡流效果基本上是一样的。
以下报告实验结果。用一个平面尺寸为160×160/100×100毫米的正方形模拟线圈4充任电磁设备的激励线圈，将其置于磁体极板11或12之上。线圈4和极板11或12之间是所述抗涡流材料薄层2。用MRI设备提供周期T＝1.8秒，脉冲宽度＝0.5秒的恒流方波输入激励线圈4，造成梯度场变化。一个400匝的小线圈5用作探测线圈，如图4～9所示，再配合一套积分放大器，用于探测空间场的变化，并由示波器显示出来。本发明图4～9所示各曲线都是探测线圈5测得的空间场感应涡流电势Eed随时间t的变化关系，以峰值毫伏mVp计量。
图4和图7展示没有抗涡流材料薄层2的情况。由曲线可见，在t＝0.5毫秒处，感应涡流电势Eed对于铝质极板11竟高达800毫伏，对于薄铁极板12也有45毫伏。反之，如果在金属极板11或12上加上本发明的抗涡流材料薄层2，那么由探测线圈5探测到的感应涡流电势Eed便显著降低，例如图5和图6所示，分别针对铝质极板和薄铁极板，并且静磁场H0＝0，在t＝0.5毫秒处，Eed只有24毫伏和28毫伏；图8和图9针对工业钝铁极板，在时间点1毫秒处，Eed是68和113毫伏。这里要指出的是，上述两组涡流电势Eed，数值较小者对应于较大的静磁场E0＝0.30特斯拉，数值较大者对应于较小的静磁场E0＝0.15持斯拉。这是因为，静磁场H0＝0.15特斯拉时，被覆材料薄层2的动态磁导率∂B∂H|H=H0≥2000μ0,]]>不能满足抗涡流的要求，以致测得的感应涡流电势Eed仍嫌太高。据此本发明提出被覆材料薄层2在静磁场为H0的外界环境中，磁化特性应是∂B∂H|H=H0≥2000μ0,]]>即对其动态磁导率亦有所要求。实验表明，静磁场强度H0的值在0.15特斯拉附近是不利的，应该避免。
同现有技术相比，本发明的优点是，所述方法简单易行，并不必改变原结构设计，而且成本较低。
权利要求
1.一种被覆薄层抗涡流方法，基于涡流的趋肤效应，其特征在于在形成涡流的导电介质结构(1)表面粘贴或镀覆高电阻率ρ、高磁导率μ的材料薄层(2)，使外加交变电磁场在薄层(2)内综合感应电流趋于零。
2.按照权利要求1所述的被覆薄层抗涡流方法，其特征在于所述粘贴或镀覆的材料薄层(2)，其厚度t≥1/πμσf]]>。
3.按照权利要求1所述的被覆薄层抗涡流方法，其特征在于所述粘贴或镀覆的材料薄层(2)，其介质电导率σ≤1.75×106欧-1米-1。
4.按照权利要求1所述的被覆薄层抗涡流方法，其特征在于所述粘贴或镀覆的材料薄层(2)，如果应用它的电磁设备工作在无外磁场的环境，该薄层(2)的磁化特性是BH|H=0≥2000μ0,∂B∂B|H=0≥2000μ0]]>。
5.按照权利要求1所述的被覆薄层抗涡流方法，其特征在于所述粘贴或镀覆的材料薄层(2)，如果应用它的电磁设备工作在静磁场为H0的外界环境中，该薄层(2)的磁化特性是BH|H=H0≥2000μ0;∂B∂H|H=H0≥2000μ0]]>。
6.按照权利要求1所述的被覆薄层抗涡流方法，其特征在于在导电介质结构(1)表面粘贴的材料薄层(2)是由硅钢合金微粒(21)调合有机硅胶或塑料(22)形成的。
7.按照权利要求1所述的被覆薄层抗涡流方法，其特征在于在导电介质结构(1)表面镀覆的材料薄层(2)，是硅钢合金微粒(23)的集合。
8.按照权利要求7所述的被覆薄层抗涡流方法，其特征在于所述硅钢合金微粒(23)的直径d＜k/3fmax。
全文摘要
一种被覆薄层抗涡流方法，基于涡流的趋肤效应，在形成涡流的导电介质结构1表面粘贴或镀覆高电阻率ρ、高磁导率μ的材料薄层2，使外加交变电磁场在薄层2内综合感应电流趋于零。所述材料薄层2，可以是由硅钢合金微粒21调合有机硅胶或塑料22形成，也可以是镀覆的硅钢合金微粒23。所述抗涡流方法比现有技术的优点是，简单易行，并不必改变原结构设计，而且成本较低。
文档编号H01F1/00GK1117591SQ9410957
公开日1996年2月28日 申请日期1994年8月20日 优先权日1994年8月20日
发明者李士才, 张义文 申请人:中国科健股份有限公司