由多个轴向对准的线圈组成的螺线管磁体的制作方法

专利名称：由多个轴向对准的线圈组成的螺线管磁体的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于生产由多个轴向对准的线圈组成的螺线管磁体的方法，以及如此生产的螺线管磁体。本发明具体涉及用作磁共振成像(MRI)系统中的磁场发生器的这种螺线管磁体。更具体地，本发明涉及由超导线形成的这种磁体。
背景技术：
在已知的磁体布置中，螺线管磁体通常包括具有较大量的匝数因此具有较大横截面的端线圈和多个具有较小量的匝数因此具有较小横截面的内层线圈。按照惯例，诸如铝管的精密加工的线圈架(former )设有适当成形的狭槽，配线被缠绕到狭槽中以形成线圈。线圈可用热固性树脂通过如下方式浸溃湿法缠绕，其中配线在缠绕在线圈架上之前通过 树脂槽；或者可干法缠绕线圈，其中完成的线圈和线圈架稍后被浸溃在树脂槽中。类似的浸溃可以用蜡执行，但是为了简便起见，本说明书中将仅提及“树脂”。替代地，被模制的线圈的布置是已知的。在这些布置中，线圈被缠绕在模子中，并且完成的线圈在模子内被用树脂浸溃。然后树脂固化，并且生产出嵌入在树脂中的稳固的线圈。接着，这些被模制的线圈例如通过夹紧到线圈架或者其它的机械支撑结构上而组装成磁体。已知的折衷布置具有内层线圈，那些内层线圈向着磁体的轴心布置在线圈架上，其中端线圈被模制且机械附接至线圈架。端线圈趋于具有更大的横截面，且其放置并不严格要求。该折衷布置允许使用更小的、稍微便宜的线圈架，同时维持内层线圈之间的精确相对定位。这些已知布置存在某些缺陷。在使用中，由于线圈与产生的磁场的相互作用，励磁线圈承受大的力。这些力中的一些力作用在轴向上，并且朝着线圈架的壁推动线圈，而其它的力作用在径向上，趋于使线圈扩展至更大的直径或将其压缩在线圈架上。这些力可使线圈相对于线圈架移动。该运动可导致对线圈的加热,这在超导磁体中可导致失超(quench)。作用于线圈上的力可造成线圈架挠曲。线圈架需要是大的、重的且机械坚固的，以抵抗那些力。由于线圈架中的挠曲，则抵抗线圈力的力反作用路径根本上作用在线圈的内缘处，其未对准线圈体积力的作用线，该体积力可被认为通过线圈横截面的径向中点作用在轴向上。这促使了使线圈架挠曲的倾向。此外，力由线圈的有限的表面区域承担。这可导致线圈本身的变形，其又可导致超导线圈中的失超。大多数的力作用在磁体的端线圈上以及屏蔽线圈(如果存在)上。内层线圈受到较轻的载荷，但需要在空间中最为精确地定位以形成成像所需的均匀场。如按照惯例所使用的、精密加工的线圈架是昂贵的，且仅可从有限数量的供应商得到。从线圈架制造厂到励磁绕组设施的运输成本会是显著的。大的线圈架的存储可能困难且费用巨大。
按照惯例，分离的在线圈架内缠绕的线圈或者分别模制的线圈通过在完成线圈的缠绕和浸溃之后进行的布线和连接而被连接在一起。大量时间和空间已专用于确保这些连接被牢固地保持到位，并且在磁体工作时不移动。这些配线的轻微运动可能足以导致磁体的失超。

发明内容
因此，本发明提供了用于制造且将线圈保持在其预期的相对位置中的新颖的布置。本发明的布置还提供了对于布线和连接的刚性保持。本发明相应地提供了如在所附权利要求书中限定的方法和设备。


考虑下面对于本发明的某些实施方式的描述并结合附图，本发明的上述及其它的目的、特征和优点将变得更明显，其中图I示出了根据本发明实施方式的线圈组件的部分轴向截面图；图2示出了用于缠绕如图I所示的线圈组件的模子的与图I中的视图相对应的部分轴向截面图；图3示出了穿过图2中的设备的部分轴向和径向横截面；图4示出了本发明的线圈组件的交叉构件中的应力集中特征；图5图示了根据本发明另一系列实施方式的线圈组件；图6示出了图5中的实施方式的更多细节，图示了压紧块；图6A示出了替代类型的压紧块；图7图示了图5中所示的压紧块中的一个的挠曲；图8A-8D示出了根据本发明实施方式的构造励磁线圈的组件的示例方法中的步骤；图9示出了如上文所述的线圈组件可以整合在完成的磁体结构中的方式；图10-13图示了根据本发明实施方式的制造线圈组件的方法中的步骤；图14图示了根据本发明实施方式的线圈组件的剖切透视图，所述线圈组件可根据关于图10-13描述的方法制造；图15图示了安装在外部管状线圈支撑件内的本发明的线圈组件，诸如图14中图示的线圈组件；图16图示了根据本发明实施方式的制造线圈组件的方法中的步骤，其中使用了逐渐缩减的筒管；以及图17图示了根据本发明实施方式的制造线圈组件的方法中的步骤，其中使用了反向逐渐缩减的分段筒管。
具体实施例方式图I示出了根据本发明实施方式的内线圈组件10的部分轴向截面图。线圈标记为“B”、“C”、“D”和“E”。这些是磁体的内层线圈。已知为“A”和“F”的端线圈可另外形成，且与图示的内线圈组件组装以形成完成的磁体。如图I中所示，线圈由嵌入在热固性树脂14内的多匝配线12构成。其它的浸溃材料可使用为适合线圈的尺寸和预期用途。交叉构件16或压紧块设置在线圈之间。这些以间隔方式绕线圈周缘定位，且用以将线圈相对于彼此保持到位。在图示的实施方式中，压紧块16由通过热固性树脂14或等效材料浸溃的多孔材料构成，诸如玻璃纤维预制件，或者玻璃纤维毡或布，或者诸如玻璃珠的粒状松散材料。玻璃纤维预制件可用浆料喷淋以增强浸溃处理。热固性树脂14或者等效材料形成固态结构，从而封入线圈且将线圈保持在它们的各自相对位置中。图2示出了用于缠绕如图I所示的线圈组件的模子的与图I中的视图相对应的部分轴向截面图。筒管(robbin)20设有边缘凸缘22，其中至少一个是可移去的。这些边缘凸缘限定内线圈组件10的轴向延伸。缠绕颊板24绕筒管20的周缘布置在限定的轴向位置处。缠绕颊板绕周缘彼此隔开以限定连接通道26，并且彼此轴向隔开以限定缠绕通道28。另外的缠绕通道28’形成在每个边缘凸缘22和轴向最接近组的缠绕颊板24之间。优选地，缠绕颊板24在周向上是弧形的，具有径向指向的端面29。缠绕颊板可设有逐渐缩减的侧面30，使得颊板在其径向外表面处的轴向延伸量al大于颊板在其径向内表面处的轴向延伸量a2，原因将在下文论述。颊板是可移去的，并且可以通过机械保持装置固定就位，诸如带螺纹的螺钉32，所述螺钉32从筒管30的径向内侧穿过筒管并通入颊板内的互补螺纹孔中。在使用中，配线12缠绕到缠绕通道28、28’中，以形成线圈。具体在要生产用于MRI成像的磁体时，配线可以是本身公知的超导线。连接通道26可用多孔预制件34填充，诸如泡沫或玻璃纤维模制品。在缠绕期间，多孔预制件保证缠绕的配线维持在缠绕通道28、28'内。一旦完成缠绕，则模制空腔38例如通过闭合板被闭合。线圈结构和多孔预制件用诸如环氧树脂的固化材料浸溃，所述固化材料被使得或允许硬化。由此产生的结构是硬化材料的整体式结构，其包围配线12和多孔预制件34。在浸溃步骤期间，线圈可以通过放置在线圈和模制颊板之上的闭合板被围住，以限定环形模制空腔。图3示出了穿过图2中的 结构的部分轴向横截面，图示了闭合板36形成所包围的模制空腔38。在图示的情况中，在完成浸溃时，全部线圈具有相等的外半径以及相等的内半径。可以提供其它的布置，以允许所述结构的线圈具有不同的外半径。一旦完成浸溃处理，则去除闭合板36 (如果使用了闭合板36)。缠绕颊板24也被去除。逐渐缩减的侧面30和径向指向的端面29辅助从硬化材料的移去。缠绕颊板可以用可变形材料覆盖，或由可变形材料制成，所述可变形材料诸如是橡胶，其将辅助它们的移去。缠绕颊板24可以涂覆有适当的脱模剂，以辅助它们从固化材料移去。然后，例如通过将边缘凸缘22中的一个移去并使所述组件在轴向上滑动脱离筒管20，将所产生的已浸溃的线圈组件10从模子移去。筒管的边缘凸缘和外表面可涂覆有适当的脱模制，以辅助移去固化的线圈组件。再参考图1，能够看出，交叉构件16现在形成在连接通道26所设置的位置处。线圈被保持在准确的相对位置中，并且这以较低的成本实现。不需要线圈架以在周向上保持线圈或将线圈保持在其相对的轴向位置中。交叉构件16承受作用于线圈上的电磁力，并且由此执行压紧块的功能，从而反作用于作用在线圈上的体积力。由于交叉构件16设置在轴向力的平面中，则不需要有外部结构来承担那些载荷。为了使线圈在周向上扩展或紧缩而作用的力将受到线圈本身机械强度的抑制。内线圈组件10根据需要可支撑在简单的管状支撑件上，所述管状支撑件应用在内线圈组件的内径之内或在外径之外。然而，不需要承载轴向载荷的线圈架。完成的结构具有交叉构件16，交叉构件16由与缠绕颊板24的线圈架位置相对应的空隙17隔离。空隙是有利的特征，因为它们允许每个线圈相对独立地径向扩展或收缩。另外，与未设置空隙的布置相比，空隙的存在减小了使用的树脂量。这降低了成本且减少了所用树脂对环境的影响。精确形成的部分是筒管20、端部凸缘22和缠绕颊板24。所有这些能够多次重复使用。每个线圈仅耗费固有量的配线加上便宜的部件硬化材料，所述硬化材料通常为环氧树脂；和多孔预制件，所述多孔预制件通常由玻璃纤维和树脂制成。该整体式结构确保了线圈12被牢固地保持在它们的各自相对位置中。图16示出了穿过根据本发明实施方式的磁体组件的轴向横截面，其中线圈12和 交叉构件16形成在筒管20的外表面上。在本情况中，筒管逐渐缩减至锥形形状。然而，为例证的目的，图中明显了夸大了该锥形，并且筒管的外表面仍可被认为基本是圆柱形，其中所述锥形的直径变化在整个Im的轴向长度上仅相当于lmm-2mm。一旦通过本文所述的方法形成磁体组件，则筒管可在方向160上被移去。筒管上的锥形允许筒管一旦移动则从磁体结构释放，且不会在其被移去时造成对磁体结构的损害。如果筒管是精确的圆柱形，则移去会是困难的，并且筒管的表面在其被移去时会摩擦磁体结构的整个内表面，可能导致对磁体结构的损害。当然，这样形成的磁体结构将使一些线圈(本示例中为B、C)具有比其它线圈(本示例中为D、E)更大的直径。该情况可对所述结构产生的磁场的影响可提前通过修改一些或全部线圈的匝数或轴向位置来补偿。图17图示了穿过根据本发明实施方式的磁体组件的另一轴向横截面，其中线圈12和交叉构件16形成在筒管的外表面上。在本情况中，筒管由两个分离的部分20a和20b组成。该两个部分逐渐缩减成锥形形状。部分20a、20b的窄端布置成彼此邻近且朝向磁体结构的轴向中心。为例证的目的，所述锥形在图中被明显夸大，并且筒管的外表面仍可被认为是基本圆柱形的，其中所述锥形的直径变化在整个Im的轴向长度上仅相当于lmm-2mm。一旦通过本文所述的方法形成磁体组件，则每个所述筒管部分20a、20b可在相应的方向170a、170b上在轴向上背离磁体结构的轴向中心被移去。每个筒管部分上的锥形允许筒管一移动就从磁体结构释放，并且不会在其被移去时对磁体结构造成损伤。如果筒管是精确的圆柱形，则所述移去会是困难的，并且筒管的表面在其被移去时会摩擦整个磁体结构的内表面，可能会对磁体结构造成损伤。当然，这样形成的磁体结构将使一些线圈(本示例中为B、E)具有比其它线圈(本示例中为C、D)更大的直径。该情况可对所述结构产生的磁场的影响可提前通过修改一些或全部线圈的匝数或轴向位置来补偿。然而，在本示例中，结构对称性意味着标称相同的线圈C和D、以及B和E将具有相同的半径，从而简化了该补偿。该情况假定了两个筒管部分具有相同的锥形，且在磁体的轴向中点处相接。
形成与图17所示结构相类似的结构的替代方式将是以图16所示的方式形成两个分段磁体结构，进而例如通过树脂结合剂将它们结合在一起。这尤其可适用于以少的数量制成的大磁体。但是，这样的结合步骤并不是优选的，因为其耗时且难以形成具有要求精度的粘结。对于批量生产，优选的是形成所述磁体结构且以单件执行该结构的浸溃。以每个都与图16中所示的件相类似的两个分离的件形成磁体结构进而将它们结合在一起的优点在于所述件的大径端总是朝着磁体的轴向中心结合在一起，使得距离磁体的轴向中心最近的线圈具有比磁体端部附近的线圈更大的直径，传统上这被认为有助于均匀磁场的产生，如MRI成像所需要的均匀磁场。
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图4图示了本发明的实施方式的特征，由此便于模制的线圈的间隔。通过使用适当成形的缠绕颊板，应力集中(stress raising)特征即本情况中的缺口 40可形成在交叉构件16中。应力集中特征的存在使得更易于使交叉构件16根据需要断裂，例如通过如下方式使用凿子或锤击，通过抓紧而突然折断，或者锯开。优选地，应力集中特征40形成为相对于相邻绕组的配线12背离某一距离，使得对硬化材料14造成的任意损伤不会影响线圈本身。在制造缺陷或损伤的情况中，除提供线圈的移去之外，可移去图4中所示的可移去交叉构件以允许线圈之间的相对运动(如果明显需要这种运动的话)。一旦已经移去所述可移去的交叉构件，则需要更常规的布置，以将线圈保持在它们的相对位置中。在形成线圈组件中通常使用的在若干段配线之间形成接头的工艺已知是费用巨大且耗时的，需要有毒化学制品，且是由此产生的磁体结构的故障源头。本发明的一些实施方式使得对于设置超导接头的需求降低。通过从单段配线缠绕内线圈组件10的线圈B、C、D和E中的若干或全部，接头的设置可减少。假如全部线圈被串联连接，则第一线圈B可从配线缠绕，然后例如通过在预制件中构造适当的切口或空腔，配线被运送过连接通道26，并且用以缠绕下一线圈C，如此进行。然而，这种布置可导致易形成缺陷的部位，其中配线将一个线圈的外半径接合到下一线圈的内半径。例如由模制的塑料制成的保护性引导件可设置用以阻止配线的接合两个线圈的部分在线圈的匝中承受过大的压力。在这种布置中，不应采用图4中的可移去的交叉构件，因为配线将穿过交叉构件。等效的最终结果可通过如下获得首先，将第一配线层缠绕到线圈B中；移动配线通过连接通道26，以将第一配线层缠绕到线圈C中；如此直到第一配线层被缠绕到线圈E中；将第二层配线缠绕到线圈E上；移动配线通过交叉构件16，以将第二层配线缠绕到线圈D中；如此直到第二配线层被缠绕到线圈B中。在该布置中，配线从不经过多于一个层，因此不会出现由于将一个线圈的外半径接合到相邻线圈的内半径引起的可能故障部位。再一次地，不应使用图4的可移去交叉构件。图5图示了根据本发明另一系列实施方式的线圈组件。图5示出了六线圈磁体的轴向部分横截面。端线圈A在52处示出，随之内层线圈B和C在54处示出。设置了分别对应的其它线圈D、E和F，但图中未示出。在这些实施方式中，线圈A-F被分别模制，以产生分离的模制线圈。通过以间隔方式绕线圈周缘放置的压紧块56，这些线圈接合在一起，以在作用在线圈上的轴向力平面中提供轴向自支撑组件。这意味着可提供更轻的结构，而该结构仍能够抵抗那些轴向载荷。不需要大体积的、重的且昂贵的承载线圈架。通常，环氧树脂被用作浸溃材料，并且由此产生的浸溃线圈具有很高的固有机械强度。本发明应用该固有机械强度，这与常规基于线圈架的磁体设计不同，其更大地依赖于用于磁体组件总体强度的线圈架的强度。根据本发明的该实施方式，多个压紧块56设置在线圈52、54之间且支撑线圈52、54。这些块被强力压缩。它们可以使用与所述块的材料兼容且与用于浸溃线圈的材料兼容的粘合材料粘结至线圈。
图6示出了包括压紧块的组件的更多细节。压紧块56可以形成为便宜的且非磁性的铝挤压件。优选地，挤压件在方向60上以宽的“I”横截面执行，并且形成的挤压件被切断以形成压紧块56。所述块的大多数尺寸并不严格要求，因此良好地适合于低廉的制造技术，诸如挤压。反之，压紧块的轴向尺寸b必须精确，因为该尺寸决定完成的磁体中的线圈之间的间隔，这对于实现所设计的在所产生的磁场中的均一性是关键的。在优选实施方式中，挤压件在该尺寸b上被制成为略过大，并且由该挤压件形成的压紧块仅在该尺寸上被磨制到应有的尺寸。这种磨制是相对简单且廉价的处理，而又相对精确。生成的表面可例如通过阳极氧化被专门制备，以粘结至相邻部件。图6A示出了替代类型的压紧块57。压紧块在方向60上具有基本长方形横截面，并且可以通过挤压进行生产。其具有在近似径向方向上且形成在所述基本长方形横截面的角部附近的孔59。这些孔允许针对压紧块的一些灵活性，并且使得压缩力61优先通过压紧块57的主体传播，这与压紧块56的应力途径类似。孔59引入的挠曲阻止在压紧块57的径向定向边缘63上的高压缩力，这与图6中的压紧块57的径向定向边缘的挠曲类似。表面65可以与图6中的压紧块所述的方式相类似的方式来加工并制备。优选地，压紧块56不直接附接到线圈。如图6所示，优选地，每个均与用于浸溃线圈的树脂有效粘合的片状电绝缘体的弧形板58设置在每个压紧块56和相邻线圈52、54之间。适当材料的示例包括玻璃纤维增强环氧树脂、酚醛树脂片材，诸如名为“TUFNOL Grade10G/40”的在售材料。片状电绝缘体被切割成为弧形58，具有与相应线圈匹配的曲率并且具有与压紧块56的中心之间的周向距离的倍数相当的周向延伸量。弧形板58以粘合方式或机械方式附接到压紧块56。如图6所示，这可通过如下实现在压紧块56的承载面中钻制并攻丝孔62 ;在弧形板58中设置相应的未攻丝的沉头孔64，并且将弧形板58用尼龙螺钉66附着到块56。压紧块56还可粘结至弧形板58。块56和弧形板58可组装成完整的环，它们然后被粘结至相邻线圈，其被准确定位在用于该处理部分的夹具或类似结构中。挤压件56的宽的“I”截面被认为提供了压缩力在相邻线圈52、54的表面上的有用分布，而无需设置可能形成高的局部压力的陡边缘。图5中图示了进出块(in-out block) 67。这些块可具有已知构造。它们用来保护超导线的从线圈凸出的部分，通常是每个线圈的起始和末端以及需要在多段配线之间制成接头的连接部。例如，每个进出块67可由一堆热塑性板构成，每个热塑性板设有一个或更多个适于收纳在线圈中使用的超导线的导沟。超导线的突出部分被放置在所述导沟中的一个之中、在与配线从线圈凸出的点相匹配的径向位置处。进出块可随着线圈的缠绕而构建成，且与线圈一同被浸溃，以牢固地结合线圈。图5示出了压紧块56的变型例，其位于线圈A和B之间，并且在图7中更为详细地图示。端线圈A比内层线圈B、C明显更大，并且承受更大的公知为周向应力的径向力。这可使端线圈A比相邻线圈B径向扩展至更大的范围。这将使相当的径向弯曲载荷作用在固体压紧块56上。为降低该装载以及它会作用在线圈52、54上的应力，可使用改进的压紧块，如图5和7中所示。该改进的压紧块56设有延伸穿过压紧块56的轴向延伸狭槽70。这些狭槽70大致将所述块分为多个径向薄块，所述多个径向薄块在它们的轴向端部处接合。这种布置比固态块更易于变形。图7图示了图5中所示压紧块之一的挠曲。挠曲度被夸大，以清楚说明。如图7中所示，狭槽70使得端线圈A比内层线圈B径向扩展至更大的范围。在优选实施方式中，狭槽70在其每个末端处具有增大的部分72，以协助所述块的挠曲并且减少狭槽端部处的金属疲劳发生率。狭槽70和任意增大的部分72可通过高压水射流的操作形成。同样地，它们的形成可采用更传统的方法，诸如钻制和锯开。传统的超导接头73可设置在压紧块56之间的位置中。如图5中所示，线圈C和D具有比其它线圈更小的横截面。作用于线圈A和B、以及E和F的轴向载荷必须由线圈C和D的结构支撑。由于这些线圈具有相对小的横截面，则例如加强件74的层可设置在线圈C和D的径向内表面和/或径向外表面周围。这可采取例如由铝或不锈钢制成的加强配线的形式，所述配线与线圈一同缠绕且包括在浸溃步骤 中。这些加强配线的作用是增强线圈本身的机械强度，且增大线圈的径向尺寸，从而允许使用更厚、更强固的压紧块56。图8A-8D示出了根据本发明实施方式的构造励磁线圈的组件的示例方法中的步骤，与参考图5-7所述的实施方式类似，但其中线圈被现场缠绕在压紧块和弧形板之间。图8A示出了准备模子的初始步骤。多孔聚四氟乙烯层80 (PTFE)覆盖了模子的内表面、筒管20和端部凸缘22。这有助于将成品从模子释放。压紧块56在所需的轴向位置处且以规则的周向间隔定位于筒管20之上，以限定缠绕通道82。设置了相应的通孔84，以允许定位螺钉32穿过筒管20，进入相应的在压紧块中的螺纹孔86中。可为每个压紧块设置一个或更多个孔86和螺钉32。如图8B中所示，现在弧形板58定位成界定缠绕通道82。如参考图6论述的，弧形板58可通过固定装置诸如尼龙螺钉66附接到压紧块56。如图SC所示，具有适当大小与形状的可变形置换器(displacer) 60可插入在相邻的压紧块56和弧形板58之间。这些支撑了弧形板，其形成了当缠绕线圈52、54时的缠绕通道82的壁。如图SC所示的、包括有置换器60的组件被用诸如环氧树脂的硬化材料浸溃，以浸溃线圈、将它们结合到弧形板58、并进一步将弧形板结合至压紧块56。与图3中所示的布置类似，可设置闭合板，以在线圈周围包围成中空的圆柱形模制空腔。通过用硬化材料填充模制空腔并且允许或者使得其固化，可形成具有恒定外半径的浸溃结构。填充材料可设置在被缠绕的线圈的外表面之上，以使它们形成共同的外半径。例如，可使用玻璃纤维带。这在线圈组件要附接至外圆柱支撑结构时是有用的，因为该支撑结构然后仅需是具有恒定内半径的简单管。可变形置换器60可在硬化材料已硬化时被移去。在替代实施方式中，可使用更复杂的闭合板布置，使得线圈可被浸溃且模制成具有不同的外半径。一旦完成浸溃步骤，将线圈组件从模子移去。螺钉32从压紧块56移去，并且边缘凸缘22被移去。由此产生的线圈组件的表面覆盖有多孔PTFE层80，其有助于模制件的拆除。为协助将线圈组件从筒管20移去，优选地筒管的表面略呈锥形。
锥形筒管的优点以及某些示例在图16-17和相应描述中示出。这种锥形筒管可用于本发明的任意示例方法和结构。图9示出了上述线圈组件可以整合在完成的磁体结构中的方式。根据上述方法中的任意方法，设置了内线圈组件90。在图9所示的示例中，在内线圈组件中示出了三个线圈。然而 ，本发明可应用于具有任意数目线圈的内线圈组件。在具有奇数线圈的内线圈组件中，将存在内层线圈。在内线圈组件具有偶数线圈的情况中，组件的轴向中点将通常位于两个线圈之间。图9中的示例提供了分离的端线圈92。通常，这些线圈缠绕到模子中且用诸如环氧树脂的硬化材料浸溃。一旦材料已经硬化，则线圈成为强固的自支撑线圈。它们可用压紧块96附接到内线圈组件，所述压紧块例如由上述的铝挤压件制成。通常，与内线圈组件的线圈54比较，端线圈52具有不同的尺寸，并且压紧块96可需要在径向方向上的专用形状，以便可接受地与端线圈52且与内线圈组件90连接。在图9图示的示例中，在使用时作用于各个线圈的体积力BF趋于朝着中心面在磁体的轴向中点处推动线圈52、54。这确保压紧块56、96全部处于压缩状态。压紧块在压缩状态下具有大的强度，但将线圈保持到压紧块的粘合会在拉伸中强度略弱。作用于每个线圈的力的方向是每个磁体设计的特征。在许多超导磁体中，设置了有效的屏蔽线圈98。它们具有比内层线圈54或端线圈52更大的半径。在使用中，屏蔽线圈98在与一般由内层线圈54传送的电流的方向相反的方向上传送电流。在图示示例中，体积力BF作用，以推动屏蔽线圈背离磁体的轴向中间平面。图9示出了被保持在本发明的线圈组件周围的适当位置处的屏蔽线圈98的示例布置。在图示的布置中，屏蔽线圈98被保持在相应轴颈(journal )100中，轴颈100本身通过保持腹板102附接到本发明的线圈组件，另外见图5。其它的装置可设置用于将屏蔽线圈保持到位，例如安装到轴向对准的压紧块56上的相应位置的简单框架。依赖于所涉及的可通过仿真计算的机械力，例如框架或腹板可安装在每组轴向对准的压紧块56上；或者每隔一组的轴向对准压紧块56上；或者每隔二组的轴向对准压紧块上。通常，压紧块56优选地是轴向对准的，以避免任何的弯矩被施加于线圈，当压紧块不轴向对准时会出现该情况。用如图I所示的由整体式树脂浸溃组件制成的内线圈组件90或者如图5所示的由被模制的线圈和被挤压的压紧块组成的组件可构造诸如图9中所示的布置。内线圈组件90可符合本发明的任意实施方式。本发明的线圈组件和方法的优选实施方式将参考图10-12论述。根据优选实施方式形成的结构类似于图I中图示的结构，其中多匝配线12形成的线圈嵌入在热固性树脂14或者类似物内。在线圈之间设置有交叉构件16或压紧块。这些以间隔方式围绕线圈周缘定位，并且用来将线圈相对于彼此保持到位。图10示出了用于缠绕根据本发明的线圈组件的模子的与图2中视图相对应的部分轴向截面图。筒管20设有边缘凸缘22，其中至少一个是可移去的。这些边缘凸缘限定内线圈组件的轴向延伸量。缠绕导梳(guide comb) 120绕筒管20的周缘布置在限定的轴向位置处。缠绕导梳包括通过空腔彼此隔开的缠绕颊板122，并且通过外周部分126接合。空腔限定了连接通道128。缠绕导梳彼此轴向隔开，以限定缠绕通道28。另外的缠绕通道28’形成在每个边缘凸缘22和轴向最接近的缠绕导梳120之间。优选地，缠绕导梳在周向上为弧形。缠绕导梳120、特别是缠绕颊板122可设有逐渐缩减的侧面，使得颊板在其径向外表面处的轴向延伸量大于颊板在其径向内表面处的轴向延伸量，以协助稍后导梳的移去。类似地，缠绕颊板122可设有逐渐缩减端部，使得颊板在其径向外表面处的周向延伸量大于颊板在其径向内表面处的周向延伸量。颊板是可移去的。在图2的示例中，配线12缠绕到缠绕通道28、28’中以形成线圈。具体地当生产用于MRI成像的磁体时，配线可以是本身公知的超导线。空腔128可填充多孔预制件，诸如泡沫或玻璃纤维模制品。在缠绕期间，缠绕导梳和多孔预制件保证了被缠绕的配线保持在缠绕通道28、28’内。在本示例中，多孔预制件仅到达被缠绕的线圈的径向尺寸的一部分。一旦完成缠绕，则用允许硬化的诸如环氧树脂的固化材料浸溃线圈结构和多孔预制件。由此产生的结构是硬化材料的整体式结构，其包围配线12和多孔预制件34。在浸溃步骤中，线圈可由放置在线圈和模制颊板上的圆柱形闭合板包围，以限定环形的模制空腔。在图示的情况中，在完成浸溃时，全部线圈具有相等的外半径。可提供其它布置，以允许该结构的线圈具有不同的外半径。一旦完成浸溃处理，则移去闭合板36 (如果使用了闭合板)。缠绕导梳120也可被移去。缠绕颊板122的逐渐缩减的侧面和端部以及梳的径向指向端面有助于它们从硬化材·料移去。缠绕导梳可以用诸如橡胶的可变形材料覆盖，或由诸如橡胶的可变形材料制成，这将有助于它们的移去。缠绕导梳可以涂有适当的脱模制，以有助于它们从固化材料移去。替代地，缠绕导梳可以留在原位。图11、12和13图示了可能的缠绕导梳布置。每个缠绕导梳包括通过外周部分126隔离的至少两个缠绕颊板122，其限定了用于在相邻线圈之间形成连接通道128的相应空腔。在图11的左手侧，缠绕导梳120-1示出为绕筒管20表面90°延伸。缠绕导梳120-1成形为允许在箭头130-1的方向上移去。径向指向的端面129确保了缠绕导梳中的一个的移去不会干扰相邻的缠绕导梳。空腔具有平行于移去方向130-1的端部。这确保了缠绕导梳移去时其不会影响形成在连接通道128内的交叉构件16。空腔可逐渐缩减，以具有比此更宽的径向内端。一旦浸溃材料硬化，则在方向130-1上移去缠绕导梳120-1，留下由连接通道128中的交叉构件16接合的浸溃线圈。在图11的右手侧，示出了一对可选的缠绕导梳120-2，每个缠绕导梳120_2绕筒管20的表面45°延伸。缠绕导梳120-2成形为允许在相应箭头130-2的方向上移去。径向指向的端面129保证了缠绕导梳中的一个的移去不会干扰相邻的缠绕导梳。空腔具有平行于相应的移去方向130-2的端部。这确保了缠绕导梳移去时其不会影响在连接通道128内形成的交叉构件16。空腔可逐渐缩减，以具有比此更宽的径向内端。图12示出了缠绕导梳120-3，每个缠绕导梳绕筒管20的表面90°延伸。每个缠绕导梳120-3成形为允许在相应箭头方向130-3上的移去。径向指向的端面129保证了缠绕导梳中的一个的移去不会干扰相邻的缠绕导梳。空腔具有平行于相应的移去方向130-3的端部。这确保了缠绕导梳移去时其不会影响在连接通道128内形成的交叉构件16。空腔可逐渐缩减，以具有比此更宽的径向内端。图13示出了完全绕筒管20的表面延伸的缠绕导梳120-4。例如，该缠绕导梳可通过适当材料的挤压形成。通过构造这种柔性材料制成的缠绕导梳，其中筒管20的内径略小于外径，则缠绕导梳120-4会将其自身在筒管保持到位。图示的缠绕导梳120-4适于缠绕导梳在线圈浸溃之后留在原位的实施方式。替代地，并依赖于所挑选的用于缠绕导梳的材料，缠绕导梳可脱离并被弃用。在又一变型例中，缠绕导梳由柔性材料制成，且可在浸溃材料硬化时从被浸溃的线圈剥落。在该实施方式中，缠绕导梳可形成为适当地保持在一起且围绕筒管20的多个部分。空腔具有径向端部。这确保了缠绕导梳在其移去时不会影响在连接通道128内形成的交叉构件16。空腔可以逐渐缩减，以具有比此更宽的径向内端。如果缠绕导梳被留在原位，则制成缠绕导梳的材料必须足够强固以使缠绕通道中的配线在线圈缠绕时对准，而又不是太强固而阻止了线圈在工作时的挠曲和相对运动。示例材料是结构性聚氨酯泡沫，诸如用于建筑业。然后，例如通过将边缘凸缘22中的一个移去，并使所述组件在轴向上滑动脱离筒管20，将由此产生的被浸溃的线圈组件从模子移去。筒管的边缘凸缘和外表面可涂覆有适当的脱模制，以辅助移去固化的线圈组件。图14示出了由此产生的线圈组件的示例110。其中，过去设置了连接通道128，现在交叉构件16形成为仅延伸线圈径向尺寸的一部分。该整体式结构确保了线圈12被牢固 地保持在它们的各自相对位置中。图4的特征可应用于诸如图14中所示的线圈组件。被模制的线圈的间隔可通过诸如缺口 40的应力集中特征而得以促进。如在上述实施方式中，内线圈组件10的线圈B、C、D和E中的若干或全部可从单段配线缠绕成。但是，如果从单段配线缠绕，则发现将该配线从一个线圈穿过交叉构件16通向下一线圈是有利的。如果采用这种方案，则交叉构件16不应脱离。在通过任意上述方法生产时，带有基本相同外半径的线圈12的线圈组件110可安装在外部管状线圈支撑件160内，例如图15中所示。虽然所述的任意的线圈布置可以这样安装，但图15示出了外部支撑的线圈布置110的轴向横截面，诸如图14中所示的。在图15中，示出了线圈12、交叉构件16中的多孔预制件34的相对位置和用于使线圈具有基本相同外半径的填充材料118的示例。全部这些结构以整体方式嵌入在诸如环氧树脂的硬化材料14内。一旦组装到外部管状线圈支撑件160中，则交叉构件16可用参考图4所述的方式脱离，从而允许线圈在相对独立地关于外部管状线圈支撑件160扩展或缩小方面具有更大自由度。为此，使用仅延伸线圈12的径向高度的一部分的交叉构件16是有利的。如图I中所示，占据线圈的整个径向高度的交叉构件16将结合到外部管状线圈支撑件160，因此在期望时很难移去。图15的组件可以通过如下构造成将例如是环氧树脂的粘合剂施加到外部管状线圈支撑件160的内表面、或线圈12的径向外表面、或该两个表面；然后将线圈组件110滑入外部管状线圈支撑件160中。替代地，线圈组件可以干式放入外部管状线圈支撑件160中，且应用浸溃处理以将线圈组件结合到外部管状线圈支撑件160。本发明的线圈组件依靠线圈本身的结构强度来提供径向和轴向稳定性。由于不需要将线圈安装到线圈架，可通过本发明方法生产出具有非常规横截面的线圈，例如，逐渐缩减的线圈或其它非长方形线圈横截面。例如通过将与图5和图9中所示结构相类似的支撑结构安装在外部管状线圈支撑件160的外表面上，可将屏蔽线圈添加到图15中的结构。
虽然已经具体参考某些非限定性示例描述了本发明，但本发明提供了至少一些如下优点支撑结构仅须抵抗单一轴向载荷。这允许使用更轻的结构。使用被树脂浸溃的线圈的结构强度被浸溃的线圈充当本发明线圈组件中的整体式结构元件。被树脂浸溃的复合线圈的固有抗压强度被用以将线圈体积力传向磁体的轴向中间平面。本发明仅使用非常简单的工艺装备，诸如具有端部凸缘22的单个筒管20。因此所述工艺装备比较便宜，并且相对可靠。由于同一工具被用于制造许多个线圈组件，本发明将产生出在磁体之间具有一致的裸磁体均一性的磁体。按常规方法，用于缠绕磁体的大的精密加工的线圈架在材料和人工成本上是昂贵的。它们只能来自全世界若干地方。它们体积庞大且运输昂贵。本发明可使用诸如树脂浸溃玻璃纤维的复合材料制成的、在励磁线圈的浸溃期间现场形成的压紧块。这种压紧块很便宜，并且在现场形成，不需要加工，从第三方供应商获得、运输或存储。仅须维持构成部分的充足的库存，所述构成部分根据需要即填充材料、硬化材料和固化剂。替代地，可以使用例如挤压铝材制成的压紧块。这些只需要在轴向上精确加工。它们可由许多厂商中任一厂商以便宜的成本制成。它们重量轻，且在运输时需要非常少的空间。铝压紧块在挤压后的处理仅包括磨削两个相对面，用于精确的轴向长度；以及可能地钻孔，用于角部处的应力消除。压紧块在挤压模具中的形状可适于减小在所述块边缘处的应力集中。用于将超导线圈一起装配到内磁体组件中的常规方法通常要求多个浸溃或粘合步骤，这导致了长的制造提前期，且增大了损害线圈的机会。本发明提供了单步方法浸溃线圈，制造并附着采用压紧块形式的间隔装置和机械支撑结构，从而显著加速并简化了制造过程。如对本领域技术人员显而易见的，本发明涵盖其它的变化和修改，在下面的段落中描述了该修改的一些不例。本发明提供的线圈组件可使用含有液体冷却剂的冷却剂容器来有效冷却。替代地，其它的冷却系统，诸如传导冷却或者热虹吸冷却，可用于本发明的线圈组件，因为线圈的表面易接触到。本发明的内线圈组件可以在内部或在外部结合到支撑结构-例如是管状的非磁性结构-用于提高所生成磁体的稳定性。内线圈组件确保了线圈在内线圈组件中的精确的 相对位置。磁场的大部分通过端线圈52和屏蔽线圈98产生。本文描述的内线圈组件的内层线圈承受的载荷较低，但需要在空间中被最为精确地定位以产生成像所需的均匀场。根据本发明，内层线圈可制造为本发明内线圈组件的单个单元。这确保了能够保证这些关键线圈的相对位置，同时保证较低的内在载荷允许结构在没有诸如常规线圈架的外部载荷支承结构的情况下操作。如从图9中的例证能够看到的，每个线圈的径向中点与向内相邻线圈的径向延伸的一部分轴向对准，以允许压紧块抵抗每个线圈的体积力，而不会将弯矩施加在任一线圈上。本发明已经就具有四个内层线圈54、一对端线圈52和一对屏蔽线圈98的磁体进行了具体说明。当然，本发明可应用于具有不同数目线圈的磁体。类似地，虽然本发明方法中所述的筒管20可以是圆柱形的或者基本是圆柱形的，并且优选地逐渐缩减，从而形成圆形线圈，但可使用具有其它外表面形状的筒管，只要它们满足具有适当的在上面缠绕线圈的表面的要求，并且被成形为使得它们可从完成的线圈中移去。
所述的磁体组件和方法的许多其它变型例和修改对于本领域技术人员是显而易见的，并且落在如所附权利要求限定的本发明中。
权利要求
1.一种包括多个线圈(12)的磁体组件(10;90)，其中，每个线圈的径向中点与轴向向内的相邻线圈的径向延伸的一部分轴向对准，并且压紧块(16;56)以周向间隔的方式设置在相邻线圈之间，从而将所述线圈保持在固定的相对位置中。
2.根据权利要求I所述的磁体组件，其中，所述线圈和所述压紧块用硬化材料(14)浸溃。
3.根据权利要求2所述的磁体组件，其中，所述压紧块(16)由复合材料构成，所述复合材料本身由利用所述硬化材料浸溃的多孔填充材料形成，并且所述线圈和所述压紧块形成所述硬化材料的整体式结构。
4.根据权利要求3所述的磁体组件，其中，所述压紧块设有应力集中特征(40)，所述应力集中特征(40)便于所述压紧块的选择性移去。
5.根据权利要求3所述的磁体组件，其中，与所述线圈中的至少一个相连的配线穿过压紧块通向相邻线圈。
6.根据权利要求5所述的磁体组件，其中，所述线圈的配线遵循以下模式 将第一配线层缠绕在第一线圈(B)上； 将所述配线穿过压紧块(16)通向相邻的第二线圈(C)，其中所述配线缠绕到所述第二线圈上的第一配线层中；如此直到第一配线层缠绕到从所述第一线圈(B)到最终线圈(E)的全部线圈中； 将所述配线缠绕到所述最终线圈(E)上的第二层中； 将所述配线反向穿过压紧块(16)通向相邻线圈，其中所述配线缠绕到所述相邻线圈的第二层中； 将所述配线穿过交叉构件(16)并且作为第二配线层缠绕到线圈(D)中；如此直到第二配线层缠绕到从所述最终线圈(E)到所述第一线圈(B)的全部线圈中； 如此直到所述线圈完成。
7.根据权利要求5所述的磁体组件，其中，所述线圈的配线遵循以下模式 将所述配线缠绕到第一线圈(B)中； 将所述配线穿过压紧块(16)通向相邻的第二线圈(C)，其中所述配线缠绕到所述第二线圈中； 如此直到所述线圈完成。
8.根据权利要求I或权利要求2所述的磁体组件，其中，所述线圈(52;54)被分别模制，并用硬化材料浸溃，然后通过以间隔方式围绕所述线圈周缘放置的固体压紧块(56)接口 ο
9.根据权利要求8所述的磁体组件，其中，所述固体压紧块(56)被粘结至所述线圈。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的磁体组件，其中，所述固体压紧块通过挤压形成，且被按一定长度切割。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的磁体组件，其中，所述压紧块由铝构成，并且所述压紧块的表面被阳极化处理。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的磁体组件，其中，所述压紧块(56)以宽的“I”横截面被挤压。
13.根据权利要求8-11中任一项所述的磁体组件，其中，所述压紧块(56)基本是长方形，孔(59)以近似径向方向上形成在角部中。
14.根据权利要求8所述的磁体组件，其中，由电绝缘片材制成的弧形板(58)设置在每个压紧块和每个相邻线圈之间。
15.根据权利要求14所述的磁体组件，其中，所述电绝缘片材制成的弧形板(58)附接至所述压紧块，并且所述线圈粘结至所述弧形板。
16.根据权利要求8-15中任一项所述的磁体组件，其中，所述压紧块的至少一部分设有从中穿过的轴向延伸的狭槽(70)，所述狭槽(70)大体上将相应压紧块中的每个分为连接在一起的多个径向薄块。
17.根据权利要求8-16中任一项所述的磁体组件，其中，一个线圈包括加强件(74)的层，由此增强所述线圈的机械强度，并且用于增加所述线圈的径向尺寸。
18.根据任意前述权利要求所述的磁体组件，其中，所述线圈被结合至管状的支撑结构(160)。
19.根据权利要求18所述的磁体组件，其中，所述线圈中每一个的径向外表面被结合至所述管状的支撑结构的内表面。
20.根据权利要求18所述的磁体组件，其中，所述线圈中每一个的径向内表面被结合至所述管状的支撑结构的外表面。
21.根据任意前述权利要求所述的磁体组件，还包括屏蔽线圈(98)，所述屏蔽线圈(98)具有比所述线圈组件更大的半径，所述屏蔽线圈安装成与所述压紧块(26;56)中的一个轴向对准。
22.一种用于生产由多个轴向对准的线圈组成的磁体组件的方法，包括如下步骤 -提供筒管(20 )，所述筒管(20 )具有外表面； -将端部凸缘设置到所述筒管，所述端部凸缘中的至少一个是可移去的； -将缠绕颊板(24)绕所述筒管的周缘布置在所述筒管外表面上的限定轴向位置处，所述缠绕颊板(24)绕所述周缘彼此隔开以限定连接通道(26)，并且彼此轴向隔开以限定缠绕通道(28)； -将配线(12)缠绕到所述缠绕通道中以形成线圈； -用硬化材料浸溃所述线圈； -使所述硬化材料硬化；并且 -从形成的被浸溃的结构移去所述筒管、端部凸缘和缠绕颊板。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括步骤在缠绕步骤之前将多孔预制件(34)设置在所述连接通道(26)中。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其中，所述缠绕颊板(24)在周向上为弧形，具有径向指向的端面(29)，并且具有逐渐缩减的侧面(30)，使得颊板在其径向外表面处的轴向延伸量al大于颊板在其径向内表面处的轴向延伸量a2。
25.根据权利要求22-24中任一项所述的方法，其中，所述缠绕颊板(122)设置为具有缠绕导梳(120)的特征，每个缠绕导梳包括通过外周部分(126)分隔的至少两个缠绕颊板，从而限定相应的空腔，用于形成相邻线圈之间的连接通道(128)。
26.一种用于生产由多个轴向对准的线圈组成的磁体组件的方法，包括如下步骤 -提供筒管(20)，所述筒管(20)具有外表面；-将端部凸缘设置到所述筒管，所述端部凸缘中的至少一个是可移去的； -将固体压紧块(56)绕所述筒管的周缘布置在所述筒管外表面上的限定轴向位置处，所述固体压紧块(56)绕所述周缘彼此隔开，并且彼此轴向隔开以限定缠绕通道(82); -将置换器(60 )在周向上布置在所述压紧块(56 )之间； -将配线(12)缠绕到所述缠绕通道中以形成线圈(52; 54); -用硬化材料浸溃所述结构； -使所述硬化材料硬化；并且 -从形成的被浸溃的结构移去所述筒管、端部凸缘和置换器。
27.一种用于生产由多个轴向对准的线圈组成的磁体组件的方法，包括如下步骤 -提供筒管(20 )，所述筒管(20 )具有外表面； -将端部凸缘设置到所述筒管，所述端部凸缘中的至少一个是可移去的； -将预制的、被浸溃的线圈围绕所述筒管的周缘以在限定轴向位置处的固体压紧块(56)间隔开的情况下布置在所述筒管的外表面上，围绕所述周缘被彼此隔开； -将置换器(60)在周向上布置在所述压紧块(56)之间； -用硬化材料浸溃所述结构； -使所述硬化材料硬化；并且 -从形成的被浸溃的结构移去所述筒管、端部凸缘和置换器。
28.根据权利要求26或权利要求27所述的方法，其中，在线圈被放置或形成在所述筒管的外表面之前，将多孔PTFE层(80)覆盖在所述筒管的外表面和所述端部凸缘的内表面上。
29.根据权利要求26-28中任一项所述的方法，其中，在浸溃步骤之前，电绝缘的弧形板(58)被定位在所述压紧块(56)和所述线圈之间。
30.根据权利要求23-29中任一项所述的方法，其中，在浸溃步骤之前，设置闭合板以在所述线圈周围包围成环形的模制空腔，然后所述模制空腔在浸溃步骤中被填充硬化材料，从而形成具有恒定外半径的被浸溃的结构。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，在设置所述闭合板的步骤之前，填充材料设置在被缠绕的线圈中的至少一些线圈的外表面上，以使它们产生共同的外半径。
32.根据权利要求22-31中任一项所述的方法，其中，所述筒管的外表面逐渐缩减，并且所述筒管在所述筒管的大端的方向(160)上背离所述被浸溃的结构的轴向中心从所述被浸溃的结构移去。
33.根据权利要求22-31中任一项所述的方法，其中，所述筒管由两个部分(20a，20b)组成，所述筒管部分中每一个的外表面逐渐缩减，并且每个筒管部分在所述筒管部分的大端的方向上背离所述被浸溃的结构的轴向中心从所述被浸溃的结构移去。
34.一种用于生产由多个轴向对准的线圈组成的磁体组件的方法，包括如下步骤 生产两个分段磁体结构；每个通过权利要求32所述的方法生产；并且 将所述分段磁体结构接合在一起。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述分段磁体结构的相应大径端被接合在一起。
36.根据权利要求34所述的方法，其中，所述分段磁体结构的相应小径端被接合在一起。
37.一种大致如在附图的图1、4、5-7、9、14、15中所述的并且示出的磁体组件。
38.一种大致如在附图的图2、3、6、6A、8A-8D、10-13中所述的并且示出的用于生产由多个轴向对准的线圈组成的螺线管磁体的方法。
全文摘要
本发明涉及一种磁体组件(10;90)，包括多个轴向对准的线圈(12)，其中每个线圈的径向中点与向内相邻的线圈的径向延伸的一部分轴向对准，并且压紧块(16;56)以周向间隔的方式设置在相邻线圈之间，从而将线圈保持在固定的相对位置中。
文档编号G01R33/3815GK102906587SQ201180025954
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月23日 优先权日2010年5月26日
发明者S.J.卡尔弗特, P.R.戈尔 申请人:英国西门子公司