专利名称：能产生磁场的线圈和所述线圈的制造方法
技术领域：
本发明涉及能产生磁场的、尤其适于产生强磁场和/或耐抗大的机械应力的线圈 和所述线圈的制造方法。
背景技术：
在磁场产生领域中，众所周知，通过由一个或多个被强电流穿过的线圈构成的“磁 体”来产生强磁场，其中所述线圈被冷却。所述线圈一般由圆柱形管构成，其中所述圆柱形管由导体或超导体材料制成，并 沿整体为螺旋状的、具有恒定或不恒定节距的切割线切割以形成匝。这些用于强场的线圈目前几乎只在强磁场实验室中使用，并且例如可以有效地在 RMN(核磁共振)仪中使用，以实现磁共振成像。这些RMN仪一般具有带有留给病人的中心空间的隧道型结构和环状结构，其中所 述环状结构一方面集成了用于在中心观察空间中产生均勻的、强的主磁场的装置，另一方 面集成了射频激励装置和射频信号处理装置，其用于处理由置于中心观察空间中的病人的 身体响应于激励序列而重新发出的射频信号。为了区分作为响应而发出的射频信号并创建 图像，这些仪器还包括所谓的梯度线圈，用于在均勻强磁场上叠加附加磁场，所述附加磁场 的值取决于其应用位置的空间坐标。例如在法国专利申请FR 2 892 524中描述了一种这样的RMN仪。磁场梯度线圈或产生强磁场的线圈受到大的电磁力，这些电磁力造成导致线圈匝 变形的机械应力。匝的变形可能造成仪器缺乏可靠性和/或对实现良好质量的成像不利的 磁场不均勻性。另夕卜，已知文件US 2，592，802、EP 0146494和US 3，466，743描述了感应线圈。文件US 2，592，802描述了这样一种感应线圈，该感应线圈由导体材料制成的并 沿多条整体为螺旋状的线切割以形成匝的管构成，其中所述匝被用于确保各匝之间分开的 竖直部分分开。所述分开部分被切割，以形成圆柱形孔两侧的一对分隔件，其中在所述圆柱 形孔中有利地插入由绝缘材料制成的杆。文件EP 0146494描述了一种由在圆柱形管中实施的不完整环状切除部构成的感 应线圈，其中所述不完整环状切除部通过两个竖直切除部连接。这种类型的感应线圈用于 允许分隔件在核反应器中移动，而不是用于接收高强度电流以形成强场。文件US 3，466，743描述了这样一种线圈，该线圈由导体材料制成的、沿整体为螺 旋状的线切割以形成匝的管构成，其中所述匝穿过最初沿管实施的孔，切割线填充有绝缘 材料以防止当线圈被很高强度的电流穿过时的任何变形。这些文件中描述的线圈没有一个是用于形成所谓的强场，并且没有一个能够吸收 由电磁力在线圈的匝上所造成的应力。
发明内容
因此，本发明的目的之一在于，通过提出一种能产生磁场尤其能产生强磁场的线 圈或线圈组以及设计简单、不昂贵并且能够吸收电磁力在线圈的匝上所造成的应力的所述 线圈的制造方法来克服这些缺陷。为了这个目的，根据本发明，提出了一种线圈制造方法，所述线圈能在其被电流穿 过的时候产生称为强场的磁场，该方法包括在圆柱形管中形成匝的步骤，其显著之处在于， 该方法包括至少一个在所述线圈的至少一个匝上形成至少一个凸起并在相邻匝中形成至 少一个具有对应形状的凹陷以使得该凸起垂直于所述凹陷延伸，从而允许吸收电磁力和热 源性机械力所造成的机械应力的步骤。根据符合本发明的方法的一个主要特征，该方法包括对凸起和凹陷进行预先优化 的步骤。该优化步骤至少包括以下步骤-对管和限定匝的切割线进行几何建模；_根据上述几何模型确定匝、凸起和对应凹陷的网格划分；-根据该网络划分模拟热升温和/或电磁场和/或机械性能；-与不包括凸起的所谓参考模型对比热升温和/或电磁场和/或机械变形。另外，给定匝上的连续凸起可以有利地在角度上隔开，以优化电磁应力的吸收并 避免匝过大的变形。所述凸起形成为使得每个凸起的凹形(concavitS)具有相同的取向。根据实施例变型，凸起形成为使得至少一个凸起的凹形具有和至少一个第二凸起 的凹形的取向相反的取向。通过沿整体为螺旋状的切割线切割圆柱形管来形成匝、凸起和对应的凹陷。另外，每个匝的宽度是恒定的或可变的。此外，可以在两个连续匝之间的切割线中放置绝缘材料。本发明的另一个目的涉及一种在被电流穿过时能产生称为强场的磁场的线圈或线 圈组，其中所述线圈由至少一个管或一组管构成，所述管由导体和/或超导体材料制成并被 沿整体为螺旋状的线切割，其显著之处在于，该线圈的至少一个匝包括至少一个凸起，所述凸 起垂直于在相邻匝中形成的凹陷延伸，从而允许吸收电磁矩在匝上造成的机械应力。有利地，匝上的连续凸起在角度上错开，以优化电磁应力的吸收并避免匝过大的 变形。所述线圈包括多个其凹形沿相同方向取向的凸起和凹陷。根据实施例变型，所述线圈包括多个凸起和凹陷，并且至少一个凸起的凹形具有 和至少一个第二凸起的凹形的取向相反的取向。每个凸起例如具有半圆形或三角形或正方形或长方形的大体形状。另外，每个匝的宽度是恒定的或可变的。此外，所述线圈包括填充切割线的绝缘材料。所述线圈由导电材料制成的圆柱形管制成或者由超导体材料制成。
从以下基于附图示例地而非限制性地给出的多个实施例变型的描述中，能产生磁 场尤其能产生强磁场的线圈和符合本发明的所述线圈的制造方法的其他优点和特征将变 得显而易见。在这些附图中-图1为符合本发明的线圈的透视图；-图2为符合本发明的线圈的实施例变型的透视图；-图3为符合本发明的线圈的局部透视图；-图4为符合本发明的、在图3中示出的线圈细节在绝缘板被压缩之前的透视图；-图5为符合本发明的、在图3中示出的线圈细节在绝缘板被压缩之后的透视图；-图6为示出符合本发明的线圈的制造步骤的图示。
具体实施例方式参照图1，线圈1包括整体为圆柱形的管2，在管2上通过以任何合适方式沿 螺旋切割线4切割而形成了匝3，其中所述管2例如由导电材料(如铜)或块状超导体 (superaconducteur massif)制成，所述线圈可能包括按本领域技术人员熟知的方式填充 切割线4的绝缘材料。根据Oz轴与管2的回转轴线重合的标准正交笛卡尔坐标系中的参数方程获得螺 旋切割线4 χ = Rcost, y = Rsint, ζ = kt，其中k表示严格为正的给定常数。R和t对应于 在OXOy平面中的圆柱坐标。线圈1的多个匝3包括凸起5，凸起5垂直于在相邻匝3中形成的具有对应形状的 凹陷6延伸，允许吸收当匝3被高强度电流穿过时电磁矩在匝3上造成的机械应力。在这个特定实施例中，匝3所有的凸起5和凹陷6整体上沿纵向直线排列。然而，明显地，两个相邻匝的凸起5可以在角度上错开。在图1中任意竖直地示出的线圈1的上部包括多个凸起5和凹陷6，其凹形沿相同 方向取向，即朝向所述线圈1的下端。另外，线圈1的下部也包括多个凸起5和凹陷6，其凹形沿相同方向取向，例如朝向 所述线圈1的上端，与所述线圈的上部的匝3的凸起5的凹形的取向的方向相反。显然，线圈1可以在一个或多个匝上只包括一个凸起和一个凹陷或包括多个凸起 和凹陷，至少一个凸起的凹形可以具有与至少一个第二凸起的凹形之取向相反的取向，而 不因此超出本发明的范围。在该实施例中，每个凸起5，以及因此每个凹陷6，都具有半圆形的大体形状；然 而，明显地，每个凸起5可以具有例如三角形、正方形或长方形的任意形状。另外，在这个特定实施例中，每个匝3的宽度是恒定的；然而，所有或部分匝的宽 度可以是可变的，分开两个相邻匝的空间的宽度是恒定的，包括在凸起5和凹陷6处。此外，线圈可以由多个管2构成，而不因此超出本发明的范围。根据符合本发明的线圈的实施例变型，参照图2，该线圈以和前述相同的方式由整 体为圆柱形的管2构成，在管2上通过沿螺旋切割线4切割而形成了匝3。根据Oz轴与管2的回转轴线重合的标准正交坐标系中的参数方程获得螺旋切割线4:χ = Rcos f(t),y = Rsin f (t)，ζ = kg (t)，其中R和k是严格为正的给定常数。注意到f(t)可以被替换为f(t，θ )，以调整在径向平面中沿Oz的切割线的角度。 于是凸起5和凹陷6将具有整体为锥形的形状，即其边缘不与管2的回转轴线垂直。函数g(t)优选地为三角函数，其形式例如为:x = Rcos (t),y = Rsin (t)ζ = t/ (2* π ) Φ (l+a*cos (4t))这样，相对于参考螺旋切割线，螺旋切割线4在匝3中形成凸起5和凹陷6，其中参 考螺旋切割线根据以下参数方程获得χ = Rcost, y = Rsint, ζ = kt，其中k是严格为正的给定常数。这里，“凸起”是指匝3相对于通过参考螺旋切割线获得的匝而凸出的部分。根据符合本发明的线圈的另一个实施例变型，参照图3，该线圈以和前述相同的方 式由整体为圆柱形的管2构成，在管2上通过沿整体为螺旋状的切割线4切割而形成了匝3， 其中所述匝包括凸起5和具有对应形状的凹陷6。所述凸起5和所述凹陷6具有梯形形状。凸起5和凹陷6的截面可以从管3的外壁向内壁减小。凸起和凹陷的这种形状尤其适于实施精细的匝和/或适于绝缘体的楔入(calage d’ isolant)0此外，注意到该技术可以应用于电流密度不均勻的线圈设计。另外，参照图4，如称为“pre-preg” ( “pre-impregnated”的英语缩写，意为“预 浸”)的预浸玻璃纤维板的绝缘板；所述板具有环形的截面形状，可以置于两个相邻匝3之 间。为了能够引入这些绝缘板7，匝3通过任何合适的方式分开(图4)。这些绝缘板7有利 地由至少3个叠放的绝缘薄片8构成。这样，参照图5，绝缘体一旦被压紧就符合匝3的轮 廓(dessin)而不会断裂。实际上，该绝缘薄片8的叠放使得绝缘体内部应力减小。另外， 中间片8从不与匝3的金属或超导体材料直接接触，这样保证了更好的电安全性。明显地，绝缘板7可以包括任意数量的片8，并且可以由任意绝缘材料制成，而不 因此超出本发明的范围。观察到，在连续的凸起5和凹陷6之间楔入绝缘板可以允许冷却液体在所述凸起5 和所述凹陷6处通过(图5)，在凸起5和凹陷6处不包括绝缘体的线圈2包括空隙(jour) 9， 空隙9允许冷却液体或流体在管的内部和外部之间流动，反之亦然。在阻抗式磁体(也称 常导型磁体)的情形下，所述冷却液体包括例如水，在超导材料的情形下，包括例如液态氮或氦。现在将参照图6来解释符合本发明的线圈的制造方法。在第一步骤100中，借助计算机辅助设计(CAO)软件(如CATIA 或由Open Cascade SAS公司商业化的Open Cascade)来建立匝的几何模型。在步骤200中，根据该 CAO模型，通过合适的软件(如CATIA 软件或DistSne公司的网格划分器Ghs3d )，进行 匝3以及凸起5和对应凹陷6的网格划分，然后在步骤300中，进行对应于前述网格划分的 热升温和/或电磁场和/或机械性能的模拟。在步骤400中，将通过所述网格划分而得到的所述热升温和/或电磁场和/或机 械变形与不包括凸起和凹陷的所谓参考模型进行比较。如果需要，可以对匝的几何进行修 改。然后，重复该过程直至获得合适的模型。
该相同的过程可以用于优化机械应力。然后，重复步骤100至400，直至获得具有最小热升温和/或均勻或几乎均勻的磁 场和/或由于电磁和热荷载引起的连续位移之最小化的网格划分。然后将如此确定的、对应于保留切割线的参数曲线传给数字切割机，在步骤500 中，该数字切割机在管2中进行匝3、凸起5和凹陷6的切割。注意到，在网格划分步骤100之前，根据IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,第 12 卷，第 1 期，2002 年 3 月的 Christophe Trophime, Konstantin Egorov、Franco is Debray>ffalter Joss 禾口 Guy Aubert 的出版论文〈〈Magnet Calculations at the Grenoble HighMagnetic Field Laboratory (格勒诺布尔强磁场实验室的磁体计 算)》的教导进行确定匝数、匝的宽度、管的尺寸(其长度、厚度和外直径)的步骤。另外，将观察到，凸起5与凹陷6协作，以保证匝的定心。显然，管2可以包括一组管，所述管2或管组由导体材料和/或块状超导体制成。 可替代地，管2可以包括支撑管，所述支撑管由例如铜或不锈金属制成，其上通过例如焊接 固定有超导体电线或电缆。设有符合本发明的凸起5和凹陷6的支撑管于是具有吸收电磁 力的功能以及在“骤冷”(即超导体部分意外或不意外地回复正常状态)的情况下热消散的 功能。最后，明显地，前述线圈可以在实验用途的磁场产生领域或例如核磁共振成像的 领域具有众多的应用，并且所给出的示例只是就本发明的应用领域而言绝非限制性的特定 例示。
权利要求
一种线圈制造方法，所述线圈能够在其被电流穿过时产生称为强场的磁场，所述方法包括在圆柱形管中形成匝的步骤，其特征在于，所述方法包括至少一个在所述线圈的至少一个匝上形成至少一个凸起并在相邻匝中形成至少一个具有对应形状的凹陷以使得所述凸起垂直于所述凹陷延伸，从而允许吸收电磁力和热源性热力所造成的机械应力的步骤。
2.如前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括对所述凸起和所述凹陷进 行预先优化的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述优化步骤至少包括以下步骤 -确定所述匝以及所述凸起和所述对应凹陷的网格划分；-根据所述网格划分模拟热升温和/或电磁场；-将所述热升温和/或电磁场与不包括凸起的所谓参考网格划分的进行比较； -将所述匝在电磁和热荷载下的位移与不包括凸起的所谓参考模型的进行比较。
4.如权利要求1至3中的任一个所述的方法，其特征在于，两个相邻匝的凸起在角度上 隔开。
5.如权利要求1至4中的任一个所述的方法，其特征在于，所述凸起形成为使得每个凸 起的凹形具有相同的取向。
6.如权利要求1至4中的任一个所述的方法，其特征在于，所述凸起形成为使得至少一 个凸起的凹形具有与至少一个第二凸起的凹形的取向相反的取向。
7.如权利要求1至6中的任一个所述的方法，其特征在于，通过沿整体为螺旋状的切割 线切割圆柱形管来形成所述匝、所述凸起和所述对应凹陷。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，每个匝的宽度是恒定的。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，每个匝的宽度是可变的。
10.如权利要求7至9中的任一个所述的方法，其特征在于，在两个连续匝之间的切割 线中置有绝缘材料。
11.一种在被电流穿过时能产生称为强场的磁场的线圈，所述线圈(1)由至少一个管 (2)或一组管构成，所述管由导体和/或超导体材料制成并被沿整体为螺旋状的线(4)切割 以形成匝(3)，其特征在于，所述线圈(1)的至少一个匝(3)包括至少一个凸起(5)，所述凸 起(5)垂直于在相邻匝(3)中形成的具有对应形状的凹陷(6)延伸，从而允许吸收电磁力 在所述匝(3)上造成的机械应力。
12.如权利要求11所述的线圈，其特征在于，所述匝(3)的相邻凸起(5)在角度上错开。
13.如权利要求11或12中的任一个所述的线圈，其特征在于，所述线圈包括多个凸起 (5)和凹陷(6)，它们的凹形沿相同方向取向。
14.如权利要求11或12中的任一个所述的线圈，其特征在于，所述线圈包括多个凸起 (5)和凹陷(6)，其特征还在于，至少一个凸起(5)的凹形具有与至少一个第二凸起(5)的 凹形的取向相反的取向。
15.如权利要求11至14中的任一个所述的线圈，其特征在于，每个凸起(5)具有半圆 形或三角形或正方形或长方形的大体形状。
16.如权利要求11至15中的任一个所述的线圈，其特征在于，每个匝(3)的宽度是恒定的。
17.如权利要求11至15中的任一个所述的线圈，其特征在于，每个匝(3)的宽度是可 变的。
18.如权利要求11至17中的任一个所述的线圈，其特征在于，所述线圈包括填充所述 切割线(4)的绝缘材料。
19.如权利要求11至18中的任一个所述的线圈，其特征在于，所述线圈由导体材料制 成的圆柱形管(2)制成。
20.如权利要求11至18中的任一个所述的线圈，其特征在于，所述线圈由块状超导体 材料制成。
21.为获得强场或均勻场如权利要求11至20中的任一个所述的线圈在磁体上的应用。
22.如权利要求11至20中的任一个所述的线圈在核磁共振仪的螺线管梯度线圈上的应用。
全文摘要
本发明涉及一种线圈制造方法，所述线圈(1)能够在其被电流穿过时产生称为强场的磁场，该方法包括在圆柱形管(2)中形成匝(3)的步骤，其显著之处在于，该方法包括至少一个在所述线圈的至少一个匝上形成至少一个凸起(5)并在相邻匝中形成至少一个具有对应形状的凹陷(6)以使得所述凸起垂直于所述凹陷延伸，从而允许吸收电磁力和热源性机械力造成的机械应力的步骤。本发明的另一个目的涉及一种能在其被电流通过时产生称为强场的磁场的线圈(1)，所述线圈由管(2)构成，所述管由导体材料制成并被沿整体为螺旋状的线(4)切割，其特征在于，该线圈的至少一个匝包括至少一个凸起(5)，所述凸起垂直于在相邻匝中形成的、具有对应形状的凹陷(6)延伸。
文档编号H01F7/20GK101911220SQ200880122575
公开日2010年12月8日 申请日期2008年10月23日 优先权日2007年10月24日
发明者C·特罗菲姆, F·德布雷, J·杜马斯, N·维达尔, R·普菲斯特 申请人:法国国家科学研究中心