低温线圈组件及其制造方法与流程

公开的实施例涉及低温电线圈领域。更具体地，公开的实施例涉及不从其基材层离的在低温温度下使用的扁平螺旋线圈。

背景技术：
扁平螺旋线圈或饼形线圈是通常用于感应、调制或形成电场和磁场的常见电气装置。一般地，当组装扁平螺旋线圈时，在电线在基材上被缠绕成扁平螺旋形状之前电线被牵拉通过环氧树脂池，使得树脂涂敷到线外部。随着环氧树脂固化，其与基材形成结合，将扁平螺旋线圈保持在适当位置并且保持其形状。该技术对于在室温或接近室温情况下形成和使用的线圈非常适用。然而，对于许多应用，要求较冷的温度。例如，超导性要求低温温度。在许多情况下，由超导电线缠绕扁平螺旋线圈可以是有用的，例如允许构建与利用非超导电线所可能构建的相比而言灵敏得多的仪器。在这种极度敏感的应用中，几何结构稳定性是一个担忧，并且由于将线圈冷却至超导温度所引起的温度的大幅变化导致电线的热收缩、基材和环氧树脂产生应力以及材料的应变或翘曲。另外，当使用环氧树脂来将超导线圈与基材结合且随后将其冷却至低温温度时，差别热收缩经常导致比环氧树脂-基材结合所能承受的剪切力大的剪切力，导致线圈的层离。解决该问题的一种方法是试图匹配电线、基材和环氧树脂的热膨胀系数。然而，虽然有时可以紧密地匹配这些中的两者，但匹配全部三个经常非常难。即使是能够实现，也经常需要其它材料性质的非期望的折中，诸如材料的热导率或可加工性。

技术实现要素：
根据本发明的一个实施例，低温线圈组件被公开。该低温线圈组件包括：具有平坦表面的基材；被定义在所述平坦表面的区域中的多个径向通道；覆盖所述多个径向通道的螺旋线圈；以及用于使所述螺旋线圈与所述基材结合的化学结合剂，其中所述化学结合剂存在于所述多个径向通道内。根据本发明的另一实施例，制造低温线圈组件的方法被公开。该方法包括：a)将电线的引线紧固在基材的导引通道内，其中多个径向通道和所述导引通道形成在所述基材的大致圆形区域中，b)将所述基材夹持到支撑板，其中间隙被定义在所述基材与所述支撑板之间以容纳所述电线，其中所述支撑板适于抵制对化学结合剂的附着性；c)将心轴可移除地紧固到所述支撑板和基材，其中所述心轴定位在被定义在所述基材的圆形区域的中心处的孔中；d)转动所述心轴、基材和支撑板以将电线缠绕成螺旋线圈，其中所述电线在被缠绕成线圈之前穿过池，其中所述池包含化学结合剂；以及e)允许所述化学剂固化，其中在固化期间，所述化学剂渗入所述径向通道内。附图说明为了更好地理解所描述的示例性实施例以及更清楚地显示出如何来实施这些实施例，现在通过示例的方式参考附图，在附图中：图1示出了螺旋线圈的示例。图2A示出了定形的基材的一个实施例的平面图。图2B示出了定形的基材的另一实施例的平面图。图3A-3D示出了沿着线A-A'的剖面的示例性实施例。图4A示出了沿着线A-A'的剖面，其中扁平螺旋线圈和固化的环氧树脂处于适当位置。图4B示出沿着线B-B'的剖面，其中扁平螺旋线圈和固化的环氧树脂处于适当位置。图5示出了定形的基材的另一实施例的平面图。图6A-6D示出了沿着线C-C'的剖面的示例性实施例。图7示出了沿着线C-C'的剖面，其中扁平螺旋线圈和固化的环氧树脂处于适当位置。图8示出了定形的基材的另一实施例的立体剖开视图。图9示出了一种制造低温线圈组件的方法的立体剖开视图。具体实施方式根据示例性实施例，图1示出了扁平螺旋线圈100。优选地，除了引线140在绕组上交叉而到达线圈的中心，该线圈是盘旋一层之厚的电线。如图所示，电线110具有被绝缘物130围绕的导电核心120。下面的描述将指的是类似图1所示的简单的扁平螺旋线圈。然而，本领域技术人员将理解，所描述的实施例能够适用于与基材结合的任何类型的线圈。例如，线圈可以是双线扁平螺旋线圈。可选地，本文所描述的圆形几何形状可被修改以便于其它紧密组装的电线形状在室温下与基材结合但是在低温温度下运行。图2A示出了定形的基材200的一个实施例的平面图。虚线150、160大概显示出缠绕后的扁平螺旋线圈100的外边缘150和内边缘160的位置。除了一系列径向通道210之外，基材200的安装有扁平螺旋线圈100的表面205被加工成平坦的。径向通道210被切割到基材200的平坦表面205中，并且优选地从扁平螺旋线圈100的内边缘160略内侧延伸到外边缘150略外侧，使得没有不经过至少一个径向通道210一整匝扁平螺旋线圈100。发现1-3个电线直径的距离是足够的。例如，考虑包括150μm直径的电线的线圈，其中内径是4.5mm，外径是22mm。在该情况下，距径向通道210端部的150-450μm的距离应当足够。图2A示出了围绕圆周被均匀地间隔开的八个径向通道210。然而，根据径向通道210之间的期望间距，可以使用任何适合数量的径向通道。图2B示出了定形的基材200的另一实施例的平面图。该图中的对应于图2A中的那些的部件被赋予类似的附图标记。在该实施例中，开始于距内边缘160预定距离处且延伸恰超过外边缘150的增补径向通道215也被切割到表面205中。径向通道210之间的间距从内边缘160到外边缘150径向地增加。因此，电线110必须在表面205上延伸而不经过径向通道的距离也沿径向向外增加。在低温温度下，如果环氧树脂失去其在表面205上的保持，则扁平螺旋线圈100的位于径向通道210之间的部分会层离。当这种情况发生时，扁平螺旋线圈100的那些部分会向上弯，远离表面205，翘曲线圈，并且可能接触到靠近表面205的任何材料，诸如正被测量的对象。取决于扁平螺旋线圈100的应用和尺寸，在径向通道210之间可能存在最大分开距离，该最大分开距离是在扁平螺旋线圈100的位于径向通道210之间的部分的层离超过预定最大程度之前所能容忍的。增补径向通道215能被添加到基材200从而将电线110在任何两个相邻的径向通道210或增补径向通道215之间的长度保持在该最大分开距离容限内。例如，考虑包含150μm直径电线的线圈。已经发现，任何两个径向通道210之间的大约3.5mm的最大分开距离足以最小化层离。在该情况下，增补径向通道215将开始于径向通道210之间的间隔是3.5mm的地方且从那里沿径向向外继续。对于圆形线圈，其中r是增补径向通道215开始处距圆形线圈的中心(不是内边缘160)的距离，x是径向通道210之间的期望的最大间隔，而n是径向通道的数量。因此，对于8个径向通道情况下的3.5mm的期望间隔，增补径向通道应当开始于距线圈的中心近似4.4mm处。图2B还示出了可选的周向通道220。周向通道220优选地具有比扁平螺旋线圈100的直径略大的直径，使得在缠绕期间没有电线110的匝会意外滑入周向通道220中。虽然未示出，径向通道210或增补径向通道215可以与周向通道220交叉。一旦基材200被制备好，则电线110将在于基材200的表面205上被缠绕成扁平螺旋线圈100之前被拖拉通过环氧树脂池。环氧树脂将围绕电线110并且渗入径向通道和周向通道210、215、220中。随着环氧树脂固化，其将与表面205形成结合，从而将电线110保持为扁平螺旋线圈100的形状。图3A-3D分别示出了沿着图2A中的线A-A'的径向通道210的剖面300、310、320、330的示例性实施例。图3A示出了矩形剖面。图3B-3D示出了底切剖面，其中径向通道210的口340比形成至少一个底切360的基部350窄。优选地，径向通道210是根据图3D所示的剖面形状来切割的。底切剖面优选于矩形剖面。由于加工简易性以及底切360上方的凸缘的厚度，剖面330是尤其优选的。将理解的是，通道210的剖面形状的其它变型也可以使用。在这些形状中，优选的是，通道的口比环氧树脂可达的位于口下方的通道的某部分窄。一般地，径向通道210的宽度和深度的选择应当由环氧树脂的选择和电线110的直径来指导。在一个示例性实施例中，发现如下是有效的：电线直径是150μm且环氧树脂为TRA-BOND2115，在口340处通道近似250μm宽以及250μm深。根据图3A-3D中的一个所示的剖面切割的径向通道210以至少两种方式起作用以增大扁平螺旋线圈100到表面205的附着性以及防止层离。首先，增大的表面积意味着环氧树脂能够在其上与基材200结合的较大的面积。其次，如使用剖面330的图4A所示，固化的环氧树脂插塞370将不适合通过径向通道210的口340，从而提供扁平螺旋线圈100的电线110与基材200之间的机械结合。该机械结合抵抗层离，即使差别热收缩已经使得环氧树脂-基材化学结合受到剪切力。如果使用增补径向通道215，则它们也将优选地根据如图4A所示的剖面330被切割，使得固化的环氧树脂插塞370将提供对层离的机械耐受性。同样，如果使用周向通道220，则将优选的是根据如图4B所示的剖面330来切割它，使得固化的环氧树脂插塞370将提供对层离的机械耐受性。图5示出了定形的基材500的另一实施例的平面图。虚线大概显示出扁平螺旋线圈100的外边缘150和内边缘160在缠绕后将位于的地方。该实施例是通过切削周向通道220(图2B所示)外的表面向下到例如周向通道220的底面350(图3D所示)的水平而从图2B所示的实施例获得的。结果是基座形状，具有上平坦表面510和围绕上平坦表面510的下平坦表面520，径向通道210被切割到上平坦表面510中。径向通道210优选地与上述的那些径向通道相同，并且扁平螺旋线圈100完全抵靠在上平坦表面510上。还可以使用优选地与上述那些相同的增补径向通道215(图5中未示出)。沿着图5中的线C-C'从下平坦表面520到上平坦表面510的过渡可以具有若干形状。示例性的过渡形状530、535、540和550分别显示在图6A-6D中。过渡535、540和550具有底切560。具有底切的剖面是优选的，而由于加工简易性和底切560上方的凸缘的厚度，剖面550是尤其优选的。一般地，下平坦表面520与上平坦表面510之间的垂直距离将近似于径向通道210的深度且应当由环氧树脂的选择和电线110的直径来指导。在一个示例性实施例中，发现使用150μm直径的电线以及TRA-BOND2115环氧树脂、近似250μm的垂直间隔是有效的。图7示出了扁平螺旋线圈100的电线110处于适当位置的情况下沿着线C-C'的剖视图。固化的环氧树脂插塞570提供了帮助防止扁平螺旋线圈100的层离的机械锚定件或钩。另外，环氧树脂在冷却时比基材500收缩得更多并且由于差别热收缩而沿着基座的壁形成的周线应力也可以抵抗层离。图8示出了定形的基材500的另一实施例的立体剖开图。除了上述特征之外，该实施例示出了两个附加的可选特征：中央孔580和导引通道590。中央孔580在扁平螺旋线圈100的中心将位于的地方穿过基材500。中央孔580可用于插入心轴(图8中未示出)，扁平螺旋线圈100将要绕心轴被缠绕。一旦缠绕完成，心轴可被去除。导引通道590从上平坦表面510的外边缘向中央孔580延伸。导引通道590允许引线140在扁平螺旋线圈100下面延伸从而保持扁平螺旋线圈100的朝外的表面尽可能平坦。当扁平螺旋线圈100要非常接近于另一对象(如正被测量的对象)被使用时，这尤其有用。一些应用要求扁平螺旋线圈100在待测量对象的电线直径内并且在扁平螺旋线圈100下面延伸引线140来实现这些应用。优选地，导引通道590沿切线方向与中央孔580相交，如图8所示。其它径向通道210或者增补径向通道215可以被调节以适应导引通道590。当构造用于低温温度下的扁平螺旋线圈时，上述的基材设计提供了材料选择方面的显著的灵活度。例如，低温线圈组件的典型应用是用于测量电场或磁场的较小变化的超导线圈。由于缠绕线圈的简易性经常优选的是使用金属用于电线，并且可要求基材由金属、陶瓷或其它高度维度稳定的材料构造而成。对于精度应用来说，电线和基材的低热膨胀系数经常显著低于环氧树脂所可能达到的热膨胀系数，是非常期望的，使得线圈的尺寸在线圈冷却时不会显著地变化。此外，电线与基材之间的热膨胀系数的紧密匹配是在线圈冷却时最小化线圈的形状的翘曲所必要的。已发现，除了由环氧树脂和基材的表面形成的化学结合之外，固化的环氧树脂插塞在通道中的使用提供了抵制层离的机械结合。附加的机械强度允许对环氧树脂的热膨胀系数与电线和基材的热膨胀系数的匹配的约束的松弛。环氧树脂与电线/基材之间的10倍或以上的热膨胀差别已经过测试且表明线圈没有显著层离。例如，一种适合的材料组合包括具有MacorTM基材和TRA-BOND2115环氧树脂的铌线。铌和MacorTM具有非常相似的热性质。铌在低温温度下呈现超导性质。MacorTM是适合于以上述方式切割具有底切的通道的可加工陶瓷。TRA-BOND2115环氧树脂在低温温度下充分地表现，在缠绕期间很好地润湿电线且与MacorTM极好地结合。图9示出了根据示例性方法制造的示例性的低温线圈组件的立体剖开图。定形的基材500优选地根据图8如上文所述那样被加工成引线140位于导引通道590中，定形的基材500通过夹具595被夹到支撑板600上，其中心轴610延伸通过中央孔580(图8所示)。略大于电线110的直径的间隙优选地维持在上平坦表面510与支撑板600之间。优选地，支撑板600覆有环氧树脂不会附着到其的材料。例如，已经发现TeflonTM是有效的覆盖物。心轴610、支撑板600和基材500绕中心轴线630转动从而在上平坦表面510上绕心轴610将电线110拉成螺旋形。电线110紧接在缠绕前穿过环氧树脂池620。现在参考图4B、图8、图9和图6D，电线110在环氧树脂固化之前被缠绕成扁平螺旋线圈100，使环氧树脂有时间渗入径向通道210和增补径向通道215中的底切360中以及上平坦表面510的边缘处的过渡540中的底切550中。一旦环氧树脂固化，就形成了固化的环氧树脂插塞370、570，即使当组件被冷却到低温温度时，也赋予了对层离的机械耐受性。权利要求的范围不应受本文所描述的实施例和示例限制，而是应当被整体给予与说明书一致的最宽的解释。