平行、简化、无线圈架的多线圈超导磁体结构制造方法与流程

1.本发明涉及制造无线圈架的(formerless)多线圈圆柱形超导磁体的方法，以及通过这样的方法制造的圆柱形超导磁体。这样的磁体可以用作磁共振成像(mri)系统中的主磁场发生器。


背景技术：

2.常规地，圆柱形超导磁体是使用成形器制造的；或者是使用外部套筒制造的。由交替的环形线圈和环形间隔件组成的最近的无线圈架的磁体是已知的，但是该无线圈架的磁体可能是通过复杂且不可靠的制造方法制造的。本发明旨在提供用于制造无线圈架的圆柱形超导磁体的更简单、更可靠的制造方法，并且提供改进的无线圈架的圆柱形超导磁体。
3.铝或复合材料成形器通常用于“湿”磁体(通过与液态冷冻剂直接接触而冷却的磁体)和“干”磁体(没有通过与液态冷冻剂直接接触而冷却的磁体)。例如，超导导线卷绕在成形器上并且可以保持未浸渍，或者可以使用环氧树脂浸渍。这样的磁体结构也可以是湿卷绕的，也就是说，使用已经涂覆有环氧树脂的导线进行卷绕，而不是在卷绕之后进行真空浸渍。虽然这样的成形器的使用在线圈尺寸、形状和位置方面提供了良好的精度，但是成形器价格昂贵，并且必须占据线圈的径向内表面上的空间，从而增加了线圈的所需直径，并且使线圈远离成像体积。这两种影响都会增加所需的导线匝数。考虑到线圈布局所需的几何形状，线圈直径的增加带来了增加线圈之间的轴向间距的需要。这些影响增加了导线成本以及磁体的总长度和质量。
4.已经采用外部套筒线圈，在该外部套筒线圈中，螺线管具有外部机加工套筒以约束它们并且减少环向应力。所需的套筒制造起来往往很昂贵，特别是当由锻件制成时。所需的线圈机加工也很昂贵。包括多个线圈的组件也可以在外部套上套筒，但是这样的布置甚至具有更高的成本和复杂性，这是因为套筒通常形成为若干件以使得能够进行组装，并且所有线圈必须以非常高的精度加工或模制。
5.某些无线圈架的线圈是已知的，并且可以例如被称为“串联粘结磁体”或“sbm磁体”。sbm磁体可以使用堆叠有环形间隔件的各个线圈进行组装，但是这样的方法会导致制造时间长和磁体组件中制造公差堆叠，从而使得该方法不适用于批量制造的磁体。


技术实现要素：

6.因此，本发明寻求提供制造无线圈架的、多线圈、圆柱形超导磁体的方法，所述方法比已知方法更简单且更精确，并且与已知方法相比可以以降低的成本使用。本发明还提供可以通过这样的方法生产的无线圈架的、多线圈、圆柱形超导磁体。
7.因此，本发明提供了根据本发明内容的方法和装置。
附图说明
8.根据以下结合附图以非限制性示例的方式给出的对本发明的某些实施方式的讨
论，本发明的以上以及其他目的、特征和优点将变得更加明显，在附图中：
9.图1示出了可以在本发明的实施方式中使用的心轴的示例；心轴具有卷绕在其上的标记为14的薄复合包裹物，该包裹物可以使用树脂浸渍织物或湿卷绕方法卷绕在心轴上；然后在组装其他部件之前，将该包裹物固化并且机加工成圆柱体；
10.图2示出了本发明的方法中的步骤，其中，将间隔环装配至图1的心轴；将端部凸缘24装配至心轴的端部；对准梳形工具26确保了间隔环在将它们固定至包裹物之前处于正确的轴向位置；
11.图3a和图3b示出了本发明的将间隔环固定至包裹物的方法，其中，将间隔环在预定的轴向位置附接至心轴；
12.图4示出了本发明的方法中的后续步骤，其中，已经将超导线圈卷绕至心轴上，形成由间隔环限定的体积；
13.图5示出了可以通过本发明的方法制造的完整的无线圈架的、多线圈、圆柱形超导磁体；示出了完整的磁体，已浸渍并且移除了工具；
14.图6a示出了用于使包裹物14装配至如图2所示的心轴的湿卷绕或树脂浸渍材料的详细视图；
15.图6b示出了通过使用螺旋卷绕的薄复合条带形成薄包裹物的替选实施方式；
16.图6c示出了通过使用未对准的复合树脂浸渍织物材料条带形成薄包裹物的另一替选实施方式；
17.图7示出了根据本发明的另一实施方式的替选方法中的步骤，其中，使用易碎销72将间隔环20固定至心轴，并且使用端板78代替端部凸缘24；
18.图8示出了可以通过本发明的方法制造的完整的无线圈架的、多线圈、圆柱形超导磁体90，其中，使用易碎销72固定间隔环；易碎销72在心轴拔出期间被剪切，并且优选地例如通过凹槽被削弱，以确保易碎销72在心轴拔出期间在正确位置处被剪切；
19.图9示出了可以用于在根据本发明的方法的步骤中使用的装置中对准间隔件的易碎销72的细节；以及
20.图10示出了下述示例实施方式，在该示例实施方式中，在卷绕线圈之前将织物层66施加至心轴10，以便在不需要心轴的直径变化的情况下增加线圈的直径。
21.图8被示出为轴向横切，而其余附图被示出为全轴向或部分轴向截面。
具体实施方式
22.存在用于制造sbm磁体的已知方法。它们通常涉及阶梯式心轴，其中，心轴的外径向表面是阶梯式的；制造适当尺寸的间隔环，并且对接抵靠这些阶梯，以确保正确定位，并且线圈卷绕在如此定位的间隔环之间。
23.然而，心轴的阶梯式有效地增加了其厚度，并且导致线圈的内径增加，进而增加了导线的成本，并且相应地增加了磁体的轴向长度、质量和成本。通过简单地将间隔件抵靠在阶梯上来依靠间隔件的定位，在线圈卷绕期间可能会发生间隔件的一些移动，从而导致磁体的线圈不能精确地定位在成品结构中。本发明能够使用无阶梯心轴。正确定位的间隔件确保了线圈在成品磁体结构中的正确位置和间距。
24.本发明旨在提供一种“平行”sbm磁体，即具有恒定或近似恒定内径的sbm磁体。这
可以通过使用无阶梯的但具有平行壁或略微锥形的壁的心轴来实现，以帮助心轴拔出。这样的结构提供了某些优点，例如，与形成在阶梯式心轴上的磁体相比，降低了导线成本，并且消除了成品结构中已经发现会导致高应力区域的阶梯。通过在卷绕线圈之前在心轴上添加玻璃纤维织物层，可以略微增加各个线圈的内径，同时保持整个结构的恒定或略微锥形的内径。这可能需要实现所需的均匀性，同时优化所需的导线数量。下面在图10的描述中提供了该可选布置的更多细节。
25.图1以轴向截面示出了可以在本发明的方法中使用的示例心轴。心轴基本上关于轴线a-a旋转对称，并且关于中心平面c-c反射对称。心轴具有平行的边、或带有小锥形的近似平行的边。在本描述中，“轴向”和类似术语将表示平行于轴线a-a的方向，而“径向”和类似术语将表示垂直于轴线a-a的方向。
26.心轴10本身是中空圆柱体，在一些实施方式中具有略微的圆锥形。心轴可以是铝、不锈钢或能够保持精细光洁度的一些其他材料。心轴可以具有平行的径向外表面，或者圆柱形外表面12可以是略微锥形的。这样的锥形通常具有在心轴的长度上0.5mm的半径变化，心轴通常为1000mm至2000mm长，这取决于磁体类型。然而，心轴基本上是圆柱形的，并且在本文中提及的心轴是“圆柱形”涵盖了其中心轴的圆柱形外表面以多达约1度成锥形的实施方式。心轴的锥形使最终的心轴拔出更容易。
27.心轴10具有卷绕在其上的薄复合包裹物14。例如，这样的包裹物可以通过使用预先浸渍有热固性树脂的碳纤维织物或玻璃纤维织物卷绕在心轴上来形成，或者通过湿卷绕方法来形成，在该湿卷绕方法中，碳纤维长丝或玻璃纤维长丝在其被卷绕至心轴上时被热固性树脂润湿。在组装其他部件之前，包裹物的树脂浸渍材料然后被固化，并且机加工成圆柱体。
28.包裹物14通常具有0.5mm至2mm的径向厚度。包裹物不应当超过2mm，这是因为这将对线圈内部产生影响，并且可能导致分层。包裹物可以是各种构造的树脂浸渍玻璃织物，并且优选地通过释放层16与心轴10的圆柱形外表面12隔开。释放层可以是任何适当的材料，以减少或防止包裹物14与心轴10的圆柱形外表面12之间的粘附。示例材料包括施加至心轴10的圆柱形外表面12的ptfe(聚四氟乙烯)层；或者干卷绕剥离织物。
29.图2示出了根据本发明的实施方式的方法中的后续阶段。间隔环20装配至图1的心轴，此外，端部凸缘24例如金属环被装配至心轴的端部。对准梳形工具26提供突起和凹部，并且确保了间隔环20在固定至包裹物之前处于正确的轴向位置。
30.图6a示出了包裹在如图2所示的心轴10周围的浸渍织物60的包裹物14的视图；以及图6b示出了包裹物的替选实施方式，其中，包裹物是通过使用螺旋卷绕的薄复合条带的两层62、63形成的。图6c示出了另一替选方案，其使用树脂浸渍织物的单独条带64的层，每个条带64具有约为心轴10的周长的一半，定位成使得条带端部66之间的接合部65在相邻层中不对准。
31.再次参照图2，环形间隔件20位于沿心轴10的圆柱形外表面12的预定轴向位置。环形间隔件20之间的间隙22限定了用于线圈卷绕的预定尺寸的体积。在所示的实施方式中，提供了端部凸缘24，端部凸缘24在心轴10的端部上延伸。这些凸缘可以与环形间隔件20协作来限定最靠端部的间隙22，最靠端部的间隙22限定了用于端部线圈卷绕的预定尺寸的体积。还示出了对准梳形工具26。这样的对准工具可以定位在磁体结构周围的三个或更多个
位置处，以确保间隔件20的正确定位，并且从而确保线圈的正确定位。如所示的，并且在该示例中，对准梳形工具26具有多个突起28和凹部30。凹部30对应于环形间隔件20的预定所需位置。突起28对应于间隙22的预定所需位置，并且因此也对应于要卷绕至间隙中的线圈。对准梳形工具26还包括对应于端部凸缘24的预定位置和尺寸的另外的凹部32。
32.在使用中，环形间隔件20将在包裹物14上滑动。端部凸缘24将附接就位。这可以通过在两个端部凸缘之间施加张力或压缩力来实现。然后，通过另外的凹部32将多个(优选地至少三个)对准梳形工具26对准端部凸缘24的位置，从而限定用于环形间隔件20的预定位置。然后，通过下面描述的方法将环形间隔件20固定在这些预定位置处，以限定用于线圈卷绕的间隙22。
33.图3a示出了用于将环形间隔件20固定在心轴10的径向外表面12上的包裹物14上方位置的第一布置和方法。在围绕每个环形间隔件20的圆周的若干位置中的每个位置处，提供了螺纹通孔34。根据实施方式，通孔34可以螺纹连接在环形间隔件20的材料中，或者可以提供螺纹插入件以提供螺纹通孔34。在每个通孔34中，提供了螺钉36，螺钉36具有头部或其他合适的布置，用于使用诸如螺丝刀、六角扳手、扳手等合适的工具拧紧。每个螺钉36都被拧紧至包裹物14上，并且因此也拧紧至心轴10上，足以将间隔件20保持在相对于心轴10和相对于其他间隔件20的固定的、预定的位置中。对于本领域技术人员而言明显的是，通过以这样的顺序拧紧螺钉36将更容易地实现间隔件20的适当的轴向定心，即将间隔的螺钉一个接一个地拧紧，而不是将相邻的螺钉拧紧，并且初始应当施加非常小的扭矩，至少直到所有螺钉都被拧紧到初始程度为止。螺钉可以具有锋利的端部来咬入包裹物，以确保良好的对准。然后，可以以适当的顺序向螺钉施加更大的扭矩，由此确保在随后的卷绕、浸渍和固化磁体线圈的步骤期间将间隔件20保持就位，而不会将螺钉36拧得太紧以致对心轴10或间隔件20造成损坏或永久变形。取决于为包裹物选择的材料，螺钉36的径向内端部可以是尖的、或圆顶形的、或其他形状以确保间隔件20相对于心轴10的可靠定位，但是应当避免刺穿包裹物14，以防止损坏心轴10的径向外表面12。类似地，螺钉36的材料应当选择为使损坏包裹物14或心轴10的机会最小化。包裹物14可以为线圈形成接地平面绝缘，并且还可以增加结构加固，以用于将线圈结合至间隔环。
34.图3b示出了用于将环形间隔件固定在心轴10的径向外表面12上的包裹物14上方位置的第二布置和方法。在围绕每个环形间隔件20的圆周的若干位置中的每个位置处，提供了通孔38。在通孔的径向外端部40处，可以提供接口成型。沿箭头42的方向通过通孔38引入硬化材料；这可能是速凝胶；环氧树脂或一些其它合适的材料。优选地，通过孔38引入的硬化材料的量足以覆盖间隔件20的径向内表面44的大部分或全部，从而在包裹物14与间隔件20之间提供有效的结合。硬化材料应当优选地不渗入包裹物14与心轴10之间，并且不应当提供与心轴10的表面12的结合。可以发现有帮助是的，应用密封带46密封间隔件20与包裹物14之间的接合部，以防止硬化材料从间隔件20与包裹物14之间泄漏出来；并且促进在间隔件20的整个径向内表面上形成粘合剂结合。一旦引入了合适量的硬化材料，就使硬化材料硬化或允许硬化材料硬化。因此，间隔件20相对于包裹物14保持在预定位置中，并且因此也相对于心轴10保持在预定位置中。
35.图4示出了间隔环20和端部凸缘24相对于包裹物14和心轴10固定在其预定位置，其中，导线的线圈卷绕在间隔件20之间以及端部凸缘24与相邻间隔件20之间被限定的间隙
22中。这样的线圈卷绕可以以本领域技术人员熟悉的方式进行，从而产生线圈50。根据需要，并且对于本领域技术人员而言可能明显的是，可以在线圈的径向外表面上提供包覆材料层52，包覆材料层52至少部分地在相邻间隔件20的径向外表面上延伸，以提高机械完整性，并且加固线圈50与间隔件20之间的接口接合。这样的包覆材料可以是玻璃纤维织物、碳纤维织物、或者铝、铜或不锈钢导线；或者本领域技术人员可能认为适合的这样的其他材料。线圈和提供时的任何包覆材料可以通过对于本领域技术人员将明显的方法被诸如环氧树脂的硬化材料浸渍，以完成磁体组件。
36.在制造期间并且在安装在mri系统内时，包裹物14在线圈与线圈内部的金属部件之间提供坚固的电绝缘。包裹物14还保护线圈50的内部免受机械损坏，并且结合至间隔件20，因此将防止线圈50与间隔件20之间的接口处开裂。
37.图5示出了从心轴移除的这样的完整磁体组件的轴向截面。
38.当结构已经使用环氧树脂或等效物进行浸渍时，就使浸渍剂硬化或允许浸渍剂硬化。然后从组件移除心轴10。由于包裹物14应当防止与心轴的任何结合，因此这应当是相对于磁体结构机械地拉动心轴的问题。如果心轴的径向外表面12在轴向方向上是锥形的，则将有助于心轴像这样拔出。当计算线圈50的所需尺寸和位置时，需要考虑这样的锥形，并且轴向锥形优选地具有小于一度的角度。
39.图6a、图6b、图6c示出了用于在心轴10的径向外表面上形成包裹物14的替选方法。
40.在图6a的示例中，使用树脂浸渍织物或湿卷绕长丝来形成包裹物。释放层应当施加至心轴10的径向外表面12。这可以是用于形成包裹物14的树脂不粘附的任何涂层或处理。树脂浸渍织物60的层卷绕在心轴10的径向外表面12上，在释放层上方。树脂浸渍织物60可以是玻璃纤维织物、碳纤维织物或可以是有利的这样的其他材料。织物可以在卷绕之前被浸入液态未固化树脂中，或者可以进行干卷绕，后续通过合适的方法施加液态未固化树脂。然后使树脂固化或允许树脂固化，并且一旦硬化，可以将其机加工成光滑的圆柱形表面，从而形成上面讨论的包裹物14。
41.在图6b的示例中，预成型的复合材料或树脂浸渍织物的条带62被卷绕在心轴10的径向外表面12上。在该示出的示例中，提供了两层条带。优选地，每层包括在心轴10的长度上螺旋卷绕的单个条带，其中，提供合适的保持装置以将条带的各个端部保持就位。如所示的，并且优选地，提供至少两层条带62，其中，第二层条带以与卷绕第一层的方向相反的方向螺旋卷绕。这确保了一层条带中的匝之间的间隙63仅在非常小的区域上与另一层条带中的匝之间的间隙63对准。可以提供更多层的条带62，但是最有益的是提供两层。
42.图6c示出了另一替选方案，其使用树脂浸渍织物的单独条带64的层，每个条带64具有约为心轴10的圆周的一半长度，被定位成使得条带端部66之间的接合部65在相邻层中不对准。
43.在另一替选方案中，可以通过卷绕玻璃纤维或类似物的长丝来提供包裹物14，该长丝可以在卷绕之前涂覆有未固化树脂，或者可以进行干卷绕，并且在使用树脂浸渍线圈的同一步骤期间使用树脂浸渍。
44.包裹物14用于保护心轴10免受用于将间隔件20固定就位的装置例如螺钉或粘合剂的损坏；包裹物提供了坚固、光滑的表面，以帮助从完成的磁体结构移除心轴10；并且包裹物为线圈50与间隔件20之间的接合部提供加固。包裹物还用作接地平面绝缘，并且是线
圈-间隔件结合的结构加固。
45.图7示出了本发明的另一实施方式，其中，使用易碎销72将间隔件20钉入就位，易碎销72通过间隔件20中的通孔76插入心轴10的径向外表面12中的凹部70中。在这样的实施方式中，可能发现上面讨论的包裹物14是不必要的，或者可能需要适于容纳易碎销72。如上所述，心轴10可以是略微锥形的以帮助从完成的磁体组件拔出。易碎销72优选地在与心轴的最终表面对应的水平处开槽，或以其他方式被削弱，以确保当从磁体拔出心轴时易碎销在心轴外表面处断裂。使用端板78代替图2的端部凸缘24，但是端板78具有相同的功能。
46.心轴10设置有释放层16，如上面讨论的，释放层16可以在其径向外表面12上进行任何合适的表面处理，以避免热固性树脂结合至心轴。如上面讨论的，可以提供包裹物14，但是任何这样的包裹物都将需要设置有与心轴10中的凹部70对准的孔。然后，将本身包括通孔76的间隔件20定位在心轴的径向外表面12上，并且定位在可以提供的任何包裹物14上方。通孔76被布置成使得当与心轴10中的对应凹部70对准时，将相关间隔件准确地定位在其预定位置中。一旦通孔76和凹部70对准，易碎销72就穿过通孔部分地进入凹部70中。每个易碎销72的足够的长度保持在间隔件20的通孔76内，以将其保持就位。优选地，每个间隔件中至少设置有三个通孔76，围绕其圆周分布，且在心轴10中设置有对应的凹部70。
47.通过以这种方式将间隔件20保持就位，并且将端部凸缘24或端板78保持就位，从而通过上述任何方法限定了线圈50可以卷绕至其中的间隙。
48.图7示出了根据本发明的实施方式的在线圈50已经被卷绕并且诸如玻璃纤维织物的包覆层74已经被施加至线圈上的阶段时的组件。如相关领域的技术人员将理解的，随后将进行浸渍步骤，其中，使用热固性树脂浸渍线圈50和包覆层74；除非线圈50和包覆层74是湿卷绕的，即，分别由已经涂覆有热固性树脂的导线或织物进行卷绕。
49.使线圈50和包覆层74的热固性浸渍剂固化或允许其固化，并且然后移除端部凸缘24或端板78，并且拔出心轴10。
50.根据本发明的这些实施方式，易碎销72部分地位于间隔件20中的通孔76内，并且部分地位于心轴10中的凹部70内。
51.图9更详细地示出了这些特征。图9是类似于图7所示实施方式的部分轴向截面。当从磁体结构拔出心轴10时，心轴10将沿轴向方向发生位移，从而在心轴10的径向外表面处产生圆柱形剪切“平面”s-s。虽然易碎销72必须紧密装配至通孔76和凹部70中，但是易碎销72还必须足够坚固，以在卷绕和浸渍线圈50的过程期间将相应的间隔件牢固地保持就位，并且仍然是易碎的，使得易碎销72被施加至心轴10的拔出力而断裂。在图9所示的示例中，发明人发现，每个销在其大部分长度上设有中空80是有利的。与类似的实心销相比，这限制了每个销中的材料量，并且减少了切断每个销所需的剪切力。每个销的外表面优选地在与完整结构中的剪切平面s-s对应的位置处切口、开槽或以其他方式被削弱，以进一步减小切断销所需的力，同时保持足够的强度以在线圈50的卷绕和浸渍期间将间隔件20保持就位。销可以是塑料材料，例如尼龙、ptfe或合适的复合材料。材料的选择应当使其在销断裂时不产生碎片。
52.在每个中空销72的外表面和/或内表面上提供粗螺纹可能是有用的，以提供通过合适的工具例如螺柱抽出器抽出销。
53.在本发明的方法的替选实施方式中，销72不需要是易碎的，并且在热固性树脂固
化之后以及在心轴10取出之前从间隔件20拔出。
54.图8示出了可以通过本发明的方法制造的完整的无线圈架的、平行、多线圈、圆柱形超导磁体90，其中，在磁体制造期间使用剪切销72将间隔环保持就位。这些剪切销72在心轴拔出期间被剪切。剪切销72优选地被凹槽或类似物削弱，以确保销在心轴拔出期间在正确位置处剪切。
55.图8示出了根据本发明的该实施方式的完整磁体结构90的轴向横切。在所示的实施方式中，在每个间隔件20中设置有四个通孔76，分布在其圆周周围。剪切销72的部分可以保持在通孔76内，或者可以优选地在磁体结构90被建造成圆柱形超导磁体之前将其移除。剪切销的部分可以留在结构中，只要它们是兼容的材料。
56.图10示出了下述示例实施方式，在该示例实施方式中，在卷绕线圈50之前将织物层66施加至心轴10，以便在不需要心轴10的直径变化的情况下增加线圈50的直径。织物层可以在卷绕至心轴10之前使用未固化树脂浸渍，即所谓的“预浸”织物；或者可以进行干卷绕，并且在使用树脂浸渍线圈的同一步骤期间使用树脂浸渍。类似地，可以通过卷绕玻璃纤维或类似物的长丝来实现相同的效果，该长丝可以在卷绕之前涂覆有未固化树脂，或者可以进行干卷绕并且在使用树脂浸渍线圈的同一步骤期间使用树脂浸渍。一旦织物或长丝在心轴上卷绕至所需的厚度，以提供线圈所需的内径，就以与上述其他线圈相同的方式将导线卷绕至织物或长丝上以构成超导线圈。
57.因此，本发明寻求提供制造无线圈架的、多线圈、圆柱形超导磁体的方法，所述方法比已知方法更简单且更精确，并且与已知方法相比可以以降低的成本使用。磁体可以是平行的，至少在具有共同内径或者使用圆锥形心轴的实施方式中的基本上共同内径的意义上。本发明还提供可以通过这样的方法生产的无线圈架的、多线圈、圆柱形超导磁体。尽管上述具体实施方式均涉及使用多个间隔环20，但是本发明可以应用于包括在线圈50之间的单个间隔环20的实施方式。如参照本发明所述的卷绕和浸渍工具，例如心轴10，其制造将比常规的阶梯式心轴便宜得多，并且在线圈浸渍之后更容易清洁。由于超导线圈的直径最小化，因此与使用阶梯式心轴的常规布置相比，本发明的无线圈架的、多线圈、圆柱形超导磁体可以以降低的导线成本制造。与涉及阶梯式心轴的常规方法所需的工具相比，本发明的方法所需的工具也可以以更低的成本生产或获得。