CN100360084C - 磁场发生器 - Google Patents

Abstract

磁场发生器包括一对磁极片单元(分别包括板状磁轭)。每个板状磁轭包括相互面对的表面并设有永磁铁组和磁极片。磁极片包括具有多个环状突出片的环状突出部分及设在每个环状突出片的外表面上减少磁通量泄漏用的永磁铁。在组装时，首先把减少磁通量泄漏用的永磁铁固定在每个环状突出片的外表面上。把装有永磁铁的每个环状突出片固定在基板上。由柱状磁轭连接这对磁极片单元。减少磁通量泄漏用的永磁铁的磁化方向相对于永磁铁组的主表面倾斜。

Description

磁场发生器

本申请是申请日为2000年11月16日，申请号为00133918.4，名称为“磁极片单元、其组装方法及磁场发生器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及磁极片单元、其组装方法及磁场发生器。更具体来说，本发明涉及用于MRI设备等需要大于0.3T的强磁场的设备的磁极片(pole-piece)单元、其组装方法及磁场发生器。

背景技术

在例如MRI用磁场发生器等这种大的磁场发生器中，为了减少从磁极片泄漏的磁通量并把磁通量有效地集中在磁极片之间的空间上，本发明的申请人提出了如2-49683号日本实用新型(已经异议审查的申请)中所揭示的一种配置，其中在环状突出部分的外表面上设有用于阻止磁通量泄漏的永磁铁。

在相关领域内需要强磁场时，把具有强磁力R-Fe-B磁铁用作永磁铁。在此情况下，在靠近已接合的永磁铁时，待接合的永磁铁将受到强的斥力。继而，难于把永磁铁接合到形成为单片的环状突出部分上，导致生产效率低。

此外，依据以上相关技术，用于阻止磁通量泄漏的永磁铁是沿平行于用于产生磁场的永磁铁的主表面方向磁化的磁铁。如果要增大均匀空间，则必须增加磁铁的数量，导致成本增加的问题。

发明内容

因此，本发明的一个主要目的是提供一种磁场发生器，其中可增大均匀磁场而不增加成本。

依据本发明的一个方面，提供了一种磁场发生器，它包括一对磁极片单元以及以磁方式连接这对磁极片单元的柱状磁轭，其中，每个磁极片单元包括一板状磁轭、设在板状磁轭的一个主表面上的一永磁铁组以及设在永磁铁组的一个主表面上的一磁极片，磁极片包括一环状突出部分，以及设在环状突出部分平坦的外表面上的用于减少磁通量泄漏的多个永磁铁。

依据本发明的另一个方面，提供了一种磁场发生器，包括一对磁极片单元和以磁性方式连接这对磁极片单元的柱状磁轭，其中，每个磁极片单元包括一板状磁轭、设在板状磁轭的一个主表面上的一永磁铁组以及设在永磁铁组的一个主表面上的一磁极片，磁极片包括一环状突出部分，设在该环状突出部分的外表面上的用于减少磁通量泄漏的多个永磁铁，以及用于将永磁铁固定在环状突出部分的护板和螺钉。

依据本发明的再一个方面，提供了一种开放型的磁场发生器，包括一对磁极片单元和以磁性方式连接这对磁极片单元的柱状磁轭，其中，每个磁极片单元包括一板状磁轭、设在板状磁轭的一个主表面上的一永磁铁组以及设在永磁铁组的一个主表面上的一磁极片，磁极片包括一环状突出部分，以及设在该环状突出部分的外表面上的用于减少磁通量泄漏的多个永磁铁。

这里应注意，在本说明书中，术语“磁化角”指永磁铁组的一个主表面与用于减少磁通量泄漏的永磁铁的磁化方向所形成的角。术语“均匀空间”指磁场均匀度在100ppm以内的磁场空间。术语“中心磁场强度”指位于均匀空间中心部分处的磁场强度。

从以下参考附图所提出的对实施例的描述，将使本发明的以上目的、其它目的、特性、方面及优点变得更加明显起来。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施例的概况的透视图；

图2是示出磁极片单元的主要部分的示意图；

图3是示出磁极片的平面图；

图4是示出永磁铁的透视图；

图5A是示出安装有永磁铁的环状突出片的透视图，图5B是其平面图；

图6是示出把永磁铁安装到环状突出片的步骤的示意图；

图7A是示出把环状突出片安装到基板上的步骤的示意图，图7B和7C是示出安装环状突出片的顺序的示意图；

图8是示出用于把磁极片安装到永磁铁组上的方法的示意图；

图9是示出本发明的另一个实施例的概况的透视图；

图10是示出加压设备的一个例子的示意图；

图11A是示出磁化角与中心磁场强度以及与均匀空间的直径的关系的图，图11B是示出在均匀空间的直径保持恒定的情况下磁化角与中心磁场强度之间关系的图；

图12是示出在中心磁场强度与磁极片之间的距离保持恒定时磁铁总重量的比较例子的表；以及

图13是示出本发明又一个实施例的概况的示意图。

具体实施方式

现在，将参考附图来描述本发明的实施例。

现在参考图1，作为本发明的第一实施例被用于MRI的磁场发生器10是一开放型磁场发生器，它包括相互面对的一对磁极片单元11a、11b，其间有一空间。磁极片单元11a、11b分别包括板状磁轭12a、12b。板状磁轭12a包括一般为盘状的主体14a及从主体14a延伸的两个连接部分16a、18a。同样，板状磁轭12b包括一般为盘状的主体14b以及从主体14b延伸的两个连接部分16b、18b。

板状磁轭12a的主体14a与板状磁轭12b的主体14b的各表面相互面对，且设有永磁铁组20a和20b。永磁铁组20a、20b的各表面相互面对，且分别设有固定在其上的磁极片22a和22b。

如图2所示，永磁铁组20b包括多个一般为长方体的单片磁铁24，每片磁铁由例如R-Fe-B磁铁构成。在4,770,723或4,792,368号美国专利中揭示了R-Fe-B磁铁(其中R代表稀土元素，包括钇Y)。这同样适用于永磁铁组20a。

磁极片22b包括置于永磁铁主20b上的例如由盘状铁构成的基板26。基板26的上表面设有用于防止产生涡流的硅钢板28。以粘合剂把硅钢板28固定在基板26上。

基板26具有形成了例如由铁制成的环状突出部分32的圆周部分，用于增加圆周部分周围的磁场强度。如图3所示，环状突出部分32包括多个(例如，依据本实施例为八个)环状突出片34。每个环状突出片34具有凹陷的弧形内表面以及平坦的外表面。通过把具有螺孔36的每个环形突出片34螺栓连接到硅钢板28的圆周部分的基板26上来形成环状突出部分32。换句话说，环状突出部分32由径向分隔的片构成。环状突出部分32或更具体来说是每个环状突出片34形成有两个导孔38，每个导孔作为用于组装的垂直通孔。每个导孔38具有带螺纹的内表面，以与如下所述的螺钉92啮合。

每个环状突出片34的外表面安装有用于减少磁通量泄漏的永磁铁40。永磁铁40所感应的磁通量集中在磁极片22a、22b之间，使得可减少磁通量泄漏。如图4所示，永磁铁40包括多个一般为长方体的单片磁铁42，每片磁铁由例如R-Fe-B制成。依据本实施例，把总共十六(＝2×2×4)个单片磁铁42层叠成一般为长方体的永磁铁40。这里，应注意，通孔44是通过切除每个单片磁铁42的转角部分而形成的。

从图5A和5B可清楚地理解，由诸如SUS304和铝等非磁性材料制成的矩形护板46置于安装到环状突出片34的外表面的每个永磁铁40的外表面上。通过固定插入通孔44的螺钉48，把永磁铁40和护板46固定于环状突出34。此外，从图2和图5A可理解，为了减小从永磁铁40底部的磁通量泄漏，最好延伸永磁铁40的下部，以使永磁铁40的底部与永磁铁组20b接触。这同样适用于磁极片22a。

回到图1，在板状磁轭12a的中心部分处设有用于磁场细调的可移动磁轭50。可移动磁轭50设有用于调节其垂直位置的三个螺栓52以及用于调整其位置的三个塞棒(stopper)54。同样的配置适用于板状磁轭12b。板状磁轭12a的连接部分16a、18a分别设有待附着升降钩的螺纹孔56。

用两个圆柱形柱状磁轭58以磁性方式来连接如上所述的板状磁轭12a、12b。柱状磁轭58分别置于连接部分16a、16b以及连接部分18a、18b之间，且通过固定螺栓60固定于板状磁轭12a的各连接部分16a、18a。此外，板状磁轭12b具有一下表面，该下表面设有分别位于前面部分以及相应于两个柱状磁轭58的位置处的三个腿部分62。

接着，将参考图6来描述在磁场发生器10中把永磁铁40和护板46组装到环状突出片34的步骤。

首先，放置环状突出片34，其外表面向上，且用固定螺钉66把它固定在工作台64上。工作台64设有定位夹68，它是一块直立的板状非磁性材料，与环状突出片34的外表面的一端即永磁铁所固定的表面接触。通过例如螺钉(未示出)把定位夹68固定于工作台64。另一方面，在环状突出片34的外表面的另一端处，放置一滑动台70，从而环状突出片34的外表面和滑动台70的上表面一般变得相互齐平，从而提供了一连续平面。

由以上准备，把第一磁块72置于滑动台70上。磁块72是通过图4所示层叠和接合八块(＝2×2×2)单片磁铁42而形成的部件。磁块72由固定部分74牢牢地固定，且由臂状物从滑动台70往外推而到达环状突出片34的外表面上，在环状突出片34上滑动以与定位夹68接触。

在以上操作期间，由于环状突出片34由软铁制成，所以磁块72被环状突出片34牢牢地吸住。在被牢牢吸住的同时，从工作台64下拧入的螺钉78把第一磁块72往上推，在磁块72与环状突出片34之间加粘合剂。其后，使螺钉78松脱，以使磁块72粘接到环状突出片34上。然后，同样，由固定部分74牢牢地固定第二磁块72，用臂状物76把第二磁块72推向环状突出片34的外表面。推动操作刚好在到达预定固定位置前停止，以使得可把粘合剂加到环状突出片34上的预定固定位置以及第一磁块72的端面。其后，臂状物76把第二磁块72推到预定固定位置，以完成固定。这里应注意，在已被固定的磁块72与待固定的磁块72之间存在斥力。如果待固定的磁块72被推离该表面，则可在固定部分74上方提供气缸(未示出)，以把磁块72往下压。继而把磁块72即永磁铁40固定到环状突出片34的外表面。在以上操作中，由于环状突出片34的外表面为平坦的表面，所以磁块72可在该外表面上容易地作直线形滑动。因此，可容易地传送磁块72并固定于环状突出片34外表面上的想要位置。

其后，把护板46置于磁块72的上表面，然后通过固定螺钉48紧固。

接着，将参考图7A到7C来描述磁极片22b的组装。

首先，如图7A所示，把导柱80拧入磁极片22b的基板26。接着，把安装有永磁铁40的环状突出片34下降到导柱80上，以使导柱80进入环状突出片34的导孔38，从而把环状突出片34置于导板26上。如果因来自己安装的环状突出片34的斥力而不能容易地降低环状突出片34，则可预先使导柱80形成阳螺纹，可把导柱80待拧入的配对螺母(未示出)置于环状突出片34上。由此配置，可通过收紧螺母来降低环状突出片34。以螺钉36把降低的环状突出片34固定到基板26上。其后，移去导柱80。

在环状突出片34的上述安装中，首先把环状突出片34安装在图7B所示的每隔一个位置处，然后，如图7C所示，安装其余的环状突出片34，以填充已安装的环状填充片34之间的位置。在安装期间，需要使用收紧螺母的上述安装方法，因为斥力非常强。

然后，使用例如图8所示的升降机构82，把依据上述方法组装的磁极片22b固定到永磁铁组20b上。升降机构82包括诸如不锈钢(SUS304)等非磁性材料制成的升降台84。可通过旋转底座86上所设立的螺纹驱动轴88来垂直移动升降台84。底座86具有带转台的上表面90，其上放置了板状磁轭12b和永磁铁组20b。由穿过升降台84的螺钉来悬挂磁极片22b。把螺钉92拧入磁极片22b的各导孔38。通过降低升降台84，把磁极片22b置于永磁铁组20b上，然后通过螺钉(未示出)固定在永磁铁组20b上。同样的配置适用于磁极片22a。

如上所述，依据磁场发生器10，把永磁铁40预先固定在每个环状突出片34的外表面上，且把每个安装有永磁铁40的预定数目的环状突出片34安装到基板26上。因此，不需要把永磁铁40安装到已置于基板26上的环状突出部分32上。具体来说，通过分割环状突出部分32，使得可容易地固定永磁铁40。结果，磁极片单元11a、11b继而磁场发生器10的组装变得容易，使得即使在需要强的磁场且因此把R-Fe-B磁铁用作单片磁铁时也可提高生产效率。

此外，通过把附着在基板26上的导柱80插入环状突出片34的导孔38，可把环状突出片34导入基板26上的预定位置。因此，环状突出片34的定位变得容易。

在一实验中比较如上所述的磁场发生器10和已有技术的磁场发生器，其中每个磁场发生器构成在其各磁极片之间的空间内产生0.4T的磁场。结果示出，不使用用于减少磁通量泄漏的永磁铁40的已有技术需要较大数量的永磁铁，即4.9吨，这是因为磁通量泄漏较大。另一方面，可通过使用永磁铁40来减少磁通量泄漏的磁场发生器10需要3.9吨的永磁铁。因此，依据磁场发生器10，可减少所使用的永磁铁的数量，且可减少成本。

接着，参考图9，待用于MRI的作为本发明另一个实施例的磁场发生器100包括相互面对的一对磁极片单元102a、102b，其间有一空间。磁极片单元102a、102b分别包括板状磁轭104a、104b。

板状磁轭104a、104b的各表面相互面对，且设有永磁铁组106a、106b。永磁铁组106a、106b的各表面相互面对，且分别设有紧固在其上的磁极片108a、108b。

每个永磁铁组106a、106b通过把多个单片磁铁110层叠成三层而制成。每个单片磁铁110由例如边长为50mm的立方体R-Fe-B磁铁制成。

磁极片108a包括置于永磁铁组106a的一个主表面上的由例如盘状的铁制成的基板112。基板112的一个主表面设有用于防止产生涡流的硅钢板114。用粘合剂把硅钢板114固定在基板112上。

基板112具有由环状突出部分116(例如由铁制成)的圆周部分，用于增加圆周部分周围的磁场强度。以与环状突出部分32本质上相同的方式形成环状突出部分116，它包括例如如图3所示的多个环状突出片34。

环状突出部分116的外表面，即每个环状突出片34的外表面安装有用于减少磁通量泄漏的永磁铁118。永磁铁118感应的磁通量集中在磁极片108a、108b之间，并减少了磁通量泄漏。通过层叠多个基本上为长方体的单片磁铁(每片由例如R-Fe-B磁铁构成)使永磁铁118形成基本上为长方体的块。这里，应注意永磁铁118的磁化方向A1。如图9所示，如此形成永磁铁118，从而磁化方向A1相对于永磁铁118的主表面120形成一锐角。因此，同样地形成构成永磁铁118的每个单片磁铁，从而其磁化方向相对于单片磁铁的主表面形成一锐角。通过放置永磁铁118与永磁铁组106a的一个主表面、基板112的外表面和环状突出部分116的外表面接触，可使永磁铁118的磁化方向A1相对于永磁铁组106a的主表面是倾斜的。在永磁铁118的外表面上，放置例如上述的护板46。在此情况下，例如使用固定螺钉，把永磁铁118和护板46固定到环状突出片34上，即固定到环状突出部分116上。这同样适用于磁极片108b。

以与图1所示的磁场发生器10的相同方式，由两个圆柱形柱状磁轭58以磁性方式来连接板状磁轭104a、104b。板状磁轭104a、104b与柱状磁轭58相互连接，且通过例如固定螺栓固定在一起。

使用例如图10所示的加压设备200来制造永磁铁118中所使用的单片磁铁。

加压设备200包括一对相对的磁轭202(在图10中仅示出一个磁轭)。磁轭202分别由线圈204所包围。通过把电流加到线圈204，产生了磁场。

在这对磁轭202之间设置由非磁性或弱磁性材料制成的模具206。模具206形成了多个垂直通孔208。所形成的每个通孔208具有矩形剖面，以磁化角θ相对于磁轭202所提供的磁性定向角B倾斜。

在这对磁轭202之间，提供了夹住模具206的模组(die set)210。此外，设有垂直于磁性定向角B夹住模具206和模组210的基板212。模具206、模组210和基板212具有相互齐平的上表面。此外，在基板212上，设有可来往于模具206移动的包含粉末的粉末供给盒214。

通过使用如上所述加压设备200，使粉末在通孔208中被磁化定向，并被未示出的一对棱柱上下冲压机压成压块。然后对压块进行烧结而变成单片磁铁，每片磁铁具有想要磁化角θ。在4,770,723号美国专利中揭示了制造这种磁铁的方法。

接着，将描述使用磁场发生器100所实施的实验。

这些实验是在以下条件下进行的：永磁铁组106a、106b的厚度T1为150mm；基板112和硅钢板114的总厚度T2为65mm；环状突出部分116的高度H1为64mm，其厚度T3为65mm；永磁铁118的高度H2为80mm，其厚度T4为120mm；环状突出部分116的内径D1为855mm，其外径D2为983mm；磁极片108a与108b之间的距离d为405mm。由此配置，在磁极片108a、108b之间形成具有沿垂直方向为扁平球体形状的均匀空间。

首先，在磁场发生器100中，改变永磁铁118的磁化角θ，测量均匀空间的水平直径D3及其中心磁场强度。

从图11A中可理解，均匀空间在永磁铁118的磁化角θ增大时扩大。因而，通过设置磁化角θ相对于永磁铁组106a、106b的主表面倾斜的永磁铁118，可把较大数量的磁通量引入成象空间，并可增大均匀空间。因此，可增大均匀空间而不增加所使用的永磁铁118的数量，也不增加成本。此外，通过调节磁化角θ，可获得想要的均匀地空间和中心磁场强度。

接着，在磁场发生器100中，依据永磁铁118的磁化角θ的变化来改变磁极片108a、108b的直径以及环状突出部分116的厚度，从而使均匀空间的水平直径D3保持恒定，并测量中心磁场强度。在此实验中，永磁铁组106a、106b不变。

如上所述，均匀空间在磁化角θ增大时扩大。因此，为了均匀空间的直径D3恒定，应依据永磁铁118的磁化角的增大而减小磁极片108a、108的尺寸。通过使用此方法，可增加该空间中的磁场强度。因而，可在增加的效率下使用永磁铁118，且在产生相同强度的磁场的情况下，可把所使用的磁铁的数量减少到磁场强度增加的程度。因此，可减少磁场发生器100的成本和重量。

从图11B中可知道，如果磁化角θ在0度到60度的范围内，可使中心磁场强度不小于磁化角θ为0度时的中心磁场强度。尤其是，如果磁化角θ在10度到50度范围内，可使中心磁场强度不小于0.42T，使得可获得较强的磁场。最好，磁化角θ在15度到45度之间。

此外，从图12所示的另一个实验的结果中，  如果中心磁场强度和磁极片108a、108b之间的距离d保持恒定，而把磁化角θ设定在30度，则可把磁铁的总重量减少到2313kg，它比磁化角θ为0度时轻100kg；比未设置永磁铁118时轻610kg。在本实验中，均匀空间的直径D3为400mm。因此，可减少板状磁轭104a和104b的重量。

用作永磁铁118的磁铁的磁化方向A1已倾斜。因此，仅通过直接把永磁铁118置于永磁铁组106a、106b的主表面上，可容易地实施放置具有想要磁化角θ的永磁铁118来减少磁通量的泄漏。

此外，可实验如图13所示的磁场发生器100a。

依据磁场发生器100a，把永磁铁124用作减少包含在磁极片122a、122b中的磁通量泄漏的永磁铁。永磁铁124的磁化方向A2平行或垂直于永磁铁124的每个表面。在此情况下，使用具有梯形剖面的每个部件126和128，以如此放置永磁铁124，从而永磁铁124的磁化方向A2相对于永磁铁组106a、106b的相应主表面倾斜。其它配置与图9中所示的磁场发生器100本质上相同，因此这里不再重复其描述。

依据磁场发生器100a，永磁铁124本身以想要的角度相对于各永磁铁组106a、106b的主表面倾斜。因此，可把沿任何方向磁化的永磁铁用作减少磁通量泄漏的永磁铁。尤其是，可使用市售的沿平行或垂直于其每个表面的方向磁化的永磁铁，可容易地获得减少磁通量泄漏的永磁铁。此外，可在磁场发生器100a中获得与磁场发生器100中相同的效果。

这里，应注意，环状突出部分116的外表面也可倾斜，且可用于减少磁通量泄漏的永磁铁118和124安装到此倾斜的外表面上。在此情况下，也可获得与磁场发生器100中相同的效果。

此外，本发明中的柱状磁轭包括诸如在序号为09/386,146号的美国专利申请中所揭示的板状柱状磁轭。

本发明还可应用于包括单个柱状磁轭的磁场发生器。

详细地描述和示出了本发明，很明显，这些描述和附图仅示出本发明的一个例子，不应把它们作为对本发明的限制。本发明的精神和范围仅由所附的权利要求书中所使用的文字来限定。

Claims (6)

1.一种磁场发生器，其特征在于，包括一对磁极片单元和以磁性方式连接这对磁极片单元的柱状磁轭，其中，

每个磁极片单元包括一板状磁轭、设在板状磁轭的一个主表面上的一永磁铁组以及设在永磁铁组的一个主表面上的一磁极片，

磁极片包括一环状突出部分，以及设在环状突出部分平坦的外表面上的用于减少磁通量泄漏的多个永磁铁。

2.一种磁场发生器，其特征在于，包括一对磁极片单元和以磁性方式连接这对磁极片单元的柱状磁轭，其中，

每个磁极片单元包括一板状磁轭、设在板状磁轭的一个主表面上的一永磁铁组以及设在永磁铁组的一个主表面上的一磁极片，

磁极片包括一环状突出部分，设在该环状突出部分的外表面上的用于减少磁通量泄漏的多个永磁铁，以及用于将永磁铁固定在环状突出部分的护板和螺钉。

3.一种开放型的磁场发生器，其特征在于，包括一对磁极片单元和以磁性方式连接这对磁极片单元的柱状磁轭，其中，

每个磁极片单元包括一板状磁轭、设在板状磁轭的一个主表面上的一永磁铁组以及设在永磁铁组的一个主表面上的一磁极片，

磁极片包括一环状突出部分，以及设在该环状突出部分的外表面上的用于减少磁通量泄漏的多个永磁铁。

4.如权利要求1到3任一权利要求所述的发生器，其特征在于，所述环状突出部分具有多个环状突出片。

5.如权利要求1到3任一权利要求所述的发生器，其特征在于，所述用于减少磁通量泄漏的永磁铁是长方体。

6.如权利要求1到3任一权利要求所述的发生器，其特征在于，所述用于减少磁通量泄漏的永磁铁是烧结的磁铁。

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