CN102412049A - 包括环形线圈的粘性接合圆筒形磁体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括多个同心地对准的线圈（10）的螺线管磁体组件，分别包括用树脂填充的绕组（54），其中：用树脂的径向外表面将每个线圈粘性地接合到相应的环形支撑部件（12；30；74；80；120）；以及将所述环形支撑部件机械地限制（20、24；41）在固定的相对位置以形成磁体组件。本发明还涉及一种用于构造包括多个轴向对准的线圈（10）的螺线管磁体组件的方法。

Description

包括环形线圈的粘性接合圆筒形磁体及其制造方法

技术领域

本发明涉及由多个环形线圈组成的圆筒形电磁体的制造。本发明相对于用于磁共振成像（MRI）系统的超导线圈的制造有特定的相关性，但是可以应用于其它类型的电磁体、超导的和电阻的两者。

背景技术

过去已使用用于制造圆筒形电磁体的多个方法。传统上，圆筒形模型由例如铝不锈钢或GRP产生，向其中形成矩形横截面的环形腔体。然后将导线（例如超导线）的线圈缠绕到这些环形腔体中。可以用热固性树脂填充（impregate）结果得到的组件以将导线保持在线圈内的适当位置。

最近，已经提出其中将线圈缠绕到模具内的腔体中的方法，其中支撑结构被放置在线圈的径向外表面上，并且用热固性树脂填充结果得到的结构。然后去除模具，留下被接合到支撑结构的填充线圈。

共同待决英国专利申请No. GB0912367.0描述了一种螺线管磁体装置，其中由线圈的径向外表面将其接合到径向外机械支撑结构。

美国专利申请2007-0247263描述了其中由线圈的径向外表面将其接合到径向外机械支撑结构的另一螺线管磁体装置以及其中首先将支撑结构放置在模具中的类似装置，其中线圈被缠绕在支撑结构上。

这些方法的缺点是不能调整线圈的相对位置。虽然可能理论上有可能通过某些线圈的相对定位的调整来补救结果得到的磁场的缺陷，但实际上在已通过树脂填充被接合到支撑结构的线圈结构的情况下，这是不可能的。

同样地，已经发现从这样的组件去除单个线圈以进行修理或替换是不能实行的，导致完整圆筒形磁体线圈组件的废弃，即使其中只有单个线圈是有缺陷的。

组装环形线圈的任何新方法必须保证线圈相对于彼此被准确地定位，并且线圈在其在使用中经受的相当大的力下将不会移动。

在美国专利号4,896,128和4,467,303中描述了用于超导螺线管磁体的线圈的支撑结构。在每种情况下，通过在形成于部分模型的径向内表面上的台阶形成物与夹块或夹环之间压缩线圈的外径向末端来将线圈夹到部分外模型上。在使用中，几公吨的轴向力将作用在线圈上。由于线圈仅在其径向外末端处受到限制，所以通过其轴向外末端处的压缩，严重的应力将在线圈内积聚。至少在4,467,303中，线圈受到外支撑结构的热收缩的限制（例如，第4栏第7-18行）。结果得到的环向、径向和轴向应力可能通过使填充材料破裂而引起线圈结构的损坏。结果产生的线圈的匝的移动可能导致失超（quench）。线圈将在线圈与台阶形成物和夹块或夹环的接触点处经受严重的机械加载（mechanical loading）。本发明提供了其中线圈的机械加载未集中在局部化接触点处的超导螺线管磁体装置。相反，根据本发明，每个线圈在其径向外表面上被接合到外机械支撑结构。这避免了高机械应力的任何局部点，例如，诸如由常规线圈支撑形成物引起的线圈结构内的高剪切应力。

由线圈结构的大表面面积来承载由每个线圈上的轴向力引起的机械负荷，其中，其被接合到径向外机械支撑结构。

术语“螺线管的”通常应用于描述由各个线圈组成的圆筒形磁体，虽然这样的圆筒形磁体在纯粹意义上可能不是“螺线管”。

发明内容

因此，本发明提供了如在所附权利要求中定义的方法和设备。

附图说明

结合附图，从某些实施例的以下说明中，本发明的以上及其它目的、特性和优点将变得更加明显，其中：

图1A-1B示出了根据本发明的实施例的通过圆筒形磁体组件的径向和轴向横截面； 

图1C示出图1B的一部分的放大图； 

图1D示出在图1A-1C中描绘的复合部件（composite section）的剖视图； 

图1E示出也在图1A中示出的隔离物（spacer）； 

图2A示出根据本发明的另一实施例的通过圆筒形磁体组件的轴向横截面； 

图2B示出在图2A中描绘的复合部件的剖视图； 

图2C示出也在图2A中所示的隔离物的剖视图； 

图3A示出根据本发明的另一实施例的用于圆筒形磁体组件的具有附着接线片的线圈的轴向视图； 

图3B是具有外壳和接线片的线圈的剖视图； 

图3C和3D示出可以在诸如在图3A中所示的线圈中使用的接线片的视图； 

图3E示出将接线片粘性接合到填充线圈的示例装置； 

图3F示出诸如在图3A中所示的线圈的组件的部分视图； 

图4示出根据本发明的另一实施例的线圈的剖视图； 

图5示出通过可用于执行本发明的方法中的树脂填充的调节工具装置（tooling arrangement）的部分轴向横截面； 

图6示出根据本发明的实施例的磁体的轴向横截面； 

图7示出通过可用于执行本发明的方法中的树脂填充的另一调节工具装置的轴向横截面； 

图8示出如在本发明的某些实施例中采用的由两个部分组成的环形支撑部件； 

图9示出通过可用于执行本发明的方法中的树脂填充的调节工具装置的部分径向横截面； 

图10示出机械线圈对准调整器的示例； 

图11示出线圈和正方形支撑部件； 

图12示出与图3F中所示的类似的装置，其可以用来将诸如图11中所示的被支撑线圈组装到磁体组件中； 

图13示出可以在将诸如图11中所述的被支撑线圈组装到磁体组件中时使用的可调整线圈保持装置；以及 

图14示出本发明的某些实施例中的可用于调整线圈同心度的装置。

具体实施方式

本发明提供用于制造圆筒形磁体的方法以及这样的磁体，其包括环形线圈，所述环形线圈在其径向外表面上被接合到分段径向外机械支撑结构。在优选实施例中，每个环形线圈被接合到径向外机械支撑结构的其自己的环形部件。

在本发明的示例方法中，各个线圈被粘性接合到支撑结构的相应部件以形成复合部件，这些复合部件中的每一个包括被接合到支撑结构的环形部件的树脂填充的线圈。

支撑结构的环形部件可以是诸如铝的材料或诸如用热固性树脂填充的玻璃纤维的复合材料的。

然后用诸如系杆、隔离物和紧固件的适当机械紧固件将支撑结构的各个环形部件固定在一起，以形成完整圆筒形磁体线圈结构。

本发明的方法的替换实施例可以涉及使用填充树脂将线圈附着于环形部件，这可以在树脂填充步骤期间：在单个填充步骤中；或在两个填充步骤中执行，如下文将讨论的。

在某个实施例中，采用仅单个填充步骤，将线圈或导线缠绕到模具工具轴颈中。可以针对每个线圈单独地执行缠绕，或者可以在分批处理中一次缠绕多个线圈。

然后将线圈插入机械支撑结构的相应环形部件中。提供了本身对于本领域的技术人员来说众所周知的装置以保证每个线圈与支撑结构的相应环形部件同心。至少准备环形部件的径向内表面以便接合到树脂。这可以简单地通过保证表面清洁发生，但优选地涉及表面的某织构化。如果环形部件是铝的，则该准备可以是阳极化步骤。

可以将结果得到的结构视为模具，包括支承线圈的模具轴颈以及完成填充腔体的模具的壁，支撑结构的环形部件具有径向地放置在轴颈与环形部件之间的线圈，具有适当的调节工具以保证环形部件和线圈同心地被保持。

将模具结构插入槽中。以常规方式添加热固性树脂，以填充线圈并将线圈接合到环形部件。如本身方面是传统的，如果需要，可以将诸如玻璃纤维布或玻璃珠的填料材料放置在线圈的径向外表面与环形部件的径向内表面之间的间隙中。在填充步骤期间，任何这样的填料材料将被填充且将构成结果得到的结构的一部分，其中线圈被接合到环形部件。

然后允许或促使热固性树脂固化。去除槽和轴颈，留下被热固性树脂粘性接合在一起的线圈和环形部件，其中在径向地位于线圈与环形部件之间的一层热固性树脂中嵌入所提供的任何填料材料。

在涉及两个填充步骤的另一实施例中，最初将线圈缠绕到模具工具中。可以针对每个线圈单独地执行缠绕，或者可以在分批处理中一次缠绕多个线圈。优选地，在模具内在线圈的径向外表面上放置诸如玻璃纤维布或玻璃珠的填料层。

然后通过以常规方式引入热固性树脂在相应的模具内填充每个线圈。然后允许或促使热固性树脂固化，并从模具调节工具去除结果得到的填充线圈。如果有的话，填料层将已在线圈的径向外表面上形成树脂填充的“外壳”。

然后优选地将每个线圈的外壳的外表面加工至指定的直径。

然后将线圈插入支撑结构的各自的环形部件。提供了本身对于本领域的技术人员来说众所周知的装置以保证每个线圈与支撑结构的相应环形部件同心。典型地，在外壳的径向外表面与环形部件的径向内表面之间提供窄环形间隙。至少准备环形部件的径向内表面以便接合到树脂。这可以简单地通过保证表面清洁发生，但优选地涉及表面的某织构化。如果环形部件是铝的，则该准备可以包括阳极化步骤。

然后向线圈外壳与支撑结构的环形部件之间的间隙引入热固性树脂。然后允许或促使热固性树脂固化。去除轴颈，留下被热固性树脂粘性接合在一起的线圈和环形部件，其中外壳层径向地位于线圈与环形部件之间。

一旦已经制造了一整套线圈和环形部件复合体，则将其机械地组合在一起以形成完整圆筒形磁体线圈结构，例如通过使用连结杆和隔离物。通过调整或设置连结杆的间距或所使用的隔离物的尺寸来确定各个复合体及其包含的线圈的相对位置。例如，不同尺寸的隔离物可以是可用的，和/或可以将垫片添加到隔离物以调整线圈的对准和间距。

本发明有效地提供被轴向划分的线圈模型结构，其被机械地组装成模块化磁体线圈结构。这样的装置使得能够将磁体线圈结构分解，允许磁体结构内的单个线圈的替换或再加工。这对于使所有线圈接合到单个模型上的装置是不可能的。

现在将参考附图来描述某些特定实施例。

具有连结杆的模制线圈 

图1A-1B分别示出根据本发明的实施例的通过圆筒形磁体组件的径向和轴向横截面。图1C示出被识别为IC的图1B的部分的放大图。图1D示出包括线圈和环形支撑部件的复合部件的剖视图。

如上文所讨论的，用诸如上文所述的方法来形成填充线圈10并附着于支撑结构的环形部件12。在本实施例中，每个环形部件包括远离被接合到线圈10的圆筒形部分16径向地延伸的径向定向凸缘14。线圈10本身可以包括绕组54和由树脂填充的填料材料88形成的外壳层。

每个径向定向凸缘14提供有多个通孔18。提供多个系杆20，其延伸通过在分布在径向定向凸缘14周围的位置处的通孔18。在相邻凸缘14之间、在系杆上提供隔离物22，以限定并保持线圈10之间的期望间距。如图1A和1E中所示，这些可以是弓形部分，具有供系杆20穿过的一个或多个细长弓形孔25。可替换地可以将单个隔离物22形成为完整的环。将管状隔离物单独地放置在系杆20上的替换方案是可能的，但目前不是优选的，因为诸如所示的弓形隔离物的增大的表面面积总体上改善结构的刚性。隔离物应由诸如铝或树脂填充的玻璃纤维布的非磁性材料制成。

在替换实施例中，这些隔离物可以由诸如铁的磁性材料制成，条件是当设计磁体时考虑隔离物的形状、位置和磁化，例如以便在成像区域中产生要求的磁场，或者以便充当用于不具有有源屏蔽线圈的磁体设计的杂散场的屏蔽。

在系杆的每个末端处提供保持装置24。例如，可以向系杆的螺纹末端上提供螺母和垫圈。系杆20和保持装置24必须具有足够的质量和适当的材料，并以足够的数目提供，以限制线圈在使用中所经历的所有力以及线圈在运输中可能经历的任何力。系杆和保持装置优选地是非磁性材料的。已经发现不锈钢和铝构件具有供在将特定部分所需的热和机械性质考虑在内的此应用中使用的可接受的性质。

图1A-1C的结构的组装可以如下进行。每个线圈10被单独地接合到相应的环形部件12上以形成复合元件，其中的一个在图1D中部分示出。如图1B中所示，复合元件被堆叠在保证每个线圈到磁体组件的轴A-A上的正确对准的夹具上。夹具可以包括安装在轴上的适当数目的可拆卸心轴。隔离物22被准确地确定尺寸，例如在其轴向末端22a中的每一个上被研磨扁平至紧公差。这保证在组装结构时线圈的对准和正确相对定位。

由这样的实施例提供的优点包括以下各项。不要求线圈的直接手动或机械操纵—由环形部件12的相应径向定向凸缘13来操纵每个线圈。堆叠线圈并组装图1A-1C的结构时的对准夹具的使用保证线圈被准确地对准，并保证线圈在磁体组件内的一致且可重复的对准。如果一个线圈被损坏，则在组装期间或稍后，释放紧固装置24、去除线圈10和隔离物22以便接近损坏的线圈并替换损坏的线圈是相对简单的任务。然后可以替换剩余的线圈和隔离物，以重构磁体组件。应将对准夹具用于磁体线圈组件的重构期间的线圈对准。

在图1A-1E中所示类型的示例3特斯拉磁体中，中心线圈将不经历净轴向力。另一方面，外线圈可能分别经历指向磁体的轴向中心的400公吨的轴向力。中间线圈可能经历指向磁体的轴向中心的100公吨的轴向力。机械支撑结构和线圈本身的结构必须能够在长时间段上经受这样的力。

必须提供用于要提供到线圈和在线圈之间的电连接的装置，但是为了明了起见未示出。在填充程序期间用常规方法来保持每个线圈绕组54的末端可接近。

如果要求组件的附加加固，例如以抵抗由于电磁力和构件的差分热收缩而引起的连结杆的任何弯曲，一个选择可以是附着附加环。这样的环可以向结构的末端提供改善的机械强度（如果需要的话），并且还可以定位于抵抗电磁力和差分热收缩对支撑结构的影响所需的地方。这样的端环优选地是通过针对环形部件12的系杆20和紧固件24附着于磁体线圈组件的轴向末端的非磁性材料的。

模具线圈隔离环 

对于具有相对高轴向电磁力的磁体而言，可以认为使用隔离环（图2A）而不是连结杆（图1B）的替换实施例更适合于支撑磁体线圈。使用隔离环的优点包括（1）减小支撑结构的外径，因为隔离物更接近于线圈以及（2）可以减小作用在支撑结构上的任何弯曲力矩。

图2A示出根据本发明的另一实施例的三个线圈的示例磁体线圈组件的轴向横截面。该结构基本上关于轴A-A对称。提供复合部件，每个复合部件包括线圈10，线圈10在其径向外表面上被粘性接合到环形支撑部件12的径向内表面。在该装置中，不需要在环形部件12上提供径向凸缘14。在相邻环形部件12之间提供隔离环30。每个隔离环30具有径向向内定向凸缘32，其被准确地确定尺寸以保证在定位于相邻环形部件12之间时线圈10的正确对准和间距。

图2B示出复合元件的剖视图，其包括如在图2A的实施例中使用的线圈10和环形部件12。可以在绕组与环形部件之间的径向位置处提供树脂填充的填料材料的外壳。

在结构的轴向末端处，提供保持环34。这些保持环分别具有径向向内定向凸缘36，其可能不需要被准确地确定尺寸，但是应是扁平的，从而正确地与相邻环形部件对准。保持环分别具有径向向外定向凸缘38，其以与参考图1A-1C所述的类似的方式带有通孔。

图2C示出如在图2A的实施例中使用的隔离环30的剖视图。保持环30分别具有至少一个径向向外定向凸缘40，其以与参考图1A-1C所述的类似的方式带有通孔18。如所示，在优选实施例中，每个隔离环30具有两个径向向外定向凸缘40，隔离环的每个轴向末端处一个。如对于所选机械组件装置而言优选的，两个凸缘中的孔可以是或者可以不是对准的。

使用具有末端紧固件或类似装置的螺栓或系杆来将保持环34朝着彼此推进，以压缩结构并将线圈10保持在其各自的相对位置。系杆20或螺栓可以延伸磁体组件的整个长度，并仅在其末端处被紧固，如在图1B中的24处所示，使得保持环34用系杆或螺栓直接链接在一起，系杆或螺栓简单地穿过隔离环的凸缘40中的通孔。

可替换地，某些或所有隔离环30提供有一个或两个径向向外延伸凸缘40，其分别带有多个通孔18。具有末端紧固件的螺栓或系杆将保持环附着于相应地相邻的隔离环；以及将相邻隔离环附着在一起，如图2A中的41处示意性地所示。

由每个线圈在相应环形部件12内的正确定位、环形部件12的正确尺寸确定和径向向内定向凸缘32的厚度来确定线圈10的间隔和对准。

要求磁体线圈相对于彼此具有特定的对准以产生系列磁场谐波以产生磁场的均质（成像）区域的总体形状。在制造期间必须考虑线圈的轴向和同心对准两者。如果每个线圈10被轴向且同心地对准到相应的环形部件12，到要求的公差内，并且根据需要确定环形部件和隔离物的尺寸，则能够在线圈被正确定位的情况下组装复合部件。这些尺寸的任何变化将会需要对准夹具，其可以用作组装之后线圈对准的检查或在组装期间主动地引导复合部件的正确对准。

图2A的结构的组装可以如下进行。使用对准夹具来在组装期间保证线圈的正确轴向对准。例如，对准夹具可以包括安装在与磁体组件的轴A-A对准的轴上的多个可拆除心轴。被粘性地安装在其环形部件12内的第一线圈10被放置在对准夹具上。然后将隔离环30放置在第一线圈上。假设适当地制造隔离环，对于对准夹具而言不必要控制隔离环的定位。隔离环将位于环形部件12上，但是其径向对准方面的小的公差不可能总体上对磁体的性能不利。然后将下一个线圈10堆叠在隔离环的顶部上，并根据对准夹具对准。该过程持续至所有线圈和隔离环已被堆叠。如果相关，使用螺栓或系杆来将隔离环联合在一起，穿过隔离环的径向向外延伸凸缘中的孔。保持环34被放置在组件的轴向外末端处。可以在第一线圈之前堆叠一个保持环34；可替换地，在线圈和隔离环已被定位之后可以将保持环34二者放置在适当位置。如上所述，然后通过径向向外延伸凸缘40中的通孔对螺栓或系杆进行定位以将线圈10保持在适当位置。

根据正在讨论中的实施例，螺栓或系杆可以在保持环34之间延伸；或者仅仅在隔离环30与相邻隔离环30或保持环34之间延伸。径向向内定向凸缘32被准确地确定尺寸，例如在其轴向定向面中的每一个上被研磨至紧公差。这保证在组装结构时线圈的正确轴向定位。环形部件12可以都具有相同的轴向范围d，根据期望，由隔离环40的径向向内定向凸缘32的适当厚度e来提供线圈的不同轴向间距。

由这样的实施例提供的优点包括以下各项。不要求线圈的直接手动或机械操纵—由相应的环形部件12来操纵每个线圈。在堆叠线圈并组装图2的结构时对准夹具的使用保证线圈被准确地对准，并保证线圈在磁体组件内的一致且可重复的对准。如果一个线圈被损坏，则在组装期间或稍后，释放紧固装置24；41、去除保持环34、线圈10以及隔离环30以便接近损坏的线圈，并替换损坏的线圈是相对简单的任务。然后可以替换剩余的线圈和隔离环和保持环，以便重构磁体组件。应将对准夹具用于磁体线圈组件的重构期间的线圈10的对准。

具有附着于径向外表面的接线片的线圈 

图3A示出根据本发明的另一实施例的具有附着的接线片42的线圈10的轴向视图。在本实施例中，不将环形部件接合到线圈10。替代地，具有通孔44的单独接线片42被附着于每个线圈的径向外表面43，在径向外表面周围周向地间隔开。然后可以通过使保持杆20通过接线片中的通孔44并通过诸如相对于图1C和1E所示和所述的隔离物22来组装磁体组件。

优选地，用被用于填充线圈的热固性树脂填充的玻璃布或玻璃珠的外壳层56来保护每个绕组54的外表面。这防止绕组的导线与接线片42的机械和电交互。

在示例制造方法中，可以将接线片42定位在模具内以进行树脂填充，并在线圈填充步骤中通过热固性树脂接合到线圈。这已经发现提供线圈与接线片之间的可靠的、高强度的接合。在图3B中，示出了包括绕组54的线圈的剖视图，其中树脂填充的玻璃珠的外壳56覆盖线圈的径向外表面。由于接线片42被容纳在用于填充的模具内，可以将其部分地嵌入在外壳56内，这提供每个接线片与线圈之间的牢固的粘性接合。

可替换地，可以以常规方式在模具中用热固性树脂来填充线圈；允许或促使树脂固化；从模具去除线圈，并且然后使用粘合剂将接线片42接合到线圈的径向外表面。图3C和3D分别示出了具有可用于容纳粘合剂48的腔体46的适当接线片42的透视图和用粘合剂48粘性地安装到线圈10的径向外表面的接线片42的剖视图。

图3E示意性地示出用于将接线片42粘性接合到线圈10的示例装置。在本实施例中，接线片42轴向地延伸线圈10的长度。在接线片的径向内表面上提供腔体46，以容纳用来将接线片42接合到线圈10的粘合剂48。提供通过接线片42的材料进入腔体46的通道50，以使得能够将粘合剂引入腔体中。在线圈10的径向外表面43上放置接线片；例如使用注射器通过通道50将粘合剂引入腔体46中。然后允许粘合剂固化，提供接线片42与线圈10之间的牢固的粘性接合。在图3E中还示出了延伸件52，即延伸到线圈10的轴向末端上的接线片的可选部分。这允许通过相对于线圈的轴向端面按压延伸件来进行接线片到线圈上的简单的手动轴向对准。（多个）延伸件还可以帮助针对线圈在使用中遇到的力限制线圈。这样的力否则将必须仅仅由将接线片保持到线圈的接合的强度来承载。

在替换实施例中，接线片可以具有基本上矩形的径向横截面，具有等于线圈的轴向长度的轴向长度。

图3F示出沿着通过孔44的平面所获取的根据本发明的本实施例的线圈10的组件的部分视图，诸如图3B和3D中的IIIE处所示。如所示，可以通过使具有末端紧固装置24的螺栓或系杆20通过接线片42中的通孔44并使用接线片和隔离物22将线圈夹紧到位置来将线圈10组装在一起。在这些实施例中，可以不必要使用大径向横截面的隔离物22，诸如图1E中所示的，因为隔离物将靠在接线片上，所述接线片本身可以由诸如铝的机械高强度材料构成，其中与线圈10的对接（interface）通过线圈上的接线片的较大对接表面。然而，大径向横截面隔离物的使用可以在总体上有利地改善组件的刚性。

以与参考图1A-1C所述的类似的方式执行图3F的装置的组装。使用对准夹具来保证线圈的轴向对准，同时隔离物22的长度确定线圈的相对轴向位置。如图1A-1C的装置一样，例如通过磨铣其轴向末端来仔细地确定隔离物22的尺寸。

用于接线片的适当材料包括铝和复合材料。已经发现铝和各种复合材料具有用于接合到环氧树脂粘合剂的可接受的表面性质，并因此预期具有供在考虑特定部分的热匹配和机械性质的该应用中使用的可接受的性质。

在本示例中，可以使用环氧树脂粘合剂将用环氧树脂填充的线圈接合到铝接线片。

可以在线圈的径向外表面上提供环氧树脂填充的布或玻璃珠或类似物的外壳。可以在将接线片接合到外壳的径向外表面之前对线圈的这些填充的外壳进行加工以提供用于接线片的轴向和周向对准。

在替换装置中，可以例如通过在填充模具中产生适当形状的腔体并在执行填充步骤之前用玻璃纤维布或其它填料材料对其进行充填来就地形成接线片。结果得到的接线片是轻的、非磁性的且是线圈结构本身的一部分，具有非常高效的接合强度。

图3A-3C的装置在拆除以便替换有缺陷线圈的每一个方面具有与图1A-1C和图2的装置相同的优点。

在外壳中具有嵌入模内的（molded in）插入物的线圈 

图4示出根据本发明的另一实施例的线圈的剖视图。在本实施例中，被粘性地接合到线圈10的径向外表面的机械保持结构是在绕组54的径向外表面上形成的加厚外壳56。提供通过外壳的通孔60。这些通孔优选地通过在填充步骤期间在外壳内包括管状插入物62来形成。可替换地，可以在没有通孔的情况下形成外壳；然后，可以通过外壳钻过大的孔，并将插入物62粘性地接合到外壳。在其它实施例中，提供固体金属插入物，其在完成填充步骤之后被钻有通孔。在仍其它的变型方案中，未提供插入物，并且可以将通孔简单地模制或钻入外壳中。

在优选实施例中，将线圈的导线54缠绕到模具模型上，并放置在模具中以进行树脂填充，模具在导线的径向外表面上具有足够的空间以容纳外壳56。多个插入物在适当的位置处被添加到模具中，并且用玻璃珠、玻璃布或另一适当填料材料充填模具内的剩余空间。将模具封闭，并且然后对导线和外壳进行树脂填充，结果得到图4中所示的结构。可以用诸如蜡或制模用粘土的可去除充填材料来充填通孔60以防止填充树脂堵塞通孔。可以在模具中提供特征以保证插入物62被放置并保持在其正确位置上。另外或可替换地，可以提供网状物（web）（未示出）以保证插入物62被相对于彼此和相对于绕组54正确地定位。

如参考其它实施例所解释的，可以使用具有隔离物的连结杆或螺栓将这样的线圈结构一起组装成完整的磁体组件。优选地，应使用诸如图1E中所示的具有大轴向表面面积的隔离物，因为这些隔离物将散布施加于外壳的负荷，并总体上向磁体结构提供改善的刚性。

分批处理工具 

图5示出通过可以在根据本发明的方法中使用以在单个操作中执行多个线圈的树脂填充和接合的调节工具装置的部分轴向横截面。如所示，将多个绕组54缠绕到各自的模具轴颈70上。如所示，这些模具轴颈可以是用于每个线圈的轴向划分的多部分轴颈，允许一旦填充步骤完成就从每个轴颈的相应线圈将其去除。使用轴向划分的多部分轴颈70的优点是在轴颈的部分之间提供滑槽（runner）72、允许填充树脂通过轴颈接近线圈是简单的。

模具的外部74可以是上述环形支撑元件，其在完成的结构中被机械地联合到线圈10。在所示的装置中，外部74分别轴向地延伸超过每个相应线圈的绕组54，并且因此可以在诸如图2A-2C中所示的组件中使用。可替换地，通过适当地选择每个环形支撑元件74的轴向范围，可以在不要求环形支撑元件之间的隔离物的情况下组装本发明的磁体组件。图6示出这样的实施例并在下文中描述。

在环形支撑元件74之间提供诸如弹性体环的密封76以防止树脂在支撑元件之间泄漏。轴颈70、绕组54和环形支撑元件74被树脂槽80围绕，并且树脂在真空下通过滑槽72引入以填充绕组54并将其接合到环形支撑元件74。可替换地，通过密封链接的环形支撑元件74可以充当被密封到可去除的内槽部件的槽的外部件，因此减少过量树脂的量。优选地，在绕组与环形支撑元件74之间提供诸如缠绕的玻璃纤维布的中间层（interface layer）。空隙78促进树脂的流动。优选地用诸如PTFE聚四氟乙烯的释放材料来涂敷暴露于空隙的环形支撑元件的表面以便一旦填充步骤完成就促进过量树脂的去除。可以以改善通过树脂的接合的方式：例如喷砂、吹砂或阳极化（如果是铝的）来准备与绕组对接的环形支撑结构的表面。

一旦已经引入了树脂，并促使或允许固化，则拆除调节工具并去除过量树脂。

图6示出根据本发明的实施例的磁体的轴向横截面，其中，可以如参考图5所述地准备线圈。环形支撑部件74上的多个线圈10关于磁体轴A-A共轴地对准，优选地使用如上所述的夹具来堆叠。如参考图2A所述的保持环34被放置在堆叠的每个末端处，并且系杆20通过保持环34中的各自的孔，并被紧固件24紧固在合适位置，所述紧固件24向系杆20施加张力以压缩环形支撑部件74并将其保持在适当位置。在本实施例中，不需要在环形支撑部件之间提供任何种类的单独隔离物，因为每个支撑部件的轴向范围被确定为一旦磁体被组装就提供正确的线圈间距。在环形支撑部件上的面上提供互锁特征可能是优选的，诸如每个支撑部件的一个轴向端面周围的凸起脊、以及每个支撑部件的另一轴向端面中的相应槽—例如在图6中的74a处所示。如果准确地对这些脊和槽进行加工，则可能有可能在不使用夹具的情况下简单地通过将线圈堆叠在彼此顶部上来组装磁体，保证环形部件中的脊和槽被正确地对准。在可替换的装置中，系杆可以通过位于支撑部件的径向外表面上的支撑部件中的孔，例如在支撑部件的径向外表面上形成的接线片中。

图5和6的分批处理工具装置和上述相关联的方法可以用于缠绕并填充整个磁体，其中由绕组轴颈来限定线圈位置，并将其接合到支撑结构上。在该处理期间，然后将包括轴颈70的支撑结构分解。从被支撑线圈去除轴颈和支撑结构的任何其它部分，并重新组装被接合到其各自支撑体74的线圈10，典型地按照与其被填充时相同的顺序，以形成具有正确线圈位置的磁体结构。

图7示出通过类似于图5的填充工具装置的轴向横截面。在该装置中，环形支撑部件80由至少两个且优选地至少三个弓形部分组成。图8通常示出由两个弓形部分82组成的环形支撑部件80。每个弓形部分提供有使得其能够被联合在一起以形成完整的环形支撑部件80的特征84。在图7中所示的示例中，那些特征84可以是接线片，分别具有通孔，使得螺栓能通过相邻部件的相邻接线片以形成支撑部件80。这样的装置的有利之处在于一旦线圈10已被组装到磁体结构中，则可以使用接线片来将磁体附着于支撑结构，或将外线圈附着于磁体。

在图7中所示的装置中，例如通过夹紧将多个轴向划分的轴颈件86保持在一起。多个绕组54被缠绕到轴颈腔体中。可以在绕组54上缠绕诸如玻璃纤维布88的填料材料层。然后通过将弓形部分82联合在一起在填料材料88上（如果存在的话）在绕组54周围组装环形支撑部件80。将结果得到的组件放置在树脂槽中。在所示的示例中，“槽”事实上仅具有内壁90和底部92，由环形支撑部件80来有效地提供外壁。优选地在环形支撑部件80之间以及在槽底部92与下环形支撑部件80之间提供诸如弹性体环的密封94。然后在真空下将树脂96引入槽中，并充满轴颈件之间的树脂流动路径98，如在图7中的放大提取图中所示。树脂填充绕组54、填料材料88（如果有的话）并引起结果得到的线圈到外支撑部件的粘性接合。促使并允许树脂固化。优选地用诸如PTFE聚四氟乙烯的释放材料来涂敷未被接合到线圈的轴颈件86的表面和环形支撑部件的表面以便一旦填充步骤完成就促进调节工具的分解。

上文所述的该设备和相关联的方法提供一套相同线圈的缠绕和填充，随后可以使其与已经以类似方式制造的不同线圈匹配，以形成最终的磁体组件。

简化的缠绕和填充调节工具 

图9示出通过可以在本发明的方法中使用以便使线圈准备好组装到本发明的磁体结构中的简化调节工具的部分径向横截面。在本示例中，提供单个轴颈，其由两个轴向划分的部分100组成，具有在其之间限定的小横截面积的滑槽102。

具有在其中限定的滑槽106的环形部件104被放置在被缠绕到轴颈中的绕组54和可能存在的任何填料材料88上。通过滑槽106引入热固性树脂以填充填料材料88和绕组54。空气和过量热固性树脂可以通过滑槽102离开轴颈。可替换地，可以在真空下执行树脂填充。可以将工具108临时放置在滑槽102上以收集过量树脂。可以用密封110将工具密封到轴颈。在所示的装置中，将软管附着于滑槽106以将树脂载送到线圈。可替换地，如传统地，可以使用树脂槽来执行树脂填充。促使或允许填充树脂固化。然后将轴颈件从线圈结构去除以留下包括被粘性地接合到环形支撑部件104的被填充的绕组54。

这样的简化调节工具装置可以用来形成根据本发明的任何所述实施例的线圈组件。可以用类似方法来形成其中环形安装部件由填充的填料材料组成的诸如在图4中所示的实施例，其中，用释放涂层来涂敷模具的环形部分104，以使得能够从环形部分去除线圈。

Spindler和Hoyer工具箱（Kit） 

图11示出安装在正方形支撑部件130上的线圈10。可以用前述的任何方法来准备该组件，例如，通过用任何常规方法制造树脂填充的线圈，使其与正方形支撑部件130对准并将线圈接合到支撑部件，例如由第二树脂填充步骤，可能在第二填充步骤之前在线圈的径向外表面与支撑部件130的相邻表面之间置入诸如玻璃布或玻璃珠的填料层。可替换地，在第一填充步骤期间可以使用正方形支撑部件130作为模具的一部分。在该情况下，不用释放剂来涂敷支撑部件130的相邻表面，而是相反可以适当地用喷砂、吹砂或阳极化来粗糙化，以保证线圈到支撑部件的牢固的接合。

如所示，可以提供通过支撑部件的通孔132。对于如所示的正方形支撑部件而言，提供四个通孔132可能是特别方便的，正方形支撑部件的每个拐角附近一个；或者四个通孔的倍数，均匀地分布在四个拐角周围。

图12示出与图3F中所示的类似的装置，其可以用来将诸如图11中所示的被支撑线圈组装到磁体组件中。如所示，并且如在图3F的示例中，可以在系杆20上提供中空的隔离物22，以保证线圈10在支撑部件130上的正确间距。可替换地，可以沿着系杆20的长度对其车螺纹，例如其为铝或不锈钢大头钉，或者可以在每个支撑部件130的两侧上提供螺母和垫圈24，以将每个线圈保持在合适位置。这样的装置具有可以在组装期间容易地调整线圈10的位置的优点。

图13示出可以在将诸如图11中所示的被支撑线圈组装到磁体组件中时使用的另一可调整线圈保持装置。在该装置中，可以对系杆20车螺纹或不车螺纹。在每个通孔132处，提供螺纹孔134以近似地以直角拦截通孔132。在螺纹孔中提供螺钉136。一旦例如使用如前所述的夹具将线圈在适当位置对准，则将螺钉136拧紧到系杆上以将线圈保持在适当位置。然后将不需要隔离物22。可以使螺钉134的末端呈锥形以提供在系杆上将线圈更牢固地保持在适当位置。

已经使用类似装置，已经发现分别具有约1公吨的拉伸负荷的十二个铝M12螺栓足以限制约10公吨的0.5特斯拉磁体的末端线圈上的轴向力。对于高场磁体设计而言，可以增加连结杆的数目和尺寸以提供要求的结构强度。

在此装置的改善中，可以通过在每个扭点（pinch point）处使用三个或更多螺栓138来使得能够实现线圈同心度的调整，例如，如图14中所示，其中，提供四个螺栓138，相互垂直且垂直于连结杆，并通过支撑环140中的螺纹孔来提供，所述支撑环是出于该目的在支撑部件130的至少一侧上提供的。这样的实施例在不需要隔离物22的情况下利用连结杆。在替换实施例中，可以使支撑部件130径向地伸出以支撑有源屏蔽线圈（未示出）。

用于线圈对准的调整器 

上述组装方法描述夹具的使用以保证线圈的正确对准和组装。可能发现有必要在组件在夹具上的同时或者在其已被从夹具上去除之后提供线圈之间的机械调整。例如，可以使电流通过导线中的金属横截面并且结果得到的磁场被测量。然后针对期望的磁场谐波对磁体的轴向线圈位置进行优化。图10示出如可以在本发明的某些实施例中使用的机械线圈对准调整器的示例。可以将其视为可调整隔离物。在两个环形支撑部件120之间，保持器122支承圆锥形旋转调整器124。调整器的径向内端具有锥形表面128，其朝向（bear upon）相邻环形支撑部件120的相应锥形表面。调整器具有穿过保持器122中的螺纹孔的螺纹轴。调整器优选地具有被配置为用于用手动工具进行简单操作的头：例如，用于用扳手转动的六角形头；用于用艾伦内六角扳手转动的凹陷六角形、用以容纳螺丝起子的凹坑等。应在任何给定轴向位置处在支撑部件的圆周周围提供至少三个调整器。

可以如下操作线圈对准调整器。在系杆20处于很少或没有张力下的情况下，可以转动每个调整器的头以调整线圈的相对对准。径向地向内移动调整器将在该周向位置处推动支撑部件和附着的线圈进一步分离，同时径向地向外移动调整器将允许支撑部件和附着的线圈该周向位置处更近地移动在一起。

在示例实施例中，调整器的圆锥形表面具有4°的夹角，允许线圈对准的精确调整。保持器122可以是完整的环，在线圈被组装在一起时被放置在适当位置。可替换地，可以将各个保持器折边（bosse）定位于要求的位置处，优选地在特定轴向位置处的环形保持器部件的圆周周围相等地间隔开。可以用诸如环形保持器部件中的螺纹孔中的螺栓的适当装置将折边附着于环形保持器部件120。

在该思想的发展中，可以用楔杆来替换圆锥形旋转调整器124，其被径向地按压到环形支撑部件之间的锥形间隙中，或根据期望径向地从锥形间隙释放以实现正确的线圈定位。楔杆的使用将具有提供与环形支撑部件的较大接触表面面积的优点，减小环形支撑部件120上的机械点加载。可以由在保持部件和杆周围周向地蔓延的可调整带或由与图10中所示的类似的螺纹调整器（其朝向杆的径向外表面）来对楔杆进行定位。

虽然已参考有限数目的特定实施例描述了本发明，但对于本领域的技术人员来说显而易见的是在如所附权利要求限定的本发明的范围内可以进行许多变更和修改。

例如，虽然已参考用于MRI系统的圆筒形超导磁体来明确地描述本发明，但可以出于任何目的将其应用于圆筒形电磁体，无论其是超导的还是电阻的。

已经用已在两阶段填充过程中被接合到支撑结构的末端线圈来制造并测试全尺寸原型磁体并证明在3特斯拉下是可操作的。

Claims (43)

1.一种包括多个同心地对准的线圈（10）的螺线管磁体组件，分别包括用树脂填充的绕组（54），

其中：

-通过树脂的径向外表面将每个线圈粘性地接合到相应的环形支撑部件（12；30；74；80；120）；以及

-将所述环形支撑部件机械地限制（20、24；41）在固定的相对位置以形成磁体组件。

2.根据权利要求1所述的螺线管磁体组件，其中，环形支撑部件（74）分别具有比相关联的线圈的轴向范围长的轴向范围，环形支撑部件相对于彼此受到限制，使得由环形支撑部件的轴向长度来限定线圈之间的间距。

3.根据权利要求1所述的螺线管磁体组件，还包括位于环形支撑部件之间的隔离物（22），由环形支撑部件和介入隔离物的轴向长度来限定线圈之间的轴向间距。

4.根据权利要求3所述的螺线管磁体组件，还包括位于相邻环形支撑部件（120）之间的至少一个可调整隔离物（124），从而使得能够调整相关联的线圈的相对位置。

5.根据任一前述权利要求所述的螺线管磁体组件，其中，提供系杆（20），其延伸通过环形支撑部件中的相应孔（18；44），并提供有保持系杆处于拉伸的紧固件（24），从而将环形支撑部件保持在固定的相对位置。

6.根据任一前述权利要求所述的螺线管磁体组件，其中，环形支撑部件（80）中的至少一个由被机械地链接在一起（84）的至少两个弓形部件（82）组成。

7.根据任一前述权利要求所述的螺线管磁体组件，其中，环形支撑部件中的至少一个是完整的环形件。

8.根据权利要求3所述的螺线管磁体组件，其中，环形支撑部件（12）中的至少一个包括具有径向地远离圆筒形部分延伸的径向定向凸缘（14；40）的圆筒形部件（16）。

9.根据权利要求8所述的螺线管磁体组件，其中，径向定向凸缘（14；40）提供有孔，系杆（20；41）或螺栓穿过所述孔，系杆或螺栓将环形支撑部件保持处于压缩。

10.根据权利要求3所述的螺线管磁体组件，其中，隔离物（22）中的至少一个是管状的。

11.根据权利要求3所述的螺线管磁体组件，其中，隔离物（22）中的至少一个在径向横截面方面是弓形的。

12.根据权利要求5所述的螺线管磁体组件，其中，隔离物（22）中的至少一个在径向横截面方面是弓形的并且至少两个系杆穿过该隔离物。

13.根据权利要求3所述的螺线管磁体组件，其中，隔离物（22）中的至少一个在径向横截面方面是环形的。

14.根据权利要求12所述的螺线管磁体组件，其中，环形隔离物（30）包括径向向内定向凸缘（32），其尺寸被确定为用以保证相邻线圈在被定位于相邻环形支撑部件（12）之间时的正确对准和间距。

15.根据权利要求5所述的螺线管磁体组件，其中，隔离物（22）中的至少一个在径向横截面方面是环形的并且至少两个系杆穿过该隔离物。

16.根据任一前述权利要求所述的螺线管磁体组件，还在轴向末端处提供有末端圆盘，该末端圆盘通过螺栓或系杆机械地撑牢在相邻环形支撑部件或相邻接线片上，从而将相邻线圈保持在合适位置。

17.根据任一前述权利要求所述的螺线管磁体组件，还在轴向末端处提供有保持环（34），该保持环通过螺栓或系杆相对于相邻环形支撑部件或相邻接线片机械地撑牢，从而将相邻环形支撑部件保持在合适位置。

18.一种用于构造包括多个轴向对准的线圈（10）的螺线管磁体组件的方法，分别包括用树脂填充的绕组（54），

其中，所述方法包括步骤：

-将每个线圈的树脂的径向外表面粘性地接合到相应的环形支撑部件（12；30；74；80；120）；以及

-机械地将环形支撑部件限制（20、24；41）在固定的相对位置以形成磁体组件。

19.根据权利要求23所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，还包括步骤：在将相关联的环形支撑部件固定在其相对位置之前使用夹具将线圈定位于正确位置。

20.根据权利要求23所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，其中，环形支撑部件相对于彼此受到限制，环形支撑部件（74）分别具有比相关联的线圈的轴向范围长的轴向范围，使得由环形支撑部件的轴向长度来限定线圈之间的间距。

21.根据权利要求18或权利要求19所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，还包括步骤：在相邻环形支撑部件的至少一对之间放置隔离物（22），使得由环形支撑部件和介入隔离物的轴向长度来限定相关联的线圈之间的轴向间距。

22.根据权利要求21所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，包括位于相邻环形支撑部件（120）之间的至少一个可调整隔离物（124），从而使得能够调整相关联的线圈的相对位置。

23.根据权利要求18-22中的任一项所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，其中，提供系杆（20），其延伸通过环形支撑部件中的相应孔（18；44；60），系杆被提供有保持系杆处于拉伸的紧固件（24），从而将环形支撑部件保持在固定的相对位置。

24.根据权利要求18-23中的任一项所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，其中，环形支撑部件（80）中的至少一个由被机械地链接在一起（84）的至少两个弓形部件（82）组装。

25.根据权利要求18-24中的任一项所述的方法，其中，将每个线圈的径向外表面粘性地接合到相应的环形支撑部件的步骤包括：

-在轴颈中形成导线的绕组（54）；

-围绕绕组组装模具；

-用第一热固性树脂填充绕组；

-促使或允许第一热固性树脂固化；

-去除模具和轴颈；

-将树脂填充的绕组放置在环形支撑部件内；以及

-将包括第二热固性树脂的层引入绕组的径向外表面与环形支撑部件的径向内表面之间的间隙；以及

-促使或允许第二热固性树脂固化。

26.根据权利要求18-25中的任一项所述的方法，其中，将每个线圈的径向外表面粘性地接合到相应的环形支撑部件的步骤包括：

-在轴颈中形成导线的绕组（54）；

-围绕绕组组装模具，其中，模具的径向外部件包括环形支撑部件；

-用第一热固性树脂来填充绕组，添加足够的树脂以在绕组的径向外表面与环形支撑部件的径向内表面之间延伸；

-促使或允许第一热固性树脂固化；以及

-去除模具和轴颈。

27.根据权利要求26所述的方法，还包括步骤：在填充步骤之前用填料材料充填绕组的径向外表面与环形支撑部件的径向内表面之间的间隙。

28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，在单个操作中执行多个线圈的树脂填充，使用调节工具装置，其中多个绕组在相应轴向划分的轴颈（70）上被形成，被放置到模具的环形外部分（74）中，并且热固性树脂被引入以填充绕组并充填每个绕组与轴向对准的环形外部分之间的空间，并且其中，在热固性树脂已固化之后从绕组去除轴向划分的轴颈。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，模具的环形外部分被树脂接合到绕组，变成环形支撑部件。

30.根据权利要求26或权利要求27所述的方法，其中，执行单个线圈的树脂填充，使用调节工具装置，其中绕组在轴向划分的轴颈（100）上被形成，并且被放置到模具的环形外部分（104）中，并且热固性树脂被引入以填充绕组并充填绕组与环形外部分之间的空间，并且其中，在热固性树脂已固化之后从绕组去除轴向划分的轴颈。

31.一种包括多个同心地对准的线圈（10）的螺线管磁体组件，分别包括用树脂填充的绕组（54），

其中：

-对于线圈中的至少一个而言，在绕组（54）的径向外表面上形成加厚外壳（56），并提供通过该外壳的通孔（60）；以及

-机械地限制线圈中的至少一个中的每一个的加厚外壳，以将线圈保持在固定的相对位置以形成磁体组件。

32.根据权利要求31所述的螺线管磁体组件，其中，使用具有隔离物的连结杆或螺栓将线圈组装在一起。

33.根据权利要求31或权利要求32所述的螺线管磁体组件，其中，由在外壳内包括的管状插入物（62）来提供通孔。

34.根据权利要求31或权利要求32所述的螺线管磁体组件，其中，由通过外壳的材料的孔来提供通孔。

35.一种用于构造包括多个轴向对准的线圈（10）的螺线管磁体组件的方法，分别包括用树脂填充的绕组（54），

其中，所述方法包括步骤：

对于线圈中的至少一个而言，在绕组（54）的径向外表面上形成加厚外壳（56），并提供通过该外壳的通孔（60）；以及

机械地限制加厚外壳，以将线圈保持在固定的相对位置以形成磁体组件。

36.根据权利要求35所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，还包括步骤：在至少一对相邻外壳之间放置隔离物（22），使得由外壳和介入隔离物的轴向长度来限定相关联的线圈之间的轴向间距。

37.根据权利要求36所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，包括位于相邻外壳之间的至少一个可调整隔离物（124），从而使得能够调整相关联的线圈的相对位置。

38.根据权利要求35-37中的任一项所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，包括提供延伸通过外壳中的相应通孔（60）的系杆（20），系杆被提供有保持系杆处于拉伸的紧固件（24），从而将线圈保持在固定的相对位置。

39.根据权利要求38所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，包括在外壳中提供插入物（62），其中通孔（60）在插入物中，并使系杆或螺栓通过插入物。

40.一种包括多个同心地对准的线圈（10）的螺线管磁体组件，分别包括用树脂填充的绕组（54），其中：

对于线圈中的至少一个而言，在绕组（54）的径向外表面上形成外壳（56），并提供通过该外壳的通孔（60）；以及

将多个接线片（42）接合到外壳层，并将接线片机械地限制（20、22、24）在固定的相对位置以形成磁体组件。

41.根据权利要求10所述的螺线管磁体组件，其中，所述接线片被部分地嵌入外壳层内。

42.一种用于构造包括多个轴向对准的线圈（10）的螺线管磁体组件的方法，分别包括用树脂填充的绕组（54），

其中，所述方法包括步骤：

对于线圈中的至少一个而言，在绕组（54）的径向外表面上形成外壳（56），并提供被粘性地接合到外壳的径向外表面的多个接线片（42）；以及

将接线片机械地限制（20、22、24）在固定的相对位置以形成磁体组件。

43.根据权利要求42所述的用于构造螺线管磁体组件的方法，其中，所述接线片被部分地嵌入外壳层内。

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