CN106796837A - 圆柱超导磁体线圈结构及其制造和组装方法 - Google Patents

圆柱超导磁体线圈结构及其制造和组装方法 Download PDF

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Abstract

一种圆柱形超导线圈组件，包括堆叠在一起并由保持结构保持在适当位置的多个单独线圈单元，每个线圈单元包括树脂浸渍的环形超导线圈，其在其轴向末端处与非铁磁材料的相应环结合。

Description

圆柱超导磁体线圈结构及其制造和组装方法
技术领域
本发明提供了例如在磁共振成像(MRI)系统中使用的圆柱形超导磁体线圈结构。这样的磁体必须被冷却到低于所使用的超导线的转变温度，这需要将超导磁体线圈结构放置在低温恒温器中以将其与环境温度隔离。
背景技术
图1示出了包括致冷剂容器12的低温恒温器的示例常规布置。超导磁体包括位于致冷剂容器12内的线圈结构10，其本身保持在外部真空室(OVC)14内。一个或多个热辐射屏16设置在在致冷剂容器12和外部真空室14之间的真空空间内。在一些已知的布置中，制冷机17安装在位于为此目的而设置的转台18中的制冷机套15中，并朝向低温恒温器的侧部。可选地，制冷机17可位于访问塔19内，其保持安装在低温恒温器顶部的访问颈(通风管)20。制冷机17提供主动制冷以冷却致冷剂容器12内的致冷剂气体，在一些布置中，通过将其冷凝成液体来冷却致冷剂气体。制冷机17还可以用于冷却辐射屏16。如图1所示，制冷机17可以是两级制冷机。第一冷却级热连接到辐射屏蔽16，并且提供到第一温度的冷却，通常在80-100K的范围内。第二冷却级将致冷剂气体冷却到低得多的温度，通常在4-10K的范围内。
发明内容
本发明提供了一种如上所述的超导磁体线圈结构10，其可以放置在致冷剂容器12内，或者通过其它方式冷却。
在常规超导磁体结构的示例中，线圈缠绕到限定在(例如铝制的)圆柱形线圈架的径向外表面上的腔中。然后用热固性树脂浸渍线圈。
在多个线圈卷绕和同时浸渍的任何这样的方法中，存在不能校正一个线圈中的制造缺陷的风险，导致整个浸渍结构的废弃。制造缺陷(如电短路和浸渍故障)是已知的，但是直到浸渍完成并且将结构从其模具中移除后，制造缺陷才会变得明显。有利的是提供一种用于制造超导线圈组件的方法，其中可以检查单个线圈的缺陷，并且如果需要，单个线圈可在浸渍步骤之后更换。
本发明提供了一种超导磁体线圈结构，其解决了上述传统结构的一些缺点。
本发明特别涉及所谓的“串联结合(serially bonded)”结构的超导线圈组件。在这种布置中，线圈通过间隔件连接，以保持期望的轴向间隔和轴向对准。线圈和间隔件结合在一起以形成自支撑结构。
本发明还寻求提供一种结构和组装技术，其允许线圈正确对准，并且允许在制造期间通过使用单独的线圈单元更换有缺陷的线圈，并且允许调整线圈的相对位置。
因此，本发明提供如所附权利要求中限定的结构和方法。
附图说明
从下面结合附图的某些实施例的描述中，本发明的上述和进一步的目的、特征和优点将变得更加明显，其中：
图1示意性地示出了超导磁体在低温恒温器内的常规布置；
图2示意性地示出了可以应用本发明的串联结合的线圈组件的半横截面；
图3示意性地示出了根据本发明的实施例的部分卷绕线圈单元；
图4示意性地示出了根据本发明的实施例的线圈单元的制造中的后续步骤；
图5A-5E示意性地示出了根据本发明的方法中的某些步骤制造线圈单元的方法中的步骤；
图6示意性地示出了根据本发明的一个方面的线圈单元；
图7示意性地示出了根据本发明实施例的线圈结构；
图8示意性地示出根据本发明的另一实施例的部分卷绕线圈单元；
图9示意性地示出了根据本发明实施例的线圈单元的制造中的后续步骤；
图10示意性地示出根据本发明的实施例的线圈单元；
图11-13示意性地示出根据本发明的某些实施例的线圈结构；
图14示意性地示出了根据本发明的实施例的线圈组件的透视图；
图15示意性地示出形成在线圈单元的轴向端面中的互补的凹部和突起；和
图16示意性地示出了根据本发明的实施例的一个方面的多线圈单元的制造中的步骤。
具体实施方式
本发明涉及串联结合的线圈结构。串联结合的线圈结构10的一个例子在图2中示出为示意性半截面。该结构基本上关于轴线A-A旋转对称。术语“径向”和“轴向”和类似术语在本文中将用于表示分别为“垂直于轴线A-A并在包含轴线A-A的平面中延伸”和“与轴线A-A平行或重合”的方向和尺寸。类似地，诸如“外”和“内”的术语是指与轴A-A的中心的相对接近性。对于MRI磁体，尺寸r通常为约50cm，尺寸z通常为约150cm，对于典型的NMR磁体，尺寸z为更小的尺寸。提供多个超导线材的线圈100，每个线圈100用诸如热固性树脂的材料浸渍，如本身常规的那样。线圈100由间隔件102隔开。间隔件可以由诸如电阻性铜线的线构成，缠绕成线圈并用浸渍材料(例如热固性树脂)浸渍；或者可以由诸如玻璃纤维布或长丝的惰性材料构成，缠绕并用类似的浸渍材料浸渍。线圈具有确定为实现其作为磁场源的功能并且允许鲁棒且不过度麻烦的制造的轴向和径向尺寸，这对于本领域技术人员将是显而易见的。对于本领域技术人员显而易见的是，同质区域的磁场强度、场均匀性和尺寸的给定目标可以通过具有不同尺寸、间距和数量的多个不同的线圈布置来实现。设计者将基于所讨论的设计特有的其他约束来选择适当的布置。
根据本发明的一个方面的制造这种串联结合的线圈结构10的示例性方法可以如下进行。
在本发明的实施例中，线圈组件10不是由通过热固性树脂或类似物结合在一起的单独的线圈100和间隔件102形成，而是单独形成和浸渍的线圈单元可以堆叠在一起并且通过保持结构保持在适当位置。
优选地，在这种布置中，提供一些对准结构以确保线圈和间隔件在组装期间被正确对准，并且在其整个使用寿命期间保持正确对准。例如，如图14所示，互补的凹部80和突起82可以形成在线圈单元的轴向端面中。在优选的布置中，如图13所示，在所有线圈单元的轴向端面中设置凹部38，其中榫钉40放置在相邻的线圈单元的凹部内，以确保所需的对准。
一旦组装，根据本发明的某些实施例，线圈单元可以彼此结合。在本发明的其它实施例中，线圈单元可以机械地固定在一起，例如通过压缩或通过螺栓布置。
图3示出了根据本发明的一个方面的特别优选的组装方法中的步骤。部分完成的线圈单元的所示轴向半剖面关于轴线A-A对称。GRP、PTFE或类似物的非铁磁性环30被预成形，并被放置在模具32中以限定待缠绕的线圈的轴向末端。模具32可以是如图所示的多零件模具，其可以在完成时拆卸以移除模制结构。然后将超导线材34在环30之间缠绕在模具中，以形成线圈100，如图3中部分完整地示出。
如图4所示，一旦线圈完成，然后闭合模具，然后用使或允许硬化的热固性树脂或类似物浸渍所得的环/线圈结构36。所得到的结构包括自支撑的浸渍线圈100，其在其轴向末端结合到非铁磁环30。这在本文中将被称为“线圈单元”。
间隔环30可以使用与用于磁体线圈相同的工具制造。例如，工具可以在两阶段工艺中使用，首先将卷绕的玻璃布或可选的纤维材料(诸如玻璃原丝或碳纤维布)卷绕和浸渍到模具中，然后移除工具的浸渍玻璃布的任一侧的部分，并且将超导线材缠绕在已经浸渍的间隔环之间。在间隔环中使用的浸渍材料可以在超导线材缠绕在环间之前引起或允许其硬化。可选地，可以在间隔环中使用的浸渍材料未固化的状态下，缠绕超导线，执行单个固化步骤以使或允许环或线圈的浸渍材料硬化在一起。这种方法的优点是减少制造间隔环的时间和成本，并且提高精度。这样的实施例在图5A-5E中示出。
图5A示出了多零件模具32，超导线圈100和间隔环30将被缠绕和浸渍到该多零件模具32中。在图5A所示的构造中，留出用于形成间隔环30的空腔33。
图5B示出缠绕到图5A的腔33中的纤维间隔环材料。优选地，间隔环材料是湿法缠绕的，用树脂或类似的浸渍材料预浸渍。在移除中心模具件以打开用于卷绕线圈100的腔35之前，可以使或允许浸渍材料硬化。
图5C示出了用于卷绕线圈的中心模具件和空腔35的移除。根据所选择的实施方案，端环材料30可以在该阶段浸渍和固化，浸渍和未固化，或不浸渍。然后通过已知的方法将超导线缠绕到空腔35中。
图5D示出了缠绕到空腔35中以形成线圈100的超导线材。超导线材可以被湿法缠绕，即设置有未固化树脂的涂层，使得线圈在缠绕被树脂浸渍，或超导线材可以被干燥缠绕，也就是没有任何树脂涂层的情况下进行卷绕。如果在该阶段线圈和/或间隔环未被浸渍，则将进行浸渍步骤。如果线圈中的浸渍材料和/或间隔环在该阶段未固化，则将进行固化步骤以引起或允许未固化的树脂硬化。
图5E示出了从模具32移除得到的线圈单元，其中间隔环30通过通常为热固性树脂的浸渍材料结合到线圈100。
选择纤维间隔环材料以提供所需的热和机械性能。可以根据需要增加纤维间隔环材料的卷绕张力，以调节径向方向上的树脂对纤维含量，从而提供具有与浸渍的超导线圈100的热性能匹配的热性能的间隔环30。
尽管在图5A-5E中未示出，需要提供引线布置，使得用于缠绕线圈100的线的两端可接近以进行电连接。在一个实施例中，引线槽可以设置在间隔环内，由预先模制的插入件制成，玻璃布围绕所述插入件缠绕。在缠绕之前，线的第一端将被放置在该引线槽中。线的第二端在卷绕之后将暴露在线圈的径向外表面上。
然后，如果需要，清洁每个线圈单元的非铁磁性环的轴向端面，并且如果需要，加工成平面。
线圈单元的轴向尺寸优选在制造的各个阶段测量。线圈单元面31可以被加工以移除环30的轴向末端并且提供具有所需轴向尺寸的线圈单元36。然后将线圈单元堆叠在一起以形成完整的磁体结构。相邻线圈单元36的环彼此相邻放置，并有效地形成与参考图2描述的间隔件102类似的间隔件。
线圈单元面31可以被加工以提供轴向尺寸相对薄的间隔件，其可能不能用传统的组装技术实现。根据本发明的这个特征，相对厚的自支撑环30结合到线圈100作为线圈单元36的一部分，然后加工这些环以减小它们的轴向尺寸。在该过程中，环通过结合到线圈100而被支撑。
通过这种方法，可以实现高的轴向尺寸精度，以精确地定位和对准每个线圈，以用最小的主动或被动垫补来实现成品超导磁体的磁场的所需均匀性。
通过使得间隔件102具有小轴向尺寸，本发明使得能够用大比例的超导线材制造超导磁体结构。通过常规技术制造的这种结构倾向于对磁场的均匀性高度敏感并且需要昂贵的超导匀场片。通过本申请，如将要说明的，可以简单地调整超导线圈的相对定位，以确保成像区域中的磁场中所需的均匀性。
在图示的实施例中，如图6所示，在非铁磁间隔环30中的预定位置处设置凹部38。可以优选地提供具有比所需更大的轴向量的间隔环30，然后将间隔环30加工到所需的轴向尺寸。环30的最终轴向尺寸的选择可以通过适当地加工环30来提供。图6示出了该阶段的结构的部分轴向横截面。在接着第一个组装的至少一个其他线圈单元36中的相应位置处设置凹部38。
凹部38可以精确地位于间隔环30中，因为它们在线圈单元36的浸渍和加工之后形成。凹部的定位可以参考线圈100的内径和每个间隔面31。在常规的组装方法中，这种凹部将被加工成单独的部件，例如单独的间隔环。在组装时，制造公差将累积以在凹部的定位中提供更大的不确定性。
图7示出了根据本发明的实施例的部分完成的超导线圈结构10的示意性轴向部分横截面。两个线圈单元36彼此轴向相邻地组装。它们可以具有相同或不同的轴向量或比例。通常，它们将具有相同的内半径r，但是本发明不需要这个特征。在一个环30的凹部38中放置诸如GRP、PTFE、不锈钢、黄铜或其他这种材料的非铁磁材料的榫钉40，并且当线圈单元36组装在一起时，每个榫钉40突入两个相邻的线圈单元36的相应凹部38中。凹部和榫钉应当精确地尺寸化以提供线圈的所需程度的对准。尽管这里示出为具有圆形横截面，但是榫钉40和凹部38可以具有任何适当形状的横截面。
在一些实施例中，榫钉40和凹部38紧密配合，以提供精确的对准。在其它实施例中，提供一些间隙，以允许在组装之后进行调整，例如在将线圈单元36结合在一起之前。
在所示实施例中，凹部38和榫钉40定位在距离轴线A-A在径向量e内的径向距离处，径向量e是相应线圈单元36内的线圈100的径向量。
一旦组装，可以测量由线圈100产生的磁场。这可以在室温下通过使电流通过通常设置在超导线材内的超导芯周围的通常为铜的包覆材料来进行。所形成的磁场将具有与当超导时磁体将提供的场类似的均匀性。根据本发明，可以以这种方式测量磁体结构的均匀性，并且可以通过拆卸结构、执行对一个或多个线圈单元的环30的进一步加工步骤从而使相邻线圈彼此更靠近来提高磁场的均匀性。如果需要，可以在相邻线圈单元之间引入匀场片以有效地增加相邻线圈100之间的间隔。可以再次测量(绘制)磁场，并且如果需要，该过程迭代地重复，直到获得满意的磁场均匀性。这种方法利用常规组装方法是不可能的，其中所有线圈结合在一起并且不可能拆卸。磁场均匀性中的缺陷通常通过使用被动或超导匀场片来处理。
制造公差(例如由于线尺寸、间隔件尺寸、工具、树脂收缩的变化引起的制造公差)都可以通过在制造线圈单元36之后和在测量(绘制)所形成磁场的均匀性之后对环进行加工来校正。
本发明的另一个优点是，如果在如上所述的磁场的测量期间，显而易见的是，一个或多个线圈是有缺陷的，则可以拆卸磁体结构并且替换一个或多个线圈单元36，而不是丢弃和更换整个磁体结构，这将是传统的组装方法的情况。
一旦已经测试了线圈单元并且实现了令人满意的均匀性，则线圈单元36可以例如使用热固性树脂结合在一起，以防止线圈单元在使用时或在运输期间相对于彼此移动。
线圈可以彼此对准并组装，而不需要在上面安装线圈的常规线圈架。这种线圈架通常在线圈内部径向延伸。通过避免对线圈架的需要，本发明使得能够制造更小内径的线圈，减少所使用的超导线材的量，并且因此降低线材的成本；可选地，可以使用常规内径的线圈，但是可以提供更大的自由孔，使得能够提供更大的患者孔，从而提高患者舒适度。
图8-11示出了对应于图3、4、6、7的视图的本发明的另外的实施例的视图。其中环30具有大于线圈100径向量的径向量。
图8示出了在环30之间缠绕的超导线34，以提供超导线圈100.在该实施例中，线圈100将仅部分地填充环30的径向量e。
如图9所示，填充材料42缠绕在线圈100的径向外表面上，以填充环30之间在它们整个径向量e上的空间。该填充材料可以是玻璃纤维布或长丝，碳纤维布或长丝或本领域技术人员已知的任何合适的材料。该结构用热固性树脂浸渍，并且如图4的结构从模具中释放。
结果是如图10所示径向延伸的线圈/环/填充结构44，以下称为“线圈单元”。凹部38设置在线圈单元的环30的轴向面31中的对应位置处。
图11示出了根据本发明的实施例的部分完成的超导线圈组件10的示意性轴向部分横截面。两个线圈单元44轴向地彼此相邻地组装。它们可以具有相同或不同的轴向量e或比例。通常，它们将具有相同的内半径r，但是本发明不需要这个特征。诸如GRP、PTFE、不锈钢、黄铜或其他这种材料的非铁磁材料的榫钉40放置在一个环30的凹部38中，并且当线圈单元44组装在一起时，每个榫钉40突入相邻的线圈单元44的凹部38中，凹部和榫钉应精确地确定尺寸以提供线圈100的所需程度的对准。为了本说明书中的简单起见，假设榫钉为圆柱形，其轴线布置在轴向方向，平行于所述磁体线圈组件的轴线。
在一些实施例中，榫钉40和凹部38紧密配合，以提供精确的对准。在其它实施例中，通过使用直径小于相应凹部38的直径的榫钉来提供一些间隙，以允许在组装之后，例如在将线圈单元36结合在一起之前进行调整。
优选地，如图10、11所示的实施例，凹部38和榫钉40位于距轴线A-A在径向量f内的径向距离处，该径向量f是相应线圈单元44内的填料42 100的径向量。以这种方式，集中在凹部38或榫钉40处的任何机械应力将与线圈100分离一定距离。
每个线圈100在其轴向末端侧接非铁磁性环30。在非铁磁性环30中，在对应于彼此接着组装的相邻线圈单元44的相应环30中的凹部的位置处设置凹槽38。设置榫钉40，并且榫钉40突出到相邻线圈单元36、44中的相应凹部38中。通过仔细控制凹部38和榫钉40的尺寸和位置，线圈100的轴向对准可以通过这种布置单独实现。
在如图8-11所示的布置中，环30具有比线圈100的外径更大的外径，并且连接环30的榫钉40定位在在线圈径向外侧的凹部38中。榫钉和凹部于是不用作线圈上的应力集中处。
榫钉40可以比放置榫钉的凹部38的深度的总和稍短。这使得线圈单元36、44能够通过轴向端表面31彼此邻接，而不是通过榫钉40彼此支撑，这可能导致高应力区域。
在本发明的某些实施例中，线圈单元36、44例如通过热固性树脂结合在一起。这可以例如通过将单元36、44和榫钉40堆叠在模具中(优选地布置成使轴线A-A竖直)，并且将另外的热固性树脂引入模具中，以将单元36、44和榫钉40结合在一起而实现本发明的超导磁体线圈结构。可以在真空下引入热固性树脂。
在本发明的一些实施例中，其中在榫钉40和凹部38之间留有间隙，模具可包括用于线圈单元36、44的精确对准的夹具。
热固性树脂可以通过各种方法直接施加到线圈单元表面，例如通过涂刷、刮擦、喷涂或者注入到池中而到表面上，然后允许在线圈单元的压缩下而在表面上扩散。
可以在间隔件表面31中加工特殊的通道，以在接合过程中保持和控制树脂的扩散。
所使用的热固性树脂可以与用于线圈真空浸渍的树脂类似，或者可以选择具有不同的性质的树脂。例如，可以优选快速固化树脂，以便能够实现更快的磁体装配，或者可以优选较弱的强度树脂，以便在需要重新加工时能够更容易地拆卸线圈单元。
在本发明的其它实施例中，线圈单元36、44和榫钉40可以保持未结合。在这种布置中，应当对磁线圈结构10的轴向端部施加机械压缩，以确保所有线圈单元36、44保持在其预期的相对位置。例如，可以在磁体线圈结构10周围提供机械框架，以在磁体线圈结构的轴向末端处向单元36、44施加压力。可选地，可以使用金属或塑料张紧带，例如尼龙扎带，以施加和保持线圈单元36、44的轴向压缩。
可选地，如图12所示，对于两个线圈单元46的非常简单的组装，环30可以具有比线圈100和填料42(如果使用的话)的外径更大的外径。这留下环30的径向外部部分48，其可以设置有通孔50。张力杆52可以穿过孔50并且在磁体线圈结构的每个轴向端部处适当地紧固54，例如通过将螺母旋拧到张力杆52的螺纹部分上，以对电磁线圈结构10施加压力。
在另一替代实施例中，如图13所示，环30可以具有比线圈100和填料42(如果使用的话)的内径更小的内径。这留下了环30的径向内部部分56，其可用于将磁线圈结构10支撑在圆柱形支撑表面58上，例如容纳电磁线圈结构的致冷剂容器的孔管。在内部部分56和支撑表面58之间存在相对运动的一定风险，但是运动平面远离线圈，并且不认为在电磁线圈100中引起失超的显著风险。在任何情况下，相对运动应当仅在运输或冷却期间被预期，在这种情况下，线圈100将不承载任何电流；或在失超进展时，在这种情况下可能需要将失超扩散到所有线圈。
在这种布置中，相邻线圈单元在失超期间的不同的膨胀或收缩将通过环中更复杂的接口来管理，以承受大的力。在示例中，如图15所示，锥形凹部80和突起82确保线圈单元83保持轴向对准，即使在膨胀或收缩差异的情况下。
这样的接口可以在其初始制造之后被加工到线圈单元的轴向面31中。如上所述的凹部38和榫钉40可以添加到成形的接口80、82。
所描述的线圈单元36、44、46、凹部38和榫钉40和/或接口80、82的布置可以提供用于精确地和快速地组装电磁线圈组件10的简单方法，并且不需要提供足够大以容纳整个线圈组件的模具。对于从如上所述的多个单元36、44、46组装线圈结构的一些替代方法，需要这种模具。
榫钉40优选地设置在围绕线圈100的周边周向分布的若干位置处，以便根据线圈100的重量而分布负载。
图15示出了根据本发明的组装期间两个线圈单元的示意性分解透视图。优选地，凹部38和榫钉40设置在围绕每个线圈单元的圆周的至少三个位置处，优选地在规则的间隔处。箭头示出了根据本发明的实施例的组装方向。
线圈单元通过凹部38和榫钉40的接口有效地形成单独线圈单元的自对准线圈结构，其不需要线圈单元提供线圈的对准。
线圈单元36、44、46的非铁磁性环30组成关于图2所描述和示出的间隔件102。放置在所得线圈组件的轴向末端处的线圈单元36、44、46的非铁磁性环30可用于将组件36、44、46保持在其所需的相对位置。
虽然已经通过参考多个特定实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在本发明的范围内可以执行许多修改和变化。
填充材料42可以设置在线圈100的径向内表面上，取代或者以及设置在径向外表面上，如图9-11所示。
可以优选地将凹部38和榫钉40布置在距离磁体结构的轴线较小的径向距离处，更接近线圈100的径向内表面的轴线A-A。
参考图13讨论用于支撑磁体线圈结构10的一种可能的布置。可以提供其他布置以支撑磁体线圈结构，例如，张力杆可以附接到环30，将磁体线圈结构10支撑在致冷剂容器的壁或低温恒温器结构的另一部分上。可选地，张力杆52，如参考图12所讨论的，可以被用作磁体线圈结构10的机械支撑。本发明的某些实施例不需要存在例如由热虹吸装置冷却的致冷剂容器。
尽管所描述的实施例都具有包括被环30侧接的单个线圈100的单元，但是本发明的某些实施例可以由被类似的环30分隔的两个或更多个线圈组成的单元为特征。
图16以类似于图3的视图示出了双线圈单元86的结构实例。在这种布置中，第一线圈100a以参照图3描述的方式形成。模具32的一部分已经被移动或移除，以提供用于缠绕第二线圈100b的空间。提供另一个环30，使得两个线圈100a和100b缠绕在环30之间。这可以通过在线圈100b的位置中最初提供可移除的模具件来布置。一旦第一线圈100a被缠绕和浸渍，可移除的模具件被移除以提供用于缠绕第二线圈100b的空间。然后可以浸渍第二线圈100b。在这种多线圈单元86中，在线圈形成之后不可能加工在线圈100a、100b之间的环30。这种多线圈单元可以根据本发明的任何方法组装成磁体结构，例如参照图5A-5E提出的方法。
因此，本发明提供了有利的线圈结构和用于制造线圈结构的方法。
本发明的结构和方法提供了线圈的单独制造和可分离线圈单元的组装，使得可以单独地去除并且在必要的情况下更换有缺陷的线圈。
线圈单元具有在其轴向末端处结合的间隔环30，并且这些间隔环可以被加工以减小其轴向量，并且选择完成的线圈结构中的相邻线圈之间的轴向间隔。该特征可以用于校正线圈制造中的变化。
这些实施例提供了以非常高的精度将线圈单元的位置对准的方法。线圈结构的线圈彼此对准而不需要线圈架，从而允许降低增加的孔尺寸的成本。
可以通过本发明的技术在线圈之间提供相对薄的间隔件。结果，可以用大比例的超导线制造线圈结构。
每个线圈的相对位置可以在线圈的树脂浸渍之后校正。
可以在室温下对线圈组件进行测试以绘制由线圈组件产生的磁场的均匀性，并且可以在该测试之后重新定位所有线圈，以改善合成磁场的均匀性。
线圈可以在轴向和周向上对准和重新定位。
线圈可以在制造之后结合在一起，以防止不需要的进一步的相对运动。
本发明使得能够通过线圈加工方法制造线圈装置，这可能不能通过单独的卷绕和工具配置来实现。
在某些实施例中，线圈结构可以包括在没有线圈结合的情况下对准和堆叠在一起的线圈单元，从而允许在返工期间的线圈替换。
间隔环30可替代地可以由单管构成；或由对接在一起以形成连续环的弧形段构成；或由间断的弧段构成。在间隔环由间断的弧段构成的情况下，相邻弧之间的间隙可以用作引线(leadout)，以提供从线圈的内匝到线的端部的通路。
本发明的优点在于，可以使用相同的工具，简单地通过提供具有不同径向和轴向尺寸的线圈单元和线圈，然后根据需要将它们组装在一起，来制造多个不同的磁体设计。这可以通过改变间隔环的宽度和在浸渍之后加工线圈单元以提供所需的线圈位置来实现。这种方法也可以与将线圈单元结合到其他间隔管或块上组合。
在另外的实施例中，线圈100的内径可以改变，同时使用相同的模具和工具，通过将预定厚度的填充材料(例如玻璃纤维布)缠绕到模具的卷绕表面上，从而减少形成的线圈的内径。这允许每个线圈单元的进一步的设计自由度。使用这样的技术或其他技术，电磁线圈组件可以由线圈单元构成，其中线圈100具有不同的内径和/或不同的外径和/或不同的轴向量。
尽管上面根据有限数量的具体实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在由所附权利要求限定的本发明的范围内可以进行多种修改和变化。

Claims (26)

1.一种圆柱形超导线圈组件(10)，包括堆叠在一起并由保持结构(80、82；38、40；52、54)保持在适当位置的多个单独线圈单元(36；44；46)，每个线圈单元包括在其轴向末端处结合到非铁磁材料的相应环(30)的树脂浸渍的环形超导线圈(100)，其中所述保持结构包括形成在所述线圈单元的轴向端面中的互补的凹部(80)和突起(82)。
2.一种圆柱形超导线圈组件(10)，包括堆叠在一起并由保持结构(80、82；38、40；52、54)保持在适当位置的多个单独线圈单元(36；44；46)，每个线圈单元包括在其轴向末端处结合到非铁磁材料的相应环(30)的树脂浸渍的环形超导线圈(100)，其中所述保持结构包括设置在相邻线圈单元的轴向端面中的相应位置处的凹部(38)并且其中榫钉(40)被放置在相邻线圈单元的凹部内。
3.根据权利要求1或2所述的圆柱形超导组件，其中所述线圈单元中的至少一个线圈单元(86)包括多个线圈(100a；100b)，使非铁磁材料的环(30)位于相邻线圈之间。
4.根据权利要求2所述的圆柱形超导组件，其中所述榫钉(40)中的每个榫钉短于其中放置有所述榫钉的凹部(38)的深度的总和。
5.根据权利要求2或4所述的圆柱形超导组件，其中所述榫钉和凹部具有圆形横截面。
6.根据权利要求2、4或5所述的圆柱形超导组件，其中所述榫钉(40)紧密地配合到所述凹部(38)中。
7.根据权利要求2、4至6中任一项所述的圆柱形超导组件，其中所述凹部(38)和榫钉(40)在相应的线圈单元(36)内定位在在所述线圈(100)的径向量内。
8.根据任一前述权利要求所述的圆柱形超导组件，其中在所述线圈单元中的至少一个线圈单元中，所述超导线圈(100)仅部分地填充所述环(30)的径向量。
9.根据权利要求8所述的圆柱形超导组件，其中在所述线圈(100)的径向外表面上设置树脂浸渍填充材料(42)，所述树脂浸渍填充材料(42)填充所述环(30)之间的空间。
10.根据权利要求2所述的圆柱形超导组件，其中，
在所述线圈单元中的至少一个线圈单元中，所述超导线圈(100)仅部分地填充所述环(30)的径向量；在所述线圈(100)的径向外表面上设置树脂浸渍填充材料(42)，所述树脂浸渍填充材料(42)填充所述环(30)之间的空间，并且
所述凹部(38)和所述榫钉(40)定位在线圈单元(44)的填充材料(42)的径向量f内。
11.根据前述权利要求中任一项所述的圆柱形超导组件，其中所述线圈单元彼此结合。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的圆柱形超导组件，其中所述线圈单元彼此不结合，对所述线圈结构(10)的轴向端部施加机械压缩以确保所有线圈单元保持在适当位置。
13.根据权利要求12所述的圆柱形超导组件，其中所述机械压缩通过设置在所述线圈结构(10)周围的机械框架施加。
14.根据权利要求12所述的圆柱形超导组件，其中所述机械压缩通过张力带施加。
15.根据权利要求8所述的圆柱形超导组件，其中，关于至少一个线圈单元，所述环(30)具有比所述线圈(100)的外径更大的外径，所述环的径向外部部分(48)设有通孔(50)，张力杆(52)穿过所述通孔并且在所述线圈结构(10)的每个轴向端部处适当地紧固(54)。
16.根据权利要求8所述的圆柱形超导组件，其中，关于至少一个线圈单元，所述环(30)具有比所述线圈(100)的内径更小的内径。
17.根据权利要求16所述的圆柱形超导组件，其中，在所述线圈(100)的径向内表面上设置树脂浸渍填充材料(42)，所述树脂浸渍填充材料(42)填充所述环(30)之间的空间。
18.根据前述权利要求中任一项所述的圆柱形超导组件，其中所述环(30)中的每个环包括：单管；或对接在一起以形成连续环的弧形段；或间断的弧段。
19.一种用于构造根据前述任一权利要求所述的圆柱形超导线圈组件(10)的方法，包括：
-形成多个单独线圈单元，每个线圈单元通过将树脂浸渍的环形超导线圈(100)结合到在其轴向末端处结合的相应的非铁磁材料环(30)而形成；
将多个所述单独线圈单元(36；44；46)堆叠在一起；
通过保持结构(80、82；38、40；52、54)将所述单独线圈单元保持在适当位置。
20.一种用于构造根据权利要求1-17中任一项所述的圆柱形超导线圈组件(10)的方法，其中所述单独线圈单元通过包括如下方法构造，所述方法包括：
-将非铁磁环(30)放置在模具(32)中；
-在所述环(30)之间将超导线(34)缠绕到所述模具中，以形成线圈(100)；
-闭合所述模具；和
-浸渍所得的环/线圈结构(36)。
21.根据权利要求19所述的构造圆柱形超导线圈组件(10)的方法，还包括如下步骤：加工线圈单元面(31)以移除环(30)的轴向末端并且提供具有所需轴向尺寸的线圈单元(36)。
22.根据权利要求19-21任一项所述的构造圆柱形超导线圈组件(10)的方法，其中所述模具包括用于所述线圈单元的精确对准的夹具。
23.根据权利要求19-21任一项所述的构造圆柱形超导线圈组件(10)的方法，其中所述线圈单元中的至少一个线圈单元(86)包括多个线圈(100a；100b)，使非铁磁材料环(30)在相邻线圈之间，所述方法还包括：
-提供至少一个另外的环(30)，使得所有线圈(100a、100b)缠绕在环(30)之间；
-移动或移除所述模具(32)的一部分，以提供用于缠绕第二线圈(100b)的空间；
-在所述空间内缠绕第二线圈(100b)；以及
-浸渍所述第二线圈。
24.一种用于改善由根据权利要求1或2所述的圆柱形超导线圈组件产生的磁场的均匀性的方法，所述方法包括：
-使电流通过设置在所述超导线材内的超导芯周围的包覆材料；
-测量所述所产生的磁场的均匀性；
-拆卸所述圆柱形超导线圈组件；和
-在一个或多个线圈单元的所述环(30)上执行进一步的加工步骤，以使相邻的线圈彼此更靠近。
25.一种用于改善由根据权利要求1或2所述的圆柱形超导线圈组件产生的磁场的均匀性的方法，所述方法包括：
-使电流通过设置在所述超导线材内的超导芯周围的包覆材料；
-测量所述所产生的磁场的均匀性；
-拆卸所述圆柱形超导线圈组件；和
-在相邻的线圈单元之间引入匀场片以有效地增加相邻线圈之间的间隔。
26.一种用于改善由根据权利要求1或2所述的圆柱形超导线圈组件产生的磁场的均匀性的方法，所述方法包括：
-使电流通过设置在所述超导线材内的超导芯周围的包覆材料；
-测量所所述产生的磁场的均匀性；
-拆卸所述圆柱形超导线圈组件；和
-替换一个或多个线圈单元。
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