CN109478797A - 在较大体积中生成低射频的强磁场 - Google Patents

Abstract

一种装置，包括：多个感应线圈，它们彼此磁耦合；多个热力站，每个热力站分别耦合到所述感应线圈中的一个；功率源；以及经由至少一个电力传输部件连接到热力站中的至少一个的功率源。当从功率源向热力站中的至少一个施加电功率时，经由连接到功率源的热力站中的至少一个在多个感应线圈中感应磁场。

Description

在较大体积中生成低射频的强磁场

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年2月9日提交的序列号为15/428,229的美国非临时专利申请的优先权，该序列号为15/428,229的美国非临时专利申请要求于2016年7月6日提交的序列号为62/358,690的美国临时专利申请的优先权，这两个专利申请通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开涉及在低射频(“RF”)范围内在相对大的体积上生成强磁场，用于诸如磁流体热疗、RF热疗、热消融和塑性焊接的应用。

背景

在低射频范围内使用交变磁场是对于需要选择性加热物体(body)的应用正变得越来越流行的技术，该物体具有低等效导电率。这些应用包括但不限于磁流体热疗、RF热疗、嵌入磁体的塑性焊接和热消融。过去，这些应用的成效有限，因为这要求以适当的频率在足够大的体积中生成强磁场的能力，以在期望的区域中生成足够的温度，从而产生治疗或技术效果。

在各种应用中，可具有多种配置的感应线圈承载交频电流。这个电流生成交变磁场，交变磁场转而又在导电体中感应涡流，并对暴露于交变磁场的磁体生成强烈的滞后加热。涡流加热的量取决于这样的因素，其包括但不限于感应线圈的形状、交变磁场的强度和频率、导体的形状、导体相对于磁场的取向以及物体的电和磁属性。对于RF热疗和某些热消融应用，受控的、选择性的涡流加热是磁场暴露的理想结果。

交变磁场还会在暴露于其中的磁体中引起滞后加热。滞后加热的分布取决于这样的因素，包括但不限于感应线圈的形状、交变磁场的水平、磁场相对于磁体的取向、磁体在一个区域中的集中度(concentration)以及物体的磁属性。对于某些热消融和某些磁流体热疗应用，受控的、选择的滞后加热是磁场暴露的理想结果。

对于非常小的磁体，例如磁纳米颗粒，它们在暴露于交变磁场时所吸收的功率量与用于加热较大磁体的传统模型不匹配。虽然已经提出了用于描述这种行为的新模型，但是由于机制还没有被完全理解，所以还在进行额外的工作。因此，实验仍然是表征在交变磁场中加热纳米颗粒的最可靠方法。在磁流体热疗领域，这些非常小的物体中每克磁性材料的热量被称为特定吸收率(Specific Absorption Rate)，或SAR。磁流体热疗应用中的SAR和由此产生的热效应取决于这样的原因，包括但不限于感应线圈的形状、交变磁场的水平和频率、磁场相对于磁体的取向、磁体的尺寸、磁体在一个区域中的集中度以及物体的磁属性。对于某些热消融和某些磁流体热疗应用，对这些非常小的磁体进行受控的、选择的加热是磁场暴露的理想结果。

在过去的几十年里，为了癌症治疗的目的，使用磁流体热疗进行了几次成功的体外和体内小动物研究(小白鼠和老鼠)。这些研究表明，在几秒到几十分钟的时间内、在50-400kHz的频率下、用葡聚糖包被的无毒浓度的氧化铁颗粒暴露在强度为30到大约1300奥斯特(Oe)的磁场中，这使得肿瘤或癌细胞相对于健康的周围组织产生足够的温度升高，从而产生治疗效果。颗粒通过直接注射或抗体引导被传送到肿瘤。升高的肿瘤温度导致肿瘤生长速率下降、肿瘤收缩、肿瘤完全终止或肿瘤组织对后续放射治疗的显著敏感性。成功治疗的副作用明显小于替代方法。

在上述研究中，所使用的感应线圈在几十立方厘米到几百立方厘米的体积中产生了被禁止的磁场强度。在这些情况下，可以适当地选择感应线圈的匝数，以与高频感应加热电源的输出特性相匹配，该高频感应加热电源使用的热力站具有容易获得且通常是现成的部件(例如电容器、变压器、电感器等)。这些应用的功率的范围从几千瓦到几十千瓦不等。无功功率的范围从几十kVAR到几MVAR(其中，术语VAR以电力传输行业中使用的“无功伏安”为单位)。

然而，为了治疗较大动物或人类的深层肿瘤，希望在更大的体积(几千到几万立方厘米)中生成这些强磁场。通常，期望的有功功率(忽略动物或人体中的任何功率损失)与感应线圈的内表面积近似成比例。如果适当调谐和调节，对于这个频率范围的感应加热电源能够输送几百千瓦到一兆瓦以上。这些电源可以被修改以满足磁流体热疗工业的需要。

在大多数情况下，可能与磁场相关联的无功功率与感应线圈内部的体积近似成比例。这意味着无功功率需要几个MVAR，直到可能超过100MVAR。由于可用的部件，这种水平的无功功率对于热力站的设计带来了重大挑战。基于薄膜的电容器的电压受到限制，而基于陶瓷的电容器的电流受到限制。标准和接近标准的热力站不能以合理的规模和效率提供这些水平的无功功率。

因此，用于需要选择性加热大型物体的应用，需要提高输送无功功率的能力。

概述

一种装置，其具有多个电感器，该多个电感器连接到由公共功率源供电的各个热力站。电感器彼此磁性地相互作用以生成高振幅交变磁场。

附图简述

图1是显示根据一个示例性设计的功率源、热力站和线圈的示意图。

图2示出了单匝感应线圈中磁场强度分布的计算机模拟。

图3示出了三件式感应线圈组中磁场强度分布的计算机模拟。

图4示出了图3在感兴趣体积中的结果，显示了近似均匀的场分布。

图5是原型系统的示意性示例。

图6是显示根据一个示例性设计的功率源、热力站和线圈的示意图。

图7是显示根据一个示例性设计的功率源、热力站和线圈的示意图。

图8是显示根据一个示例性设计的功率源、热力站和线圈的示意图。

图9是显示根据一个示例性设计的功率源、热力站和线圈的示意图。

详细描述

上述挑战可以通过设计并联连接并由公共感应加热电源供电的一组热力站来解决，以实现相对高的无功功率(如作为示例，20MVAR)。热力站中的每一个包括它自己的单独的感应线圈，例如，以限制与高电流输出引线上可能的电接触不足相关联的任何风险，这是由所有部件之间的机械公差而导致的。感应线圈可以通过初级或次级物理接触或通过磁耦合相互连接。在一个示例中，作为示例，20MVAR可以使用各自为5MVAR的四个热力站来实现，但是根据本公开，其他布置也可以实现期望的无功功率。

因此，总体上公开了一种模块化装置，其将所需的无功功率分成用于将无功功率输送到相对大的物体的装置的可管理值。这些模块以协调的方式工作，以在感兴趣的体积中输送期望的磁场分布。

图1是系统100的模块化设计的示例，系统100包括电源102、电源总线(buss)104和电力电缆106。电源总线104在这个和随后的示例中被显示，但是是可选的，诸如电力电缆106的电力传输部件可以直接连接到电源102。根据一个示例性设计，热力站总线108将功率分配给三个热力站110、112、114中的每一个，这三个热力站分别耦合到感应线圈116、118、120。可选地，电力电缆106和热力站总线108是可选的，并且电源总线104可以直接连接到热力站110、112、114。唯一的要求在于在热力站的至少一个和电源之间传输功率的能力。虽然示出了三个感应线圈116、118、120，但是根据本公开，可以考虑采用任何数量的感应线圈，使得它们之间发生互感。

感应线圈116、118、120之间的互感平衡它们之间的电压，以补偿输入压降中与补偿中心线圈相对于外部线圈所需的不同电容值相关联的固有变差。此外，虽然在示例性实施方式中显示了三个热力站，但是可以使用任何数量的热力站。例如，可以使用两个、三个、四个或更多个热力站。在另一示例性实施方式中，多个电容器电池模块可以容纳在具有多个输出的单个热力站内。

因此，公开了一种装置，其包括彼此磁耦合的多个感应线圈116、118、120、各自分别耦合到感应线圈116、118、120之一的多个热力站110、112、114、连接到热力站110、112、114中的至少一个的功率源102。当从功率源102施加电功率时，经由连接到功率源102的热力站110、112、114中的至少一个在多个感应线圈116、118、120中感应交变磁场。

由于感应线圈116、118和120中相邻电感器的高互感是用于激励各个线圈电路的驱动力，因此所有的热力站110、112、114之间在物理上的机械电连接是可选的。如果使用物理电连接，则可以在热力站的初级侧进行连接，在初级侧中电流比电感器中的电流明显地更低。每个热力站相对于彼此可以具有基本相同的电容大小。在替代方法中，热力站中的一个或更多个相对于至少一个其它热力站可以具有不同的电容。这可用于修改具有相同一组电感器的场强分布。

因此，根据本公开，热力站设计被简化并且可以用现有并且可用的部件来实现。也就是说，如本文所公开的，由于感应线圈之间的互感，与具有一个热力站的单个线圈相比，基于组合成单个输出的热力站/感应线圈的数量，每个热力站可以成比例地更小。

从以下公开内容中，系统的操作、适用领域和所提供的效果将变得明显。以下所述的具体示例指示示意性方法，并且仅用于示意的目的，而不打算限制本公开的范围。因此，示意性方法的以下描述从本质上来说仅仅是示例性的，且决不意欲限制本公开、它的应用或使用。

开发了一种原型设备，以在大约150kHz的频率处、在至少20cm直径×10cm长度的体积中产生高达至少450Oe大小的磁场强度。为了确定感应线圈组的总体尺寸和所需的电气参数，使用Flux 2D计算机模拟程序对单匝线圈进行建模，如图2中所示的200。当尺寸合适时，单匝线圈(无论是圆形还是椭圆形)是最佳配置以用于在大圆柱体积中最小化所需的无功功率和有功功率。改变线圈的长度以找到线圈的最有利值，从而最小化无功功率并最大化感兴趣体积202中的场均匀性。磁场强度的分布如图2所显示，其中各种阴影区域对应于如表204所显示的给定的通量密度(以特斯拉为单位)。

基于这些计算，确定相应的电压和电流分别近似为1000Vrms和10,000Arms(其中，Vrms和Arms分别指均方根的伏特和安培，如工业中通常所指)。这意味着总的视在功率近似为10MVA，其中近100％为无功功率。

低电感电容器轨道可用于相关频率范围内的每个外部热力站，该外部热力站具有针对来自例如Celem公司的CSP 305A电容器的安装点。这些轨道上的电容器可以用至少两种方式中的一种来配置。第一示例性配置是在针对例如较低电压(诸如低于700Vrms)应用时并联连接所有电容器。替代配置包括并联连接的多组电容器，其中每组具有两个串联的电容器(在本实施例中为8组并联)。这种替代方法可以主要用于最大电压在700和1400Vrms之间的情况。

在选择配置之后，可以确定对于热力站的每一个的电容器的最小数量。每个CSP305A电容器额定值为300kVAR，以用于在特定频率范围内连续使用。将10，000kVAR除以300kVAR，产生最少34个这种类型的电容器。考虑到来自线圈引线和电容器轨道的某个预期的额外kVAR，本文描述的示例性方法中使用至少三个电容器轨道和产生的热力站，从而用于感应系统的无功功率的完全外部补偿。

在这个示例中，两个热力站可能足以部分补偿系统无功功率，其中剩余的电容放在电源中。然而，这可能在互连汇流条和将电源连接到热力站的电缆中引起额外的电流，从而引起额外的电损耗和压降。此外，用于调整的空间可能非常小，并且与设计的任何偏差都可能导致无法实现完整的设计规范，并限制了改变频率的可能性。因此，可以使用额外的外部热力站，尽管它们在理论上可能未必是不必要的。

使用Flux 2D来设计三件式线圈组300，其中图3示出预测的磁场分布，每个线圈如所示用冷却管冷却(矩形冷却管图示为热耦合到每个线圈)。图3示出了感兴趣的体积302，其中具有大致均匀的磁场分布。改变匝尺寸以获得所期望的磁场分布。各个匝使用铜片进行设计，铜片上钎焊有铜冷却管，以例如最小化功率需求和无功功率，如其中所示。3-线圈组的参数和产生的磁场分布与图2所展示的单匝系统一致。图4示出了均匀区域中的示例性磁场400，其出现在感兴趣体积402中，体积402大致对应图2中感兴趣体积202和图3中的感兴趣体积302。

在进行初步计算后，根据图1的示例性设计，设计了热力站和线圈组。努力使各个热力站的宽度最小化，以最小化线圈引线的长度和因而产生的额外的电压和无功功率补偿。

计算表明，该系统工作时，热力站之间没有物理电连接，在热力站的输出侧(高电流)上的线圈之间没有物理电接触，或者在热力站的输入侧(低电流)上的热力站之间没有物理电接触。热力站的输入侧上的公共总线(如图1的总线108)可以帮助最小化感应线圈上的电压差，并限制与计算机模型不同的可能性。

公共汇流条108然后通过一组柔性电缆106连接到电源102。一根高频水冷低电感电缆可能能够在150kHz下以低压降持续负载超过1000A。然而，尽管测试表明一根电缆就足够了，但是为了在需要对热力站进行部分补偿以匹配80kW电源的情况下提供安全因素，在这个示例性设计中，两根高频电缆并联连接。

对该系统进行了彻底测试，并使用磁场探头测量了磁场强度分布。测量结果与图3的计算机模拟值一致，并证实了设备能力和设计概念。因此，所描述的原型示出了使用线圈、热力站、公共总线、隔离器、高频电缆和水管线路的装置的功能与预测的一样。

现在参考图5，其中显示了如所描述的原型系统500的示意性示例。系统500包括经由电力电缆504、506连接到电源总线502的电源(未示出)。隔离器508提供支撑，并且是为电缆504、506提供物理支撑的介电材料。热力站510、512和514由电源总线502供电、用供水管线516进行冷却。示出了线圈518，并且尽管线圈518看起来是单个独立的线圈，但实际上，线圈518是沿着其轴向长度的三个独立的线圈，每个线圈电耦合到它们各自的热力站510、512、514。在图示的示例中，线圈518包括三个线圈结构，它们分别且电气地耦合到热力站510、512和514。线圈518示意性地被示出为三个线圈，例如，如图1中的元件116、118和120。

也可以考虑其它示例性实施方式。例如，一个或更多个电容器模块可以设置在公共壳体或容器内。因此，进一步考虑了使用具有多个输出的一个热力站的实施方式。

因此，感兴趣的体积202、302、402由此提供了均匀且足够的磁场通量，该感兴趣的体积在其中向被提供用于热消融或磁流体热疗应用的磁性颗粒或物体提供足够的加热。

如上所述，热力站可以各自直接并且电耦合到电源，或者它们可以彼此磁耦合，只有有限数量的热力站物理连接到电源。也就是说，热力站中的每一个都是电感器，是无源电气部件，该热力站即使没有电连接也自然地彼此磁耦合。

例如，参考图6，示出了具有如也在图1中示出的部件的模块化设计。即，系统600包括电源602、电源总线604和电力电缆606。根据一个示例性设计，可选的热力站总线608分配功率并电耦合到三个热力站610、612、614中的每一个，这三个热力站分别耦合到感应线圈616、618、620。在替代方案中，可以提供从电源602到热力站610、612、614的每一个的独立的电力传输部件或电力电缆。

感应线圈616、618、620中的每一个由此包括表面622，表面622与形成从那里发出并且发到图2、3、4中所示的相应的感兴趣体积302、402、502的通量场的表面大致对应。此外，根据一个实施例，设想所有的热力站610、612、614都可以包含在一个公共容器624内，该公共容器具有从每个热力站610、612、614引导到相应的感应线圈616、618、620的独立引线。

感应线圈616、618、620之间的互感平衡它们之间的电压，以补偿输入压降中与补偿中心线圈相对于外部线圈所需的不同电容值相关联的固有变差。如参考图1所述，虽然在示例性实施方式中显示了三个热力站610、612、614，但是可以使用任何数量的热力站。例如，可以改为使用两个、四个或更多个热力站。

由于感应线圈616、618和620中相邻电感器的高互感是用于激励各个线圈电路的驱动力，因此热力的站610、612、614之间物理上的机械电连接是可选的。如果使用物理电连接，那么可以在热力站的初级侧进行连接，在该初级侧中电流比电感器中的电流明显地更低。每个热力站610、612、614相对于彼此可以具有基本相同的电容大小。在替代方法中，热力站中的一个或更多个相对于至少一个其它热力站可以具有不同的电容。这可用于修改具有相同一组电感器的场强分布。

因此，根据本公开，不是将热力站总线608电耦合到热力站610、612、614中的每一个，而是设想仅电耦合到热力站610、612、614中的一个可以实现相同的期望效果。

例如，参考图7，系统700包括电源702、电源总线704和电力电缆706。根据另一示例性设计，可选的热力站总线708分配功率并电耦合到三个热力站710、712、714中的一个，这三个热力站分别耦合到感应线圈716、718、720。也就是说，尽管功率仅从热力站总线608被提供给热力站612，但是磁场分布由于感应线圈716、718、720之间的磁耦合而发生。因此，感应线圈716、718、720中的每一个由此包括表面722，表面722与形成从那里发出并且发到图2、3、4中所示的相应的感兴趣体积302、402、502的通量场的表面大致对应。

感应线圈716、718、720之间的互感平衡它们之间的电压，以补偿输入压降的与补偿中心线圈相对于外部线圈所需的不同电容值相关联的固有变差。如参考图1所述以及如进一步讨论的，虽然在示例性实施方式中示出了三个热力站710、712、714，但是可以使用任何数量的热力站。例如，可以改为使用两个、四个或更多个热力站。

现在参考图8，系统800包括电源802、电源总线804和电力电缆806。根据另一示例性设计，可选的热力站总线808分配功率并电耦合到三个热力站810、812、814中的两个，这三个热力站分别耦合到感应线圈816、818、820。也就是说，尽管功率仅从热力站总线808被提供给热力站810、812，但是磁场分布由于感应线圈816、818、820之间的磁耦合而发生。因此，感应线圈816、818、820中的每一个由此包括表面822，表面822与形成从那里发出并且发到图2、3、4中所示的相应的感兴趣体积302、402、502的通量场的表面大致对应。

感应线圈816、818、820之间的互感平衡它们之间的电压，以补偿输入压降中的与补偿中心线圈相对于外部线圈所需的不同电容值相关联的固有变差。如参考图1所述以及如进一步讨论的，虽然在示例性实施方式中示出了三个热力站810、812、814，但是可以使用任何数量的热力站。例如，可以改为使用两个、四个或更多个热力站。

现在参考图9，系统900包括电源902、电源总线904和电力电缆906。根据另一示例性设计，可选的热力站总线908分配功率，并电耦合到三个热力站910、912、914中的一个，这三个热力站分别耦合到感应线圈916、918、920。也就是说，尽管功率仅从热力站总线908提供给热力站914，但是磁场分布由于感应线圈916、918、920之间的磁耦合而发生。因此，感应线圈916、918、920中的每一个由此包括表面922，表面922与形成从那里发出并且发到图2、3、4中所示的相应的感兴趣体积302、402、502的通量场的表面大致对应。

感应线圈916、918、920之间的互感平衡它们之间的电压，以补偿输入压降中的与补偿中心线圈相对于外部线圈所需的不同电容值相关联的固有变差。如参考图1所述以及如进一步讨论的，虽然在示例性实施方式中示出了三个热力站810、812、814，但是可以使用任何数量的热力站。例如，可以改为使用两个、四个或更多个热力站。

一种示意性的方法，包括生成磁场，该方法包括将多个感应线圈彼此磁耦合，将多个热力站中的每一个分别耦合到感应线圈中的一个，提供功率源，将功率源连接到热力站的至少一个，以及将来自功率源的电功率施加到热力站的至少一个，经由连接到功率源的热力站的至少一个在多个感应线圈中感应磁场。

示例性的说明不限于以上所描述的示例。相反，多种变型和修改是可能的，它们也利用了示例性说明的想法，因此落入保护范围内。因此，将理解的是，以上描述旨在是示意性而不是限制性的。

关于本文中所描述的过程、系统、方法、启发方法等，应理解，尽管这些过程的步骤等已经被描述为根据某个有序的序列发生，但这样的过程可以用所描述的步骤来实践，该所描述的步骤以不同于本文描述的顺序的顺序来执行。还应该理解，某些步骤可以同时执行，可以添加其他步骤，或者可以省略本文描述的某些步骤。换句话说，本文提供的过程的描述是为了说明某些实施例的目的，而决不应被解释为限制所要求保护的公开内容。

相应地，将理解的是，以上描述旨在是示意性而不是限制性的。除了所提供的示例之外，许多实施例和应用都将是在阅读上述描述后进行的。本公开的范围不应是参考以上的描述来确定的，而应当参考所附权利要求连同这些权利要求有权要求的等效物的整个范围来确定。预期并打算在本文所讨论的领域中进行未来的发展，并且所公开的系统和方法将被结合到这样的未来的实施例中。总之，应该理解，本公开能够进行修改和变化，并且仅由以下权利要求来限制。

如本领域技术人员所理解的，权利要求中使用的所有术语旨在给出它们最广泛的合理构造和它们的一般含义，除非本文中做出相反的明确指示。特别地，单数冠词的使用，如“一(a)”、“所述(the)”、“该(the)”等，应该被理解为列举一个或更多个所指示的元素，除非权利要求记载了相反的明确限制。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

多个感应线圈，其彼此磁耦合；

多个热力站，每个热力站分别耦合到所述感应线圈中的一个；

功率源；以及

经由至少一个电力传输部件连接到所述热力站中的至少一个热力站的功率源；

其中，当从所述功率源向所述热力站中的至少一个热力站施加电功率时，经由连接到所述功率源的所述热力站中的至少一个热力站在所述多个感应线圈中感应磁场。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述功率源电连接到所述多个热力站中的所有热力站。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述功率源仅电连接到所述多个热力站中的一个。

4.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个感应线圈中的每个感应线圈包括单匝感应线圈。

5.如权利要求1所述的装置，包括至少三个热力站，其中所述功率源仅电连接到所述多个热力站中的两个。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个热力站中的每一个具有实质上相同的电容值。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个热力站中的至少一个热力站具有与所述多个热力站中的至少另一个实质上不同的电容。

8.如权利要求1所述的装置，其中，各个热力站通过所述功率源并联连接，并且其中至少一个热力站由来自相邻感应线圈的感应电压激励。

9.如权利要求1所述的装置，其中，热力站的数量对应于感应线圈的数量。

10.如权利要求1所述的装置，还包括将所述功率源电耦合到所述至少一个电力传输部件的热力站总线。

11.一种用于生成磁场的方法，包括：

将多个感应线圈彼此磁耦合；

将多个热力站中的每一个分别耦合到所述感应线圈中的一个；

提供功率源；

将所述功率源连接到所述热力站中的至少一个热力站；以及

从所述功率源向所述至少一个热力站施加电功率，在所述多个感应线圈中感应磁场。

12.如权利要求11所述的方法，其中，连接所述功率源还包括将所述功率源电连接到所述多个热力站中的所有热力站。

13.如权利要求11所述的方法，其中，连接所述功率源还包括将所述功率源仅电连接到所述多个热力站中的一个。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个感应线圈中的每个感应线圈包括单匝感应线圈。

15.如权利要求11所述的方法，其中，耦合所述多个热力站中的每一个包括耦合至少三个热力站，还包括将所述功率源仅电连接到所述多个热力站中的两个。

16.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个热力站中的每一个具有实质上相同的电容值。

17.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个热力站中的至少一个热力站具有与所述多个热力站中的至少另一个实质上不同的电容。

18.如权利要求11所述的方法，其中，各个热力站通过热力站总线并联连接，并且其中至少一个热力站由来自相邻感应线圈的感应电压激励。

19.如权利要求11所述的方法，其中，热力站的数量对应于感应线圈的数量。

20.如权利要求11所述的方法，其中，电容器电池模块都包含在一个公共容器中。