DE4232882A1 - Vorrichtung zum Wickeln von Fingerprint-Spulen - Google Patents

Description

Spulen, bei denen das erzeugte Magnetfeld einen genau defi­ nierten Verlauf haben muß, haben bei optimierter Auslegung vielfach ein Design, bei dem die Leiter nicht mehr stapel­ weise in einfachen geometrischen Anordnungen liegen, son­ dern isoliert in komplexen geometrischen Mustern. Derartige Spulen bezeichnet man - weil der Leiterverlauf einem Fin­ gerabdruck ähnelt - als Fingerprint-Spulen. Eingesetzt wer­ den diese z. B. für Gradientenspulen in der Kernspintomogra­ phie, wo möglichst exakt lineare magnetische Gradientenfel der erzeugt werden müssen. Während man hierfür früher der Einfachheit wegen sattelförmige Spulen aus einzelnen Kreis­ bögen und gerade verlaufenden Leiter zusammengesetzt hat, führen genauere mathematische Magnetfeldanalysen zu der ge­ nannten Fingerprint-Anordnung.

In der Kernspintomographie werden sowohl flache Spulen (planarspulen) als auch auf einer Zylinderoberfläche aufge­ brachte Spulen verwendet. Bisher werden solche spulen meist aus einer massiven Kupferplatte herausgearbeitet. Dies kann durch stanzen, Schneiden, Ätzen usw. erfolgen. All diese Verfahren haben allerdings den Nachteil, daß die Bearbei­ tungszeit relativ lang ist und einen hohen Maschinenaufwand bedingt. Ferner wird viel Abfall produziert. Damit sind die so hergestellten Spulen sehr teuer.

Schließlich muß aufgrund des Schneidvorganges, je nach Be­ arbeitungsart, ein vergleichsweise breiter Spalt zwischen den Leitern bleiben. Damit sind die erreichbaren Stromdich­ ten, deren räumliche Verteilung durch das errechnete Spu­ lendesign vorgegeben ist, lokal begrenzt. Die genannte Technologie bietet zwar den Vorteil, daß die Windungsbreite variabel ist und der Gleichstromwiderstand minimiert werden kann. Allerdings führt ein flächig ausgearbeitetes Spulen­ system zu hohen dissipativen Verlusten aufgrund der Schir­ mung von geschalteten Gradientenfeldern.

Die oben genannten Nachteile lassen sich vermeiden, wenn die Spule aus einem konfektionierten Leiter gewickelt wird. Eine solche Spule ist weniger flächig, also "transparen­ ter", so daß das unerwünschte Schirmverhalten reduziert wird. Die Schirmwirkung kann durch Litzenleiter weiter re­ duziert werden, wobei der Leiter dann aus einer Vielzahl miteinander verdrillter Einzelleiter besteht.

Die Herstellung von Fingerprint-Spulen aus konfektioniertem Leitermaterial ist jedoch arbeitsaufwendig. Bislang wird hierzu eine Negativform der zu wickelnden Spule herge­ stellt, in die dann der Leiter eingelegt wird. Wegen der dabei auftretenden Spannungen muß der Leiter per Hand in die Negativform gehämmert werden. Der Leiter wird dann mit einer Klebefolie laminiert und so fixiert. Da die Negativ­ form für jedes Spulendesign gesondert hergestellt werden muß, ist dieses Herstellverfahren zeit- und personalaufwen­ dig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten bzw. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung derart anzugeben, daß Fingerprint-Spulen weitgehend maschinell und mit geringem Aufwand hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkma­ le des Anspruches 1. Die dort angegebene Vorrichtung ist relativ einfach aufzubauen und die Herstellung von Finger­ print-Spulen läßt sich weitgehend automatisieren. Für un­ terschiedliche Spulendesigns sind keine neuen Werkzeuge er­ forderlich, es müssen vielmehr lediglich die Stifte ent­ sprechend positioniert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Stifte durch eine Antriebsvorrichtung während des Wickelvorganges bedarfsweise automatisch verschoben. Damit kann die Finger­ print-Spule halb- oder vollautomatisch gefertigt werden.

Der Leiter kann vorteilhafterweise aus mehreren Einzellei­ tern zusammengesetzt sein, so daß der zum Wickeln erforder­ liche Kraftaufwand geringer wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an­ hand der Fig. 1 bis 7 erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine herkömmliche Rahmenspule,

Fig. 2 eine Fingerprint-Spule,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Wickelvorrichtung,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Wickelvorrichtung,

Fig. 5 eine Antriebsvorrichtung für die Stifte,

Fig. 6 eine Anordnung zur Zusammenfassung mehrerer Einzel­ leiter zu einem Leiter und

Fig. 7 einen zusammengesetzten Leiter.

In der Fig. 1 ist eine herkömmliche Rahmenspule dargestellt, um die Unterschiede zur Fingerprint-Technik deutlich zu ma­ chen. Die Rahmenspule weist eine einfache geometrische Form mit geradliniger Leiterführung auf. Bei Spulen, die sattel­ förmig auf ein Zylinderrohr aufgebracht werden, wie dies z. B. bei Kernspintomographen der Fall ist, kann die Spule nach dem Wickeln entsprechend gebogen werden.

Fig. 2 zeigt eine Fingerprint-Spule 1, bei der der geometri­ sche Verlauf des Leiters einen sich aus Feldberechnungen ergebenden relativ unregelmäßigen Verlauf hat. Der Kurven­ zug, dem der Leiter folgen soll, kann durch eine gewisse Mindestanzahl von Stützstellen hinreichend genau beschrie­ ben werden. Mathematisch ergibt sich der optimierte Leiter­ verlauf aus einer Polygonzugapproximation.

Zum Wickeln der Spule ist entsprechend Fig. 3 eine ebene Platte 2 vorgesehen, die an den mathematisch ermittelten Stützstellen Bohrungen besitzt, die in Fig. 3 der Übersicht­ lichkeit wegen nur zum Teil dargestellt und mit dem Bezugs­ zeichen 3 versehen sind. Die Platte 2 ist um den Stagna­ tionspunkt der Windungen drehbar gelagert. Der Stagnations­ punkt, der beispielsweise bei einem einfachen kreisförmigen Windungsverlauf dem Windungsmittelpunkt entsprechen würde, ergibt sich ebenfalls aus der mathematischen Analyse.

Durch Einsetzen von Stiften in die durch die Stützstellen festgelegten Bohrungen 3 dienen diese als Wickelkern beim Wickeln der Spule. Da der Wickelvorgang von innen nach au­ ßen verläuft, müssen die Stifte 4 der Reihenfolge nach bei Bedarf eingesetzt werden. Nach Beendigung des Wickelvor­ gangs wird die gesamte Platte 2 von der die Drehung bewir­ kenden Wickelmaschine genommen und die Spule wird mit einem geeigneten Laminat kaschiert. Nach Aushärtung kann die Spule von der Platte 2 genommen werden. Je nach Verwen­ dungszweck wird sie entweder in der flachen Form belassen und als Planarspule verwendet, oder sie wird in einer ent­ sprechenden Vorrichtung so gerollt, daß sie auf einem Zy­ linder montiert werden kann.

Da beim Wickeln der Spule je nach Steifigkeit der Leiters 5 erhebliche Kräfte auftreten, ist es zweckmäßig, die Spule 1, wie in Fig. 4 dargestellt, zwischen zwei parallelen Plat­ ten 2 und 2a zu wickeln. Die Stifte 4 verlaufen zwischen den beiden Platten 2 und 2a und weisen somit eine erhöhte Stabilität auf. Durch die Konstruktion mit zwei parallelen Platten 2, 2a wird ferner verhindert, daß der Leiter 5 beim Wickeln von den Stiften 4 abrutscht.

Wenn man den Windungsverlauf mit großer Genauigkeit opti­ mieren will, so sind in der Praxis einige hundert Stütz­ stellen erforderlich, so daß während des Wickelvorganges eine Vielzahl von Stiften 4 eingesetzt werden muß. Dies kann jedoch dadurch automatisiert werden, daß die Stifte 4 - wie in Fig. 5 dargestellt - mit einer Antriebsvorrichtung 6 versehen sind, die die Stifte 4 je nach Bedarf aus dem Wickelbereich herausziehen oder in diesen hineindrücken können. Als Antriebsvorrichtung 6 kommen dabei z. B. hydrau­ lische Antriebe, magnetische Antriebe oder motorische An­ triebe in Betracht. Die Antriebsvorrichtung 6 muß nicht für jeden einzelnen Stift 4 gesondert vorgesehen werden, son­ dern kann so ausgeführt werden, daß sie über die Platte 2 bewegt und an den jeweils zu verstellenden Stift 4 angekop­ pelt wird.

Insbesondere bei dickerem Leitermaterial können erheblich Biegekräfte erforderlich werden. In diesem Fall kann es sinnvoller sein, das Leitermaterial nicht in kompakter Form zu wickeln, sondern aus mehreren Einzelleitern zusammenzu­ setzen. In Fig. 6 ist schematisch eine Vorrichtung 7 darge­ stellt, mit der fünf Einzelleiter 5a bis 5d während des Wickelvorganges zu einem Leiter 5 zusammengesetzt werden. Beim Zusammenführen der Einzelleiter 5a bis 5d in der Vor­ richtung 7 können die Einzelleiter durch Klebematerial ver­ bunden werden. Da das Klebematerial beim Wickeln noch frisch ist, gleiten die Einzelleiter 5a bis 5d aufeinander und die auftretenden Spannungen werden wesentlich kleiner. Nach dem Abbinden des Klebematerials entsteht ein in sich relativ stabiles Gebilde, das beim nachfolgenden Kaschieren mit Laminat einfach zu handhaben ist. Ein Querschnitt durch den aus den Einzelleitern 5a bis 5d zusammengesetzten Lei­ ter 5 ist in Fig. 7 dargestellt.

Mit der beschriebenen Vorrichtung können geometrisch kom­ plizierte, durch Stützstellen vorgegebene Wickelstrukturen realisiert werden. Der Wickelvorgang kann weitgehend auto­ matisch erfolgen. Die Genauigkeit hängt im wesentlichen nur von der Zahl der Stützstellen ab. Durch die Verwendung von konfektioniertem Leitermaterial im Gegensatz zu individuell gestanzten Leitern entsteht praktisch kein Abfall.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Wickeln von Fingerprint-Spulen (1), insbesondere für Gradientenspulen von Kernspintomographen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine ebene Platte (2, 2a) vorgesehen ist, die um den Stagnationspunkt der Wicklungen der Fingerprint-Spule (1) drehbar ist, daß in dieser Platte (2, 2a) an festgelegten Punkten Stifte (4) im wesentlichen senkrecht zur Platte (2, 2a) fixierbar sind, die Umlenkpunkte für die Wicklungen definieren und daß eine Zuführeinrichtung (7) vorgesehen ist, mit der ein Leiter (5) der drehbaren Platte (2, 2a) tangential zuführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (2, 2a) Bohrungen (3) zum Einsetzen der Stifte (4) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (4) in ihrer Längsrichtung in der Platte (2, 2a) verschiebbar gelagert sind, wobei sie im eingezogenen Zustand aus dem Wickelbereich entfernt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (4) durch eine Antriebsvorrichtung (6) während des Wickelvorganges bedarfsweise automatisch verschoben werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden verschiebbaren Stift (4) eine Antriebsvorrichtung (6) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere Stifte (4) eine gemeinsame Antriebsvorrichtung (6) vorgesehen ist, die nach Bedarf mit dem jeweils zu verschiebenden Stift (4) in Eingriff gebracht wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei parallel zueinander angeordnete Platten (2, 2a) vorgesehen sind, zwischen denen sich die Stifte (4) erstrecken.

8. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Leiter (5) aus mehreren Einzelleitern (5a, 5b, 5c, 5d) zusammengesetzt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einzelleiter (5a, 5b, 5c, 5d) während des Wickelvorganges unter Zusatz von Klebematerial zum Leiter (5) zusammengefaßt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die fertig gewickelte Spule (1) nach dem Herausnehmen aus der Vorrichtung zur Erhöhung der mechanischen Stabilität mit einem Laminat kaschiert wird.

11. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die fertig gewickelte Spule nach dem Herausnehmen aus der Verfahren so gebogen wird, daß sie die Form eines Teilzylinders aufweist.