FR2923073A1 - Bobine apte a generer un champ magnetique et procede de fabrication de ladite bobine. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une bobine apte à générer un champ magnétique lorsqu'il est traversé par un courant électrique comportant une étape de formation de spires dans un tube cylindrique, remarquable en ce qu'il comporte au moins une étape de formation d'au moins un bossage sur au moins une spire de ladite bobine et d'au moins un creux dans une spire adjacente de manière à ce que le bossage s'étende au droit dudit creux, permettant de reprendre les efforts mécaniques induits par les forces électromagnétiques et forces mécanique d'origine thermique.Un autre objet de l'invention concerne une bobine apte à générer un champ magnétique lorsqu'elle est traversée par un courant électrique, ladite bobine étant constituée d'un tube obtenu dans un matériau conducteur et découpé suivant une ligne globalement hélicoïdale, caractérisée en ce qu'au moins une spire de la bobine comporte au moins un bossage s'étendant au droit d'un creux formé dans une spire adjacente.
Description
La présente invention concerne une bobine apte à générer un champ magnétique particulièrement adaptée pour la génération de champs magnétiques intenses et/ou pour la tenue à des efforts mécaniques importants et un procédé de fabrication de ladite bobine Dans le domaine de la production des champs magnétiques, il est bien connu de générer un champ magnétique intense par des "aimants" constitués d'une ou plusieurs bobines traversées par un courant électrique intense, lesdites bobines étant refroidies. Les dites bobines sont généralement constituées de tubes cylindriques obtenus dans un matériau conducteur et découpés suivant une ligne de découpe globalement hélicoïdale, à pas constant ou non, pour former des spires. Ces bobines pour champs intenses sont actuellement presque exclusivement utilisées dans les laboratoires de champs magnétiques intenses et pourraient, par exemple, être utilisées utilement dans des machines de RMN selon l'acronyme Résonance Magnétique Nucléaire pour la réalisation d'imagerie par résonance magnétique. Ces machines RMN présentent usuellement une structure du type tunnel avec un espace central réservé au patient et une structure annulaire qui intègre d'une part des moyens pour créer dans l'espace central d'observation un champ magnétique principal homogène et intense et d'autre part des moyens d'excitation radiofréquence et de traitement des signaux radiofréquence réémis par le corps du patient placé dans l'espace central d'observation, en réponse aux séquences d'excitation. Afin de différencier les signaux radiofréquence émis en réponse et créer une image, ces machines comportent également des bobines dites de gradient pour superposer au champ homogène intense des champs magnétiques additionnels dont la valeur dépend des coordonnées spatiales de leur lieu d'application. Une telle machine RMN est par exemple décrite dans la demande de brevet français FR 2 892 524.
Les bobines de gradient de champs magnétiques ou générant un champ magnétique intense sont soumises à des forces électromagnétiques intenses qui induisent des efforts mécaniques conduisant à une déformation des spires de la bobine. La déformation des spires peut induire un manque de fiabilité de la machine et/ou une inhomogénéité du champ magnétique préjudiciable pour la réalisation d'imagerie de bonne qualité.
L'un des buts de l'invention est donc de remédier à tous ces inconvénients en proposant une bobine ou un ensemble de bobines aptes à générer un champ magnétique et particulièrement aptes à la génération d'un champ magnétique intense et un procédé de fabrication de ladite bobine de conception simple, peu onéreuse et procurant une reprise des efforts induits par les forces électromagnétiques sur les spires des bobines. A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une bobine apte à générer un champ magnétique lorsqu'il est traversé par un courant électrique comportant une étape de formation de spires dans un tube cylindrique remarquable en ce qu'il comporte au moins une étape de formation d'au moins un bossage sur au moins une spire de ladite bobine et d'au moins un creux dans une spire adjacente de manière à ce que le bossage s'étende au droit dudit creux, permettant de reprendre les efforts mécaniques induits par les forces électromagnétiques et les forces mécaniques d'origine thermique. Selon une caractéristique essentielle du procédé conforme à l'invention, ce dernier comporte une étape préalable d'optimisation du ou des bossages et du ou des creux. Cette étape d'optimisation consiste au moins dans les étapes suivantes de : -modélisation géométrique des tubes et des découpes définissant les spires, - détermination d'un maillage des spires et du ou des bossages et du ou des creux correspondants à partir du modèle géométrique précédent, -simulation des échauffements thermiques et/ou des champs électromagnétiques et/ou du comportement mécanique à partir du maillage, -comparaison des échauffements thermiques et/ou des champs électromagnétiques et/ou des déformations mécaniques avec ceux d'un modèle dit de référence ne comportant pas de bossages. Par ailleurs, les bossages successifs sur une spire donnée peuvent être avantageusement espacés angulairement pour optimiser la reprise des efforts électromagnétiques et éviter de trop grandes déformations de spires. Lesdits bossages sont formés de telle sorte que la concavité de chaque bossage présente la même orientation. Selon une variante d'exécution, les bossages sont formés de telle sorte que 10 la concavité d'au moins un bossage présente une orientation opposée à l'orientation de la concavité d'au moins un second bossage. Les spires, les bossages et les creux correspondants sont formés par une découpe d'un tube cylindrique suivant une ligne de coupe globalement hélicoïdale. Par ailleurs, la largeur de chaque spire est constante ou variable. 15 De plus, un matériau isolant peut être déposé dans la ligne de découpe entre deux spires consécutives. Un autre objet de l'invention concerne une bobine ou un ensemble de bobines aptes à générer un champ magnétique lorsqu'elle(s) est (sont) traversée(s) par un courant électrique, ladite bobine étant constituée d'un tube 20 obtenu dans un matériau conducteur ou supraconducteur et découpée suivant une ligne globalement hélicoïdale, remarquable en ce qu'au moins une spire de la bobine comporte au moins un bossage s'étendant au droit d'un creux formé dans une spire adjacente permettant de reprendre les efforts mécaniques induits par les couples électromagnétiques sur les spires. 25 De manière avantageuse, les bossages successifs sur une spire sont décalés angulairement pour optimiser la reprise des efforts électromagnétiques et éviter de trop grandes déformations de spires. Ladite bobine comporte une pluralité de bossages et de creux dont la concavité est orientée dans une même direction. 30 Selon une variante d'exécution, ladite bobine comporte une pluralité de bossages et de creux et en ce que la concavité d'au moins un bossage présente une orientation opposée à l'orientation de la concavité d'au moins un second bossage. Chaque bossage présente par exemple une forme générale hémicirculaire ou triangulaire ou carrée ou rectangulaire.
Par ailleurs, la largeur de chaque spire est constante ou variable. De plus, ladite bobine comporte un matériau isolant comblant la ligne de découpe. Ladite bobine est obtenue soit dans un tube cylindrique en matériaux électriquement conducteur soit dans un matériau supraconducteur.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, une bobine apte à générer un champ magnétique et particulièrement aptes à la génération d'un champ magnétique intense et un procédé de fabrication de ladite bobine conforme à l'invention, à partir des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est vue en perspective d'une bobine conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'une variante d'exécution de la bobine conforme à l'invention, - la figure 3 est un diagramme représentant les étapes de fabrication d'une bobine conforme à l'invention En référence à la figure 1, la bobine 1 consiste en un tube 2 globalement cylindrique dans lequel des spires 3 ont été formées par une découpe, par tout moyen approprié, d'une ligne de découpe hélicoïdale 4, ledit tube 2 étant obtenu dans un matériau électriquement conducteur tel que du cuivre ou un supraconducteur massif par exemple et ladite bobine comportant éventuellement un matériau isolant comblant la ligne de découpe 4 de manière bien connue par l'Homme du Métier. La découpe hélicoïdale 4 est obtenue suivant les équations paramétriques dans un système cartésien orthonormé ou l'axe Oz est confondu avec l'axe de révolution du tube 2 : x = Rcos t , y = Rsin t , z = kt où k désigne une constante donnée strictement positive. R et t correspondent aux coordonnées cylindriques dans un plan OXOy.
Une pluralité de spires 3 de la bobine 1 comporte un bossage 5 s'étendant au droit d'un creux 6 de forme correspondante formé dans une spire 3 adjacente permettant de reprendre les efforts mécaniques induits par les couples électromagnétiques sur les spires 3 lorsqu'elles sont traversées par un courant de forte intensité. Dans cet exemple particulier de réalisation, tous les bossages 5 et les creux 6 des spires 3 sont globalement alignés le long d'une droite longitudinale. Néanmoins, il est bien évident que les bossages 5 de deux spires adjacentes pourront être décalés angulairement.
La partie supérieure de la bobine 1, arbitrairement représentée verticalement sur la figure 1, comporte une pluralité de bossages 5 et de creux 6 dont la concavité est orientée dans une même direction, vers l'extrémité inférieure de ladite bobine 1. Par ailleurs, la partie inférieure de la bobine 1 comporte également une pluralité de bossages 5 et de creux 6 dont la concavité est orientée dans une même direction, par exemple vers l'extrémité supérieure de ladite bobine 1, opposée à la direction à l'orientation de la concavité des bossages 5 des spires 3 de la partie supérieure de ladite bobine. Il va de soi que la bobine 1 pourra ne comprendre qu'un seul bossage et un seul creux ou une pluralité de bossages et de creux sur une ou plusieurs spires, la concavité d'au moins un bossage pouvant présenter une orientation opposée à l'orientation de la concavité d'au moins un second bossage, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Dans cet exemple de réalisation, chaque bossage 5, et par conséquent chaque creux 6, présente une forme générale hémicirculaire ; toutefois, il est bien évident que chaque bossage 5 pourra présenter une forme quelconque telle qu'une forme triangulaire, carrée ou rectangulaire par exemple. Par ailleurs, dans cet exemple particulier de réalisation, la largeur de chaque spire 3 est constante ; toutefois, la largeur de tout ou partie des spires pourra être variable.
De plus, la bobine pourra être constituée d'une pluralité de tubes 2 sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Selon une variante d'exécution de la bobine conforme à l'invention, en référence à la figure 2, cette dernière est constituée de la même manière que précédemment d'un tube 2 globalement cylindrique dans lequel des spires 3 ont été formées par découpe suivant une ligne de découpe hélicoïdale 4. La découpe hélicoïdale 4 est obtenue suivant les équations paramétriques dans un système orthonormé où l'axe Oz est confondu avec l'axe de révolution du tube 2 : x = Rcos f(t) , y = Rsin f(t) , z = k g(t) où R et k sont des constantes données strictement positives. On notera que f(t) pourra être substituée par f(t,O) pour régler l'angle de la découpe suivant Oz dans un plan radial. Les bossages 5 et les creux 6 présenteront alors une forme globalement conique, c'est-à-dire que leurs bords ne seront pas perpendiculaires à l'axe de révolution du tube 2. La fonction g(t) est de préférence une fonction trigonométrique de la forme par exemple : x = Rcos (t), y = Rsin (t) z = t/(2*1t)*(1+a*cos(4 t)) Ainsi, la découpe hélicoïdale 4 forme des bossages 5 et des creux 6 dans les 20 spires 3 par rapport à une découpe hélicoïdale de référence obtenue selon les équations paramétriques : x = Rcos t , y = Rsin t , z = kt où k est une constante donnée strictement positive. On entend ici par bossage une partie saillante d'une spire 3 par rapport à une 25 spire obtenue par une ligne de découpe hélicoïdale de référence. On expliquera maintenant le procédé de fabrication d'une bobine conforme à l'invention, en référence à la figure 3. Dans une première étape 100, un modèle géométrique des spires est réalisé à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) tel que CATIA 30 ou Open Cascade commercialisé par la société Open Cascade SAS. Un maillage des spires 3 et du ou des bossages 5 et du ou des creux 6 correspondants est réalisé, dans une étape 200, à partir du modèle CAO au moyen d'un logiciel adapté tel que, par exemple, le logiciel CATIA ou un mailleur Ghs3d de la société Distène, puis dans une étape 300, une simulation des échauffements thermiques et/ou des champs électromagnétiques et/ou du comportement mécanique correspondant au précédent maillage est réalisée. Lesdits échauffements thermiques et/ou les champs électromagnétiques et/ou des déformations mécaniques obtenus par ce maillage sont comparés, dans une étape 400, avec un modèle dit de référence ne comportant pas de bossages et de creux. Des modifications peuvent être effectuées si nécessaire sur la géométrie des spires. La procédure est alors répétée jusqu'à obtenir un modèle adapté. La même procédure peut être utilisée pour l'optimisation des contraintes mécaniques.
Les étapes 100 à 400 sont alors réitérés jusqu'à l'obtention d'un maillage présentant un échauffement thermique minimal et/ ou un champ magnétique homogène ou quasi homogène et/ou une minimisation des déplacements consécutifs aux chargements électromagnétiques et thermiques. La courbe paramétrée correspondant à la découpe retenu ainsi déterminé est alors transmise à une machine de découpe numérique, qui procède à la découpe des spires 3, des bossages 5 et des creux 6 dans le tube 2, dans une étape 500. On observera que préalablement à l'étape de maillage 100, une étape de détermination du nombre de spires, de la largeur des spires et des dimensions du tube dont sa longueur, son épaisseur et son diamètre externe est opérée conformément aux enseignement de la publication Magnet Calculations at the Grenoble High Magnetic Field Laboratory , Christophe Trophime, Konstantin Egorov, François Debray, Walter Joss and Guy Aubert, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY. VOL. 12, NO 1, MARCH 2002. Par ailleurs, on observera que les bossages 5 et les creux 6 coopèrent pour assurer un centrage des spires.
Enfin, il est bien évident que les bobines décrites précédemment pourront trouver de nombreuses applications dans les domaines de la génération de champs magnétiques à des fins expérimentales, ou de l'imagerie à résonance magnétique nucléaire par exemple, et que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.
Claims (9)
1 - Procédé de fabrication d'une bobine apte à générer un champ magnétique lorsqu'elle est traversée par un courant électrique comportant une étape de formation de spires dans un tube cylindrique caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape de formation d'au moins un bossage sur au moins une spire de ladite bobine et d'au moins un creux dans une spire adjacente de manière à ce que le bossage s'étende au droit dudit creux, permettant de reprendre les efforts mécaniques induits par les forces électromagnétiques et les forces thermiques d'origine thermique.
2 - Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable d'optimisation du nombre et/ou de la géométrie du ou des bossages et du ou des creux.
3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'étape 15 d'optimisation consiste au moins dans les étapes suivantes de : détermination d'un maillage des spires et du ou des bossages et du ou des creux correspondants, - simulation des échauffements thermiques et/ou des champs électromagnétiques à partir du maillage, 20 comparaison des échauffements thermiques et/ou des champs électromagnétiques avec ceux d'un maillage dit de référence ne comportant pas de bossages. - comparaison des déplacements sous les chargements électromagnétiques et thermiques des spires avec ceux d'un modèle dit 25 de référence ne comportant pas de bossages.
4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les bossages de deux spires adjacentes sont espacés angulairement.
5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les bossages sont formés de telle sorte que la concavité de chaque 30 bossage présente la même orientation.Io
6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les bossages sont formés de telle sorte que la concavité d'au moins un bossage présente une orientation opposée à l'orientation de la concavité d'au moins un second bossage.
7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les spires, les bossages et les creux correspondants sont formés par une découpe d'un tube cylindrique suivant une ligne de coupe globalement hélicoïdale.
8 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la largeur de Io chaque spire est constante.
9 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la largeur de chaque spire est variable. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisé en ce qu'un matériau isolant est déposé dans la ligne de découpe entre 2 spires consécutives. 11 - Bobine apte à générer un champ magnétique lorsqu'elle est traversée par un courant électrique, ladite bobine (1) étant constituée d'un tube (2) ou d'un ensemble de tube obtenu dans un matériau conducteur et découpé suivant une ligne globalement hélicoïdale (4) pour former des spires (3), caractérisée en ce qu'au moins une spire (3) de la bobine (1) comporte au moins un bossage (5) s'étendant au droit d'un creux (6) de forme correspondante formé dans une spire (3) adjacente permettant de reprendre les efforts mécaniques induits par les forces électromagnétiques sur les spires (3). 12 - Bobine selon la revendication 11 caractérisée en ce que les bossages 25 (5) adjacent d'une spire (3) sont décalés angulairement. 13 - Bobine selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12 caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de bossages (5) et de creux (6) dont la concavité est orientée dans une même direction. 14 - Bobine selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12 30 caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de bossages (5) et de creux (6)et en ce que la concavité d'au moins un bossage (5) présente une orientation opposée à l'orientation de la concavité d'au moins un second bossage (5). 15 - Bobine selon l'une quelconque des revendications 11 à 14 caractérisée en ce que chaque bossage (5) présente une forme générale hémicirculaire ou triangulaire ou carrée ou rectangulaire. 16 - Bobine selon l'une quelconque des revendications 11 à 15 caractérisée en ce que la largeur de chaque spire (3) est constante. 11 à 15 17 - Bobine selon l'une quelconque des revendications Io caractérisée en ce que la largeur de chaque spire (3) est variable. 11 à 17 18 - Bobine selon l'une quelconque des revendications caractérisée en ce qu'elle comporte un matériau isolant comblant la ligne de découpe (4). 19 - Bobine selon l'une quelconque des revendications 11 à 18 caractérisée en ce qu'elle est obtenue dans un tube (2) cylindrique en matériaux 15 conducteur. 20 - Bobine selon l'une quelconque des revendications 11 à 18 caractérisée en ce qu'elle est obtenue dans un matériau supraconducteur massif. 21 - Application de la bobine suivant l'une quelconque des revendications 11 à 20 à un aimant pour champ intense ou homogène. 20 22 - Application de la bobine suivant l'une quelconque des revendications 11 à 20 à une bobine de gradient solénoïdale d'une machine à résonance magnétique nucléaire.
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