CN114743754B - 一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明属于强磁场技术领域，具体为一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体。本发明提供的一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，是基于Bitter线圈发热从内向外呈下降趋势的特点。在每匝线圈组装时，将其盖板的内圆半径设计成大于环状结构内圆半径，使线圈的中心区域不被覆盖。在进行磁体组装后，整个中心区域形成空心结构，以此构建出横向散热通道，带走大部分焦耳热，提升了散热性能，使其可以持续工作。相较于通过液体在对齐轴向的孔中流动带走产生的焦耳热的方式，本发明提供的一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体能够快速散热，结构简单、紧凑、功耗低且实用性强。

Description

一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体
技术领域
本发明属于强磁场技术领域，具体为一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，该磁体尤其适用于回旋管和核磁共振成像。
背景技术
回旋管和核磁共振成像都需要均匀强磁场，目前常用的强磁场***包括永磁体、脉冲磁体、常温电阻磁体以及超导磁体。永磁体使用最为便捷，但是永磁体体积和重量惊人，无法小型化。超导磁体以其能产生超高的磁场而在需要超高磁场的应用条件下占有绝对优势，但是超导磁体价格昂贵，需要工作在3-4K超低温环境下而需要漫长的制冷时间，所以当磁场强度在1-2T范围内，使用常温电阻磁体不仅可以即开即用而且使得***结构紧凑易于小型化，性价比更低。常温电阻型磁体又分为导线式线圈电磁体、美国国家强磁场实验室的Francis Bitter提出的带孔圆环片线圈电磁铁即Bitter型磁体。
传统常温Bitter磁体采用轴向过孔，轴向过孔有圆形孔和加长孔两种，而且所有的Bitter片的大小都是相同的，通过液体在对齐轴向的孔中流动带走产生的焦耳热。但是当电流达到几百安培甚至几千安培时，会产生大量的焦耳热，仅通过轴向散热的方式很难使得应用***连续工作，实用性能依然受到巨大限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，以解决传统常温Bitter磁体仅通过轴向散热的方式无法连续工作、影响其应用***实用性的问题。
为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：
一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，包括磁体本体和作为磁轭的电工纯铁；
所述磁体本体由N匝线圈叠加组成；每匝线圈由M个环状片和固定环组成；每个环状片上均设有若干个通孔，相邻两个环状片之间设有绝缘层；绝缘层与环状片具有相同的结构尺寸，所有绝缘层的同一位置设扇形开口，开口处设有用于连接上下环状片的连接件；所有环状片和绝缘层沿同一轴向叠加在一起形成环状结构；环状结构的上下表面均覆盖有盖板，盖板上设有通孔，用于配合固定环将环状结构组装在一起；组装后上下盖板通孔、各环状片通孔、绝缘层通孔垂直对准，形成纵向散热通道；盖板的外圆半径与环状结构外圆半径相等，内圆半径大于环状片内圆半径，以使环状片中心区域形成横向散热通道；
所述电工纯铁负载在磁体本体的外表面。
进一步的，N匝线圈中，每匝线圈的外径均不相同，以使磁场更加均匀。
进一步的，所述绝缘层、固定环以及盖板均采用环氧树脂制成。
进一步的，所述环状片为铜片；设于开口处的连接件为扇形铜片，扇形铜片尺寸与开口尺寸相同。
进一步的，所述N≥5，M≥5。
本发明提供的一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，是基于Bitter线圈发热从内向外呈下降趋势的特点。在每匝线圈组组装时，将其盖板的内圆半径设计成大于环状结构内圆半径，使线圈的中心区域不被覆盖。在进行磁体组装后，整个中心区域形成空心结构，以此构建出横向散热通道，带走大部分焦耳热，提升了散热性能，使其可以持续工作。相较于通过液体在对齐轴向的孔中流动带走产生的焦耳热的方式，本发明提供的一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体能够快速散热，结构简单、紧凑、功耗低且实用性强。
附图说明
图1为每匝线圈的堆叠示意图以及每匝线圈堆叠好的成型示意图；
图2为每匝线圈加上固定用环氧树脂夹块和盖板的成型示意图；
图3为2匝线圈、上下极靴以及接线端子连接示意图；
图4为16匝直径不同的线圈以及连接示意图；
图5为完整夹块和绝缘盖板16匝线圈示意图；图6为示例1.1T强磁场16匝线圈总装示意图；
图6为示例1.1T强磁场16匝线圈总装示意图；
图7为图6所示磁体产生的磁场分布；
附图标记：
1.环状结构；2.环状铜片；3.固定环氧树脂环；4.盖板；5.绝缘层；6.连接件；7.横向散热通道；8.单匝线圈；9.纵向散热通道；10、电工纯铁；11.铜质接头。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供的一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，其结构如6所示，包括磁体本体和作为磁轭的电工纯铁10。所述磁体本体结构如图4、图5所示，是由16匝内径相同外径不同的同轴线圈堆叠加组成，磁体本体。由下述磁场公式和欧姆损耗公式可知，当内径相同时，外径越大所得的磁感应强度越小，同时功耗越小。所以不同的外径组合而成，可以在得到更长的磁场均匀区的同时降低了得到的这一均匀区长度所需要的功耗。
单匝线圈8结构参阅图1-图3：由13个环状铜片2和固定环氧树脂环3组成；每个环状铜片2上均设有若干个通孔，环状铜片2厚度为0.4mm，相邻两个环状铜片之间设有绝缘层3。绝缘层3与环状片具有相同的结构尺寸,采用环氧树脂制成，其厚度为0.1mm。所有绝缘层的同一位置设扇形开口，开口处设有用于串联上下环状铜片的连接件6，连接件6尺寸大小与开口相同，本实施例采用0.1mm厚的扇形铜片作为连接件；所有环状铜片2和绝缘层3沿同一轴向叠加在一起形成环状结构1；环状结构1的上下表面均覆盖有环氧树脂制成的盖板4，盖板4上设有通孔，用于配合固定环氧树脂环2将环状结构组装在一起；组装后上下盖板4通孔、各铜片通孔、绝缘层2通孔垂直对准，形成纵向散热通道9；盖板4的外圆半径与环状结构外圆半径相等，内圆半径大于环状片内圆半径，以使环状铜片中心区域形成横向散热通道7。依照上述结构制作的单匝线圈整体高度为7.4mm。普通的Bitter型磁体只有轴向通道散热，对于长时间工作和水冷***的要求非常高，通过增加横向散热通道7，可以更好的带走耗散的热量，使得***工作更加稳定。
所述电工纯铁10负载在磁体本体的外表面。本实施例选择电工纯铁型号为DT4C，为方便使用电工纯铁上带有铜质接头11，用于连接直流电流源。
由于采用上述结构后，各单匝线圈中的环状铜片2电流传导方向保持一致，单片铜片产生的轴向磁场均保持一致，这样就可以由毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart Law)求出单匝线圈的磁场和欧姆损耗。
单片铜片产生的轴向磁场公式为：
Figure BDA0003587499750000031
其中，B(z)表示轴向磁感应强度大小，μ0是自由空间磁导率，J是电流密度，Rin和Rout是单匝线圈的内外半径，，h是导体的厚度,I是通过的电流大小。
单片铜片的欧姆损耗可以由公式:
Figure BDA0003587499750000032
其中，ρ是导体的电导率。
基于上述磁场公式结合轴向磁场运算公式可到100mm均匀区的磁场分布仅需16圈，总高度为147.4mm,由此可见，本实施例的Bitter型强磁体的更具紧凑性。图7为本实施例Bitter型强磁体的轴向磁场分布，在工作电流520A时，其均匀区距离100mm，磁场强度1.1T，且持续工作。此时的电阻大小为37.5毫欧，工作电流520安时，功耗为10.14千瓦，普通的线包磁体产生相同的磁场强度和均匀区长度则需要功耗20千瓦以上。
综上可见，本发明提供的一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，通过每匝线圈外径不同的设置增加了磁场的均匀性，通过增加横向散热通道后，在强电流状态下，仍然能够持续工作。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，包括磁体本体和作为磁轭的电工纯铁；其特征在于：
所述磁体本体由N匝线圈叠加组成；每匝线圈由M个环状片和固定环组成；每个环状片上均设有若干个通孔，相邻两个环状片之间设有绝缘层；绝缘层与环状片具有相同的结构尺寸，所有绝缘层的同一位置设扇形开口，开口处设有用于连接上下环状片的连接件；所有环状片和绝缘层沿同一轴向叠加在一起形成环状结构；环状结构的上下表面均覆盖有盖板，盖板上设有通孔，用于配合固定环将环状结构组装在一起；组装后上下盖板通孔、各环状片通孔、绝缘层通孔垂直对准，形成纵向散热通道；盖板的外圆半径与环状结构外圆半径相等，内圆半径大于环状片内圆半径，以使环状片中心区域形成横向散热通道；
所述电工纯铁负载在磁体本体的外表面。
2.根据权利要求1所述一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，其特征在于：N匝线圈中，每匝线圈的外径均不相同，以使磁场更加均匀。
3.根据权利要求1所述一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，其特征在于：所述绝缘层、固定环以及盖板均采用环氧树脂制成。
4.根据权利要求1所述一种低功耗紧凑常温Bitter型强磁体，其特征在于：所述环状片为铜片；设于开口处的连接件为扇形铜片，扇形铜片尺寸与开口尺寸相同。
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