EP0216811A1 - Aimant solenoidal a disques annulaires de type bitter - Google Patents

Aimant solenoidal a disques annulaires de type bitter

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Publication number
EP0216811A1
EP0216811A1 EP86901416A EP86901416A EP0216811A1 EP 0216811 A1 EP0216811 A1 EP 0216811A1 EP 86901416 A EP86901416 A EP 86901416A EP 86901416 A EP86901416 A EP 86901416A EP 0216811 A1 EP0216811 A1 EP 0216811A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
discs
disc
turn
coils
thickness
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP86901416A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Guy Aubert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric CGR SA
Original Assignee
Thomson CGR
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CGR filed Critical Thomson CGR
Publication of EP0216811A1 publication Critical patent/EP0216811A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
    • H01F7/202—Electromagnets for high magnetic field strength

Definitions

  • the invention due to the collaboration of the National Service of the Intensive Fields of the CNRS (Director M. AUBERT), relates to a solenoid magnet formed of a stack of annular discs, better known under the name of Bitter magnet; the invention relates more
  • NMR Nuclear Magnetic Resonance
  • NMR imaging facilities require a large magnet capable of generating a uniform magnetic field in a determined region of space.
  • a field of 0.15 to 0.5 teslas with a homogeneity of 1 to 10 parts per million (ppm) in ⁇ c a sphere of 40cm in diameter at least.
  • Bitter coils are well known for the production of strong magnetic fields.
  • the structure proposed by Bitter is a winding made up of annular metallic discs (generally copper or aluminum), split for
  • the invention mainly relates to a connection structure of
  • the invention therefore essentially relates to a solenoidal magnet with annular discs of the Bitter type, of the same internal and external diameters and comprising several coils of such discs placed side by side along a common longitudinal axis, characterized in that the discs of any two adjacent wound
  • two adjacent coils are connected by means of a flat annular transition disc, forming a turn, of the same inside and outside diameter as said discs and in that this transition disc has at least one thickness variation, depending on the thickness difference
  • Bitter discs are conventionally stacked with insulating position and all have the same configuration of holes to define a bundle of channels parallel to the longitudinal axis of the magnet, in which the coolant is circulated.
  • the aforementioned transition discs have the same configuration of holes to ensure the continuity of the cooling circuit inside all the coils in series.
  • the transition disc may include a step on each of its faces, the height of this step correspondingly to the helix pitch of the coil connecting to this face.
  • the transition disc can have a thickness of the same order of magnitude as that of the discs of the adjacent coils and more particularly constitute itself one or a few turns of regularly variable thickness, the thicknesses of the two ends of this or these turns being respec ⁇ tively equal to the thicknesses of turns of the two adjacent coils.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a magnet according to the principle of the invention.
  • FIG. 2 is a partial perspective view of a transition disc of Figure 1;
  • FIG. 3 is a partial perspective view of another embodiment of a transition disc.
  • a solenoid magnet 11 with annular discs of Bitter 12 consisting of several coils 13a, 14a, 15a, 16, 13b, 14b, 15b, joined along a common longitudinal axis z 'z.
  • this magnet consists for example of seven coils of the Bitter type, joined along the axis z'z, the lengths and thicknesses of disc of the different coils being chosen to achieve said required homogeneity.
  • the discs of any two adjacent coils are of different thicknesses, but that the discs of two coils symmetrical relative to the median transverse plane passing through O (13a- 13b, 14a- 14b, 15a-15b) are of the same thickness.
  • a possible method of calculating the characteristics of the magnet coils is indicated in another patent application No. 84-19192 filed by the Applicant. deresse and is not part of the invention presently described.
  • the term “Bitter” type coil means any coil corresponding to the definition mentioned above.
  • the discs 12, whatever their thickness have the same configuration of holes 18 embodying a set of channels 19 parallel to the axis z'z and in which the cooling fluid circulates.
  • the radially split discs 12 are connected end to end and held in a tight stack by means of a plurality of tie rods 20 regularly distributed over a cylindrical surface of axis z'z. Thin leaves
  • any two adjacent coils are connected end to end by means of a traning disc.
  • this disc has at least one variation in thickness depending on the difference in thickness of the discs of said adjacent coils.
  • each transition disc is in the form
  • a metallic annular plate (copper or aluminum) not very thick, of the order of a few turns of the magnet, and comprising a slot 21 to define a turn.
  • This plate has a recess 23a, 23b on each of its faces, respectively, on either side of the slot 21 and whose height corresponds to the pitch of the coil
  • each coil is welded over the entire part located between the corresponding recess and the slot 21, the surface of the plate located on the other side of this slot being covered with a thin insulating sheet 16.
  • the slot 21 is filled with insulating resin (poly erisable glue) this which restores a certain rigidity to the transition disc and facilitates the mounting of the magnet coils.
  • the transition disc also has the same configuration of holes 18a as the Bitter discs 12 of the different coils, for cooling, as well as a series of holes 24 of larger diameter, for the passage of the tie rods. The presence of the transition discs is taken into account in the magnet calculations. On the other hand, it may be advantageous to make transition discs as thin as possible.
  • FIG. 3 gives concrete form to the limit case when it is sought to reduce the thickness of the transition disc.
  • It is a metal disc 25 (copper or aluminum) having a radial slot 26 transforming it into a turn and the thickness of this turn is regularly variable so that the thicknesses a and b of these two ends 27a, 27b are respectively equal to the disc thicknesses of the two adjacent coils.
  • Each of the ends 27a, 27b further comprises an element 28 allowing a welded connection to the adjacent disc of the corresponding coil, which comprises a complementary element.
  • the tran ⁇ sition discs 25 have the same configuration of holes as in the case of Figure 2.
  • each plate has a recess 30 having a height substantially equal to the thickness of the disk of the coil. neighbor 13a or 13b.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

Structure de raccordement entre bobines de Bitter dans un aimant à champ homogène. Selon l'invention, l'aimant est constitué de plusieurs bobines de Bitter accolées et dont les disques sont d'épaisseurs différentes et deux bobines voisines sont raccordées par un disque de transition (22) formant une spire et comportant par exemple un décrochement (23a, 23b) sur chacune de ses faces pour s'adapter aux épaisseurs différentes des disques de deux bobines. Application à l'imagerie par RMN.

Description

AIMANT SOLENOIDAL A DISQUES ANNULAIRES DE TYPE BITTER
L'invention, due à la collaboration du Service National des Champs Intenses du CNRS (Directeur M. AUBERT), concerne un aimant solénoïdal formé d'un empilement de disques annulaires, plus connu sous le nom d'aimant de Bitter ; l'invention concerne plus
5 particulièrement des perfectionnements de ce type d'aimant en vue d'obtenir un champ magnétique d'homogénéïté requise dans un volume donné au voisinage du centre de l'aimant, l'une des appli¬ cations privilégiées de l'invention étant l'imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN).
I Q On sait que les installations d'imagerie par RMN, entre autres, nécessitent un aimant de grandes dimensions capable d'engendrer un champ magnétique uniforme dans une région déterminée de l'espace. Typiquement, il est nécessaire d'engendrer un champ de 0,15 à 0,5 teslas avec une homogénéité de 1 à 10 parties par million (ppm) dans ι c une sphère de 40cm de diamètre au moins.
Par ailleurs, les bobines de Bitter sont bien connues pour la production de champs magnétiques intenses. En théorie, la structure proposée par Bitter est un bobinage constitué de disques annulaires métalliques (généralement en cuivre ou en aluminium), fendus pour
2 former autant de spires et raccordés pour définir un enroulement sensiblement hélicoïdal à spires plates. L'empilement de disques est maintenu par une pluralité de tirants. Cette structure est avan¬ tageuse car elle permet un refroidissement efficace de l'aimant, en pratiquant des trous dans les disques (et dans les isolants séparant
2 ces disques), ces trous étant disposés suivant une même confi¬ guration d'un disque à l'autre pour matérialiser un ensemble de canaux parallèles à l'axe de la bobine, dans lesquels circule un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau désionisée, du kérozéne ou de l'huile. Conformément à ce qui' est décrit dans une autre demande de brevet de la Demanderesse, il est possible de calculer un aimant délivrant un champ magnétique d'homogénéité requise dans un certain volume au voisinage de son centre de symétrie et constitué
- d'un certain nombre de bobines de Bitter accolées côte à côte le long d'un axe longitudinal commun, ces bobines étant construites à partir de disques ayant tous le même diamètre intérieur et exté¬ rieur, mais des épaisseurs différentes d'une bobine à l'autre. L'inven¬ tion concerne principalement une structure de raccordement de
. Q telles bobines, assurant un empilement parfaitement rectiligne des¬ dites bobines tout en perturbant peu le champ magnétique tel que calculé à partir d'un modèle théorique négligeant les contraintes technologiques de raccordement des bobines et en conservant la continuité des canaux de fluide de refroidissement.
. m Dans cet esprit, l'invention concerne donc essentiellement un aimant solénoïdal à disques annulaires de type Bitter, de même diamètres intérieur et extérieur et comportant plusieurs bobines de tels disques accolées le long d'un axe longitudinal commun, carac¬ térisé en ce que les disques de deux bobinés adjacentes quelconques
2Q étant d'épaisseurs différentes, deux bobines adjacentes sont rac¬ cordées par l'intermédiaire d'un disque de transition annulaire plat, formant une spire, de même diamètre intérieur et extérieur que lesdits disques et en ce que ce disque de transition présente au moins une variation d'épaisseur, fonction de la différence d'épaisseur
- - des disques desdites bobines adjacentes.
Les disques de Bitter sont classiquement empilés avec inter¬ position d'isolant et comportent tous la même configuration de trous pour définir un faisceau de canaux parallèles à l'axe longitudinal de l'aimant, dans lesquels on fait circuler le fluide de refroidissement. ... Bien entendu, les disques de transition précités comportent la même configuration de trous pour assurer la continuité du circuit de refroidissement à l'intérieur de toutes les bobines en série. Selon un mode de réalisation possible, le disque de transition peut comporter un décrochement sur chacune de ses faces, la hauteur de ce décro- chement correspondant au pas d'hélice de la bobine se raccordant à cette face. Selon une autre possibilité, le disque de transition peut avoir une épaisseur du même ordre de grandeur que celle des disques des bobines adjacentes et plus particulièrement constituer lui-même une ou quelques spires d'épaisseur régulièrement variable, les épais¬ seurs des deux extrémités de cette ou ces spires étant respec¬ tivement égales aux épaisseurs de spire des deux bobines ajacentes.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un aimant conforme au principe de l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle en perspective d'un disque de transition de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue partielle en perspective d'un autre mode de réalisation d'un disque de transition.
En se reportant aux dessins, on a représenté un aimant solénoîdal 11 à disques annulaires de Bitter 12, constitué de plu- sieurs bobines 13a, 14a, 15a, 16, 13b, 14b, 15b, accolées le long d'un axe longitudinal commun z'z. Pour( une application à l'imagerie par RMN, il est possible d'obtenir un champ magnétique d'homogénéité requise (1 à 10 ppm) dans une sphère d'intérêt de volume suffisant dont le centre O est confondu avec celui de l'aimant, si cet aimant est constitué par exemple de sept bobines de type Bitter, accolées le long de l'axe z'z, les longueurs et les épaisseurs de disque des différentes bobines étant choisies pour réaliser ladite homogénéité requise. En ce qui concerne les épaisseurs des disques, il est à noter que les disques des deux bobines adjacentes quelconques sont d'é¬ paisseurs différentes, mais que les disques de deux bobines symé¬ triques par rapport au plan transversal médian passant par O (13a- 13b, 14a-14b, 15a-15b) sont de même épaisseur. Un mode de calcul possible des caractéristiques des bobines de l'aimant est indiqué dans une autre demande de brevet n° 84-19192 déposée par la Deman- deresse et ne fait pas partie de l'invention présentement décrite. On entend par bobine de type Bitter toute bobine répondant à la définition rappelée ci-dessus. A ce titre, les disques 12, quelles que soient leurs épaisseurs, comportent une même configuration de trous 18 matérialisant un ensemble de canaux 19 parallèles à l'axe z'z et dans lesquels circule le fluide de refroidissement. Les disques 12, fendus radialement, sont connectés bout à bout et maintenus en un empilage serré au moyen d'une pluralité de tirants 20 régulièrement répartis sur une surface cylindrique d'axe z'z. De minces feuilles
10 isolantes (non visibles sur les dessins) sont intercalées entre les disques pour assurer l'isolation entre spires ; elles comportent la même configuration de trous matérialisant les canaux.
Selon l'invention, deux bobines adjacentes quelconques sont connectées bout à bout par l'intermédiaire- d'un disque de tran-
, 5 sition 22, annulaire et plat, formant une spire, et ce disque présente au moins une variation d'épaisseur fonction de la différence d'épais¬ seur des disques desdites bobines adjacentes.
En effet, un empilement de disques de Bitter de même épaisseur aboutit à une structure rectiligne mais un changement m-Q d'épaisseur pourrait se traduire par un empilage non rectiligne et/ou présentant des irrégularités de bobinage voire des fuites de fluide de refroidissement. Tous ces défauts sont évités par la présence des disques de transition définis ci-dessus. Selon le mode de réalisation de la figure 2, chaque disque de transition se présente sous forme
25 d'un plateau annulaire métallique (cuivre ou aluminium) peu épais, de l'ordre de quelques spires de l'aimant, et comportant une fente 21 pour définir une spire. Ce plateau comporte un décrochement 23a, 23b sur chacune de ses faces, respectivement, de part et d'autre de la fente 21 et dont la hauteur correspond au pas d'hélice de la bobine
30 se raccordant à cette face. L'extrémité de chaque bobine est soudée sur toute la partie située entre le décrochement correspondant et la fente 21, la surface du plateau située de l'autre côté de cette fente étant recouverte d'une mince feuille isolante 16. Avantageusement, la fente 21 est remplie de résine isolante (colle poly érisable) ce qui restitue une certaine rigidité au disque de transition et facilite le montage des bobines de l'aimant. D'autre part, le disque de transition comporte aussi la même configuration de trous 18a que les disques de Bitter 12 des différentes bobines, pour le refroidis¬ sement, ainsi qu'une série de trous 24 de plus grand diamètre, pour le passage des tirants. La présence des disques de transition est prise en considération dans les calculs de l'aimant. D'autre part, il peut être avantageux de réaliser des disques de transition aussi peu épais que possible. Dans cet esprit, le mode de réalisation de la figure 3 concrétise le cas limite lorsqu'on cherche à diminuer l'épaisseur du disque de transition. Il s'agit d'un disque métallique 25 (cuivre ou aluminium) comportant une fente radiale 26 le trans¬ formant en une spire et l'épaisseur de cette spire est régulièrement variable de façon que les épaisseurs a et b de ces deux - extrémités 27a, 27b soient respectivement égales aux épaisseurs de disque des deux bobines adjacentes. Chacune des extrémités 27a, 27b comporte en outre un embrevement.28 permettant un raccordement soudé au disque adjacent de la bobine correspondante, lequel comporte un embrevement complémentaire. Bien entendu, les disques de tran¬ sition 25 comportent la même configuration de trous que dans le cas de la figure 2. D'autre part, en se reportant à nouveau à la figure 1, on note que l'ensemble de l'aimant est serré, par les tirants, entre deux plateaux de répartition de courant 29a et 29b. Ces plateaux sont en forme de disque annulaire épais et ont le même diamètre intérieur et extérieur que les disques 12. L'une des faces de chaque plateau comporte un décrochement 30 ayant une hauteur sensi¬ blement égale à l'épaisseur de disque de la bobine voisine 13a ou 13b.

Claims

REVENDICATIONS
1. Aimant solénoïdal à disques annulaires (12) de type Bitter, de même diamètres intérieur et extérieur, comportant plusieurs bobines de tels disques accolées le long d'un axe longitudinal commun (z'z), caractérisé en ce que les disques de deux bobines adjacentes quelconques étant d'épaisseurs différentes, deux bobines adjacentes sont raccordées par l'intermédiaire d'un disque de tran¬ sition (22), annulaire et plat, formant une spire et en ce que ce disque présente au moins une variation d'épaisseur fonction de la différence d'épaisseur des disques desdites bobines adjacentes.
2. Aimant solénoïdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit disque de transition comporte un décrochement (23a, 23b) sur chacune de ses faces, de hauteur correspondant au pas d'hélice de la bobine se raccordant à cette face.
3. Aimant solénoïdal selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit disque de transition est fendu sensiblement radia- lement pour définir une spire.
4. Aimant solénoïdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit disque de transition (25) est une spire d'épaisseur régulièrement variable, les épaisseurs des deux extrémités (27a, 27b) de cette spire étant respectivement égales aux épaisseurs de disque des deux bobines adjacentes précitées.
5. Aimant solénoïdal selon l'une des revendications précé¬ dentes, caractérisé en ce qu'il comporte un plateau de répartition de courant (28, 29) à chacune de ses extrémités, en forme de disque annulaire épais de même diamètre intérieur et extérieur que les disques précités et en ce que l'une des faces dudit plateau comporte un décrochement (30) ayant une hauteur sensiblement égale à l'épaisseur de disque de la bobine voisine.
6. Aimant solénoïdal selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fente (21), définissant ladite spire, est remplie de résine isolante ou analogue.
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FR2579363A1 (fr) 1986-09-26
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