Brevet FR2581761A1 — publié le 19861114

t AIMANT SOLENOIDAL SANS FER L'invention, due à la collaboration du Service National des Champs Intenses du CNRS (Directeur M. AUBERT), concerne un aimant solénoTdal, sans fer, comportant une ou plusieurs bobines dont la structure technologique est voisine de celle d'une bobine de Bitter classique; l'invention a plus particulièrement pour objet des perfectionnements permettant de simplifier la fabrication de la ou les bobines et d'améliorer l'homogénéité du champ magnétique engendré par un tel type d'aimant. Les bobines de Bitter sont bien connues pour la production de champs magnétiques intenses. En théorie, la structure proposée par Bitter est une bobine constituée de disques annulaires métalliques, fendus pour former autant de spires et raccordés pour définir un enroulement sensiblement hélicoïdal à spires plates. L'empilement des disques est maintenu par une pluralité de tirants. Cette struc- ture est avantageuse car elle permet un refroidissement efficace de Pl'aimant en pratiquant des trous dans les disques (et dans les isolants séparant ces disques), ces trous étant disposés suivant une même configuration d'un disque à l'autre pour matérialiser un ensemble de canaux parallèles à Paxe de la bobine, dans lesquels circule un fluide de refroidissement, par exemple de Peau désionisée, du kérozène ou de l'huile. L'invention propose un aimant constitué d'au moins une bobine dérivée de ce concept et plus particulièrement conçu pour que le champ magnétique engendré dans une sphère d'intérêt de rayon prescrit, dont le centre est confondu avec le centre de symétrie de cet aimant soit d'une très bonne homogénéité. Un domaine d'ap- plication privilégié de l'invention est en effet celui de limagerie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) o il est nécessaire de disposer cd'un champ magnétique relativement élevé (0,15 à 1,5 258 1761 teslas) avec une très grande homogénéité, de l'ordre de I à 10 parties par million (ppm). Avec une bobine suffisamment longue, on peut obtenir une certaine homogénéité autour du centre de symétrie de cette bobine. Cette homogénéité sera plus facilement atteinte et avec une structure plus compacte soit en faisant varier l'épaisseur des disques le long de l'axe de l'aimant soit en alignant plusieurs bobines de Bitter le long d'un axe commun, les longueurs des bobines et leurs espacements étant choisis pour réaliser l'homogénéité requise. Ces solutions font l'objet d'autres demandes de brevet déposées par la Demanderesse. Les perfectionnements selon l'in- vention s'appliquent aussi bien à un aimant à bobine unique qu'à un aimant à plusieurs bobines alignées, accolées ou espacées. Il peut en effet subsister d'autres causes structurelles d'inho- mogénéité du champ magnétique engendré ou des causes de pertur- bation de ce champ magnétique. Ainsi, selon un mode de réalisation actuellement très répandu de Paimant de Bitter, le raccordement de deux spires adjacentes est simplement obtenu en conformant chaque disque d'isolant, intercalé entre les deux anneaux conducteurs, de façon qu'il comporte une découpe en forme de secteur et en serrant l'empilement de disques conducteurs et de disques isolants entre deux plateaux d'extrémité, au moyen des tirants mentionnés ci-dessus. Le contact électrique entre deux spires adjacentes est ainsi établi au travers de la découpe correspondante sous l'effet du serrage, la construction de l'aimant en étant grandement facilité. Cependant, le fait de se poser le problème d'obtenir un champ très uniforme à partir de bobine(s) de ce genre conduit à reconnaître dans cet agencement une autre cause de perturbation du champ magnétique. En effet, la variation de densité de courant à chaque tour dans le secteur de contact est une cause intrinsèque d'inhomogénéité. L'invention propose en premier lieu un nouveau type d'as- semblage des disques permettant de résoudre ce problème. Dans cet esprit, l'invention concerne donc essentiellement un aimant solénoidal du type comprenant au moins une bobine cons- 2 5 8 1 761 tituée d'un empilement, avec interposition d'isolant, de disques annulaires conducteurs, chaque disque comportant une découpe le transformant en spire et lesdites spires étant connectées bout à bout, caractérisé en ce que lesdits disques s'étendent dans des plans parallèles respectifs perpendiculaires à l'axe longitudinal de ladite bobine, en ce que ladite découpe de chaque disque et une fente, en ce que la disposition et la forme de ces fentes définissent plusieurs zones de chevauchement de spires entre les disques successifs, ces zones étant partagées en deux groupes, et en ce que le contact électrique entre deux disques adjacents quelconques est réalisé par leur jonction sur un groupe desdites zones de chevauchement tandis que les contacts électriques de disque en disque sont réalisés par des jonctions sur Pun ou l'autre groupe desdites zones de chevau- chement, alternativement. Selon un mode de réalisation possible, les fentes précitées sont des fentes en festons (ondulées ou en dents de scie ou analogue) et elles sont inversées d'un disque à l'autre par rapport à un plan passant par l'axe de la bobine, pour définir lesdites zones de chevauchement. La structure définie ci-dessus affecte peu la configuration de la densité de courant aux jonctions entre spires voisines. Notam- ment, l'augmentation de l'épaisseur de conducteur au niveau des jonctions entre spires est compensée par la diminution de la surface de ces mêmes jonctions. On peut donc considérer que la densité de courant ne varie pas sur un tour complet. D'autre part, la distri- bution radiale de courant subit naturellement une perturbation au niveau de chaque jonction entre deux spires adjacentes, mais ces perturbations se compensent dune spire à l'autre. Toutes ces parti- cularités font qu'une bobine ainsi construite présente peu de causes 3 intrinsèques d'inhomogénéité du champ magnétique axial engendré. En outre, la composante axiale du courant, due dans les systèmes antérieurs, a la forme hélicoTdale des spires, n'existe pas du fait que chaque spire s'étend dans un plan. Il se crée au contraire une composante longitudinale de courant très "localisée", parallèlement 258 1761 à une génératrice de la bobine au voisinage des zones de jonction entre disques. Cette perturbation peut être facilement compensée localement au moyen de conducteurs longitudinaux parcourus par des courants circulant en sens contraire. Dans cet esprit, Pinvention permet de résoudre un autre problème, à savoir la nécessité de prendre en considération la façon dont le courant est appliqué à l'aimant. En effet, si on établit classiquement la liaison entre la source d'alimentation et l'aimant au moyen de deux conducteurs respectivement connectés aux extrémités axiales de l'aimant, des perturbations de champ magnétique engendrées par ces conducteurs peuvent dégrader l'homogénéité du champ dans la sphère d'intérêt précitée. Si on ramène le courant au moyen de conducteurs longitu- dinaux judicieusement placés au voisinage des jonctions entre dis- ques, on réalise d'une part la compensation souhaitée et d'autre part on ramène le courant vers l'extrémité axiale de l'aimant à laquelle il a été injecté, sans créer de boucle susceptible de perturber l'homo- généité du champ magnétique délivré. Ceci permet de raccorder la source de courant à une même extrémité axiale de l'aimant, au moyen de conducteurs à structure coaxiale. Dans cet esprit, Pinvention concerne aussi un aimant solé- noldal selon la définition qui précède, caractérisé en ce que la ou chaque bobine comporte au moins un conduit parallèle audit axe, défini par la superposition de trous pratiqués dans ou au voisinage de zones de chevauchement superposées longitudinalement, chaque conduit abritant un conducteur de retour de courant connecté entre la dernière spire d'une extrémité axiale de l'aimant et débouchant à son autre extrémité axiale pour être connecté à une borne d'une source d'alimentation en courant continu. Si l'aimant comporte plusieurs bobines espacées, les conducteurs de retour de courant peuvent traverser les espaces entre bobines à l'intérieur de tubes métalliques respectifs, eux-mêmes connectés pour relier lesdites bobines en série. Ce type de structure coaxiale de raccordement ne crée aucun champ dans ces espaces. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation mettant en oeuvre son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue partielle montrant un disque d'une bobine constituant l'aimant, le disque étant pourvu d'une fente en festons selon la définition qui précède; - la figure 2 est une coupe partielle l-II de la figure 1; - la figure 3 est une coupe partielle III-III de la figure I; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 1, illustrant une variante; - la figure 5 est une vue partielle illustrant I'extrémité d'une bobine et son raccordement à une bobine voisine. En se reportant aux dessins, on a représenté partiellement des disques annulaires 11 constituant une bobine entrant dans la cons- titution de l'aimant. Il s'agit de disques annulaires métalliques (typiquement en cuivre ou en aluminium) empilés avec interposition de feuilles isolantes 12 de même forme et raccordés bout à bout pour constituer ladite bobine. Les coupes des figures 2 et 3 montrent cinq disques annulaires lia, Ilb, Ilc, lid, lie, montés de cette façon. Comme mentionné ci-dessus, on utilise plusieurs bobines de ce genre, alignées axialement, accolées ou espacées les unes des autres, pour réaliser un aimant délivrant un champ magnétique à haute homogénéité dans un volume interne donné. Selon l'exemple décrit, les disques ont une structure conforme à celle proposée par Bitter, c'est-à-dire qu'ils comportent notamment des trous 13 selon une même configuration cPd'un disque à l'autre pour se superposer et définir des canaux traversés par un fluide de refroidissement. Eventuellement, les disques comportent aussi des trous 14 de plus grand diamètre, se superposant de façon analogue pour permettre le passage de tirants 17 isolés. Les tirants (qui peuvent aussi être à l'extérieur des disques) ont pour principale fonction de maintenir les disques 11 et les feuilles isolantes 12 en un empilement serré. 2 5 8 1 7 6 1- Selon l'invention, les disques ne sont pas déformés pour devenir des portions plus ou moins hélicoîdales, mais ils s'étendent au contraire parallèlement les uns aux autres, dans leurs plans res- pectifs, perpendiculairement à l'axe longitudinal de la bobine et chaque disque comporte une fente 15 qui (dans les exemples décrits) est une fente en festons, s'étendant de son bord externe à son bord interne. Par ailleurs, toutes les fentes en festons sont toutes regroupées dans une même portion longitudinale de la bobine mais inversées d'un disque à l'autre. Ainsi, sur les figures 1 et 4, on a représenté l'une des fentes 15i en trait plein tandis que la fente 15j du disque adjacent est esquissée par une ligne en trait interrompu. On voit que, de par la nature des fentes d'une part et leur inversion d'un disque à l'autre d'autre part, des zones de chevauchement de spires 16 sont définies entre deux fentes juxtaposées, le nombre de zones de chevauchement dépend ici du nombre dondulations de la fente en festons. Ainsi dans l'exemple de la figure 1, quatre zones de chevauchement sont définies entre deux disques adjacents quel- conques alors que dans l'exemple de la figure 4, on n'en compte que trois. Il apparaît clairement que les zones de chevauchement entre spires constituent autant de zones de contact possibles pour rac- corder les spires bout à bout en vue de définir la bobine. Selon une autre caractéristique importante de rl'invention, le contact élec- trique entre deux disques adjacents quelconques est réalisé par leur jonction sur un groupe (une partie) desdites zones de chevauchement tandis que les contacts électriques de disque en disque sont réalisés par des jonctions sur Pun ou l'autre groupe desdites zones de chevauchement, alternativement. A ce titre, dans l'exemple des figures I à 3 o les zones de chevauchement sont en nombre pair (quatre), lesdites zones sont alternativement utilisées (radialement) pour réaliser les contacts électriques précités. Autrement dit, les zones de chevauchement au niveau de chaque disque sont partagées en deux groupes, les zones 161, 163 d'une part et 162, 164 d'autre part, qui seront toujours utilisées ensemble pour réaliser les contacts électriques entre deux disques voisins. Dans l'exemple particulier de la figure 4 o les zones de chevauchement sont au nombre de trois 16a' 16b' 16c pour chaque disque (la zone 16b étant située entre les zones 16a et 16c), les contacts électriques entre disques se feront alternativement par leur jonction sur une zone 16b puis par leur jonction sur deux zones 16a, 16C et ainsi de suite. Comme le montrent les figures 2 et 3 concernant le mode de réalisation de la figure 1, les jonctions sont établies à travers des fenêtres 20 pratiquées dans les feuilles isolantes 12. Les fenêtres sont agencées en regard des zones de chevauchement sélectionnées pour établir le contact entre deux disques considérés. Avanta- geusement, la fiabilité du contact est améliorée par une soudure 21 avec métal d'apport, ladite soudure présentant sensiblement la même épaisseur que la feuille isolante. On utilisera de préférence une soudure à l'indium. Si la feuille isolante est d'épaisseur suffisam- ment faible, l'apport d'indium pourra être effectué préalablement par dépôt électrolytique sur les zones de chevauchement sélec- tionnées, la soudure consistant alors à réchauffer localement les spires en cours d'assemblage. Les surfaces des différentes zones de chevauchement d'un même disque ne sont pas égales, elles dépendent à la fois de leur nombre pair ou impair (ainsi dans l'exemple de la figure 4, la zone 16b est nécessairement plus grande) et de la valeur de la densité de courant au voisinage desdites zones. Cette particularité est surtout importante lorsque le système de retour de courant qui va être décrit ci-dessous est mis en oeuvre en vue de compenser les perturbations locales de champ dues à l'existence de composantes longitudinales de courant (voir les flèches des figures 2 et 3 symbolisant le trajet du courant) aux passages entre disques ad- jacents. En effet, selon un autre aspect de l'invention, des trous 25 sont pratiqués dans les zones de chevauchement (figure 1) ou au voisinage de celles-ci (figure 4), ces trous étant superposés pour définir un ou plusieurs conduits parallèles abritant chacun un con- 2 5 8 1 7 6 ducteur 26 de retour de courant, connecté entre la dernière spire d'une extrémité axiale de l'aimant et débouchant à l'autre extrémité axiale à laquelle se trouve connectée la source d'alimentation en courant continu. Chaque conducteur 26 est bien entendu isolé à l'intérieur du conduit qui le renferme. Le fait de ramener le courant à cette extrémité axiale de P'aimant facilite le raccordement aux deux pôles de l'alimentation, ce raccordement pouvant être effectué à partir de conducteurs à structure coaxiale ne créant pas de perturbation de champ magnétique. Par ailleurs, comme mentionné précédemment, les conducteurs de retour de courant dans l'aimant même peuvent, s'ils sont judicieusement disposés, assurer la com- pensation des perturbations locales créées aux jonctions entre disques. La compensation est assurée en prenant en compte les paramètres suivants: le nombre de zones de chevauchement dans chaque disque, leurs surfaces respectives, le nombre de conducteurs de retour de courant et leurs emplacements par rapport aux zones de chevauchement. Le principe général à respecter pour fixer ces différents paramètres est que chaque conducteur de retour de courant doit être parcouru par un courant sensiblement égal au courant qui traverse la ou les zones de chevauchement (ou les fractions de zones) qu'il influence. Or, pour des raisons de sim- plicité, tous les conducteurs de retour de courant sont connectés en parallèle à l'extrémité axiale de l'aimant opposée à celle ou se trouve raccordée la source d'alimentation; ils sont donc parcourus par des fractions sensiblement égales du courant total circulant dans l'aimant. Il faut donc que les zones de chevauchement homologues (o les fractions de telles zones) "compensées" par les conducteurs de retour de courant soient parcourues par des courants égaux. Or, on rappelle que dans une bobine à disques annulaires, la densité de courant dans la largeur de la partie annulaire n'est pas uniforme radialement, mais varie en k, R étant la distance d'un point considéré à l'axe longitudinal de la bobine. Pour tenir compte de ce fait, on peut faire varier en conséquence les surfaces des zones de chevauchement. L'exemple de la figure 1 montre comment on a 2 5 8 1 7 6 1 choisi les différents paramètres dans le cas d'un nombre pair de zones de chevauchement (quatre en l'occurence). Du fait que les zones de chevauchement sont en nombre pair, les contacts élec- triques sont assurés par la moitié des zones à chaque passage d'un disque à J'autre. Il suffit donc de choisir la surface de ces zones en prenant essentiellement en considération la variation de la densité de courant en l dans Je disque annulaire pour que Jes courants qui traversent ces zones de contact soient sensiblement égaux. C'est pourquoi, sur la figure 1, les surfaces des zones 161, 162, 163, 164 décroissent de l'extérieur vers l'intérieur du disque annulaire. Dès lors que les surfaces sont correctement choisies, le courant se répartit également dans chaque paire de jonctions, de disque en disque et on peut obtenir la compensation à partir d'autant de conducteurs 26 qu'il y a de zones de chevauchement (quatre dans l'exemple), chaque conducteur passant sensiblement au centre de toutes les zones de chevauchement superposées longitudinalement. Dans l'exemple de la figure 4, correspondant à un nombre impair de zones de chevauchement, on doit tenir compte à la fois de la densité de courant en 1, et du nombre de zones de chevauchement mises en jeu alternativement pour assurer le passage d'un disque à l'autre, puisque les groupes de zones de chevauchement précitées com- portent nécessairement des nombres différents de telles zones. Ainsi, dans le cas spécifique de la figure 4, si la densité-de courant était constante radialement, la zone 16b aurait une surface double de celle de chacune des zones 16 ou 16. Pour tenir compte de la ac densité de courant en R, la surface de la zone 16b est plus grande que celle de chacune des zones 16a ou 16b' mais elle représente moins du double de la surface de la zone 16a et plus du double de la surface de la zone 16c. Dans ce cas, on peut prévoir deux conduc- teurs de retour de courant 26a, 26b, parcourus respectivement par sensiblement la moitié du courant de retour et disposés entre les zones de chevauchement. Le conducteur 26 assure ainsi la compen- a sation de courant pour la totalité des zones superposées 16a et une partie des zones superposées 16b tandis que le conducteur 26b assure la compensation de courant pour la totalité des zones superposées 16C et l'autre partie des zones superposées 16b. La détermination des surfaces des zones de chevauchement, c'est-à-dire de la forme des fentes en festons qui les délimitent, est à la portée de l'homme du métier en mettant en application les principes énoncés ci-dessus, à la lumière des exemples décrits. La figure 5 illustre la structure de raccordement entre deux bobines de l'aimant lorsque celui-ci est constitué d'un certain nombre de bobines espacées axialement les unes des autres. Les quatre conducteurs 26 émergent de la dernière spire de la bobine et chacun d'eux traverse l'espace entre les deux bobines à l'intérieur d'un tube métallique 30 soudé à chacune de ses extrémités à la spire terminale de la bobine correspondante. L'ensemble de ces tubes assure ainsi le branchement en série des bobines. Des courants sensiblement égaux circulent ainsi en sens contraires dans les tubes 30 et les conducteurs de retour de courant 25 et ces structures de raccordement ne créent pas de champ magnétique dans les espaces entre les bobines. 1l REVENDICATIONS 1. Aimant solénoldal du type comprenant au moins une bobine constituée d'un empilement, avec interposition d'isolant, de disques annulaires conducteurs, chaque disque (11) comportant une découpe le transformant en spire et lesdites spires étant connectées bout à bout, caractérisé en ce que lesdits disques s'étendent dans des plans parallèles respectifs perpendiculaires à l'axe longitudinal de ladite bobine, en ce que ladite découpe de chaque disque est une fente (15), en ce que la disposition et la forme de ces fentes définissent plusieurs zones de chevauchement de spires (16) entre les disques successifs, ces zones étant partagées en deux groupes (16[,163- 162,164), et en ce que le contact électrique entre deux disques adjacents quelconques est réalisé par leur jonction (21) sur un groupe desdites zones de chevauchement tandis que les contacts électriques de disque en disque sont réalisés par des jonctions sur l'un ou l'autre groupe desdites zones de chevauchement, alternativement. 2. Aimant soJlénoTdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites jonctions (21) sont établies à travers des fenêtres (20) pratiquées dans des isolants (12) intercalés entre lesdits disques, lesdites fenêtres étant disposées en regard des zones de chevau- chement sélectionnées. 3. Aimant solénoTdal selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les jonctions (21) desdites zones de chevauchement sélectionnées entre disques sont des jonctions soudées. 4. Aimant solénoTdal selon la revendication 3, caractérisé par des jonctions soudées avec apport d'indium. 5. Aimant solénoîdal selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que la ou chaque bobine comporte au moins un conduit parallèle audit axe, défini par la superposition de trous (25) pratiqués dans ou au voisinage de zones de chevauchement superposées longitudinalement, chaque conduit abritant un con- ducteur de retour de courant (26) connecté entre la dernière spire d'une extrémité axiale de l'aimant et débouchant à son autre extrémité axiale pour être connecté à une borne d'une source d'alimentation en courant continu. 6. Aimant solénoïdal selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que, de façon connue en soi, la ou lesdites bobines sont des bobines de Bitter comportant notamment des canaux de circulation de fluide de refroidissement, s'étendant longi- tudinalement, et des tirants de serrage de l'empilement desdits disques.