CN101601107A - 感应式旋转接合装置 - Google Patents

Abstract

用于在固定部件和旋转部件之间非接触地传输电能的感应式旋转接合装置包括：用于产生交流电压或交流电流的负载功率发生器，其接着通过旋转功率传输器向负载提供能量。测量装置用于确定功率传输器的初级侧的电气特性变量，并且通过功能单元负载的第二电气特性变量的状态被近似。然后该近似值用于调节功率发生器。

Description

感应式旋转接合装置

技术领域

本发明涉及用于在相对彼此可旋转的两个单元之间传输电功率，特别是用在计算机断层造影装置中的感应式旋转接合装置。

背景技术

非接触感应式旋转接合装置是用于传输电能的已知的机械集电环的有利的替代品。在感应传输技术中，通过磁场而无接触地实现可旋转单元之间的耦合。这在转矩、磨损以及因而维护费用被最小化方面与机械集电环相比具有优点。此外，旋转接合装置的周围不会被碳尘污染。

感应式旋转接合装置在每个可旋转单元上具有至少一个绕组。此外，用于控制磁场的铁芯或铁氧体芯可以设置在转子上、定子上、或者这两个部件上。交流信号供给到其中一个部件的绕组并从另一个部件的另一绕组分接出，并提供给负载。例如在DE 29580172U1中公开了这种旋转接合装置。

通过感应耦合的集电环，例如，来自电压源的恒定电压可以被供给到集电环并以简单的方式从另一侧上的负载分接出。由于通过集电环的低欧姆电阻的导电连接，除了微小的偏差之外，输出电压将对应于输入电压。由于集电环的低电阻，能获得取决于负载电流的微小且通常可忽略的电压降。

对于感应耦合的旋转接合装置，传输装置的等效电路图将包括作为输入侧和负载侧之间的串联电感的杂散电感。该杂散电感取决于接合装置的固有电感，特别是，取决于耦合系数。特别是对于大尺寸的感应式旋转接合装置，通常仅能获得小的耦合系数，此外，该耦合系数随着相对彼此可旋转单元的位置而频繁变动。因此，例如，耦合系数随着相对彼此可旋转的铁芯之间的气隙的增加而降低。然后，该杂散电感相应地增加。现在，为了尽管有该杂散电感仍通过旋转接合装置传输较高功率，该杂散电感如分立电感一样用在合适的电路中。其用途例如可能是作为存储电感，或也可能是作为谐振电感。在谐振电感的情况下，电感可以例如补以串联电容以形成串联谐振电路，或补以并联电容以形成并联谐振电路。当然，也可以获得更复杂的滤波器结构。例如在EP 0953 225A中公开了具有谐振电路的这种旋转传输装置。关于这种电路，一个问题是在旋转接合装置的输出侧上总是需要测量装置。因此，在大多数具有串联电感的已知电路中，其中至少一个，并且通常也是多个输出参数(诸如电流、电压、或功率)随着负载阻抗的改变而变化。而在接触集电环的情况下，负载优选以恒定电压被供电，该恒定电压可以毫无困难地经集电环传输并且基本上独立于负载，在具有串联电感的典型的非接触旋转接合装置的情况下，输出电压、输出电流以及相应的输出功率随着负载阻抗的改变而改变。此外，由于部件相对彼此运动期间的机械容差，串联电感发生了改变。为了在这里实现对输出侧的均匀提供，并防止连接的组件的损坏，需要调节输出侧的至少一个电气特性。对于低功率，可以使用诸如构造成串联调节器的电压调节器之类的单独调节器或转换控制器。对于较高功率，应该在输出侧上设置用于这些电气参数之一的至少一个传感器。该传感器确定幅度并将其以信号发送到输入侧的交流信号源。现在可以通过控制放大器调节诸如输入侧上的电流、电压或频率之类的电气参数，使得例如保证恒定电压的供给。这种技术对于传统的开关电源来说是已知的并且也常被应用。关于旋转接合装置存在的问题是，来自传感器的信息必须从输出侧传输到输入侧，即在相对彼此可旋转的两个单元之间传输。这需要沿着与感应功率传输器相反的传输方向操作的另一旋转接合装置。例如在DE 29580172U1中以电容性耦合元件的形式公开了这个问题的解决方案。然而，通常没有机械构造空间可用于这种电容性耦合元件，或者对于诸如测量数据之类的其它数据，需要这种耦合元件用于数据传输，因此不能用于调节的目的。

这里描述的问题随着旋转接合装置的尺寸的增加而增大。因此，对于具有几厘米直径的紧凑单元，仍可以使用具有低于0.1mm容差的精密轴承。借此，例如可以实现0.2mm的精密气隙，以及0.2mm到0.3mm范围的波动。对于具有大于1米直径的大单元，如在计算机断层造影装置中使用的那样，容差已经在几毫米的范围内，并且部分大于5mm。因此，在像这样的情况下，根据位置和操作条件，气隙可以在1和6mm之间变化。这导致相当大的杂散电感，此外它还更强烈地波动。

发明内容

本发明是基于以下目的，即设计用于电功率的非接触感应传输的旋转接合装置，使得不再需要从用于至少一个电气参数的输出侧传感器到输入侧上的交流电源的反馈。

在独立权利要求中阐述了根据本发明的这个目的实现。本发明的进一步的改进构成从属权利要求的主题。

根据本发明的装置包括用于产生交流电压或交流电流、或可选地产生脉动直流的功率发生器11。此外，设有包括初级侧12和次级侧21的功率传输器。初级侧12从功率发生器被供电，而次级侧21用于对负载22供电。初级侧12和次级侧21布置成相对彼此可旋转。因此，初级侧12例如位于固定部件2上，并且次级侧21位于旋转或可旋转部件1上。此外，根据本发明，设置有测量装置15用于确定功率传输器的初级侧12的至少一个电气参数。这种参数例如可以是诸如初级侧12上的电压之类的电压、诸如流入初级侧12的电流之类的电流、诸如供给到初级侧12的功率之类的功率、或也可以是诸如初级侧12上的电流和电压之间的相位角之类的相位角。根据本发明，也可以确定诸如谱组成之类的另外的电气参数。此外，设有功能单元17，该功能单元还评估来自测量装置15的至少一个电气参数并根据该至少一个电气参数产生用于功率发生器11的控制信号。通过该控制信号控制功率发生器11使得负载22上的至少一个另外的电气参数近似恒定。这种另外的电气参数可以例如是诸如负载22的电压之类的电压、诸如流入负载22的电流之类的电流、诸如传送到负载22的功率之类的功率、或也可以是诸如负载22的电流和电压之间的相位角之类的相位角。现在为了保持该另外的电气参数近似恒定，功能单元17设有用于模拟传输函数的模型，即，负载22的至少一个电气参数和初级侧12的至少一个参数之间的关系。此外，功能单元17设有为获得闭环控制电路所需的所有组件。在正常情况下，这意味着也设置差分放大器用于将用于模拟传输函数的模型的输出信号与给定的期望值相比较，然后将放大的差值传送到功率发生器11。根据现有技术，差分放大器可以有利地设计成比例、比例/积分、或比例/积分/差分放大器。在特别简单的情况下，通过功能单元17仅将例如用于功率发射的控制信号发送到功率发生器11。然而，如果诸如用于功率发射和频率的多个信号被发送给功率发生器，则可实现更大的灵活性。然而，这增加了整个配置且特别是功能单元17的复杂性。

特别是元件：功率发生器11、测量装置15、和可选的测量放大器16是功能元件，其例如连同功率发生器可以并入一个组件组。代替测量放大器16、或除了测量放大器16之外，可选地也可以设置测量参数的模拟和/或数字滤波。

有利的是，模型是特性函数或一族特性函数。根据由测量装置15提供的输入参数和发送到控制放大器14的输出参数的数量，该特性函数或一族特性函数也可以是多维的。

在本发明的特别有利的实施例中，基于电路模拟的结果实现特性函数的建模，其中优选的是，负载22的电压的相关性表示为功率发生器11的开关频率和流入功率发生器的初级侧12中的电流的函数。

在本发明的另一有利实施例中，基于简化的等效电路图，该模型模拟配置的响应。为此，优选的是，仅考虑开关晶体管和导体的阻性成分、绕组和电感的寄生成分、以及有意引入的电阻。此外，使用具有其初级侧12和其次级侧13的功率传输器的感应等效电路图。最后，考虑任何存在的谐振电容器的电容。

在另一个实施例中，基于通过测量获得的至少一个传输特性函数实现建模。这以有利的方式代表输出电压对功率发生器11的开关频率、对供给到功率传输器的初级侧12的电流、以及对负载22占有的功率或对负载22的电阻的相关性。

在另一实施例中，模型通过直线将配置的传输函数的至少一个范围近似为线性函数。这在负载具有已知且优选有限的动态范围时是特别有利的。如果最小和最大负载电阻是已知的，则特性函数可以通常优选通过直线近似在这个范围内，并且被最优化。

另一优选实施例通过模拟无源组件的传输函数的模拟的形式提供模型。这些可以是位于功率发生器11和负载22之间的功率路径中的、具有合适的电气参数的组件，其中它们在负载下的稳定性相当小。

另一实施例为模型通过电阻和二极管网络至少近似传输函数的范围。这种网络可以例如设置在运算放大器的电路内。

对此可选择的是，也可以通过对数放大器来近似传输函数。

有利地是，同样在模型中考虑至少一个机械参数，诸如在旋转部件1和固定部件2之间的距离、功率传输器的初级侧12和功率传输器的次级侧21之间的气隙的大小、或旋转部件1和固定部件2之间的角位置，其中，在后者情况下，例如，由于不同的机械参数和容差的总和，传输函数变得与位置相关。包含机械参数是特别有利的，因为在杂散电感和气隙之间存在直接关系，即，功率传输器的初级侧12的和功率传输器的次级侧21的绕组或芯之间的距离。优选地，通过路径传感器或位置编码器实现这种机械参数的测量，但例如也可以在角位置的情况下通过测量从参考点的运动的时间的测量进行。类似地，能够通过安装在旋转部件1和固定部件2上的电容器板之间的电容的评估，或在功率传输器的初级侧和次级侧之间的电容的评估进行测量。可选地，这种机械参数可以通过较高级别的控制单元以信号发送，该较高级别的控制单元控制设备诸如计算机断层造影装置的整个系统状态。此外，对功能单元有利的是设有数字计算机，优选为数字信号处理器。

任选地，该模型可存储为功能单元17中的数学模型，使得根据在每个操作时间的输入参数计算传输函数。

任选地，该模型可以以具有或没有内插的表格的形式存储在诸如ROM之类的存储器中。

另一个有利的实施例为功能单元17具有用于模型参数的适应性测量或适应性学习的装置。因此，例如，可以在接合装置操作期间或之前确定在具体操作条件下的模型的精确参数。因此，例如，作为初步测量，用于测量的电缆或数字数据路径可以连接到用于测量负载22的电压的功能单元17，使得功能单元可以对于功率发生器的不同条件确定负载22上的实际条件。此外，代替负载22，各种不同的负载可以被连接以确定特性函数。该适应性测量可以被实现，例如无需通过用电缆桥接旋转接合装置来执行旋转运动。可选地，也可以通过电缆执行，例如360°的有限的旋转运动以确定角度相关性。作为辅助测量，也可以安装另一旋转接合装置，以获得多转或旋转期间操作的结果。

这在诸如短路或空转之类的某些操作条件可用于确定参数时是特别有利的。这种操作条件例如在电路的启动期间得到；然而它们也可能有意地通过开关(空转操作、短路)来发生。因此，类似低欧姆短路的操作条件在连接在整流器后用于对负载22供给电压的滤波电容器还未充电时发生。高欧姆操作条件可能在仅在某一时间延迟之后或仅从给定的输入电压起负载22被连接到电路中时发生。可以从这些条件确定另外的参数。也可以有意地影响各种特殊操作条件的起因以使这些操作条件保持足够测量的较长时间段。因此，例如，可以加大滤波电容器或也可以延长时间延迟。

可以通过另外的附加保护电路提高可靠性。因此，例如，可以监测电压，诸如负载22上的电压、或功率传输器的初级侧12上的电压。此外，能够借助于功能单元17评估负载22的电压值。作为对此的选择，信号传输器24、13也可以用于监测该电压。当超过限制值时，那么在功率传输器被连接为串联谐振电路的情况下，可能发生功率传输装置的次级侧21的短路。类似地，在功率传输器被连接为并联谐振电路的情况下，功率传输器的次级侧21可以与负载22分离。在这种情况下，特别有利的是，负载22保持与功率传输器的次级侧21完全分离直到配置中的电容已经被充分放电。

为了示例说明操作原理，这里解释由经旋转接合装置从固定部件(定子)到旋转部件(转子)的传输。类似地，旋转部件和固定部件之间的传输也是可能的，因为这仅是位置基准的问题。此外，根据本发明，相对彼此可线性运动的部件之间的感应传输也是可能的。本发明总的来说涉及在相对彼此可运动的部件之间的感应耦合，并且与这些部件相对彼此的运动类型无关。因此，它不仅与旋转接合装置而且与例如线性传输装置都能一起应用。

根据本发明的计算机断层造影装置包括至少一个如上所述的感应式旋转接合装置。

附图说明

在下文中，将借助实施例以及参考附图示例性地描述本发明，而不限制总的发明构思。

图1示意性示出了普通形式的计算机断层造影装置。

图2示意性示出了根据现有技术的实施例。

图3示意性示出了非接触旋转接合装置的实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的装置的实例。计算机断层造影装置(CT扫描仪)包括两个机械主部件。固定部件2用作整个仪器的基座和支架，旋转部件在该固定部件内旋转。病人104位于旋转部件的开孔内的卧床107上。X射线管101和相对放置的检测器103被设置用于通过X射线扫描病人。X射线管101和检测器103被布置为可在旋转部件1上旋转。旋转接合装置3用于提供旋转部件1和固定部件2之间的电连接。在这里，沿朝向旋转部件1的方向传输用于供给X射线管101的高电功率，并且沿相反方向同时传输图像的原始数据。沿这两个方向的控制信息的传送与此并行设置。评估和控制单元106用于操作计算机断层造影装置，并且还用于显示所产生的图像。通过双向连接105实现与计算机断层造影装置的通信。

图2示意性示出了根据现有技术的非接触旋转接合装置。能量从固定部件2传输到旋转部件1。用于向功率传输器12的初级侧供给交流信号或脉动直流信号的功率发生器11位于固定部件2内。功率发生器优选是开关放大器或开关级。这优选设有半桥或全桥电路，优选具有IGBT或MOSFET。优选从交流电压线路例如通过整流器，但优选通过功率因数校正电路实现该级的供给。

为了给负载22供电，功率传输器的初级侧12与功率传输器的次级侧21磁耦合。测量放大器确定表征负载或负载的操作状态的特定测量参数。这种测量参数是例如施加到负载的电压或流过负载的电流。通常，为负载22提供直流。为此原因，具有可选平滑和可选控制电路的整流器设在负载22和功率传输器的次级侧21之间。在这种情况下，测量参数将会是负载上的直流电压或通过负载的直流电流。

来自测量放大器23的输出信号通过具有初级侧24和次级侧13的信号传输器发送到用于控制功率发生器11的控制放大器14。控制放大器14将输入参数(即，通过测量放大器23测得的测量参数)与期望值相比较，并在其输出提供差分信号。通过这种配置，获得保持代表负载的测量参数(诸如负载上的电压或通过负载的电流)恒定的闭合调节环路。当然，代替先前描述的测量参数，可以使用多个测量参数用于进行调节。因此，将需要多个信号传输器。可选地，可以根据多路复用方法操作信号传输器。这种配置的缺点是需要附加的信号传输装置。

图3示意性示出了根据本发明的旋转接合装置。用于产生供给到功率传输器的初级侧12中的高频交流信号或脉动直流信号的功率发生器11位于初级侧上功率路径内。在功率发生器和初级侧之间设置测量装置15。这种测量装置确定信号的电气参数中的至少一个、并且有利地的是多个。因此，例如，可以确定功率传输器的初级侧12中的电流、功率传输器的初级侧12上的电压、相位角、或另一个参数。所述一个或多个确定的参数通过测量放大器16被进一步放大并被传送给功能单元17。这又接着为功率发生器11提供控制信号。根据本发明，功能单元17根据测量参数控制功率发生器。为此，它拥有变换到功率发生器的初级侧12的负载的传输函数的函数模型。该函数模型根据各种测量的参数得到负载的传输函数。因此，例如，通过函数模型，可以根据由测量装置15测得的电压或电流值估计施加到负载上的电压。类似地，也可以估计流入负载的电流、或负载吸收的功率。

在负载侧通过功率传输器的次级侧21给负载22供电。

附图标记清单

1旋转部件

2固定部件

3旋转接合装置

11功率发生器

12功率传输器(初级侧)

13信号传输器(次级侧)

14控制放大器

15测量装置

16测量放大器

17功能单元

21功率传输器(次级侧)

22负载

23测量放大器

24信号传输器(初级侧)

101X射线管

102X射线辐射

103检测器

104病人

105双向连接

106估计和控制单元

107病人的卧床

Claims (15)

1.一种用于在固定部件和旋转部件之间非接触传输电能的感应式旋转接合装置，包括：

用于产生交流电压或交流电流的功率发生器(11)，

包括初级侧(12)和次级侧(21)的感应功率传输器，其中，通过功率发生器(11)给初级侧供电并且次级侧(21)用于给负载(22)供电，

其特征在于，

设有测量装置(15)，用于确定通过功率发生器(11)供给到功率传输器的初级侧(12)中的电能的至少一个电气参数诸如电压、电流、相位角，以及

设有功能单元(17)，用于借助所述至少一个电气参数控制功率发生器使得负载(22)上的至少一个其它的电气参数诸如电压、电流、相位角保持近似恒定，其中功能单元(17)包括用于模拟传输函数，即负载(22)上的电气参数和初级侧(12)上的电气参数之间的关系的模型。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，模型是特性函数或一族特性函数，根据由测量装置(15)提供的输入参数和发送到控制放大器(14)的输出参数的数量，该特性函数或一族特性函数也能是多维的。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，基于电路模拟的结果已经产生特性函数，其中，特性函数优选描述作为功率发生器(11)的开关频率的函数的负载(22)上的电压和流入功率传输器的初级侧(12)的电流的相关性。

4.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，模型在简化的等效电路图的假定下模拟配置的响应。

5.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，模型基于通过测量获得的至少一个传输特性函数。

6.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，模型通过直线将传输函数的至少一个范围近似为线性函数。

7.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，模型包括通过模拟无源构造组件进行传输函数的模拟。

8.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，模型通过电阻和二极管网络近似传输函数的至少一个范围。

9.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，模型通过对数放大器近似传输函数的至少一个范围。

10.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，模型也考虑至少一个机械参数，诸如旋转部件(1)和固定部件(2)之间的距离、功率传输器的初级侧(12)和功率传输器的次级侧(21)之间的气隙的大小、或旋转部件(1)和固定部件(2)之间的角位置。

11.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，功能单元包括数字计算机，优选是数字信号处理器。

12.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，模型被存储为功能单元(17)中的数学模型，并且在操作时计算传输函数。

13.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，模型作为表格存储在存储器中。

14.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，功能单元(17)包括用于模型参数的适应性测量或适应性学习的装置。

15.包括根据前述任一权利要求所述的感应式旋转接合装置的计算机断层造影装置。

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