CN101707409B - 具有空气静力轴承和分段环形马达的ct扫描器机架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有空气静力轴承和分段环形马达的CT扫描器机架以及包括转子的旋转装置，所述转子适于相对定子旋转，具有流体静力轴承用作径向轴承且作为转子的轴向轴承。将马达设置成直接驱动，其具有环形部并且还具有多个马达段，所述多个马达段与环形部磁性接合。为了生成附加的轴承负载力，设置具有永久磁体的附加马达段。基于安全的原因，设置轴向支撑辊，当马达已经获得给定的轴承负载力时，将所述轴向支撑辊从转子的运行表面间隔开，并且在负载力太低或缺乏的情况下，阻止转子从轴向轴承离开的偏移。

Description

具有空气静力轴承和分段环形马达的CT扫描器机架

技术领域

本发明涉及具有空气静力轴承以及以分段环形马达形式的直接驱动的旋转装置。优选地，这种装置用作计算机断层X光摄影(CT扫描器)中的转子。

背景技术

在计算机断层X光摄影中，X射线管与围绕患者身体而与所述X射线管相对设置的探测器一起旋转。将X射线管和探测器安装在机架的旋转部分上，支撑所述旋转部分从而相对静止部分旋转。在现代的高分辨率的计算机X光断层摄影中，机架的旋转部分以高旋转速度旋转，例如以300r.p.m的速度。同时，要求机架的最高位置偏差在明显小于1mm范围内。这样，机械轴承经常接近技术上可能的限制值。这里，提供轴承功能的最佳方式就是通过空气动力轴承，也就是已知的空气轴承。

US6,404,845B1公开了一种具有空气动力轴承的计算机断层摄影的机架。在此，通过轴向和径向设置的轴承将机架的旋转部分保持在期望位置。此时，很难控制轴向轴承的运行。其由在机架的旋转体的相对侧上彼此相对设置的两个轴承组成。这样存在的问题是旋转体构造的改变最小，尤其是在相对设置的轴向空气轴承的支撑的位置之间的距离直接影响轴承间隙以及随之而来的轴承特性。

该配置的进一步改善在WO2008/017498A2中公开。该文献描述了一种轴承配置，为了补偿旋转体厚度的这些变动，其中至少一个轴向轴承可以沿轴向朝其轴承基体移动。

发明内容

如在权利要求1的前序部分所陈述的，本发明目的是进一步改善旋转体，从而可以装备得更简单且由此还可以在轴承装置上花费更少。

根据本发明的这个目的的实现在独立权利要求中进行了陈述。本发明的进一步改善形成了从属权利要求的主题。

根据本发明所述，装置包括转子1，所述转子1支撑在定子2中从而围绕旋转轴3进行旋转。轴承装置包括径向和轴向空气静力轴承。每个轴承都由固定在定子上的轴承垫形成，且转子的一面在其上运行。径向轴承部件包括至少一个空气轴承13、14、15。优选地，设置两个空气轴承13、15，其优选地以30°至60°的角度设置，且更优选地以45°至与旋转轴垂直的角度设置。尤其在高负载情况下，优选地可以在旋转轴的下方竖直地设置另一个轴承14。将这些径向空气轴承设置在转子中心的下方且承受其重量。相应地，这些轴承上的负载力由转子的重量产生。轴向轴承运行受三个空气轴承10、11和12的影响，优选地，所述三个轴承沿着转子的周边彼此以120°的角度设置。为了在这些轴承上产生所需的负载力，与现有技术的公开不同的是在转子的另一侧上没有设置另一组空气轴承。与此不同，根据本发明所述，将马达的力用于这里。

马达是直接驱动，对其直接进行安装且没有进一步连接元件，诸如转子上的驱动带和链以及旋转装置的定子。其具有环形部33，将所述环形部33固定地连接到所述配置的转子1上。至少一个马达段39、32、32与环形部33接合。作为其替代，将环形部33连接到定子上，且将至少一个马达段连接到转子上也是可能的。优选地，设置三个马达段，所述三个马达段更优选地围绕环形部的周边以120°度彼此相对均匀分布。将这些马达段固定在定子的相同位置处作为轴向空气轴承10、11、12是更为有利的，因为可以将由此而来的力从马达段直接传送至空气轴承中。所以，经由装置的定子没有力的传输发生。当然，在其它位置处的配置也是可能的。但是，基本上可以使用任何数量的马达段。可替代的是，马达段也可以覆盖环形部的整个圆周。

基本上，马达段可以具有对应环形部分半径的弯曲。相似地，当段的长度与环形部的半径相比较短时，马达段地可以是笔直的，因此马达段和环形部之间沿着马达段长度方向上的距离的变化仍就较小。这样使得使用直线马达的马达段也是可能的。

本发明的一个重要所在就是可以通过马达将负载力沿轴向方向施加到空气轴承上。马达的负载力来自马达段30、31和32的磁场与环形部分33的磁场的啮合。

为了使负载力的可靠产生成为可能，根据本发明所述，将至少一个马达段设置成专门用于生成负载力。可选地，该马达段可以是线圈，例如所述线圈供应独立于旋转量的直流电。但是，生成同步旋转场用以移动装置也是可能的，对所述同步旋转场进行专门地排列用以生成负载力而非扭矩。作为其替代，这种马达段可以包括至少一个永久磁体。使用永久磁体，即使在停止或断电的情形下也可以获得最小负载力。

有利的是，为了将转子固定在其合适位置，之后对这些永久磁体标出尺寸，因此在没有任何电流在马达段中流动的情况下就已经生成负载力。因此，之后马达所剩下的马达段只需生成更小的负载力即可。还可以将永久磁体按如下标出尺寸，即它们的负载力足够随意，尤其是针对诸如静止位置的工作情形，或即使所有工作情形。所以，可以将永久磁体标出尺寸，从而对垂直立着的转子来说负载力是足够的，但是对具有倾斜转子的工作来说，来自马达段的场的马达的附加负载力是有必要的。

优选地，转子与固定在其上的所有部件的重心一起于空气轴承13、14、15上方沿着轴向方向设置，且更优选地位于在它们中间。这导致在静止位置中配置的相对稳定位置。在工作情形下，一旦通过直接驱动将转子设置成旋转，马达生成所必需的负载力以为了通过轴向空气轴承而将转子保持在限定的位置中。

在该情况下，当产生负载力的马达段优选地关于旋转轴与径向轴承相对设置时，则产生特别好的支撑。因此在通常情况下，它们都被设置在旋转轴的上方。现在，因为在根据本发明所述的配置中，没有另外的空气轴承被置于转子与轴向空气轴承相对的一侧上，则会出现以下情况，例如在马达关闭以及在轴向空气轴承上不产生负载力时，转子从轴向空气轴承沿着轴向方向落下以及从径向空气轴承上落下，从而脱离所述配置。这将导致整个装置的破坏。为了对其进行阻止，根据本发明所述还要设置至少一个轴向支撑辊50、51、52。优选地，这些支撑辊沿着转子的圆周均匀分布。在设有支撑辊的情况下，其在圆周上的位置优选位于上侧的上面，且更优选地处于所述配置的最高点处。在有三个支撑辊50、51和52的情况下，这些支撑辊以120°的角度彼此相对设置。更优选的是，它们相对径向空气轴承10、13和15设置。支撑辊的目的并不是在正常工作过程中将转子的压力施加于径向空气轴承上。支撑辊具有很好的安全性能且是为了在马达或空气轴承失效的情况下确保装置的某些基本的轴承功能。优选的是，设置球轴承支撑合成材料辊作为支撑辊。优选地，将支撑辊安装在定子的框架上，从而在正常工作过程中，它们与转子保持一定距离，所述转子足够大，以致于即使在轴向空气轴承的最大偏差的情形下，在转子和支撑辊之间没有发生接触。优选地，这种距离为处于0.5mm和5mm之间的数值，且更优选地在1mm和2mm之间。

在本发明的另一个优选实施例中，设置附加的径向支撑辊53和54，其也可以阻止转子从径向空气轴承13、14和15更远的分离。例如这在传输过程中具有可传输设备的情形下即可发生。类似于轴向支撑辊，这些支撑辊也可以与转子间隔开，从而它们在正常工作中不会接触转子。

为了始终确保施加在轴向空气轴承上转子的规定的负载力，根据本发明所述，提供一种专门的马达控制部件80。该马达控制部件驱动马达，从而也对给定的轴承负载力进行了设置。这样，优选地将马达电流保持为恒定的并独立于配置的速度。所以，尤其是，即使当配置停止时，恒定的马达电流必须流经马达。在该配置情况下，必须能区分出非工作状态和转子的停止，在转子的停止过程中转子不会转动。在非工作状态，马达没有电流，且不给空气轴承提供空气。马达静止在空气轴承13、14和15上。这是稳定的非工作状态，视情况以及根据转子的实际位置，其也可以由轴向支撑辊50、51和52来支撑。一旦装置开始运行，首先为空气轴承提供空气，从而转子从空气轴承开始转动。现在可以同时或以不同的时间为马达提供电流。这样，首先对马达电流进行控制，从而在马达静止过程中，在转子和轴向空气轴承之间产生给定的力。如果现在将马达设置成转动，然后则对马达进行控制从而生成转动的场。

根据本发明所述，装置的优选应用领域为计算机断层摄影，因为在此对速度和偏差具有特别高的要求，同时还伴有转子的异常高速的旋转。当然，在其它应用领域也可以使用根据本发明所述的配置，诸如在工业设备构造，在旋转分度机器，或在离心分离机中。

可选择地设置由马达生成的轴承负载力的调节。这可以受到，例如基于轴向流体静力轴承上的负载力的力测量，或直接经由马达电流的影响。类似地，也可以用线路传感器直接得到线路测量值，或例如间接地经由轴承间隙或轴承的空气消耗得到线路测量值，这是因为轴承负载力也影响轴承间隙。

因为支撑辊，根据本发明所述的装置在紧急运行情形下具有某种稳定性，因此至少在马达的失效过程中，在没有任何驱动力同时耗费掉其动能的情况下，转子可以继续运行直至停止。实际上更多的问题在工作情形中出现，其中不再将空气或气体提供给空气轴承或空气静力轴承。这可以是例如断流的情况，或诸如压缩机的空气供应部件的不工作或存在缺陷的情况。这种工作情形也可以在旋转装置的通常情况中发生，所述旋转装置具有空气静力轴承装置，正如CT扫描器。针对这种情况，为了使转子更加快速刹住至停止成为可能，一方面空气轴承的表面必须具有某种紧急运行或滑动特征，另一方面，也可适于吸收动能。在任何情况下，必须避免转子突然刹住至停止，否则动能的突然转换可能导致装置的大规模机械变形或毁坏，并且还会进一步损坏，例如散落的部分。

因此，本发明另一方面的另一目标由改善旋转装置的紧急运行特性组成，所述旋转装置具有空气静力轴承部件，诸如CT扫描器。

该目标的实现包括具有合成材料表面的转子以及空气轴承的轴承垫，所述空气轴承由例如铝或其它的金属组成。因此，由于紧急运行中的摩擦，合成材料能够变为流体且由此耗费掉能量。

本发明的另一个优选实施例包括铝制转子和烧结石墨的空气轴承表面。在该情况，轴承垫表面的石墨在紧急运行中将润滑铝制转子，从而出现磨损。在之前描述的两种情况中，在轴承的紧急运行中，通过机械转换或轴承表面变形将能量耗费掉。这导致如下结果，即轴承基本上要再加工或甚至部分替换。这样，可以对单个轴承垫或甚至轴承表面进行选择性地替换。

在本发明的另一个优选实施例中，设置至少两个分离系统用于将空气供应给空气静力轴承。有利的是，每个空气供应系统包括其自有的压力箱，并且更有利的是，甚至包括其自有的压缩机。例如，多个空气供应系统通过止回阀来分离开且一般是通向轴承垫。作为其替代，也可以将至少两个用于空气供应的通道系统置于单独的轴承垫中，每个通道系统与其自有的空气供应系统连接。因此，在空气供应系统失效期间，仍旧能保证将至少某最小量的空气供应给到轴承垫。

另外，可以采用特定的安全逻辑用于控制以增加安全性能。例如，在紧急电路断路器的制动之后，压缩机的电流将不被切断。而且，在一个或多个空气供应系统失效的情况下，马达将用于系统的主动断开。

在本发明的另一个优选实施例中，在系统的紧急关闭的情况下，为了确保只要转子仍旧转动时的轴承的滑动性能，压缩机由转子的动能来驱动。基于此，压缩机可以选择地直接由转子1来驱动。然而作为其替代，给压缩机供电的发电机可以由转子1来驱动。压缩机或发电机的连接在此受到例如摩擦轮或摩擦带的影响，或者还可以通过直接的机械连接到转子上。在发电机用于向压缩机供电的情况下，可以将用于旋转数或由压缩机供应的电能的电子调节部件接入电路。在另一个实施例中，直接驱动的马达或至少一个马达段还可以运行而作为用于向压缩机供电的发电机。由于所需的压缩机电能为用于马达1的驱动电能的十分之一大小，可以确保被压缩的空气供应降低至非常低的转子旋转数。根据本发明所述的该配置，可以避免需要极大容积的压力箱。如果不能提供这种安全安装，由于空气轴承的极小摩擦，接下来转子将继续滑行20分钟。对于减速至静止的这个整个时间，需要在压力箱中存储必要量的空气。如今在根据本发明的实施例中这都是可以避免的。

通过使用专门为压缩机供电的分离马达段就可以实现可靠性能的另一种改善。这样，可以独立于驱动控制部件来对作为发电机的马达段进行操作，并且还可以在驱动控制装置失效的情况下使用。

附图说明

下面通过实施例的实例以及参照附图，以示例的方式，而非对一般发明概念的限制，对本发明进行描述。

图1示出了从前侧观察的根据本发明所述的第一装置。

图2示出了图1的装置沿轴A-A的截面图。

图3示出了图2下部的切掉部分。

图4示出了图1装置在支撑辊的位置处的部分。

图5示出了从后侧观察的根据本发明所述的第一装置。

图1示出了从前侧观察的根据本发明所述的第一装置。转子1设置在定子2内且沿着径向方向由空气轴承13、14和15支撑以围绕轴3旋转。为了相对定子驱动转子以及为了在轴向空气轴承10、11和12中生成轴向负载力来说，以直接驱动的形式来设置马达。该直接驱动包括牢固地连接至装置的转子1上的环形部33。马达段30、31和32与该环形部接合。通过控制单元以如下方式为这些马达段提供电流，即这些马达生成磁场，其一方面将马达的环形部33设置为旋转运动，另一方面沿着所示意的脱离平面的方向将其牵拉，这样转子1推动对抗轴向空气轴承10、11和12。通过支撑43、44和45将马达段30、31和32连接至定子2。相似地，通过支撑40、41和42将轴向空气轴承10、11和12连接至定子2。马达段30、31和32的电流供应和控制经由马达控制部件80起作用。

图2示出了沿着图1的轴线A-A的截面图。这里，可以格外清晰地看清设置在转子1前侧上的轴向空气轴承10和11。而且，可以看清具有其支撑44的马达段31。在转子的后侧可以清楚地看到连接至定子的支撑辊50和51。

图3示出了图2下部的部分的放大示意图。这里，示出了用于轴向支撑辊51的固定器66，所述轴向支撑辊51可旋转地支撑在轴61上。承受所有支撑辊的功能会选择性地受到滑动轴承或球轴承影响。

图4示出了通过图1在径向支撑辊54位置处配置的部分。优选地，该支撑辊由合成材料制成。其优选包括至少一个球轴承74且具有经由支撑板71和73固定至定子2上的轴72。由参考数字69来指示用于径向支撑辊54的整个支撑装置。而且，还可以分辨出与其固定器65一起的支撑辊50。

图5示出了从后侧观察的图1中根据本发明所述的装置。这里，可以清楚的辨别出在其固定器65、66、67中的轴向支撑辊50、51和52。

附图标记参考数字表

1转子

2定子

3旋转轴线

10、11、12轴向流体静力轴承

13、14、15径向流体静力轴承

30、31、32马达的马达段

33马达的环形部

40、41、42轴向流体静力轴承的支撑

43、44、45马达段的支撑

50、51、52轴向支撑辊

53、54径向支撑辊

61、62用于轴向支撑辊的轴

65、66、67用于轴向支撑辊的固定器

68、69用于径向支撑辊的固定器

71、73支撑板

72轴线

74球轴承

80马达控制装置

Claims (7)

1.一种包括转子(1)的旋转装置，所述转子(1)被支撑以相对定子(2)旋转，所述旋转装置包括：

用作转子(1)的径向轴承的至少一个流体静力轴承(13，14，15)；

用作转子(1)的轴向轴承的至少一个流体静力轴承(10，11，12)；以及

用作直接驱动的马达，所述马达包括环形部(33)并且还有至少一个马达段(30，31，32)，所述至少一个马达段(30，31，32)与所述马达的环形部(33)磁性接合以产生扭矩；

其特征在于，

设置至少另一个马达段，所述至少另一个马达段在轴向流体静力轴承(10，11，12)上独有地产生转子的负载力，

其中，将所述马达(30，31，32)的马达段连接至所述定子(2)，且所述马达(33)的环形部被连接至所述转子(1)，或者，将所述马达(30，31，32)的马达段被连接至所述转子(1)，且所述马达(33)的环形部被连接至所述定子(2)。

2.根据前面任一项权利要求所述的装置，其特征在于，

设置马达控制部件(80)，所述马达控制部件(80)向马达的马达段提供电流，因此所述转子在用作转子(1)的轴向轴承的所述至少一个流体静力轴承(10，11，12)上的负载力对应于给定的值。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述至少一个马达段包括至少一个永久磁体。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

设置至少一个轴向支撑辊(50，51，52)，当所述马达已经获得给定的负载力时，所述至少一个轴向支撑辊(50，51，52)从所述转子的运行面间隔开，并且在缺乏负载力的情况下阻止所述转子离开轴向轴承的偏移。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述马达具有三个马达段(30，31，32)。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

设置径向支撑辊(53，54)。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

优选地，将所述马达段关于旋转轴线与径向轴承相对设置。

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