CN102144104A - 具有由径向磁性轴承支撑的电动驱动环的旋转环装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转环装置，其包括：固定环(1)；旋转环(2)，其用于绕中心区域(3)旋转；旋转单元(4、5)，其用于径向支承所述旋转环(2)并使所述旋转环(2)相对于固定环(1)旋转，所述旋转单元包括安装在所述固定环(1)上的固定感应元件(4)以及安装在所述旋转环(2)上的旋转感应元件(5)；以及控制器(8)，其用于控制所述旋转单元(4、5)以使旋转感应元件(5)旋转和悬浮。

Description

具有由径向磁性轴承支撑的电动驱动环的旋转环装置
技术领域
本发明涉及一种旋转环装置，如例如在计算机断层摄影(CT)扫描器中用作机架的旋转环装置。
背景技术
在CT扫描器的机架中，使用空气轴承(air bearing)支撑机架的旋转部分。例如，在WO 2004/030542A2中公开了这种CT扫描器，根据该文献，多个空气轴承元件与固定机架和旋转机架接合。为了吸收振动能量以及抑制气锤振动，将阻尼组件安装到至少一个较低的轴承元件处。
除了空气轴承，还可以在采用径向和轴向液体轴承垫的固定机架和旋转机架之间使用液体轴承，诸如在WO 02/089671A2中所公开的。该液体轴承提供将旋转机架与固定机架分离的液体屏障。
那些轴承是这种CT扫描器和其他旋转环装置中的主要昂贵部件中的一种。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转环装置，其中，由其他种类的轴承替代通常使用的昂贵的轴承类型，诸如气体轴承或液体轴承，所述其他种类的轴承至少提供相同的主功能而不引入诸如机械不稳定、振动或噪声的其他主要问题。
在本发明的第一方面中，提出了一种旋转环装置，其包括：
-固定环，
-旋转环，其用于绕中心区域旋转，
-旋转单元，其用于径向支承所述旋转环并使所述旋转环相对于固定环旋转，所述旋转单元包括安装在所述固定环上的固定感应元件和安装在所述旋转环上的旋转感应元件，以及
-控制器，其用于控制所述旋转单元，以使旋转感应元件旋转和悬浮，。
本发明是基于这样的想法，即由作为相当经济的备选的磁性悬浮器件替代通常使用的诸如空气轴承或液体轴承的轴承类型。具体而言，根据本发明，提供了包括固定感应元件和旋转感应元件的旋转单元。因此，本发明利用电磁感应原理使旋转环相对于固定环同时地悬浮和旋转。这种磁性悬浮器件提供的优势是使机械磨擦、磨损、噪声及振动最小化，其延长了旋转环装置的寿命。
除了通过使用磁性悬浮器件而实现成本的降低，本发明还具有的优势是对旋转环内的中心点增加有源控制可能性，即能够以高精度提供绕这一中心点的旋转。这在很多旋转环装置的应用中具有优势。例如，当在CT扫描器中使用时，与利用已知CT扫描器可实现的图像质量相比，根据利用这种CT扫描器采集到的原始数据生成的图像的图像质量能够得到改善。
由于旋转感应元件是通过电磁感应由旋转单元进行旋转和悬浮，因此提供适当的控制器来控制旋转单元，所述旋转单元优选适于同时并且去耦地控制推力(thrust)及法向力。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。
在优选实施例中，所述固定感应元件包括一个或多个、具体为两个或三个以不同角度位置绕所述中心区域布置的弧状感应子元件。通过这种方式，能够形成(一个或多个)弧状感应子元件，从而最优地引导磁通量并按照期望地在周围分布扭矩和力分量。
此外，所述一个或多个感应子元件的每个都优选包括具体具有齿状结构的铁磁核心元件，以及缠绕在具体为齿状结构的核心元件内的多个导电绕组。因此，借助于通过所述绕组的电流沿定子部分(segment)生成磁场分布。绕组的分布有助于形成正弦磁通量波形的形状。
此外，所述一个或多个感应子元件的每个都优选包括单层或双层绕组。双层更为昂贵，但具有的优势是在空气间隙(固定感应元件和旋转感应元件之间)中增加了更多的正弦磁通量密度分布。
根据另一实施例，所述旋转单元包括径向悬浮单元，具体为电流控制的径向悬浮单元。这提供了(附加的)悬浮，例如用以抬起旋转感应元件或至少通过使用固定感应元件支撑所述抬起。
这种径向悬浮单元例如可以包括有源或无源磁性轴承单元，诸如包括永磁体和/或用于有源控制的绕组的致动器。一种类型的致动器可以实施为E核心形状致动器，所述E核心形状致动器包括E状铁磁核心、绕E状核心的中心腿缠绕的线圈以及在腿的中间的永磁体。
在优选实施例中，旋转感应元件包括封闭的感应环，其是一体形成或分段的。由于制造简易以及降低了成本，因此分段形式是有利的。
可以用不同的方式实施所述感应环。例如，可以由导电材料制成完整的环，其可以包括由具体为铁磁铁和/或钢的单一材料制成的第一环层，或者其可以包括由具体为Al或Cu的第一材料制成的第一环层，以及由具体为铁磁铁和/或钢的第二材料制成的第二环层，布置感应环使得第一环层面向所述固定感应元件。不同的形式与制造的简易有关。Al、Cu和钢是最优的形式。
优选地，旋转单元的布置使得所述旋转感应元件被布置在比所述固定感应元件距中心区域更大的径向距离处，即旋转感应元件绕所述固定感应元件旋转。但该布置还能够颠倒过来进行。具体布置主要取决于应用的类型和旋转环装置的一般机械构造。当在CT扫描器中使用时，优选第一种提及的布置。
为了支撑轴向对准，在实施例中提供了轴向轴承器件，具体为磁性轴向轴承器件，用以相对于所述固定环轴向支承所述旋转环。
在具体应用中，在CT扫描装置中使用旋转环装置，所述CT扫描装置还包括辐射源和探测单元，所述辐射源安装在所述旋转环上，用于绕置于所述中心区域中的对象旋转并用于在所述对象的方向上发射辐射，所述探测单元用于探测通过所述对象和所述中心区域的辐射。优选地，探测单元安装在所述旋转环上。然而，本发明不限于这种类型的应用，而是一般可以用于元件绕中心区域旋转的所有应用。
根据有利实施例，所述固定感应元件包括以不同角度位置绕所述中心区域布置的至少两个感应子元件，其中，所述控制器适于控制频率和电流，具体而言通过控制提供给所述感应子元件的频率和电流，从而以去耦的方式控制所述感应子元件的悬浮力。因此，可以提供对感应子元件的推力和法向力的同时并且去耦的控制。
附图说明
参考以上描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐述。在以下附图中：
图1示出了通过根据本发明的旋转环装置的实施例的横截面的前视图；
图2示出了通过图1中所示的旋转环装置的横截面的侧视图；
图3示出了固定感应元件的实施例的透视图；
图4示出了图3中所示的固定感应元件的侧视图；
图5示出了固定感应元件相对于旋转感应元件的布置的透视图；
图6示出了通过固定感应元件相对于旋转感应元件的布置的横截面；
图7示出了轴向轴承的示意性设置；
图8示出了径向轴承的实施例；
图9示出了通过在CT扫描器中使用的旋转环装置的横截面的侧视图；
图10示出了通过图9中所示的旋转环装置的横截面的侧视图；
图11示出了根据本发明的控制方案的实施例的方框图；
图12示出了用于去耦地控制法向力和推力的控制单元的实施例，以及
图13示出了根据本发明的旋转环装置的模拟的结果。
具体实施方式
图1示出了通过根据本发明的旋转环装置的实施例的横截面的前视图。
图2示出了通过相同实施例的横截面的侧视图。旋转环装置包括固定环1、用以绕中心区域3旋转的旋转环2、以及用以径向地支承所述旋转环2并使所述旋转环2的旋转单元4、5相对于固定环1旋转。旋转单元包括安装在固定环1上的固定感应元件4和安装在旋转环2上的旋转感应元件5。固定环1、旋转环2和旋转单元4、5都相对于中心轴6被同轴地布置。
为了相对于固定环1轴向地支承旋转环2，在该实施例中提供了例如作为磁性轴向轴承单元实施的轴向轴承器件7。为了控制旋转单元4、5，以便使旋转感应元件5旋转和悬浮，提供了控制器8。
因此，本发明通过利用在旋转环装置中实施的线性感应电机(LIM)部分而使用磁性悬浮系统。具体而言，使用单侧LIM(SLIM)。以下将解释该装置的细节及功能。
磁性悬浮系统使机械磨擦、磨损、噪声及振动最小化，其延长了机器的寿命。通过使用由图1和2中所示的旋转单元4、5所表示的这种SLIM而使根据本发明的旋转环装置悬浮和旋转。具体而言，这种SLIM包括固定(初级)感应元件4和旋转(次级)感应元件5。
在该实施例中，使用两个固定感应元件4，并且以角度和
Figure BDA0000048718190000052
放置，但其还可以仅仅是单个或多个固定感应元件4。
图3示出了无绕组的弧状固定感应元件4的实施例。例如，齿41和核心42由铁硅层压的材料制成，所述材料例如200具有一堆层压物，以防止固定感应元件4中的涡流造成的主要影响。增加磁极(pole)的数量改善力的能力(force capability)，但也增加了制造的复杂性并且因此提高了这种固定感应元件4的成本。可以在这些设计标准中进行权衡以构建具有四个磁极对的元件4。
图4中示出了图3中所示次级感应元件4的侧视图，所述次级感应元件4包括初级绕组43。如图所示，在相邻齿41之间的每个槽中提供了双层绕组。这改善了磁通量分布并显著降低了电阻和漏电抗。同样地，可以看到次级感应元件4的两个末端处的半末端(half end)槽，其超微倾斜(pitched)5/6以消除可能为主要干扰的诱发的磁通量密度的第五和第七次谐波。固定感应元件4的总宽度由核心42的宽度和末端绕组的宽度给定，即绕组在固定感应元件4的两侧均超过核心的宽度，得到完整固定感应元件的总宽度。
在图5的透视图中示出了相对于固定感应元件4的旋转感应元件5的实施例。其包括例如由铝或铜制成的非铁磁高导内环层51，并配备有例如由铁磁铁和/或钢制成的铁磁第二环层(核心层)。应当注意到的是，旋转感应元件5可能仅包括第二环层52。
为了从特定量的电流产生高磁通量密度，保持空气间隙g的高度尽可能的小很重要，例如，近似1mm的量。
图6示出了旋转感应元件相对于固定感应元件4的布置的二维示意性横截面。如从该图中所看到的，固定感应元件4的绕组43的末端绕组44延伸超出核心42，并且在该实施例中末端绕组44还具有比旋转环元件4更宽的宽度。
根据本发明提供的旋转单元使用感应电机(异步电机)的原理。向固定感应元件4的绕组41提供3相电流，通过该电流在旋转感应元件5的第一环层51中诱发感应涡流。因此，创建了旋转磁场模式。这一变化的磁场模式在旋转感应元件的导体、即第一环层51中诱发电流。这些电流与由固定感应元件4产生的旋转磁场交互，使得旋转感应元件5转动(turn)。
图7示出了磁性轴向轴承器件7的实施例，其用于轴向支承旋转感应元件5并提供旋转感应元件5的轴向刚性。每个轴向轴承7都包括两对永磁体71、72，第一永磁体71在空间中固定定位，例如安装在固定环1上(见图2)，而第二永磁体72安装在旋转环2上，并且因此可以连同旋转感应元件5旋转。
模拟已经示出当永磁体71、72的北磁极和南磁极如图7中所示彼此紧邻时，可以得到最大刚性。每对相邻永磁体71、72之间的空气间隙宽度在实施例中设定为1.5mm。
为了提供足够的径向刚性，提出了提供径向悬浮单元，具体为包括一个或多个有源或无源磁性轴承单元的电流控制悬浮单元。在图8中示出了这种有源磁性轴承单元的实施例。优选地，在旋转环2外部的固定环1上以不同的径向位置放置那些磁性轴承单元9中的两个或更多个。在图8中所示的实施例中，轴向轴承单元9包括E状铁磁核心元件91、绕E状核心元件91的中心腿缠绕的线圈92以及在中心腿93末端上面向旋转环2放置的永磁体94。磁体94产生预载(preload)，并利用电流调整吸引力的大小。
径向轴承元件9还具有抬起旋转环2或至少有助于抬起旋转环2连同固定和旋转感应元件4、5的功能。在实施例中，以与固定感应元件4相同的角度位置径向放置这些径向轴承元件9。然而应当注意到的是，还可以使用径向轴承元件9的其他位置和/或其他实施。
图9和10示出了通过根据本发明的旋转环装置的另一实施例的横截面，所述旋转环装置配备有用于CT扫描器的其他元件。具体而言，除了图1和2描述的实施例中所示的元件以外，提供了X射线源10和X射线探测器11，两者均经由支撑物12安装到旋转环2上。因此，在该实施例中，X射线源10和X射线探测器11两者均绕中心区域3旋转，在中心区域3中存在对象13，诸如患者或工件，其用于以已知的方式放置以获得X射线图像。
应当注意的是，可以在正切向或负切向的每个固定感应元件4中独立控制图1、2和图9、10中所示的实施例中的推力。已经限定以下约束条件以成功地使环旋转并磁性地悬浮：
Fz＝MG，
Fx＝0，
Fna以及Fnb≤0，
∀ = ∀ a = ∀ b ,
其中，M为旋转环2的总质量，而G为重力加速度。第一约束条件确保环的悬浮，第二约束条件保持在x方向上的环位移。使用EMS(电磁性悬浮)仅导致吸引法向力。最后一个约束条件是设计的优选。
图11图示了根据本发明的整体旋转环装置的扭矩控制单元8的实施例，其中，a*代表参考值。系统未考虑对空气间隙的控制，但其传递环的预张力。由控制器81处理运动分布图(profile)，运动分布图产生参考扭矩T*y。对于图1中所示的两个固定感应元件4中的每个，则在控制单元8中提供两个分离的路径。每条路径包括第一组块82，其用于转换两个参考力F*t、F*n(t指示推力，而n指示法向；在图1和11中使用的指数a和b用于区分两个固定感应元件4)中的参考扭矩T*y。在考虑以上限定的四个约束条件的情况下导出这些参考力。由此，在去耦控制组块83中导出电流I和频率f，由此在第三组块84中获得实际力Ft、Fn(与图1比较)。之后这些力在旋转环2上作为力Fx、Fz和扭矩Ty而作用。组建(plant)组块85包括环2的动态，其包含由于核心损失和气流阻力而导致的阻尼。
在组块83“去耦控制SLIM”中实施图11中所示的控制单元8的基本元件，在图12中更为详细地示出了该组块。该组块分别计算每个SLIM的推力和法向LMS电流和频率的值。首先，导出最优转差(slip)频率。例如，计算得到f转差_T和f转差_n分别等于50和0Hz。因此，不考虑60Hz以上的频率。
从逆拟合函数中导出的推力电流It同时产生了法向力Fn2。从参考法向力F*n中减去该力从而计算得到法向电流In。环的机械频率f与法向频率fn是相同的，这是因为将f转差_n设置为0Hz。
每个SLIM的磁极对p的数量已经从4增加到8，因此，力的性能显著改善并且经受环的质量M而未使电流饱和。已经以1mm的空气间隙g计算了该力，并对这些结果进行了拟合。在40°的角度
Figure BDA0000048718190000081
下放置两个SLIM，并且在图13中示出来自模拟的结果。
选择40°的角度
Figure BDA0000048718190000082
以实现两个SLIM之间足够的环空间。换言之，两个SLIM之间的环空间足够使来自一个SLIM与来自另一个SLIM的诱发涡电流互不影响。
如上所述，可以由轴向轴承器件控制固定感应元件4和旋转感应元件5之间的空气间隙。将该轴承器件用作预张力的一部分得到比图13中所示的低得多的初级电流。因此，能够在旋转环装置中实现具有更少磁极数目的更小的SLIM。
根据本发明，提出了一种创新的旋转环装置以及同时且去耦地控制推力和法向力的方法。该旋转装置使用旋转单元使旋转感应元件旋转和悬浮。系统和控制方法简单并且直观，使其易于在实际中实施。根据本发明，有利地利用了产生电流的推力同时生成法向力这一事实。优选地，当前将法向力设置为零转差频率，这意味着其不产生推力。
总之，本发明提供能够在不同应用中用于绕中心区域旋转元件的旋转环装置。其提供对已经由线性感应电机生成的吸引力的精巧实施，并控制这些力以达到悬浮旋转元件的目的；外部磁性悬浮单元连同感应电机部分的使用；以及改善对悬浮和旋转的同时控制的方式。
尽管在附图和上述说明中图示并描述了本发明，但是将这种图示和说明视为说明性或者示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域的技术人员通过研究附图、说明书和所附权利要求，在实践所主张的本发明时能够理解并实施所公开实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现在权利要求中引用的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中引用某些措施这一事实不表明这些措施的组合是不利的。
不应将在权利要求中的任何参考标记解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种旋转环装置，包括：
-固定环(1)，
-旋转环(2)，其用于绕中心区域(3)旋转，
-旋转单元(4、5)，其用于径向支承所述旋转环(2)并使所述旋转环(2)相对于所述固定环(1)旋转，所述旋转单元包括安装在所述固定环(1)上的固定感应元件(4)和安装在所述旋转环(2)上的旋转感应元件(5)，以及
控制器(8)，其用于控制所述旋转单元(4、5)，以使所述旋转感应元件(5)旋转和悬浮。
2.如权利要求1所述的旋转环装置，
其中，所述固定感应元件(4)包括一个或多个、具体为两个或三个以不同角度位置绕所述中心区域(3)布置的弧状感应子元件(4)。
3.如权利要求2所述的旋转环装置，
其中，所述一个或多个感应子元件(4)的每个都包括具体具有齿状结构的铁磁核心元件(42)，并且在核心元件内缠绕有多个导电绕组(43)。
4.如权利要求3所述的旋转环装置，
其中，所述一个或多个感应子元件(4)的每个都包括单层或双层绕组(43)。
5.如权利要求1所述的旋转环装置，
其中，所述旋转单元(4、5)包括径向悬浮单元(9)，具体为电流控制的径向悬浮单元。
6.如权利要求5所述的旋转环装置，
其中，所述径向悬浮单元(9)包括有源或无源磁性轴承单元。
7.如权利要求1所述的旋转环装置，
其中，所述旋转感应元件(5)包括封闭的感应环，所述封闭的感应环是一体形成的或分段的。
8.如权利要求7所述的旋转环装置，
其中，所述感应环(5)由导电材料制成。
9.如权利要求7所述的旋转环装置，
其中，所述感应环(5)包括由单一材料、具体为铁磁铁和/或钢制成的单环层(52)。
10.如权利要求7所述的旋转环装置，
其中，所述感应环(5)包括由具体为Al或Cu的第一材料制成的第一环层(51)，以及由具体为铁磁铁和/或钢的第二材料制成的第二环层(52)，布置所述感应环使得所述第一环层(51)面向所述固定感应元件(4)。
11.如权利要求1所述的旋转环装置，
其中，以比所述固定感应元件(4)距所述中心区域(3)更大的半径距离布置所述旋转感应元件(5)。
12.如权利要求1所述的旋转环装置，
还包括轴向轴承器件(7)，具体为磁性轴向轴承器件，用于相对于所述固定环(1)轴向支承所述旋转环(2)。
13.如权利要求1所述的旋转环装置，
还包括辐射源(10)和探测单元(11)，所述辐射源安装在所述旋转环(2)上，用于绕置于所述中心区域(3)中的对象(13)旋转并用于在所述对象(13)的方向上发射辐射，所述探测单元用于探测通过所述对象(13)和所述中心区域(3)的辐射。
14.如权利要求13所述的旋转环装置，
其中，所述探测单元(11)安装在所述旋转环(2)上。
15.如权利要求1所述的旋转环装置，
其中，所述固定感应元件(4)包括以不同角度位置绕所述中心区域(3)布置的至少两个感应子元件(4)，并且其中，所述控制器(8)适于控制频率和电流，具体而言通过控制向所述感应子元件提供的频率和电流，从而以去耦的方式来控制所述感应子元件的悬浮力。
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