CN102810913A - 具有安全功能的非接触旋转接头 - Google Patents
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Abstract
一种感应旋转接头系统，具有单相整流器，用于接收单相AC输入来生成相对较低的DC电压，以及三相整流器，用于接收三相输入来生成相对较高的DC电压。AC功率生成器从DC电压生成AC信号，该AC信号由感应旋转接头耦合至位于旋转侧的负载。当只连接至单相AC输入时，AC功率生成器接收相对较低的DC电压并因此将相对较低的电压耦合至负载。在连接至三相AC输入的情形中，AC功率生成器接收相对较高的DC电压并因此将相对较高的电压耦合至负载。位于次级侧的用于至少控制负载的控制单元被连接以测量针对次级侧产生的电压，并区分相对较低的电压和相对较高的电压。对于相对较高的电压的情形，在负载内使能x射线管。
Description
技术领域
本发明涉及用于在能够相对彼此旋转的两个单元之间耦合电功率的感应功率耦合装置，特别是用于在计算机断层扫描仪中使用的功率耦合器。这种功率耦合器也被称为旋转接头。
背景技术
在计算机断层扫描仪和其他相关机器中，从10kW到超过100kW范围内的高功率从静止侧传输到旋转侧。生成上百千伏范围内的高压以产生x射线辐射。该高压和x射线辐射在特定情况下，比如在工作期间当防护罩打开时，可能导致对操作人员的身体损伤。此外在负责x射线管控制的部件发生故障时，也会发生不希望的暴露于x射线辐射中。
在美国专利US7,054,411中公开了一种多通道感应旋转接头。它具有第一感应通道用于从静止侧向旋转侧传输辅助功率。旋转侧的控制电路需要该辅助功率以正确工作。还有另外的高功率感应通道用于从初级侧向次级侧传输x射线功率。此外还提供了电容反馈链路以用于功率控制。该系统的劣势在于多通道的高复杂度、高花费，以及由于两个需要重的铁氧体磁心的感应旋转接头所产生的高旋转质量。
发明内容
本发明要解决的问题是提供简单划算的旋转接头，其仍能提供简单和可靠的信令以从静止侧对位于旋转侧的负载进行开关。还应当实现操作人员的高安全性和防护。
本发明的另一个方面是提供能够容忍首次故障情形的系统。
独立权利要求中描述了该问题的解决方案。从属权利要求涉及关于本发明的进一步改进。
一种感应旋转接头系统，在静止侧(20)具有第一输入电路，该第一输入 电路可以是用于接收单相AC输入(30)来生成相对较低的DC电压的单相整流器(24)。对于230V线电压的情形，单相整流器的输出电压大约是230V＊sqrt(2)＝325V。此外还提供了可以是三相整流器(25)的第二输入电路，其用于接收三相输入(32)来生成相对较高的DC电压。对于三相操作中400V线电压的情形，三相整流器的输出电压大约是400V＊sqrt(2)＝565V。为可靠地区别相对较低的电压和相对较高的电压，相对较高的电压和相对较低的电压之比值应该大于1.1，这意味着相对较高的电压是相对较低的电压的至少1.1倍。优选地，该比值高于1.5，最优选地高于2。输入电路被耦接以将功率输送至AC功率生成器。优选地是，它们的输出是并联的。可选的是可以设置开关以连接至少一个输入电路至AC功率生成器。来自输入电路或整流器的DC电压优选地由滤波电路(23)滤波。AC功率生成器(22)从DC电压生成通常在25kHz至200kHz频率范围内的AC信号，它由感应旋转接头(21，11)耦合至旋转部(10)。旋转部(10)具有控制电路和其他部件，如在ct(计算机断层成像)扫描仪情形中的数据采集系统和控制计算机，它们都由相对较低的电压供电。其他负载可以是驱动逆变器以控制冷却泵或冷却扇。此外，旋转侧具有至少一个负载(12)，其关乎安全。这可以是ct扫描仪上的x射线管。不希望的负载使能(激活)可能导致人身伤害或事故。因此必须由专门的控制单元来控制负载的使能。
当只由第一输入电路馈电时，AC功率生成器接收相对较低的DC电压并因此将相对较低的电压耦合至旋转部(10)。在由第二输入电路馈电的情形中，AC功率生成器接收相对较高的DC电压并因此将相对较高的电压耦合至旋转部(10)。在旋转部的这个电压可以是任意类型的AC或DC电压。如果旋转部需要DC电压，可在感应旋转接头(11)的次级侧和负载(12)或旋转部的任意部件之间设置另外的整流器。位于旋转部(10)的用于至少控制负载的控制单元(13)被连接，以测量针对次级侧产生的电压，并区分相对较低的电压和相对较高的电压。在一种优选实施例中，该相对较低的电压足以至少支持旋转部的最少的电子部件，优选包括控制单元(13)。对于相对较高的电压的情形，该负载被控制，优选地被相应激活。优选地，当探测到了相对较高的电压时，在负载内使能X射线管。创新性的安全功能在于，通过改变在旋转接头上传输的电压水平来从初级侧时位于旋转侧的负载(12)进行开关。该信令只有在包括AC功率生成器(22)、感应旋转接头(21，11)以及功率传输所必需的其他部 件(如控制电路或整流器)的功率链也正确地工作时才工作。另一个优势是从静止侧至旋转侧不需要另外的信令。该创新性概念基于传输不同的电压水平。因此，用于生成这样的不同电压水平的装置可以交换。尽管使用单相或三相整流器是最简单的方式，但是也可以使用整流器的任意其他组合。可以有任意其他的电路用于生成不同的输入电压水平，比如变压器或功率转换器。此外，可以通过控制AC功率生成器(22)的开关频率来修改次级侧的电压水平。电压水平的这种修改包括开启和关闭、生成相对较高和较低的电压、以及次级电压的精细调整。此外可以将开关频率调整至感应旋转接头的至少一个共振频率。该频率可以例如根据温度变化进一步被调整，以补偿感应旋转接头的各部件(比如电容)的温度依存性。
可以通过控制电路(13)发出的逻辑控制信号(开/关)来开关或使能负载。优选地，供给负载的功率由感应转换接头的次级侧(11)和负载(12)之间的功率开关来切换。该开关由控制电路(13)控制。在感应转换接头的次级侧(11)和负载(12)或其部件之间可以具有至少一个功率转换器。其可以是降压转换器。该功率转换器可由控制电路使能。在优选实施例中，第二输入电路(25)具有接收使能信号的装置，通过该使能信号能够使能(enable)或失能(disable)借由或通过第二输入电路的功率传输。该使能信号可从初级侧控制单元接收。它还可以从手动开关接收。此外，该使能信号可以触发第二输入电路中的开关，诸如半导体开关或机械开关，或者它可以触发主功率开关。在第二输入电路具有功率转换器的情形中，这可通过该使能信号来使能或失能。
在另一个优选实施例中，仅有AC功率生成器(22)耦合至感应旋转接头，该感应旋转接头具有位于静止部(20)的初级绕组(21)和位于旋转部(10)的次级绕组(11)，用于将AC信号从耦合到初级绕组中的AC功率生成器传输至次级绕组。此外，在旋转部具有负载(12)，其连接至感应旋转接头的次级绕组。AC功率生成器和感应旋转接头被一起使能以在次级侧产生相对较低的DC电压或产生相对较高的DC电压至次级侧。可以通过在AC功率生成器(22)的输入处接收相对较低的DC电压或相对较高的DC电压，或通过接收由位于初级侧的控制单元(26)产生的控制信号，来触发产生这些不同的电压水平。此外，在次级侧具有控制单元(13)，其被连接以测量针对次级侧生成的电压，从而区分相对较低的DC电压和相对较高的DC电压，并当在次级侧测量到相 对较高的DC电压时使能负载。该实施例可以与这里公开的所有其他修改或实施例结合。此外，耦合至感应旋转接头的AC功率生成器(22)可以产生多于两个的不同电压水平。然后可以使能位于次级侧的控制单元(13)以区分这些不同的水平并使能不同的负载或其部件。
本发明的另一个实施例是基于控制AC功率生成器(22)来输送不同电压水平至旋转侧。因此，AC功率生成器(22)可以接收恒定输入电压并可以接收控制信号以输送不同的电压水平至旋转侧。这也可以和可变输入电压一起使用。如果在AC功率生成器(22)的输入处的相对较低的电压与相对较高的电压之间的差别不足，其可以通过对功率生成器的适当控制来放大，从而旋转侧的相对较低的电压可以进一步减小和/或相对较高的电压可以进一步增加。
优选地，AC功率生成器(22)和感应旋转接头(21，11)被设计为使得相比于AC功率生成器的输入处的DC电压，在负载处具有近似线性的电压传输特性。在设计次级侧的控制单元(13)时至少应该考虑该特性。
优选地，将第二输入电路(25)通过主功率开关(33)连接至外部线路，该线路优选为三相线路。更优选的是，第二输入电路是三相整流器(25)，其通过主功率开关(33)连接至外部三相线路。仅在开启该主功率开关和/或使能第二输入电路时，三相电力被供给到第二输入电路(25)以产生AC功率生成器(22)的输入处的相对较高的电压。这导致了负载(12)处的相对较高的电压，并通过位于次级侧的控制单元(13)导致了负载的激活。因此，所提供的电路犹如主功率开关延伸到了旋转部。由于负载处相对较高的电压水平(即使是通过相对较低的电压来传输的)，该系统对电磁干扰(EMI)相当地免疫。可以通过监视负载处的电压或处于次级状态的部件的任何故障情况，而使其对首次部件故障免疫。由于物理性限制，在激活了三相输入并且开启了主功率开关时，负载处仅可能有相对较高的电压。
在优选实施例中，第一输入电路和第二输入电路中的至少一个包括功率转换器，所述第一输入电路可以是单相整流器(24)，第二输入电路可以是三相整流器(25)，功率转换器可以是功率因子控制电路。优选地将这些电路与电力线隔离。
在进一步的实施例中，第一输入电路和/或第二输入电路可以具有电池。
在另一实施例中，初级侧控制单元(26)被连接以测量AC功率生成器(22) 输入处的DC电压(28)，从而区分相对较低的DC电压和相对较高的DC电压，并生成相应的输出信号。该相同功能具有至第二输入电路的输出端的连接以检查第二输入电路是否输送了有效电压。另一功能性等效实施例是连接该控制电路以测量至少一个输入电路的至少一个电流，从而区分第二输入电路是否正在输送功率。控制电路还可以具有用于辅助性负载失能信号的输入。当接收到这样的负载失能信号时，调整输出信号(功率、占空因数、频率)，从而控制单元(13)接收较低的电压并发送相对较低的DC电压作为信号以使负载失能。
在进一步的实施例中，使能初级侧控制单元(26)以检查AC功率生成器(22)输入处的DC电压值是否处于相对较低的DC电压和相对较高的DC电压的预定限度以内，并生成相应的输出信号。
在另一实施例中，如果AC功率生成器(22)输入处的DC电压值处于相对较低的DC电压和相对较高的DC电压的预定限度以外，则使能初级侧控制单元(26)以关闭AC功率生成器(22)。
在进一步的实施例中，控制单元(13)被连接以在使能负载(12)之前检验针对次级侧所生成的电压是否处于预定窗口内。它还可以发出出错信号。
在另一实施例中，控制单元(13)被连接以在使能负载(12)之前检查位于旋转侧的装置的功能参数。该功能参数可以是供电电压、供电电流和工作温度。该控制单元还可以发出出错信号。
在另一实施例中，控制单元(13)被连接以检查负载(12)的功能参数，该功能参数可以是负载电流或负载温度。如果负载是x射线管，还可以检查辐射。
在另一实施例中，感应旋转接头的次级侧(11)具有连接至负载(12)的多个分别的部分的多个输出。该多个输出可以包括不同的电压或功率输出，诸如针对控制电路的低电压输出、针对计算机系统的低电压和高电流输出、以及针对x射线管的高电压输出。这些不同的输出可以连接至功率转换器并可以具有不同的控制电路以将受控制电压输送至负载(12)的各个分别的部分。还有用于使能负载的各部分或用于使能感应旋转接头或功率转换器的各个单独输出或成组输出的装置。优选地，将控制单元连接至次级侧的这些输出中的一个或多个和/或与次级侧相连的至少一个控制电路，以检查参数以及检验所输送的输出电压和/或所输送的电流是否位于指定范围内。此外，基于该检验使能负载的 特定部分。在一个示例中，有针对基本控制电路的24V/1A电源，针对计算机的12V/20A电源，以及x射线HV电源。仅在基本控制电路的供电电压位于指定范围内时，才使能给计算机供电的功率转换器。仅在计算机供电电压处于指定范围并且计算机正在运行时，才使能X射线HV电源。
附图说明
在下文中将通过举例而非对一般性的创新概念加以限制的方式，参照附图的实施例的例子来描述本发明。
图1示出了根据本发明的装置。
图2示出了计算机断层成像设备的原理说明。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的优选实施例。感应旋转接头系统在静止部(20)具有第一输入电路，其可以是单相整流器(24)，用于接收单相AC输入(30)来在单相整流器的输出端生成相对较低的DC电压。此外提供了由主功率开关(33)连接至外部三相AC线(31)的用于接收三相输入(32)的三相整流器(25)作为第二输入电路，来生成相对较高的DC电压和三相整流器的输出。该主功率开关(33)也可以是第二输入电路的一部分。三相输入优选由主功率开关(33)连接至外部三相AC电力线，所述主功率开关优选为x射线主开关。整流器生成的DC电压(29)由滤波电路(23)滤波。AC功率生成器(22)从DC电压生成AC信号(27)，该AC功率生成器(22)由感应旋转接头(21，11)耦合至位于旋转部(10)的负载(12)。当只连接至单相AC输入(30)时，AC功率生成器接收相对较低的DC电压并因此将相对较低的电压耦合至负载(12)。在连接至三相AC输入(32)的情形中，AC功率生成器接收相对较高的DC电压并因此将相对较高电压耦合至负载(12)。位于旋转部(10)且用于至少控制负载的控制单元(13)被连接以测量针对次级侧(14)产生的电压，并在次级侧的相对较低的电压和相对较高的电压之间进行区分。对于相对较高的电压(14)的情形，据此控制负载。这意味着可以根据电压水平来开启和关闭负载的各部分。优选地，在该负载内使能x射线管。可选的初级侧控制单元(26)被连接以测量整流器输出处的DC电压(28)，并因此控制AC功率生成 器(22)。
图2示意性地示出了具有感应旋转传输装置的计算机断层成像设备的构造。旋转传输装置的静止部悬置于大框架110内。机架109的旋转部关于大框架110可旋转地安装并沿旋转方向108转动。在此放置了X射线管101来生成X射线束102，该X射线束辐射穿过躺在工作台107上的患者104并由探测器103拦截并转换为电信号。为了从能量供给单元传输电能，提供了用于感应地耦合电功率的旋转接头系统100。这里，初级侧布置在静止部上，而次级侧布置在旋转部上。探测器103获得的数据被传输至评估单元106。控制总线105用于此传输，机架本身也可通过控制总线从评估单元控制。
附图标记列表
10 CT扫描仪的旋转部
11 感应旋转接头的次级侧
12 次级侧上的负载
13 次级侧上的控制单元
14 次级侧的电压
20 CT扫描仪的静止部
21 感应旋转接头的初级侧
22 AC功率生成器
23 滤波电路
24 第一输入电路
25 第二输入电路
26 初级侧控制单元
27 来自AC功率生成器的AC信号
28 AC功率生成器的输入处的DC电压
29 整流器生成的DC电压
30 单相AC输入
31 外部三相AC线
32 从主功率开关至三相整流器的三相电力路径
33 主功率开关
100 感应旋转接头系统
101 X射线管
102 X射线束
103 探测器
104 患者
105 控制总线
106 评估单元
107 工作台
108 旋转方向
109 机架的旋转部
110 机架的静止框架
Claims (16)
1.一种旋转接头系统，用于将电功率从静止部(20)感应耦合至旋转部(10)，其包括
-第一和第二输入电路(23，24，25)，用于将AC电力线电压转换为DC电压(28)；
-AC功率生成器(22)，用于从DC电压生成AC信号；
-感应旋转接头，其在静止部(20)具有初级绕组(21)并且在旋转部(10)具有次级绕组(11)，用于将耦合到初级绕组中的来自AC功率生成器的AC信号传输至次级绕组，
-位于旋转部的负载(12)，其连接至感应旋转接头的次级绕组，以及
-位于初级侧的控制单元(26)和位于次级侧的控制单元(13)，位于初级侧的控制单元(26)用于至少控制AC功率生成器(22)，而位于次级侧的控制单元(13)用于至少控制负载(12)，
其特征在于，
第一输入电路(24)被配置用于生成相对较低的DC电压，
第二输入电路(25)被配置用于生成相对较高的DC电压，
第一和第二输入电路的输出信号被连接以输送功率给AC功率生成器(22)，
AC功率生成器(22)连同感应旋转接头(21，11)一起在接收到相对较低的DC电压时在次级侧产生相对较低的DC电压，而在接收到相对较高的DC电压时产生相对较高DC的电压至次级侧，并且
位于次级侧的控制单元(13)被连接以测量针对次级侧所产生的电压，区分相对较低的DC电压和相对较高的DC电压，并当在次级侧测量到相对较高的DC电压时使能负载。
2.根据权利要求1所述的旋转接头系统，
其特征在于，
第一输入电路(24)是接收单相输入(30)且具有滤波装置(23)的单相整流器。
3.根据前述任一权利要求所述的旋转接头系统，
其特征在于，
第二输入电路(25)是接收三相输入(32)且具有滤波装置(23)的三相整流器。
4.根据前述任一权利要求所述的旋转接头系统，
其特征在于，
第二输入电路(25)具有用于使能功率的装置和/或包括主功率开关(33)。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的旋转接头系统，
其特征在于，
单相整流器(24)和三相整流器(25)中的至少一个包括功率因子控制电路。
6.根据前述任一权利要求所述的旋转接头系统，
其特征在于，
第一和第二输入电路的输出信号是并联连接的。
7.一种旋转接头系统，用于将电功率从静止部(20)感应耦合至旋转部(10)，其包括
AC功率生成器(22)，用于从DC电压生成AC信号，
感应旋转接头，其在静止部(20)具有初级绕组(21)并且在旋转部(10)具有次级绕组(11)，用于将耦合到初级绕组中的来自AC功率生成器的AC信号传输至次级绕组，
位于旋转部的负载(12)，其连接至感应旋转接头的次级绕组，以及
位于次级侧的控制单元(13)，其用于至少使能负载(12)，
其特征在于，
AC功率生成器(22)连同感应旋转接头(21，11)一起被使能为在次级侧产生相对较低的DC电压或产生相对较高的DC电压至次级侧，并且
位于次级侧的控制单元(13)被连接以测量针对次级侧所产生的电压，区分相对较低的DC电压和相对较高的DC电压，并当在次级侧测量到相对较高的DC电压时使能负载。
8.根据前述任一权利要求所述的旋转接头系统，
其特征在于，
AC功率生成器(22)连同感应旋转接头(21，11)一起被使能为：在接收到相对较低的DC电压时在次级侧产生相对较低的DC电压，以及在接收到相对较高的DC电压时或在接收到由位于初级侧的用于控制AC功率生成器(22)的控制单元(26)发出的控制信号时产生相对较高的DC电压至次级侧。
9.根据权利要求8所述的旋转接头系统，
其特征在于，
初级侧控制单元(26)被使能为检查AC功率生成器(22)的输入处的DC电压值是否处于相对较低的DC电压和相对较高的DC电压的预定限度以内，并生成相应的输出信号至AC功率生成器(22)。
10.根据权利要求7所述的旋转接头系统，
其特征在于，
初级侧控制单元(26)被使能为：如果在AC功率生成器(22)的输入处的DC电压值处于相对较低的DC电压和相对较高的DC电压的预定限度以外，则关闭AC功率生成器(22)。
11.根据前述任一权利要求所述的旋转接头系统，
其特征在于，
负载(12)包括x射线管。
12.根据前述任一权利要求所述的旋转接头系统，
其特征在于，
感应旋转接头的次级侧(11)具有连接至负载(12)的多个分别的部分的多个输出。
13.根据权利要求12所述的旋转接头系统，
其特征在于，
位于次级侧的控制单元(13)被连接以测量连接至负载(12)的各个分别的部分的所述多个输出或附接到所述多个输出的多个功率转换器中的至少一个上的电压和/或电流，并在所测得的值处于指定范围内时使能其它输出或功率转换器。
14.根据前述任一权利要求所述的旋转接头系统，
其特征在于，
位于次级侧的控制单元(13)被连接以：
a)检验针对次级侧所产生的电压是否位于预定窗口内，和/或
b)在使能负载(12)之前检查位于旋转侧的装置的功能参数。
15.根据前述任一权利要求所述的旋转接头系统，
其特征在于，
位于次级侧的控制单元(13)被连接以检查负载(12)的功能参数。
16.根据前述任一权利要求所述的旋转接头系统，
其特征在于，
能够通过控制AC功率生成器(22)的开关频率来修改次级侧的电压水平。
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