CN103260517A - 非接触式旋转接头 - Google Patents
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Abstract
一种非接触式旋转接头，其具有固定部和旋转部。并且，固定部和旋转部中的至少一个具有塑料制成的旋转接头体，该旋转接头体承载电容式数据链路和旋转变压器。该旋转变压器具有用于电功率传输的磁芯。设置屏蔽件，以阻止来自旋转变压器的电场和/或磁场对电容式数据链路的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触式旋转接头。该非接触式旋转接头可用于CT扫描器中。通常，这些非接触式旋转接头具有至少一个用于传输高功率水平的感应功率耦合器，以及用于宽带数据传输的高速数据链路。
背景技术
具有感应功率耦合器和双向高速数据链路的非接触式旋转接头在美国专利US 7,717,619 B2中公开。该旋转接头能够传输大于数百千瓦的功率以及在10 Gb/s范围内传输数据。由于通过基于旋转变压器的感应功率耦合器耦合的高功率水平，可能会对数据链路具有干扰。该干扰可能会导致数据丢失或甚至导致数据链路的完全故障。为了减少干扰，优选地，旋转变压器的磁芯是E形并具有差动绕组。随着进一步增加功率需求和增加数据速率，干扰的风脸增加。当旋转变压器中的功率水平增加并且从而杂散场增加时，数据链路的带宽也增加并且从而敏感性也增加。
发明内容
本发明要解决的问题是通过即使在旋转变压器中的功率水平和数据链路的带宽增加时也进一步最小化干扰风险，来改善非接触式旋转接头。本发明的其他目的是减少旋转变压器和非接触式数据链路之间的耦合。本发明的另一个目的是提供可在非金属旋转接头体上执行的测量。
独立权利要求中描述了该问题的解决方案。从属权利要求涉及本发明的进一步改进。
旋转变压器产生电和磁杂散场。设计旋转变压器的一个目的是将磁场通量保持在预定区域内。针对该目的，通常使用如特定铁氧体或铁芯的软磁芯。通常，旋转变压器在旋转的部分之间具有间隙从而允许旋转。具体地，在CT扫描器中，由于机架的旋转部相对较重，该间隙相对较宽。在一些情形中，机架甚至可能是倾斜的并因此需要额外的空间用于旋转部和固定部之间的机械运动，导致约1mm范围的间隙。该间隙和磁芯的有限磁导率导致磁杂散场。
除了磁场，旋转变压器也产生强电场。旋转变压器的绕组承载相当大的电压和电流。电压可处于500伏的数量级。此外，有来自开关半导体的高频峰将交流电压供应至变压器绕组。由于高功率和产生的高磁通量，磁芯具有相对大的横截面，其针对其他任意元件在它们附近产生相对高的电容。因此，电场可能干扰其他元件。一种减少干扰的方法是保持干扰元件之间的距离。
一般来说，电场和磁场可影响电容式数据链路的数据传输。它可能在数据链路的传输线路上产生显著的共模电压。电场和磁场还可能影响其他的电子和机械部件。例如，机架的旋转部和固定部之间的轴承可能会由于流过旋转部和固定部之间轴承的电流而被腐蚀。
本发明的基础是电场和磁场的转向以及由此产生的电压和电流。
通常，非接触式旋转接头具有旋转接头体，其承载用于传输电信号或功率所必需的元件。可以由金属制成旋转接头体，其提供了高的机械稳定性并提供了各个元件之间的一些屏蔽。缺点是附接至它的元件之间的紧密电耦合，这再次增加了干扰。此外，金属结构还通常随着信号由电容式数据链路的传输线路传输而辐射高频信号。
实施方式提供了减少非金属或塑料旋转接头体中干扰的解决方案。通常，旋转接头系统包括第一旋转接头体和第二旋转接头体，它们彼此很近地可旋转安装。通常，它们是非常类似的并几乎彼此对称。在多数情形中，具有包括传输线路和发射器的电容式数据链路，以及包括变压器磁芯的感应变压器，其中绕组附接至旋转接头体。
在优选实施方式中，提供了至少一个屏蔽件。该屏蔽件优选地使用来自旋转变压器的干扰。该屏蔽件优选是导电背板，其安装在旋转接头体背对旋转变压器磁芯的一侧。
在其他实施方式中，在旋转接头体内具有内屏蔽件，其位于旋转变压器磁芯和电容式数据链路传输线路之间。该屏蔽件可以模制于旋转接头体内。
其他优选实施方式涉及芯屏蔽件，其至少部分地包围旋转变压器磁芯。
在另一个实施方式中，至少一个屏蔽件具有比旋转接头体更高的导热性。因此它帮助消散来自旋转变压器的热量。优选地，至少一个屏蔽件热连接至旋转变压器芯。为了进一步改善到环境中的热消散，提供了至少一个散热片，其热连接至屏蔽件。
在另一个实施方式中，具有磁芯屏蔽件，其围绕旋转变压器磁芯的背侧。
在其他实施方式中，背板包括具有软磁性质的材料，用于改进磁场的屏蔽。
在其他实施方式中，传输线路可具有多个段用于数据传输。
在其他实施方式中，至少一个绕组可具有多个段。
在其他实施方式中，提供了经屏蔽的温度传感器。该温度传感器具有电连接至屏蔽件并优选电连接至背板的传感器屏蔽件。此外，该传感器热耦合到磁芯或绕组至少之一。
在其他实施方式中，金属带安装至旋转接头体。该金属带具有开口，优选为狭缝或孔洞。这些开口可被光学检测或磁性检测以识别带的位置，从而识别旋转接头体的位置。
通常，这里示出的思想也可以用于其他类型的非接触式变压器，如线性可移动耦合器。
附图说明
下面本发明将参照附图通过举例而不对一般性发明思想进行限定的方式对实施方式的示例进行描述。
图1示出了基本的非接触式旋转接头。
图2示出了具有滑环轨道的实施方式。
图3示出了具有导电背板的实施方式。
图4示出了具有改进的热消散的实施方式。
图5示出了具有内屏蔽件的实施方式。
图6示出了具有磁芯屏蔽件的实施方式。
图7示出了电屏蔽件连接。
具体实施方式
图1中示出了基本的非接触式旋转接头。它包括绕旋转轴101相对彼此可旋转的初级部和次级部。基本上，初级部和次级部是非常类似的。在这里所示的实施方式中，初级部具有旋转接头体100，其承载其他旋转接头元件。优选地，旋转接头体是盘状的。它还可以是鼓状的。在多数情形中，具有自由内孔。这在计算机断层成像(CT)扫描器中是特别需要的，以用于容纳患者。附接至该旋转接头体或结合至该旋转接头体的一个元件是非接触式数据链路，其在该实施方式中示出为电容式数据链路传输线路110。它通过连接线路112连接至数据发射器111。数据链路传输线路110几乎环绕旋转接头体100，从而允许独立于旋转角度的数据传输。数据链路接收器213定位在预定位置且不环绕旋转接头体。它非常靠近传输线路可旋转地安装以拾取从传输线路发射的信号。它通过第二托架214附接至次级侧。因此，数据链路接收器213在旋转过程中相对于数据链路传输线路110移动。该非接触式数据链路可将来自初级部的数据传输至次级部。针对功率传输，提供了旋转变压器。它包括磁芯120。在该实施方式中，它是E形芯，具有前向绕组121和后向绕组122。优选地，绕组是由绞合线制成的。磁芯可包括多个单独的芯段。
与初级部相对的是次级部，其具有次级旋转接头体200。它还包括第二电容式数据链路，其具有由第二数据发射器211通过第二连接线路212馈给的传输线路210。该第二电容式数据链路能够将数据从次级部传输至初级部。它还具有数据接收器113，其通过托架114安装至旋转接头体100。在该实施方式中，针对每个方向示出一条电容式数据链路。明显的是可以仅针对一个方向仅有一条数据链路。通常在CT扫描器中，需要至少一条从旋转部至固定部的数据链路。此外，提供了第二旋转变压器，其具有第二旋转变压器磁芯220和第二前向绕组221以及第二后向绕组222。
初级侧120和次级侧220的旋转变压器芯安装得非常靠近以允许它们磁场的耦合。
能够看出，具有旋转接头体100的初级侧和具有旋转接头体200的次级侧是对称且几乎相同的。因此在其他实施方式中，仅参照旋转接头体100和附接至其的部件。明显的是，本领域技术人员能够做出与第一部件相对称的第二部件。
旋转接头体110优选地由塑料制成，其提供对安装在其上或其内的元件的绝缘。该旋转接头体还可以由金属制成，其提供电屏蔽以及良好的热消散。金属旋转接头体的主要缺点在于相对高的成本。此外，金属接头体倾向于在其连接至传输线路110的地线时从传输线路110辐射RF信号。传输线路和金属接头体110之间的绝缘是非常复杂的，这是因为它需要相对低的电容。
在图2中示出了另一个实施方式。这里设置另外的第一滑环轨道131和第二滑环轨道132用于传输辅助信号或备用功率。它们还可以用于接地。在该情形中，滑环轨道可以连接至这里所示的金属板、结构或屏蔽件中的至少之一。这里，相应的次级侧旋转接头体将不具有另外的滑环轨道，而是具有滑环刷以与这些滑环轨道相接口。可以具有一个或任意其他数目的滑环轨道。此外，可以在次级侧具有滑环轨道而在初级侧具有相应的刷。
在图3中示出了具有导电背板140的其他实施方式，背板140优选为金属板或箔片，也可是其他任意导电材料，作为屏蔽件。该金属结构作为针对包含在磁芯120内的绕组的场的参照面。在导电背板140电连接至磁芯120时，它们之间具有电流。
图4示出了具有改进的热消散的另一实施方式。导电背板还可以改进旋转变压器的热消散。针对该目的，它具有比旋转接头体更高的导热性。它还可包括至少一个散热片151，以改进热传输和到环境中的热消散。也优选的是背板具有通往旋转变压器的至少一个导热体152用以改善热传输。在感应变压器和背板之间也可以具有导热材料。此外，优选的是该导热材料是绝缘体。还优选的是，最小化旋转变压器磁芯120和背板140之间的距离，优选为低于5mm以改进热传输。此外，在旋转接头体或背板内可以具有导引结构以产生通往旋转变压器磁芯120的额外气流。
图5示出了具有内屏蔽件141的实施方式。该内屏蔽件141阻止了由旋转变压器产生的场与电容式数据链路的干扰。优选地，内屏蔽件141具有闭环形结构。它还连接至系统地。它优选地包括软磁材料以改进屏蔽。它可包括金属片、网或箔。它优选地被浇铸到或模制到旋转接头体100中。
图6示出了具有磁芯屏蔽件142的实施方式。这里，芯屏蔽件优选围绕磁芯120。它完全包围磁芯的自由侧，它提供了最好的可能屏蔽。
图7示出了电屏蔽件连接。可以是前向绕组121或后向绕组122中任一个的绕组123的线处于旋转变压器磁芯120内。它通过电缆连接145连接至经屏蔽的电缆150。经屏蔽的电缆150的屏蔽层通过低阻抗和/或低电阻连接144连接至屏蔽件143，屏蔽件143可以是这里所公开的任何屏蔽件。该连接可以是压接连接、软焊连接或熔焊连接。
附图标记列表
100 旋转接头体
101 旋转轴
110 电容式数据链路
111 数据发射器
112 连接线路
113 数据接收器
114 接收器托架
120 旋转变压器磁芯
121 前向绕组
122 后向绕组
123 绕组
131 第一滑环轨道
132 第二滑环轨道
140 导电背板屏蔽件
141 内屏蔽件
142 芯屏蔽件
143 屏蔽件
144 屏蔽件连接
145 电缆连接
150 经屏蔽的电缆
151 散热片
152 导热体
200 第二旋转接头体
210 第二电容式数据链路
211 第二数据发射器
212 第二连接线路
213 第二数据接收器
214 第二接收器托架
220 第二旋转变压器磁芯
221 第二前向绕组
222 第二后向绕组
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种非接触式旋转接头，具有固定部和旋转部，所述固定部和旋转部中的至少一个包括：
-塑料的旋转接头体(100)，其承载：
-具有用于数据传输的数据传输线路(110)的电容式数据链路，和
-用于电功率传输的旋转变压器磁芯(120)，其具有至少一个绕组(121、122)，
其特征在于：
设置至少一个屏蔽件(140、141、142、143)，用于屏蔽由旋转变压器产生的电场和/或磁场，以减少与电容式数据链路的干扰，并且
至少一个屏蔽件(140、141、142、143)具有比旋转接头体(100)更高的导热性，并帮助消散来自旋转变压器的热量。
2.根据权利要求1所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
至少一个屏蔽件(140、141、142、143)热连接至旋转变压器芯(120)。
3.根据权利要求1所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
至少一个屏蔽件(140、141、142、143)具有至少一个散热片(151)以增加到环境中的热消散。
4.根据权利要求前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
旋转接头体(100)为盘形，并且旋转变压器磁芯(120)保持在盘的一侧，而导电背板安装至盘的相反侧。
5.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
内屏蔽件(143)被模制到旋转接头体(100)中。
6.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
芯屏蔽件(142)至少部分地包围旋转变压器磁芯(120)。
7.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
旋转变压器具有至少一个绕组(123)，其通过经屏蔽的电缆(150)连接至逆变器，其中电缆的屏蔽层连接到至少一个屏蔽件(140、141、142、143)，并且内导体连接至所述至少一个绕组。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
背板包括具有软磁性质的材料。
9.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
传输线路(110)具有多个段用于数据传输。
10.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
至少一个绕组(121、122)具有多个段。
11.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
经屏蔽的温度传感器，其具有电连接至背板的屏蔽件，并且该传感器热耦接至磁芯(120)或绕组(121、122)的至少之一。
12.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
金属带，其安装至旋转接头体，并具有开口用于光学地或磁性地读出该金属带的位置并从而读出旋转接头体的位置。
Claims (13)
1.一种非接触式旋转接头，具有固定部和旋转部，所述固定部和旋转部中的至少一个包括：
-塑料的旋转接头体(100)，其承载：
-具有用于数据传输的数据传输线路(110)的电容式数据链路，和
-用于电功率传输的旋转变压器磁芯(120)，其具有至少一个绕组(121、122)，
其特征在于：
设置至少一个屏蔽件(140、141、142、143)，用于屏蔽由旋转变压器产生的电场和/或磁场，以减少与电容式数据链路的干扰。
2.根据权利要求1所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
旋转接头体(100)为盘形，并且旋转变压器磁芯(120)保持在盘的一侧，而导电背板安装至盘的相反侧。
3.根据权利要求1或2所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
内屏蔽件(143)被模制到旋转接头体(100)中。
4.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
芯屏蔽件(142)至少部分地包围旋转变压器磁芯(120)。
5.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
至少一个屏蔽件(140、141、142、143)具有比旋转接头体(100)更高的导热性。
6.根据权利要求5所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
至少一个屏蔽件(140、141、142、143)热连接至旋转变压器磁芯(120)。
7.根据权利要求5所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
至少一个屏蔽件(140、141、142、143)具有至少一个散热片(151)以增加到环境中的热消散。
8.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
旋转变压器具有至少一个绕组(123)，其通过经屏蔽的电缆(150)连接至逆变器，其中电缆的屏蔽层连接到至少一个屏蔽件(140、141、142、143)，并且内导体连接至所述至少一个绕组。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
背板包括具有软磁性质的材料。
10.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
传输线路(110)具有多个段用于数据传输。
11.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
至少一个绕组(121、122)具有多个段。
12.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
经屏蔽的温度传感器，其具有电连接至背板的屏蔽件，并且该传感器热耦接至磁芯(120)或绕组(121、122)的至少之一。
13.根据前述任一权利要求所述的非接触式旋转接头，其特征在于：
金属带，其安装至旋转接头体，并具有开口以用于光学地或磁性地读出该金属带的位置并从而读出旋转接头体的位置。
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