CN104285271A - 旋转阳极装置和x射线管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旋转阳极装置，其具有旋转阳极(104)、用于驱动旋转电极(104)的转子(143)和向转子(143)施加扭矩的定子(105)。定子(105)具有至少一个用于产生第一磁场的线圈(151)和至少一个用于产生第二磁场的永磁体(152)。本发明还提供一种具有按照本发明的旋转阳极装置的X射线管。本发明的优点在于，在通过永磁体激励的同步电机中实现更高的电磁利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种装置，其具有旋转阳极、用于驱动旋转阳极的转子和借助磁力在转子上施加扭矩的定子。本发明还涉及一种具有这种旋转阳极装置的X射线管。
背景技术
X射线通常通过由阴极发出的电子束撞击阳极产生。阴极和阳极在此设置在X射线管的真空壳体内。通常X射线管配备旋转阳极，该旋转阳极在触及电子束后转开，用于避免相对阳极静态的燃烧斑。燃烧斑是这样的点，即电子束在该点上触及阳极表面，所述燃烧斑从随着旋转阳极转动的坐标系的视角观察沿着圆形的轨道在阳极表面上移动。由此在触及电子束时产生的损失热量相对均匀地分布在阳极表面上，由此抑制在燃烧斑上可能的材料过热。
已知的X射线管的X射线旋转阳极借助异步电机驱动，其由逆整流器供电。与旋转阳极耦连的异步电机转子位于X射线管的真空活塞内。这种驱动装置例如在文献DE 197 52 114 A1中被公开。
在异步电机的定子中设有例如三个相互错开120°的绕组。转子由磁性反馈装置和导电材料制成，该导电材料设置为鼠笼式或钟罩式。磁性反馈装置也可以设计为固定的。当在定子的绕组中流过正弦式电流并且在电流之间存在120°的相位差时，在电机的定子中构成旋转的磁场。这种磁场穿过转子。旋转的磁场在转子的导体中感应出电压。因为导体由于其鼠笼式实施形式而短路，所以感应的电压在定子中引起电流。转子电流构成自身的磁场，其与定子的旋转磁场相互作用。扭矩作用在转子上，由此转子实施转动并且跟随定子磁场的转动。
转子跟随旋转的定子磁场但不同步，而是以更小的速度旋转。转子和定子磁场的相对运动是必需的，因为只有这样才能在转子中感应出电流并且转子形成其自身的磁场。因此，转子“异步”地相对定子磁场旋转。在定子磁场的频率和转子的旋转频率之间出现转差率。转差率的大小取决于负载和转子与定子之间的气隙的大小。在空转时转差率非常小。
在定子绕组和转子之间的气隙在传统的异步电机中非常小。但在X射线管中却期望更大的机械气隙，因为在定子和转子之间存在确保管真空的管壳。若转子还附加地处于高压电势，则相对定子还要保持更大的间距，用于保证电绝缘。在转子和定子之间的较大的气隙会引起定子的磁通密度在转子的位置上较小。可提供的扭矩很小，因为作用在转子上的洛伦兹力相对常见的异步电机较小。
还有问题的是在异步电机的转子中的涡旋电流，因为其在X射线管中产生额外的热损失。转子的热量必须被排出，这由于占支配地位的真空而很困难。此外生热导致转子材料的特殊的欧姆电阻的增大，由此作用在转子上的扭矩额外地减小。
原理上具有较大气隙的异步电机具有小于0.5的功率系数。也就是说，电机吸收了许多无用功率，由此电流幅度变得非常大。因此在公开文献DE 102011 077 746 A1中推荐，X射线管的旋转阳极配备同步驱动装置。取代异步驱动装置的短路转子而使用具有永磁材料的转子。若转子磁性化，则永磁体产生关于转子存在的磁场。转子与由定子产生的旋转磁场同步地转动。
文献DE 10 2011 077 746 A1公开了一种用于X射线管的旋转阳极，其具有用于驱动旋转阳极的转子，其中定子绕组的磁场在至少一个设置在转子中的永磁体上作用有一个扭矩。同步驱动的优点在于，在转子中的涡旋电流损失被最小化并且功率系数趋近于1。由此可以更有效地驱动旋转阳极。
图1示出了按照DE 10 2011 077 746 A1公开的具有同步驱动的X射线管。在X射线管1的抽空的管壳2内具有发射电子的阴极3和与其对置的旋转阳极4。旋转阳极4包括通过轴42与电机的转子43相连的阳极盘41。在转子43的转子材料45中设置已磁化的永磁体44，其产生随着转子43旋转的磁场。
在管壳2外部，定子5紧邻转子4地包围管壳2。定子5借助其通电的定子绕组51产生围绕管壳2旋转的磁场，该磁场在转子43上作用一个扭矩并因此旋转阳极4对应图1的实施形式进行同步旋转。定子绕组51设置在板组52中。
由阴极发出的电子束6朝向阳极盘41加速并且在触及阳极盘41时通过制动产生X射线7，其通过管壳2中的辐射窗8离开X射线管1。
转子的永磁体的问题在于，在X射线管运行中出现的温度超过300℃，并且在制造X射线管时的温度可以高达600℃。
专利文献US4322624A公开了一种旋转阳极，其具有包括线圈和永磁体的电机式的旋转阳极驱动装置。
公开文献WO 2010/136325A2公开了一种周向混合轴承，其由永磁体式轴承(用于产生排斥力)和电磁部件(用于产生牵引力)构成。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种另外的旋转阳极装置，其提供了相对已知解决方案的替代方案。
按照本发明所述技术问题通过独立权利要求的旋转阳极装置和X射线管解决。有利的扩展设计在各从属权利要求中给出。
本发明的核心思想在于，按照同步电机的原理驱动旋转阳极，其中用于产生磁性激励场(其将定子与转子关联)的定子包括永磁体和线圈。转子仅具有软磁的结构。由此消除在定子线圈的铜中和转子的铜柱中的这种损失份额，所述损失份额在相似的异步电机中通过用于产生激励磁通的电流会产生。还有利的是，可以实现更大的气隙，因此可以为管壳提供了充足的空间。转子有利地不具有永磁体，该永磁体的磁属性在较高的温度下(转子在运行中和在制造中处于该温度下)会持续地变差。
本发明要求保护一种具有旋转阳极的旋转阳极装置，其具有定子壳的向转子施加扭矩的定子、多个设置在定子中用于产生第一磁场的线圈、多个设置在定子中用于产生第二磁场的永磁体和设置在定子内部的用于驱动旋转阳极的转子。线圈和永磁体沿定子壳的圆周布置，其中各个永磁体(152)设置在各个线圈(151)内。
转子设计用于磁通量回路并且没有磁场源，并且转子具有沿转子的旋转方向的齿状结构。
本发明具有的优点在于，通过这种同步驱动装置可以比异步电机产生更小的损耗，因为在转子中不必使用电流来产生磁通。此外功率系数接近1，这又导致更小的电流并因此导致在前接的变流器中更小的损耗。结构空间也被明显地缩小，因为永磁激励的同步电机具有相对相似异步电机明显更高的电磁利用率。提高的效率有助于减小所需的结构空间。
在所述装置的扩展设计中，转子包括第一软磁材料。
在另一种实施形式中，所述装置包括多个定子齿模块，它们沿定子壳的圆周以均匀间距布置，其中，定子齿模块分别由两个由第二软磁材料构成的定子齿半部构成，其中在定子齿半部之间设置永磁体，并且其中围绕各两个定子齿半部和置于其间的各个永磁体缠绕线圈。
此外，旋转阳极包括阳极盘和支承阳极盘的轴，其中轴与转子相连。
本发明还要求保护一种具有按照本发明的旋转阳极装置的X射线管，其中转子设置在X射线管的管壳内部并且定子设置在X射线管(101)的管壳的外部。
附图说明
本发明的特点和优点由以下结合附图对实施例的描述得出。在附图中：
图1是剖切按照现有技术的X射线管的纵截面图，
图2是剖切具有按照本发明的旋转阳极装置的X射线管的纵截面图，
图3是切旋转阳极的定子和转子的横截面。
具体实施方式
图2示出剖切具有按照本发明的旋转阳极装置的X射线管101的纵截面图。在X射线管101的抽空的管壳102中具有发射电子的阴极103和与其对置的旋转阳极104。旋转阳极104包括阳极盘141，其通过轴142与电动机的转子143相连。转子143由第一软磁材料构成。软磁材料例如是硅钢片或硅钢板或SMC材料。
在管壳102的外部，定子105紧邻转子104地包围管壳102。定子105包括多个沿其圆周设置的、产生第二磁场的永磁体152，该第二磁场作为激励场作用在软磁的定子143上。定子105借助沿圆周设置的使电流流过的线圈151产生至少一个围绕管壳102转动的第一磁场。设置在定子105中的永磁体152产生第二磁场(等于激励场)。通过第一和第二磁场与定子143的相互作用产生扭矩，由此旋转电极104进行同步的旋转。永磁体152设置在第二软磁材料153中。
从阴极发射的电子束106朝向阳极盘141加速并且在触及到阳极盘141时通过制动产生X射线107，该X射线107通过管壳102中的辐射窗108离开X射线管101。
图3示出剖切按照本发明的按照图2的旋转阳极装置的定子105和转子143的横截面。定子105包括磁性的不导电的圆柱形定子壳154，其中沿着定子壳154的圆周以均匀间隔设置定子齿模块157，该定子齿模块157通过由第二软磁性材料153制成的定子齿半部155、例如电机钢板构成。在定子齿半部155之间以交替的极性设置永磁体152。围绕各两个定子齿半部155和永磁体152缠绕由铜线构成的线圈151，它们构成齿线圈156。线圈151在通电时产生第一磁场，永磁体产生第二磁场。两个磁场通过转子143封闭，因此，该转子构成电机的磁路的一部分。
转子143的第一软磁材料具有常规的齿形结构。通过两个磁场和转子143的相互作用形成作用在转子143上的扭矩，该扭矩用于驱动旋转阳极。
定子105例如由六个被缠绕的定子齿模块157构成，在定子齿模块157的中间在径向的竖立位置中分别嵌入永磁体152。定子齿模块157被单独地缠绕并且之后定子105由这些被缠绕的定子齿模块157构成。 因此定子105的这样构成的单独的线圈151被连接成三相电机绕组。通过这种具有定子齿模块157的分离绕组的模块式电机构造可以实现线圈151更高的铜填充系数，由此效率增大。
电机的运行性能以及控制由于正弦形感应的电压与在各种已知的永磁激励的同步电机中的是相同的。
附图标记清单
1 X射线管
2 管壳
3 阴极
4 旋转阳极
41 阳极盘
42 轴
43 转子
44 永磁体
45 转子材料
5 定子
51 定子绕组
52 板组
6 电子束
7 X射线
8 辐射窗
101 X射线管
102 管壳
103 阴极
104 旋转阳极
141 阳极盘
142 轴
143 转子
105 定子
151 线圈
152 永磁体
153 第二软磁材料
154 定子壳
155 定子齿半部
156 齿线圈
157 定子齿模块
106 电子束
107 X射线
108 辐射窗
Claims (5)
1.一种旋转阳极装置，其具有
-旋转阳极(104)、
-具有定子壳(154)的定子(105)，其向转子(143)施加扭矩
-多个设置在所述定子(105)中用于产生第一磁场的线圈(151)，
-多个设置在所述定子(105)中用于产生第二磁场的永磁体(152)和
-设置在所述定子(105)内部的用于驱动所述旋转阳极(104)的转子(143)，
其特征在于，
-所述线圈(151)和所述永磁体(152)沿定子壳(154)的圆周布置，其中永磁体(152)分别设置在各线圈(151)内，
-所述转子(143)设计用于磁通量回路并且没有磁场源和
-所述转子(143)沿所述转子(143)的旋转方向具有齿状结构。
2.按照权利要求1所述的旋转阳极装置，其特征在于，所述转子(143)包括第一软磁材料。
3.按照权利要求1或2所述的旋转阳极装置，其特征在于，
-多个定子齿模块(157)，它们沿所述定子壳(154)的圆周以均匀间距布置，
-其中，所述定子齿模块(157)分别由两个由第二软磁材料(153)制成的定子齿半部(155)构成，
-其中在所述定子齿半部(155)之间设置所述永磁体(152)，并且
-其中围绕各两个定子齿半部(155)和置于定子齿半部之间的各个永磁体(152)缠绕线圈(151)。
4.按照前述权利要求之一所述的旋转阳极装置，其特征在于，所述旋转阳极(104)包括阳极盘(141)和支承阳所述极盘(141)的轴(142)，其中所述轴(142)与所述转子(143)相连。
5.一种X射线管(101)，具有按照前述权利要求之一所述的旋转阳极装置，其特征在于，所述转子(143)设置在所述X射线管(101)的管壳(102)的内部并且所述定子(105)设置在X射线管(101)的管壳(102)的外部。
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