CN105719821B - 具有u形铁氧体芯的感应旋转接头 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种具有U形铁氧体芯的感应旋转接头。一种旋转电力变压器包括具有一次绕组的一次磁芯和具有二次绕组的二次磁芯。磁芯优选包括铁氧体材料并且为U形，并具有连接两个腿的基底。腿的宽度显著大于基底的高度，从而产生更好的磁耦合和对机械偏差显著改进的公差。

Description

具有U形铁氧体芯的感应旋转接头

技术领域

本发明涉及专门用于高水平的电功率的传输的非接触式旋转接头，也称为旋转电力变压器。这样的非接触式旋转接头可以用在CT扫描仪。

背景技术

一种包括感应功率耦合器的非接触式旋转接头在美国专利US7197113 B1中被公开。这样的旋转接头能够将超过一百千瓦的功率从静止部分传输到旋转部分。这样的旋转接头具有重的铁或铁氧体芯以用于引导磁场。例如，在CT扫描仪中需要大于一米的自由口径。因此这样的旋转接头的内径可以大于1米，其需要大并且厚重的机械支撑结构。

欧洲专利公告EP1481407 B1公开了一种具有由保持在U形环内的多个成形部分制成的绕组的旋转变压器。

具有U形铁氧体芯的感应旋转接头在US5608771中被进一步公开。

发明内容

本发明要解决的问题是通过简化机械设计、增加鲁棒性、提高承受大的离心力的能力和增大可靠性、同时减少重量，从而改进旋转电力变压器。

这个问题的解决方案在独立权利要求中被描述。从属权利要求涉及本发明的进一步的改进。

旋转电力变压器具有静止部分和旋转部分。在本文中这样的部分的基本结构和功能被示出。通常优选的是，旋转变压器是对称的，具有基本相同的静止部分和旋转部分。当然，这些部分可以不同，以满足如用于固定到机器的装置中静止部分或旋转部分的特定需要。静止部分和旋转部分中的至少一个，优选地两者均基于优选为环状的机体。机体可以具有盘或鼓的形状。机体的主要功能是给予旋转电力变压器的电气和磁性组件稳定的支撑。机体可以进一步由如CT扫描仪的机器的部分支撑，电力变压器被集成到此机器中。机体可以由如铝的金属或由塑料材料制成，其优选地被进一步增强。优选的是，由电绝缘和非磁性的材料制造机体。机体优选地具有圆形形状。它也可以具有适于机器的不同形状。

旋转电力变压器还具有一次侧和二次侧。一次侧可以是在静止侧或在旋转侧，而二次侧是在另一侧。一次侧具有至少一个一次绕组，其包括至少一个一次线匝。二次侧包括至少一个二次绕组，其具有至少一个二次线匝。为了引导一次侧和二次侧之间的磁场，提供了优选为软磁性材料的磁性材料。最优选的是，磁性材料是铁氧体材料。在替代实施例中，可以使用铁粉材料。而铁氧体材料优选用于较高的频率，铁粉材料在较低频率时提供较高的Q。这两种材料均提供高的机械强度并且可以被机器精确地加工成所需的尺寸。最优选地，铁氧体由于其高硬度和低热膨胀而被使用。铁氧体材料可以通过研磨而被精确地机加工，这允许对旋转部分之间的气隙的精确限定。

在比如CT扫描仪的大型设备中，旋转电力变压器具有大约0.5米到1.5米的直径，不可能建立一片磁芯。替代地，用于耦合磁场的磁芯由多个小的分段组装而成。

正如本领域已知的那样，磁芯被设计以使得磁性横截面沿磁路近似恒定，引起通过芯的恒定的磁通密度。在非恒定横截面的情况下，具有最小横截面的磁芯的截面将会首先在高通量密度下饱和。这将导致磁芯中减小的电感和散热。因此，理想的是具有恒定的磁性横截面以获得具有最小化的铁氧体材料要求的最宽的操作范围。因此，标准的U形铁氧体芯具有铁氧体材料的相同横截面的一对腿和基底。

用大量磁性材料和铁氧体芯以及磁模拟和计算的测试示出，用于旋转电力变压器的磁芯应该被不同地设计。与现有技术相比，腿具有比基底显著较大的横截面。优选地，假定恒定的厚度，每个腿的宽度在基底高度的1.5倍至5倍之间。最优选地，各腿的宽度是基底高度的2倍至3倍之间。在最优选的实施例中，每个腿的宽度是基底高度的大约2.5倍。

当设计比如用于静止变压器的正常磁芯时，空气间隙必须不被考虑，因为这是可忽略的。在旋转电力变压器中，至少有0.1mm的最小空气间隙，空气间隙可以高达3mm。测试示出，此空气间隙不是恒定的。由于安装不对称，它随着旋转而变化。此外，由于在CT扫描仪中旋转部分重量较大，重力有不可忽略的影响，进一步使部分变形并且造成非恒定尺寸的空气间隙。大电功率下的测试示出，当操作具有高磁通的旋转变压器时还具有显著的磁力，这还导致空气间隙的几何结构的进一步变化。通过使用显著较宽的腿，磁耦合得到改善。磁通分布在较大腿的较大区域。这导致较好的耦合，变压器较大的主感应率，还导致驱动变压器的逆变器的较小的损失。由于腿较宽，腿之间的区域之外的杂散磁通也显著减小。因此，由于渗入绕组的磁场减小，对外部组件的影响被最小化，并且也减少了旋转电力变压器的绕组的损失。宽腿的另一个益处是对一次铁芯和二次铁芯的腿之间的位移的公差提高。

在进一步的实施例中，磁芯由可以是圆形鼓，圆柱体或盘的基体保持。优选地，基体具有用于保持磁芯的槽。进一步优选的是，槽的宽度比磁芯的宽度大，在槽的侧壁和芯的侧壁之间产生间隙。进一步优选的是，此间隙至少部分地填充有填充物。这种填充物可以是软材料或弹性材料，以补偿由基底和芯的材料的热膨胀产生的力。在优选的实施例中，其中基底是塑料材料制成，磁芯是铁氧体材料制成，两种材料具有不同的热膨胀系数，导致当温度变化时不同的膨胀。因此，铁氧体芯的膨胀可能与基体中的间隙的膨胀不同，使得基体中的间隙对磁芯来说可以太窄或太宽。间隙中的弹性填充物可以有助于在间隙中保持磁芯。进一步优选的是，在磁芯、填充物和基体的热膨胀系数被定义的情况下，尺寸被选择以使得磁芯的热膨胀加上填充物的热膨胀等于基体中的间隙的热膨胀。

在另一个实施例中，铁氧体芯具有绕组空间高度和绕组空间宽度，其适于卷绕到绕组空间的线的尺寸。在优选的实施例中，特定数量的线匝可以是2匝和10匝之间，其被卷绕到磁芯的绕组空间。优选地，线匝被卷绕在一个层中。这可以有助于保持低寄生电容，并且简化机械组装。现在优选地的是，绕组空间宽度是N个绕组的绕组空间高度的近似N倍。

根据进一步的实施例，提供围绕磁芯的屏蔽装置。屏蔽装置可以由薄层的、如铝或铜的导电材料制成。屏蔽装置可以被提供在至少一个磁芯下面或被安装到与槽相对的机体侧。

在优选实施例中，屏蔽装置被放置在机体的背面，形成具有与铁氧体大致相同尺寸但与它们重叠的闭环(内径较小和外径较大)。环可以包括重叠的环分段，优选为用螺栓固定或熔接或焊接在一起的金属片。金属片可以用作减少杂散磁场的磁屏蔽装置，并当连接(直接或通过电容器)到地电位或电源电路电位时，用作限定电容寄生电流的电屏蔽装置。

在进一步优选的实施例中，磁芯是U形的。根据另一个实施例，还可以使用E形铁氧体芯，其中腿宽度也大于基底高度。

附图说明

下面将参考附图通过实施例的示例以示例的方式描述本发明，但不限制总的发明构思。

图1示出了盘形旋转电力变压器的第一实施例。

图2示出了鼓形旋转电力变压器的第二实施例。

图3示出了旋转电力变压器的截面视图。

图4示出了磁芯的尺寸。

图5示出了移位的一次和二次磁芯。

图6示出了安装到基底的磁芯的截面视图。

图7示出了安装到基底的磁芯的另一截面视图。

图8示出了CT扫描仪。

具体实施方式

在图1中，示出了盘形旋转电力变压器100的第一实施例。具有一次绕组111的一次磁芯110是相对于具有二次磁绕组121的二次磁芯120可旋转的。在一次磁芯110和二次磁芯120之间是在垂直于旋转轴150的平面中的空气间隙130。

在图2中，示出了鼓形旋转电力变压器的第二实施例。具有一次绕组111的一次磁芯110是相对于具有二次磁绕组121的二次磁芯120可旋转的。在一次磁芯110和二次磁芯120之间是在与旋转轴150同轴的圆柱体表面上的空气间隙130。

在图3中，示出了旋转电力变压器的截面视图。具有一次绕组111的一次磁芯110是相对于具有二次磁绕组121的二次磁芯120可旋转的。在一次磁芯110和二次磁芯120之间是空气间隙130。

在图4中，示出了磁芯的尺寸。一次磁芯110具有与二次磁芯120基本相同的尺寸。因此，仅仅参考一次磁芯110。一次磁芯110具有两个腿118和连接两腿的基底119。腿118具有腿宽度152，其比基底高度151大。优选地，每个腿152的宽度是基底高度的1.5倍至5倍之间。最优选地，每个腿152的宽度是基底高度的2倍至3倍之间。在最优选的实施例中，腿宽度152是基底高度151的大约2.5倍。磁芯具有绕组空间，其有绕组空间高度161和绕组空间宽度162。优选的是，绕组空间高度和绕组空间宽度被调整到形成绕组的独立线匝的绕组线的直径171。在这个实施例中，示出了四匝。因此，绕组空间宽度162是绕组空间高度161的大约4倍。

在图5中，示出了移位的一次磁芯和二次磁芯。这里，一次磁芯110相对于二次磁芯120移位了大约位移153和空气间隙宽度155。由于在先前图中示出的大的腿宽度，一次磁芯110和二次磁芯120之间仍然保留有显著的重叠，具有仍然大于基底高度151的重叠长度154。如果使用现有技术中已知的普通磁芯，腿的宽度与基底高度相同，则一次磁芯和二次磁芯的腿之间没有重叠。因此，会有非常低的耦合，这将使得旋转电力变压器无用。

在图6中，示出了安装到基体200的磁芯120的截面视图。基体200可以是盘状或圆柱状的机体，其优选地具有用于保持磁芯120的槽201。优选的是，槽201比磁芯120的宽度更宽，从而产生间隙。进一步优选的是，用填充物210填充间隙，填充物210优选是弹性材料以补偿磁芯和基底不同的热膨胀。

在图7中，示出了安装到基体200的磁芯120的不同实施例的另一截面视图。这里，在芯的两侧存在用填充物210填充的间隙。这将导致更好的压力分布。在此图中，还提供屏蔽装置250。

图8示意性地示出了CT(计算机断层扫描)扫描仪机架。静止部分在巨大的框架810内悬挂。机架的旋转部分809相对于静止部分可旋转地安装，并沿旋转方向808旋转。旋转部分可以是金属盘，其支撑X-射线管801、检测器803和另外的电子和机械组件。X-射线管用于产生X射线束802，X射线束802辐射穿过躺在台807上的患者804，并且由检测器803截获并转换成电信号和成像数据。由检测器803得到的数据经由非接触式旋转接头(未示出)通过数据总线或网络805的方式传输到评估单元806。来自静止的电源单元811的电功率可以通过感应功率耦合器800传输到旋转部分。

附图标记列表

100 旋转电力变压器

110 一次磁芯

111 一次绕组

118 腿

119 基底

120 二次磁芯

121 二次绕组

130 空气间隙

150 旋转轴

151 基底高度

152 腿宽度

153 位移

154 重叠长度

155 空气间隙宽度

161 绕组空间高度

162 绕组空间宽度

171 线直径

200 基体

201 槽

210 填充物

250 屏蔽装置

800 感应功率耦合器

801 X-射线管

802 X-射线束

803 X-射线检测器

804 患者

805 网络

806 评估单元

807 病人台

808 旋转方向

809 旋转部分

810 框架

811 电源单元

Claims (8)

1.旋转电力变压器(100)，包括具有至少一个一次绕组(111)的一次磁芯(110)和具有至少一个二次绕组(121)的二次磁芯(120)，一次磁芯(110)紧密接近于二次磁芯(120)，两者由空气间隙(130)分开，一次磁芯(110)和二次磁芯(120)围绕旋转轴(150)相对彼此可旋转，

磁芯(110，120)包括具有连接两个腿的基底的U形磁芯，腿具有比基底高度大多于1.5倍的腿宽度，

磁芯中的至少一个包括铁氧体材料和／或铁粉材料，

磁芯(110，120)中的至少一个被安装到基体(200)，基体(200)具有有着比磁芯中的至少一个的宽度更大的宽度的槽(201)，

具有由槽(201)的宽度和磁芯的宽度所限定的间隙，其至少部分地由填充物(210)填充，并且

尺寸被选择以使得磁芯的热膨胀加上填充物的热膨胀等于基体中的间隙的热膨胀。

2.如权利要求1所述的旋转电力变压器，其特征在于，

磁芯(110，120)具有是绕组空间高度N倍的绕组空间宽度，其中N是绕组线匝的数量。

3.如权利要求1所述的旋转电力变压器，其特征在于，

填充物是弹性材料。

4.如权利要求1所述的旋转电力变压器，其特征在于，

屏蔽装置被提供在至少一个磁芯下面或被安装到与槽相对的机体一侧。

5.如权利要求4所述的旋转电力变压器，其特征在于，

屏蔽装置包括导电片材料。

6.如权利要求5所述的旋转电力变压器，其特征在于，

屏蔽装置包括金属片。

7.如权利要求1或2所述的旋转电力变压器，其特征在于，

每介腿的宽度(152)是基底高度(151)的2倍和3倍之间。

8.如权利要求7所述的旋转电力变压器，其特征在于，

每个腿的宽度(152)是基底高度(151)的2.5倍。

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