CN105720698A - 具有次级安全电路的感应旋转接头 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种具有次级安全电路的感应旋转接头。一种优选用于从CT扫描仪的静止部分向旋转部分传输电功率的感应旋转功率传输电路包括感应功率变压器，所述感应功率变压器具有静止的初级侧和旋转的次级侧。次级侧经由整流器连接到滤波电容器，输送电功率到负载。滤波电容器的输出引脚中的一个连接到旋转部分处的次级地，所述次级地进一步经由电流滑环连接到静止保护地。在次级变压器绕组和次级地之间短路的情况中，通过整流器二极管中的一个使次级绕组局部短路。这造成初级侧处的不对称电流负载以及流经滑环的电流。这两个电流均可以用于检测次级绕组的故障。

Description

具有次级安全电路的感应旋转接头
技术领域
本发明涉及一种用于在相对彼此可旋转的两个单元之间耦合的电功率的感应功率耦合设备，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作旋转接头。
背景技术
在计算机断层(CT)扫描仪以及其他相关机器中，在从10kW直到超过100kW范围中的大功率从静止侧被传送到旋转侧。这里，生成在超过一百千伏范围中的高电压以产生X射线辐射。
在美国专利US7,054,411中，公开了一种多通道感应旋转接头。它具有用于将功率从静止侧传输到旋转侧的感应通道。具有辅助电源和主电源电路。此外，提供了用于功率控制的电容性反馈链路。可能具有一些故障状态，如旋转功率通道对保护地的短路，这可能引起旋转部分处危险的高电压，并且这还可能使得反馈链路的旋转部分不操作并且因此可能干扰与初级功率控制器的通信。
发明内容
本发明要解决的问题是使用旋转部分之间的感应功率耦合器增加设备的安全性。这样的设备可以是CT扫描仪。具体地，旋转功率通道对保护地的短路应当不再引起旋转部分处过高的电压。此外，装置和方法应当被提供以便从静止侧检测这样的短路，而无需来自旋转侧的通信。
所述问题的解决方案在独立权利要求中描述。从属权利要求涉及本发明的进一步改进。
感应旋转接头通常被建造得像电源变压器，其中一侧相对另一侧旋转。例如，在CT扫描仪中，功率必须从静止侧传输到旋转侧。因此，功率耦合器是具有静止的初级绕组和次级旋转绕组的变压器。为了简便，下面的解释和实施例指的是这样的CT扫描仪旋转接头。显而易见的是，同样可以被应用到通常的任何旋转接头，并且还能应用于用于将功率从旋转侧传输到静止侧的旋转接头。
由于变压器仅仅可以传输交流(交变电流)，因此变压器要么由交流线电压馈电，要么由逆变器馈电，生成可以经由旋转变压器更好地被传送的较高频率的交流电压。在输出侧，在大多数情况中，此交流电压被转换为直流电压以提供直流输出。这可以通过桥式整流器来进行，滤波电容器跟随在桥式整流器后面以生成平滑的直流电压。虽然旋转变压器的次级绕组和由此生成的直流电压是浮动的，但在次级直流电路和保持旋转部分的组件的机械基底之间具有相当大的电容。这在CT扫描仪的情况中尤为如此，其中安装到旋转盘的大量电子组件形成旋转部分的机械基底。机械基底还被称为次级地或旋转地。此外，可以具有用于抑制噪声的电容器，其连接在直流电压源和机械基底之间，其还可以通过电滑环连接到静止的保护地。这种与保护地的连接还防止在某些对地故障的情况下旋转部分处的高电压，并且因此防止当在这样的故障状态下触摸设备时操作设备的人的触电。
基本上，次级绕组与机械部分隔离，并因此与保护地隔离。在某些情况下，所述隔离可能失效。例如，这可能是由隔离的机械损坏造成的机械故障，其优选地可能发生在隔离末端处或发生在次级绕组的隔离线连接到如整流器的外部设备的位置处。可以存在其他故障模式，如可能由过热造成的热故障，或由隔离的长期劣化、或由火花作用或电弧作用造成的电气故障，或甚至这些故障模式中的一些模式的组合。
在这样的短路故障发生时，地电容器(先前提到的次级输出端和旋转地之间的电容)并联地连接到桥式整流器二极管中的至少一个。现在，桥式整流器用作倍压器。因此，直流输出电压可以变为正常直流输出电压的两倍。具有较高可能性的是，这将导致附接到直流输出电压的许多电气或电子组件的故障。
在第一实施例中，在直流输出线路和机械基底之间存在低阻抗电流连接，其中直流输出线路可以是正直流输出或负直流输出。
此外，优选的是在静止侧和旋转侧之间提供有电流连接，电流连接还连接到所述直流电压输出端。电流连接优选为具有在滑轨上滑动的刷的滑环。在另一实施例中，可以由轴承做出电流连接，所述轴承例如可以是旋转部分和静止部分之间的滚珠轴承。最优选地，此轴承还由并联的低电流滑环补充。在正常操作状况下，没有流经电流地连接的电流。因此，此电流地连接具有极长的使用寿命，这是因为不存在由通常在高电流下出现的电弧作用造成的刷和滑轨的磨损。如果使用轴承，则也没有磨损或腐蚀。
在其他实施例中，在优选为静止侧的旋转变压器的初级侧处提供控制单元。此控制单元优选地测量通过电流地连接的电流。在次级绕组对次级地短路的故障情况中，将存在流经此线路的显著的脉动电流，其可以由控制单元容易地检测到。此控制单元还可以发出紧急切断信号以禁用来自设备的电源。这样的信号可以控制向电容式旋转变压器的初级绕组供应交流电压的初级逆变器。在另一实施例中，控制单元可以连接到在初级绕组和/或初级输入端处的电压和/或电流传感器，检测异常电压/电流以检测所述短路。
在停止期间，保持旋转部分的滚珠轴承可以提供足够的接地或保护地。接地还可以通过接地跳线增加，接地跳线可以被手动地插入以用于维护和服务。
在另一实施例中，具有用于例如通过使二极管短路生成如上所述的短路的开关。此开关可以用于从次级侧触发初级侧处的断电。如果在次级侧具有任何故障，此开关可以被用作紧急关闭器(shutoff)。
这些实施例提供了与现有技术相比、在可靠性和安全性上显著的改进。
附图说明
在下面，将参考附图通过实施例的示例以示例的方式描述本发明，而不限制一般发明构思。
图1示出了优选实施例的电路图；
图2示出了第一实施例中第一故障模式中的正电流路径；
图3示出了第一实施例中第一故障模式中的负电流路径；
图4示出了现有技术已知的电路；
图5示出了根据现有技术的第一故障模式中的正电流路径；
图6示出了根据现有技术的第一故障模式中的负电流路径；
图7示出了正常操作中的正电流；
图8示出了正常操作中的负电流；
图9示出了CT扫描仪。
具体实施方式
在图1中，示出了优选实施例的电路图。如CT扫描仪的装置可以包括优选静止的初级侧100和优选旋转的次级侧200。具有旋转变压器，其具有初级绕组110和次级绕组210，以用于将来自初级侧的电气信号感应耦合到次级侧。初级绕组110由逆变器120馈电，逆变器120将经由初级输入端131、132接收的输入电压转换为交变电压，此交变电压优选是从1kHz到100kHz的频率范围中的电压，最优选是约20kHz的电压。次级绕组210的电压输出在次级绕组触点254、255处被提供，触点254、255连接到整流器。优选地，整流器是包括四个二极管221-224的桥式整流器。整流器的输出端优选地连接到滤波电容器230。此外，连接到滤波电容器230的可以是正输出电压引脚251和负输出电压引脚252，负载240可以通过它们连接。在CT扫描仪中，负载可以包括X射线管和/或多个电气或电子电路，比如计算机、检测器和成像处理装置。输出引脚251、252中的一个连接到次级地253。优选地，负输出端252连接到次级地253。次级地253优选地基于旋转侧的机械部分，其可以是CT扫描仪机架的旋转部分。
进一步优选的是具有滑环280，其包括至少一个滑轨281和至少一个刷282，以用于将所述次级地253电连接到保护地134(其可以是初级地)，其还可以经由保护地连接器133连接到主电源系统或特定的接地片。
进一步优选的是在初级侧具有用于控制逆变器120的控制单元150或任何其他控制装置。控制器150可以连接到地电流传感器151，以用于测量次级地253和保护地134之间的电流。它还可以通过优选地使用次级电流传感器153测量通过初级绕组110的电流。基于此测量结果，可以生成触发信号152。
在感应旋转耦合器中，可能发生某些故障。这些故障中的一个可以是次级绕组对次级地253的短路。在这个实施例中，第二次级绕组触点255的短路被标记为指示短路的虚线270。如果第一次级绕组触点254具有对次级地253的短路，则类似的情形发生。还可以具有次级绕组210的任何其他部分对次级地253的短路。通过短路，依赖于短路的种类，整流器二极管221、223中的一个被短路。由虚线270所指示的短路的种类示例性地说明此功能。在这种情况中，整流器二极管223短路。由于旋转变压器在交流信号下操作，因此在其输出处传输正半波和负半波。在次级绕组210传输正输出时，在第一次级绕组触点254处的电压高于第二次级绕组触点255处的电压的情况下，电路照常工作，这是因为整流器二极管222使电流流入滤波电容器230和负载240。在传输负半波时，第一次级绕组触点254处的电压低于第二次级绕组触点255处的电压，然后二极管224提供次级绕组的短路。此短路导致通过旋转变压器的不对称电流，例如可以由第二电流传感器153在初级侧处容易地检测到此不对称电流，但还会生成可以由初级侧处的地电流传感器151检测到的信号。
由于由整流二极管中的一个整流二极管造成的次级绕组210的不对称短路，电路不可能如图4所示的现有技术那样用作倍压器。
在图2中，在短路270情况下的第一故障模式中的正电流路径被示出为具有指示电流方向的箭头的虚线。当第一次级绕组触点254处的输出电压高于第二次级绕组触点255处的电压时，则电流流经电路，如图所示。电流流经整流器二极管222，进入电容器230，并且经由次级地253和短路270返回到第二次级绕组触点255。这种种类的电流造成电容器230的正常充电。
如图2所示的流入相反方向的负电流通过具有指示电流方向的箭头的虚线在图3中被示出。电流从第二次级绕组触点255流出，经由短路270和次级地253，通过二极管224返回到第一次级绕组触点254。这是经由次级绕组210的二极管224的短路。具有经由滑环280流入保护地134的另外的寄生电容电流，其可以由控制电路150检测到。此外，可以由感应旋转接头的初级侧处的第二电流传感器153容易地检测到不对称负载。
在图4中，示出了现有技术已知的实施例。这里，没有具有相关联的电路和组件的滑环280和控制器150。此外，具有地电容器260。需要此电容器提供电路输出和次级地253之间的高频连接。在此实施例中，电源的负输出端连接到次级地253。如果发生如虚线270所示的次级绕组210和次级地253之间的短路，则电路用作倍压器，造成电容器230处常规输出电压的近似加倍。这将影响所连接的负载240的操作。具有较高可能性的是，可能毁坏或至少损坏负载内的敏感电子组件。
在图5中，根据现有技术的第一故障模式中的正电流路径被示出为具有指示电流方向的箭头的虚线。在次级绕组210的正输出电压的情况中，电流流经整流二极管222进入电容器230并由此经由电容器260、次级地253、和短路270返回到第二次级绕组触点255。如下一附图将示出的那样，由次级绕组210的在前负半波输出的电流对电容器260充电，充电到到具有与电容器230处电压相反极性的负电压。因此，地电容器260的正电侧是次级地253处，而负电侧是负输出端252处。由于电容器230和地电容器260上的总电压等于次级绕组210的输出电压，因此电容器230必须需要具有次级绕组210的输出电压的两倍。这导致负载240处两倍的输出电压。
在图6中，根据现有技术的在负方向上的电流被示出为具有指示电流方向的箭头的虚线。电流从第二次级绕组触点255流经短路270和次级地253，通过地电容器260和二极管224，返回到第一次级绕组触点254。可以看出如何用与电容器230相反方向的充电电流对地电容器260充电，如先前附图的描述所提到的那样。
在图7中，示出了优选实施例的正常操作中的正电流。这里，电流从第一次级绕组触点254流入二极管222、电容器230和二极管223，返回到第二次级绕组触点255。
在图8中，示出了优选实施例的正常操作中的负电流。这里，电流从第二次级绕组触点255流经二极管221、电容器230和二极管224，返回到第一次级绕组触点254。
图9示意性地示出了CT(计算断层)扫描仪机架。静止部分悬挂在巨大的框架810内。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。旋转部分可以是支撑X射线管801、检测器803和另外的电子和机械组件的金属盘。此盘可以限定次级地。X射线管用于生成X射线束802，其辐射穿过躺在台807上的患者804，并且被检测器803截获并且被转换为电气信号以及成像数据。由检测器803获得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被传送到评估单元806。来自静止电源单元811的电源可以由感应功率耦合器800传送到旋转部分。
附图标记列表：
100初级侧
110初级绕组
120逆变器
131、132初级输入
133保护地连接器
134保护地
150控制单元
151地电流传感器
152触发信号
153第二电流传感器
200次级侧
210次级绕组
221-224整流器二极管
230电容器
240负载
251正输出端
252负输出端
253次级地
254、255次级绕组触点
260地电容器
270短路
280滑环
281滑轨
282刷
800感应功率耦合器
801X射线管
802X射线束
803X射线检测器
804患者
805网络
806评估单元
807患者台
808旋转方向
809旋转部分
810框架
811电源单元

Claims (11)

1.一种感应功率传输电路，其至少包括具有相对次级侧(200)可旋转地布置的初级侧(100)的感应旋转耦合器，
所述初级侧(100)至少包括初级绕组(110)，所述次级侧(200)至少包括次级绕组(210)，连接到所述次级侧的整流器(221-224)，以及进一步连接到所述整流器的电容器(230)，所述次级侧还具有正输出端(251)和负输出端(252)以用于将直流电压传输到次级侧的负载(240)，其特征在于：
正输出端(251)或负输出端(252)中的一个连接到旋转部分的次级地(253)，所述次级地进一步经由电流触点(280)耦合到初级侧(100)的保护地(134).
2.根据权利要求1所述的感应功率输出电路，其特征在于：
所述电流触点至少包括滑环(280)，所述滑环(280)还包括至少一个滑轨(281)和在所述滑轨上滑动的至少一个刷(282).
3.根据权利要求1所述的感应功率输出电路，其特征在于：
所述电流触点至少包括在所述次级侧和所述初级侧之间的轴承.
4.根据前述权利要求中任何一个所述的感应功率传输电路，其特征在于：
所述整流器是桥式整流器(221、222、223、224).
5.根据前述权利要求中任何一个所述的感应功率传输电路，其特征在于：
逆变器(120)被提供以用于驱动所述初级绕组。
6.根据前述权利要求中任何一个所述的感应功率传输电路，其特征在于：
在所述初级侧处提供控制电路(150)，以用于至少检测所述次级绕组(210)和所述次级地(253)之间的短路(270).
7.根据权利要求5所述的感应功率传输电路，其特征在于：
所述控制电路(150)提供用于禁用所述初级功率电路和/或所述逆变器(120)的触发信号(152).
8.根据权利要求6或7所述的感应功率传输电路，其特征在于：
所述控制电路具有用于测量通过所述滑环(280)的电流的至少一个地电流传感器(151)或用于测量在初级输入(131、132)处的输入电流的至少一个第二电流传感器(153)或至少一个传感器，以用于测量通过所述初级绕组(110)的电流.
9.根据前述权利要求中任何一个所述的感应功率传输电路，其特征在于：
所述次级地(253)由CT扫描仪的旋转部分限定。
10.根据前述权利要求中任何一个所述的感应功率传输电路，其特征在于：
开关被提供以生成所述整流器(221-224)的二极管的短路.
11.一种CT扫描仪，其包括根据前述权利要求中任何一个所述的感应功率传输电路.
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