CN107086117A - 用于计算机断层扫描台架的线频率旋转变压器 - Google Patents

Abstract

提供了一种线频率旋转变压器，其包括初级芯和次级芯。初级芯可磁性地耦接到次级芯。初级芯包括布置在可耦接到定子的第一环中的第一多个E芯钢层压件。初级芯包括设置在第一环内并且被配置为传输线频率AC功率的初级绕组。次级芯包括布置在可耦接到台架的第二环中的第二多个E芯钢层压件。台架可旋转地耦接到定子。次级芯包括设置在第二环内的次级绕组，并且次级绕组被配置为接收由初级绕组通过初级芯和次级芯在次级绕组中感应的线频率AC功率。

Description

用于计算机断层扫描台架的线频率旋转变压器

技术领域

本公开的领域总体涉及计算机断层扫描（CT）系统，以及更具体地，涉及用于CT台架（gantry）的线频率旋转变压器。

背景技术

通常，CT台架系统包括称为定子的静止部分和绕定子旋转的台架。台架容纳有X射线源和X射线探测器部件。定子向该台架递送功率以操作该CT台架系统。

可以使用各种技术将用于操作CT台架系统的功率从定子传输到台架。一种技术利用在定子和台架之间建立机械导电桥的接触滑环。机械导电桥通常由滑动接触（诸如例如导电刷）形成。替代地，可以利用非接触滑环，其称为旋转变压器。旋转变压器利用交变磁场将定子耦接到台架，用于功率传输。

发明内容

在一个方面，提供了一种线频率旋转变压器，其包括初级芯和次级芯。初级芯可磁性地耦接到次级芯。初级芯包括布置在可耦接到定子的第一环中的第一多个E芯钢层压件。初级芯包括设置在第一环内并且被配置为传输线频率AC功率的初级绕组。次级芯包括布置在可耦接到台架的第二环中的第二多个E芯钢层压件。台架可旋转地耦接到定子。次级芯包括设置在第二环内的次级绕组并且被配置为接收由初级绕组通过初级芯和次级芯在次级绕组中感应的线频率AC功率。

在另一方面，提供了一种为台架计算机断层扫描（CT）系统供电的方法。该方法包括在台架CT系统的定子上向线频率旋转变压器的初级侧提供线频率交流（AC）输入功率。该方法还包括在台架CT系统的台架上感应线频率旋转变压器的次级侧上的线频率AC输出功率。该方法还包括将线频率AC输出功率供应至X射线源和X射线探测器。

在另一方面，提供了一种台架CT系统。该台架CT系统包括线频率旋转变压器、台架和定子。线频率旋转变压器包括初级芯和次级芯。台架包括X射线源和使用来自线频率旋转变压器的线频率AC输出功率可操作的X射线探测器。台架还包括耦接到X射线源和X射线探测器的线频率旋转变压器的次级侧。定子包括线频率旋转变压器的初级侧。初级侧邻近次级侧设置，以限定初级芯和次级芯之间的空气间隙。初级侧被配置为接收线频率AC输入功率并且在线频率旋转变压器的次级侧处感应线频率AC输出功率。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其它特征、方面和优点，在附图中，相同的符号遍及各附图表示相同的零件，其中：

图1是台架CT系统的示例性实施例的框图；

图2是供在图1中示出的台架CT系统中使用的线频率旋转变压器的E芯的示例性实施例的横截面图；

图3是供在图1中示出的台架CT系统中使用的线频率旋转变压器的示例性实施例的横截面图；

图4是图3中示出的线频率旋转变压器的示例性弧形段的透视图；

图5是向图1中示出的台架CT系统提供功率的示例性方法的流程图；以及

图6是图1中示出的台架CT系统的示意图。

除非另有说明，本文提供的附图意在图示本公开的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括此公开的一个或更多个实施例的各种各样的系统中。因此，附图不意味着包括本领域普通技术人员已知的用于实践本文公开的实施例所需的所有常规特征。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求书中，引用具有以下含义的多个术语。

除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用。

“可选的”或“可选地”意指随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且该描述包括该事件发生的情况和该事件不发生的情况。

贯穿整个说明书和权利要求书，如本文中使用的近似语言可应用于修饰可以容许改变而不导致与其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由一个或多个术语（诸如“约”、“近似”和“基本上”）修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里以及贯穿整个说明书和权利要求书，范围限制可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，确定这些范围并且这些范围包括包含在其内的所有子范围。

接触滑环装置易于磨损并且需要频繁维护或更换。此外，滑动动作导致电刷磨损并将微粒污染物引入系统中。微粒污染物通常是导电的，并且能够破坏附近电子器件的正常操作。

替代地，可以在台架CT系统中利用非接触滑环或旋转变压器。本文认识到高频旋转变压器利用诸如整流器-逆变器电路之类的频率升高部件来生成与变压器材料兼容的频率。本文还认识到X射线源和X射线探测器通常利用直流（DC）或线频率，例如50Hz或60Hz的交流（AC）功率。因此，通过旋转变压器传输的高频功率在台架处被转换回DC或线频率。这些转换所必需的部件对CT台架系统引入成本、复杂性和尺寸问题。

通常，变压器被设计为接受一定量的输入功率从而以有效的方式生成一定量的输出功率。许多变压器也被设计成最小化尺寸和重量以用于给定应用。在设计有效的变压器时，变压器芯应具有相对于真空的磁导率的高磁导率。这被称为相对磁导率，其是材料响应于所施加的磁场而获得的磁性的度量。有效的变压器还应具有高的磁化电感与漏电感的比率，诸如例如1000:1，以最小化芯和绕组中的损耗。

高的磁化电感是合意的，因为它通常导致较低的磁化电流和较低的导体损耗。通过减小变压器中的总电流以及通过减少绕组匝数来减小导体损耗，这减小了绕组电阻。

变压器中的磁化电感与有效磁导率和绕组匝数的平方的乘积成比例。绕组中感应的电压与通量的变化率成比例，对于固定面积，通量的变化率相当于通量密度的变化。对于给定的峰值通量，变化率与频率成比例。因此，感应电压与频率成比例。相反，当频率降低时，更大的通量增加是必需的以在绕组中维持相同的电压。

低漏电感（即低漏通量）改善电压调节。漏通量降低变压器中初级至次级电压的比例关系，特别是在重负载下。漏电感是绕组匝数的函数，绕组匝数与变压器的额定功率和电压调节能力直接相关。绕组中较少的匝数降低漏电感和绕组损耗。相反，绕组中更多的匝数增加漏电感和绕组损耗，并进一步降低电压调节能力。可以通过与绕组串联耦接的电容来降低漏电感。

本文认识到，对于台架CT系统，通常放松对变压器尺寸和重量的约束，因为台架中的许多X射线源和X射线探测器部件需要比用于台架结构的具有合适尺寸的变压器将通常提供的更少的功率。因此，线频率旋转变压器的操作通量密度通常在饱和以下。本文还认识到旋转变压器中的空气间隙减小了旋转变压器的磁化电感。此外，线频率旋转变压器的低频率进一步降低了磁化电感并增加了磁化电流。

本文还认识到，能够通过增加绕组匝数来减轻由于增加的磁化电流引起的损耗。增加的匝数减小了绕组中感应给定电压所必需的通量。绕组中增加的匝数增加了绕组损耗和漏电感，并且降低了变压器的电压调节能力。跨次级绕组增加分路电容器进一步降低由于增加的磁化电流所带来的损耗。分路电容器影响磁化电流的分配，从而允许减少绕组匝数。本文认识到，初级绕组和次级绕组上的串联电容能够减轻增加的漏电感。本文认识到，相比在常规变压器设计中，在用于台架CT系统的线频率旋转变压器中，磁化电感与漏电感的低比率是可接受的。在某些实施例中，此类比率可以为3:1或更低。本文还认识到，在台架CT系统中所得到的变压器损耗和降低的电压调节是可接受的。

图1是具有台架102和定子104的台架CT系统100的示例性实施例的框图。定子104包括台架CT系统100的固定部件，其包括为台架CT系统100供电的线频率电源106。台架102可旋转地耦接到定子104，从而便于台架102及其部件绕定子104旋转。台架102包括X射线源108和X射线探测器110。X射线源108生成由台架CT系统100用来询问对象的X射线信号。X射线探测器110在所生成的X射线信号通过、经过被询问的对象、反射、偏转或以其它方式与被询问的对象相互作用时探测所生成的X射线信号。

X射线源108和X射线探测器110需要功率来操作。通常，台架102的部件（诸如X射线源108和X射线探测器110）利用DC或线频率AC台架功率112。由于台架102和定子104之间的旋转关系，台架功率112从定子104通过滑环114递送到台架102。滑环114使用主环116和辅环118在定子104和台架102之间提供电连接。通常，滑环使用接触连接或非接触连接来提供此类电连接，此类滑环分别被称为接触滑环和非接触滑环。在图1的示例性实施例中，滑环114是利用旋转变压器将台架功率112从主环116传输到辅环118的非接触滑动环。

图2是供在台架CT系统100（在图1中示出）中使用的线频率旋转变压器的E芯200的示例性实施例的横截面图。E芯200优选地由具有高相对磁导率的材料制成，该材料诸如例如硅钢、金属玻璃、铁、坡莫合金或其它合适的材料。E芯200包括侧柱202和中心柱204。侧柱202通过空气间隙206与中心柱204分离，侧柱202和中心柱204以字母“E”的形式布置。侧柱202具有1个单位的侧柱宽度208，而中心柱204具有2个单位的中心柱宽度210。分隔侧柱202和中心柱204的空气间隙206具有1个单位的间隙宽度212。E芯200具有4个单位的总长度214。在总长度214中，侧柱202和中心柱204具有3个单位的柱长度216，而背板218具有1个单位的背板长度220。E芯200的精确尺寸是可缩放的，因为每种实现方式需要并且很大程度上取决于功率需求。至少部分地选择各种尺寸之间的比率以简化E-芯的层压件的制造。

图3是供在（图1所示的）台架CT系统100中使用的线频率旋转变压器300的示例性实施例的横截面图。线频率旋转变压器300包括初级芯302和次级芯304。初级芯302和次级芯304是由空气间隙306分隔开的E芯。在某些实施例中，空气间隙306为0.5毫米至5毫米。例如，在一个实施例中，空气间隙306优选为2毫米，但在线频率旋转变压器300的整体上可以从1毫米变化到3毫米。空气间隙306的相对磁导率低于初级芯302和次级芯304的相对磁导率。因此，线频率旋转变压器300作为整体的相对磁导率降低，并且漏电感增加。更具体地，随着空气间隙306加宽，漏电感和损耗增加。

初级芯302和次级芯304中每一个包括布置成环的多个E芯层压件。在某些实施例中，主环被组装成E-芯层压件的若干弧形段。弧形段构造简化了初级芯302和次级芯304中每一个的组装。在某些实施例中，初级芯302和次级芯304的多个E芯层压件与非导电间隔件交错，从而降低线频率旋转变压器300的重量。

线频率旋转变压器300包括初级绕组308和次级绕组310。初级绕组308包括初级端子312，并且同样，次级绕组310包括次级端子314。当线频率输入电压316施加到初级端子312时，磁通量318被感应并流过由初级芯302、空气间隙306和次级芯304限定的磁路。磁通量318在次级端子314处感应线频率输出电压320。

图4是线频率旋转变压器300（在图3中示出）的弧形段400的透视图。弧形段400包括初级芯302和次级芯304，每个芯包括多个E芯层压件402。在某些实施例中，E芯层压件402包括与非导电间隔件交错的硅钢E芯层压件。在其它实施例中，E芯层压件402仅包括由硅钢或具有高相对磁导率的任何其它合适材料制造的E芯层压件。如图4所图示的，初级芯302和次级芯304由空气间隙306分开。此外，弧形段400包括初级绕组308和次级绕组310。

图5是使用（分别在图1和图3中示出的）线频率旋转变压器300向台架CT系统100提供功率的方法500的示例性实施例的流程图。方法500在开始步骤510处开始。在定子功率步骤520处，将线频率AC输入功率提供至线频率旋转变压器300的在定子104处的初级侧。更具体地，线频率输入电压316施加到初级绕组308的初级端子312，该初级绕组308在初级芯302和次级芯304中感应磁通量318。

在感应步骤530处，流过初级芯302和次级芯304的磁通量318在台架102处的线频率旋转变压器300的次级侧感应线频率AC输出功率。更具体地，线频率输出电压320跨次级绕组310的次级端子314来感应。

在台架功率步骤540处，将线频率AC输出功率供应至X射线源108和X射线探测器110。方法500在结束步骤550处结束。

图6是台架CT系统100和（分别在图1和图3中示出的）线频率旋转变压器300的示意图。台架CT系统100包括通过线频率旋转变压器300耦接在原理图的相对侧上的定子104和台架102。线频率AC电源106被图示为跨线频率旋转变压器300的初级绕组308耦接的AC电压源。线频率AC电源106将线频率AC输入电压316递送到初级绕组308。

同样，台架102包括被图示为负载的X射线源108和X射线探测器110。线频率旋转变压器300将线频率AC输出电压320提供至X射线源108和X射线探测器110。台架102还包括跨线频率旋转变压器300的次级绕组310的分路电容器610。台架102和定子104还包括与初级绕组308串联耦接的串联电容器620和与次级绕组310串联耦接的串联电容器630。电容器620和630减轻了线频率旋转变压器300中的漏电感的影响。

本文描述的方法、系统和装置的示例性技术效果包括以下中的至少一个：（a）通过使用非接触滑环以便将功率传输至台架来改善台架功率质量；（b）通过使用非接触滑环来降低维护成本；（c）减少定子和台架上的用于转换为线频率AC功率以及从线频率AC功率转换所必需的整流器、逆变器和变压器；（d）通过省略整流器、逆变器和变压器来降低台架上的重量；以及（e）降低台架-定子滑环的制造成本。

用于线频率旋转变压器的方法、系统和装置的示例性实施例不限于本文所描述的具体实施例，更确切地说，可以与本文描述的其他部件和/或步骤独立和分别利用系统的部件和/或方法的步骤。例如，所述方法还可以与其它非常规线频率旋转变压器组合使用，并且不限于仅利用如本文所描述的系统和方法进行实践。相反，能够结合可受益于增加的效率、降低的操作成本和减少的资本支出的许多其它应用、设备和系统来实现和利用示例性实施例。

虽然本公开的各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出而不在其他附图中示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征组合地引用和/或要求保护。

本书面描述使用示例来公开实施例（包括最佳模式），并且还使任何本领域技术人员能够实践该实施例，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其它示例具有并未与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果此类其他示例包括具有与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则此类其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种线频率旋转变压器，其包括：

初级芯，其包括：

第一多个E芯钢层压件，其布置在可耦接到定子的第一环中，和

初级绕组，其布置在所述第一环内并且被配置为传输线频率交流（AC）功率；以及

次级芯，其可磁性地耦接到所述初级芯，所述次级芯包括：

第二多个E芯钢层压件，其布置在可耦接到台架的第二环中，所述台架可旋转耦接至所述定子，和

次级绕组，其设置在所述第二环内并且被配置为接收由所述初级绕组通过所述初级芯和所述次级芯在所述次级绕组中感应的线频率AC功率。

2.根据权利要求1所述的线频率旋转变压器，其中所述初级绕组被配置为向所述次级绕组传输60Hz AC功率。

3.根据权利要求1所述的线频率旋转变压器，其中所述第一多个E芯钢层压件与非导电间隔件交错以形成所述第一环。

4.根据权利要求1所述的线频率旋转变压器，其中所述第一多个E芯钢层压件和所述第二多个E芯钢层压件中每个E芯钢层压件包括两个侧柱和一个中心柱，所述两个侧柱每个都具有等于中心柱宽度一半的宽度。

5.根据权利要求1所述的线频率旋转变压器，其中所述第一环邻近所述第二环设置，并由空气间隙从中隔开。

6.根据权利要求1所述的线频率旋转变压器，其中所述空气间隙具有0.5至5毫米（mm）的宽度。

7.根据权利要求6所述的线频率旋转变压器，其中所述第一多个E芯钢层压件和所述第二多个E芯钢层压件具有为3:1的磁化电感与漏电感比率。

8.一种向台架计算机断层扫描（CT）系统供电的方法，所述方法包括：

将线频率交流（AC）输入功率提供至线频率旋转变压器在该台架CT系统的定子上的初级侧；

在该线频率旋转变压器在该台架CT系统的台架上的次级侧上感应线频率AC输出功率；以及

将该线频率AC输出功率供应至X射线源和X射线探测器。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：将该线频率旋转变压器在该台架上的该次级侧邻近该线频率旋转变压器在该定子上的该初级侧布置，以在该初级侧和该次级侧之间限定空气间隙。

10.根据权利要求9所述的方法，其中该空气间隙具有范围在1毫米到3毫米的宽度。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括绕该定子旋转该台架。

12.根据权利要求8所述的方法，其中提供该线频率AC输入功率包括提供60赫兹 AC功率。

13.一种台架计算机断层扫描（CT）系统，其包括：

线频率旋转变压器，其具有初级芯和次级芯；

台架，其包括：

X射线源和X射线探测器，其可使用来自所述线频率旋转变压器的线频率交流（AC）输出功率进行操作，和

所述线频率旋转变压器的次级侧，其耦接到所述X射线源和所述X射线探测器；以及

定子，其包括所述线频率旋转变压器的初级侧，所述初级侧邻近所述次级侧布置以在所述初级芯和次级芯之间限定空气间隙，并且被配置为：

接收线频率AC输入功率，和

在所述线频率旋转变压器的所述次级侧感应线频率AC输出功率。

14.根据权利要求13所述的台架CT系统，其中所述初级芯和次级芯每个都包括布置在第一环和第二环中的多个硅钢E芯层压件。

15.根据权利要求14所述的台架CT系统，其中所述初级芯和次级芯每个都还包括与所述多个硅钢E芯层压件交错的非导电间隔件。

16.根据权利要求14所述的台架CT系统，其中所述第一环和第二环中每个均包括多个弧形段，所述弧形段包括所述多个硅钢E芯层压件，所述多个弧形段被配置为组装成所述第一环和第二环。

17.根据权利要求13所述的台架CT系统，其中该线频率AC输入功率包括60赫兹 AC功率。

18.根据权利要求13所述的台架CT系统，其中在所述初级芯和次级芯之间限定的空气间隙具有0.5毫米到5毫米的宽度。

19.根据权利要求13所述的台架CT系统，其中所述次级侧包括跨次级绕组耦接的分路电容器。

20.根据权利要求13所述的台架CT系统，其中所述初级芯和次级芯分别包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组和次级绕组分别耦接到串联电容器。

21.根据权利要求13所述的台架CT系统，其中该线频率AC输入功率包括50赫兹 AC功率。