CN107093830B - 用于使用小直径胶囊滑环实现大直径系统中的电旋转关节的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
用于使用小直径胶囊滑环实现大直径系统中的电旋转关节的系统和方法。本文中描述了一种用于使用相对小的直径的胶囊滑环来实现大直径系统中的电旋转关节的系统。该系统包括围绕系统旋转轴旋转的系统转子和相对于系统转子固定的系统定子。该系统还包括至少一个导电接触通道，其被布置在系统转子和系统定子中的一个上。该系统进一步包括至少一个胶囊滑环（CSR），其耦合到系统转子和系统定子中的另一个。所述至少一个CSR具有耦合到其的导电环形元件，所述导电环形元件与所述至少一个导电接触通道机械接触使得所述至少一个CSR在系统转子和系统定子之间形成电旋转关节。
Description
背景技术
本文中描述的实施例一般地涉及旋转关节，并且更特别地涉及跨如在计算机断层摄影（CT）台架（gantry）系统中实现的由小直径胶囊（capsule）滑环（CSR）形成的旋转关节的电连接。
滑环用来跨旋转关节从旋转平台向固定平台/从固定平台向旋转平台传输电信号——数据或功率。要求大通孔（thru-bore）的滑环（比如在计算机断层摄影（CT）扫描仪上使用的那些）可以是CT系统中的最昂贵的部件中的一个。至少一些已知滑环由于在旋转关节的接触点（其基本上是这些系统中的大通孔滑环的整个内表面）处的动摩擦的影响而磨损和出故障。在本领域中滑环的故障可能触发要求装运和安装传动装置以移除和/或支持CT旋转台架的零件使得滑环可以被移除和修理或者替换的昂贵过程。因此，具有其中用更易于替换和/或修理的替代部件来替换大通孔滑环的CT系统将是有益的。
发明内容
在一方面，提供了一种系统，该系统包括围绕系统旋转轴旋转的系统转子和相对于系统转子固定的系统定子。该系统还包括至少一个导电接触通道，其被布置在系统转子和系统定子中的一个上。该系统进一步包括至少一个胶囊滑环（CSR），其耦合到系统转子和系统定子中的另一个。所述至少一个CSR具有耦合到其的导电环形元件，所述导电环形元件与所述至少一个导电接触通道机械接触使得所述至少一个CSR形成系统转子和系统定子之间的电旋转关节。
在另一方面，提供了一种台架系统，该台架系统包括围绕系统旋转轴旋转的台架和相对于台架固定的框架。该台架系统还包括至少一个导电接触通道，其被布置在台架和框架中的一个上。该台架系统进一步包括至少一个胶囊滑环（CSR），其耦合到台架和框架中的另一个。所述至少一个CSR具有耦合到其的接触滚轮（CRW），所述CRW与所述至少一个导电接触通道机械接触使得所述至少一个CSR形成台架和框架之间的电旋转关节。
在又一方面，提供了一种实现系统转子和系统定子之间的电旋转关节的方法。该方法包括将系统转子耦合到系统定子。系统转子被配置成围绕系统旋转轴旋转。该方法还包括将至少一个导电接触通道耦合到系统转子和系统定子中的一个，并且将至少一个胶囊滑环（CSR）耦合到系统转子和系统定子中的另一个。该方法进一步包括将导电环形元件耦合到所述至少一个CSR，以及使导电环形元件相对于所述至少一个导电接触通道偏置使得所述至少一个CSR形成系统转子和系统定子之间的电旋转关节。
附图说明
图1是示例性CT成像系统的透视图。
图2A和2B是用于在图1中示出的CT成像系统的台架系统中使用的小直径胶囊滑环（CSR）的一个示例实施例的示意图。
图3是具有耦合到其的接触滚轮（CRW）的在图2A和2B中示出的示例CSR的透视图。
图4是台架系统的第一示例实施例的前视图。
图5是图4中示出的台架系统的侧视图。
图6是图4和5中示出的台架系统的放大透视图。
图7是台架系统的第二示例实施例的示意图。
图8是在如图3中示出的CRW和台架系统的接触通道之间的第一示例机械连接的示意图。
图9是在如图3中示出的CRW和台架系统的接触通道之间的第二示例机械连接的示意图。
具体实施方式
本文中描述的台架系统包括一种具有安置在其周围的多个小直径胶囊滑环（CSR）的大直径台架。更具体地，CSR接触围绕台架周围布置的接触通道。CSR准许跨接触通道的在台架系统的固定部件和旋转部件之间的通信（例如，数据传递或者功率传递）。在一些实施例中，CSR耦合到固定台架并且接触围绕台架周围布置且与其隔开一段距离的固定接触通道。在其他实施例中，CSR耦合到与旋转台架隔开的固定部件并且接触直接围绕台架周围布置的接触通道。小直径CSR替换其他台架系统的大通孔滑环，并且更易于接近和移除以用于替换或者修理。而且，小直径CSR运转以通过提供滚动接触来消除在旋转关节的接触点处的动摩擦的影响，所述滚动接触仅产生静摩擦，从而与大通孔滑环系统相比减小了CSR上的磨损。因此，CSR提供了一种不具有上面描述的关于大通孔滑环的问题的替代旋转关节。
如本文中使用的那样，术语“大直径”和“小直径”是相对术语，因为“小直径”指代小于任何“大直径”的直径。在一个示例实施例中，虽然并不意味着限制本公开的范围，但是“大直径系统转子”或者“大直径台架”可以指代具有从大约0.25m到50m或更特别地从大约0.5m到大约1.5m的直径的系统转子或者台架。而且，在另一示例实施例中，虽然并不意味着限制本公开的范围，但是“小直径CSR”可以指代具有在大约1cm到大约25cm之间或更特别地从大约1cm到大约10cm的直径的CSR。
如本文中使用的那样，“CSR定子”一般指代CSR的意图固定的（一个或多个）部件。然而，CSR定子可以相对于系统定子处于运动中。“CSR转子”一般指代CSR的意图相对于CSR定子旋转的（一个或多个）部件。“CSR”或者“CSR系统”一般指代在台架系统的固定和旋转部件之间实现的高级电旋转关节。CSR系统可以包括多个CSR和/或“较少”旋转关节（例如，在个别CSR内实现的那些）。“系统定子”一般指代台架系统的（一个或多个）总体静态部件。“系统转子”一般指代台架系统的（一个或多个）旋转部件。
现在参考图1，示出了一种计算机断层摄影（CT）成像系统10。CT成像系统10被示出具有表示CT扫描仪的台架12、控制系统14和在通过台架12限定的台架开口20中用于安置物体18（诸如一件行李）的机动传送带16。台架12包括x射线源22，其朝着台架12的相对侧上的检测器阵列26投射扇形束的x射线24。检测器阵列26由检测器元件28形成，所述检测器元件28是辐射检测器，其每个在x射线束已穿过被成像的物体18之后产生具有表示并取决于衰减的x射线束的强度的幅度的信号。
图2A和2B是小直径胶囊滑环（CSR）100的一个示例实施例的示意图。图2B是沿着线2B-2B取的示意性横截面视图。每个CSR 100包括转子102和定子104。转子102围绕旋转轴106以 ωCSR的角速度旋转。虽然在图示的实施例中，定子104外接转子102，但是应理解，存在可以实现的转子102和定子104的许多其他相对定向。在示例实施例中，定子104与转子102同轴。在图示的实施例中，固定电连接108被限定在定子104的外表面110的至少一部分上。另外，旋转电连接112被限定在转子102的外表面114的至少一部分上。图示的CSR 100以其操作角速度ωCSR实现电旋转关节以用于跨所述电旋转关节的电通信。
图3是具有耦合到其的接触滚轮（CRW）150的示例胶囊滑环（CSR）100的透视图。在图示的实施例中，CRW 150刚性地连接到CSR 100并且与CSR 100同轴。更具体地，CRW 150刚性地连接到（在图2A和2B中示出的）CSR转子102，使得CRW 150随着转子102旋转。可以使用任何适当的方法将CRW 150连接到CSR 100，所述方法诸如粘合剂和/或紧固件。CRW 150由导电材料制造，所述导电材料诸如铜、黄铜、任何其他金属或导电合金和/或其他适当导电的材料。在图示的实施例中，CRW 150电连接到CSR 100的（在图2B中示出的）旋转电连接112，使得CSR 100的任何电势（例如，在图2A中示出的固定电连接108处发起的电势）传送到CRW 150。如图示的那样，CRW 150具有外半径RCRW，并且围绕（在图2A和2B中示出的）旋转轴106以角速度ωCRW旋转。应理解，因为CRW 150与CSR 100同轴并且刚性地附着到CSR 100，所以ωCRW等于ωCSR。虽然CRW 150被描绘为“轮”，但是应理解，任何其他一般环形、圆盘状或者圆柱形导电构件可以连接到CSR 100并且如相对于CRW 150描述的那样运转。
图4-6图示了台架系统200的第一示例实施例。更特别地，图4是台架系统200的前视图，图5是台架系统200的侧视图，并且图6是台架系统200的放大透视图。台架系统200包括大直径台架202，其可围绕旋转轴206相对于框架204旋转。因此，在图示的实施例中，台架202限定了台架系统200的系统转子，并且框架204限定了台架系统200的系统定子。台架202具有外半径 RG并且被配置成围绕旋转轴206以角速度ωG旋转。在图示的实施例中，围绕台架202在周围布置两个接触通道210、212。每个接触通道210、212由导电材料（例如，铜、黄铜、任何其他金属或者导电合金和/或任何其他导电材料）制造。在一些实施例中，可以使用机床制造接触通道210、212。在其他实施例中，可以通过将导电材料沉积到其中用机器加工接触通道210、212的绝缘基板上来制造接触通道210、212。每个接触通道210、212形成导电路径，其遵循着距旋转轴206大致恒定半径（到在制造容忍度内）的轨迹。在图示的实施例中，该轨迹大致是台架半径RG。应理解，虽然图示了两个接触通道210、212，但是在台架系统200的各种其他实施例中，可以提供一个接触通道或者多个接触通道。
如图示的那样，台架系统200进一步包括两个胶囊滑环（CSR）100（在图2A和2B中示出），其具有耦合到其的接触滚轮（CRW）150（在图3中示出）。每个CRW 150被放置与接触通道210、212中的一个机械和电接触。因此，导电CRW 150和相应的导电接触通道210、212被保持在同一电势处。在示例实施例中，CSR 100经由支架216耦合到框架204。支架216包括用以将支架216耦合到每个相应的CSR 100的两个水平臂218、220。在示例实施例中，水平臂218、220利用诸如（在图6中示出的）预载弹簧222之类的偏置机制使CSR 100和附着的CRW 150相对于接触通道210、212偏置。CRW 150因此被维持与接触通道210、212鲁棒电接触，这减少或消除了在台架202和/或接触通道210和/或212的几何形状中的任何不完美、在CRW 150的完成和几何形状中的不完美和/或小的外物或者碎片（诸如在CRW 150和接触通道210和/或212之间的金属削片）的影响。应理解，可以采用支架216的替代连接部件和/或弹簧222的替代偏置机制而不脱离本公开的范围。而且，应理解，台架系统200可以包括外壳（未示出），其被配置成包围台架202和框架204，从而保护上面描述的部件免于偶然的外部接触（其可能干扰CRW 150和接触通道210、212之间的连接）。
就电功能而言，每个接触通道210、212类似于电通道，并且因此两个单独的接触通道210和212形成一个跨旋转关节214的电路，所述旋转关节214由接触通道210和212、CRW150和CSR 100形成。跨旋转关节214的电路可以跨其传递电功率或数据。可以围绕台架202布置任何数量的接触通道210、212以形成和期望一样多的电路。在一个实施例中，附加接触通道可以在与旋转轴206平行的方向上间隔开以增加其上的电路的数量。
相对于台架系统200，（在图2A和2B中示出的）CSR转子102以与以角速度ωG旋转的系统转子——台架202不同的速率（角速度 ωCSR）旋转。这些角速度之间的关系类似于传动系统的关系。具体地，对于图示的实施例，如果CRW 150具有半径RCRW并且接触通道210、212具有半径RCC（在图示的实施例中，其基本上等于台架半径RG），并且台架202具有角速度ωG，则CRW 150的角速度 ωCRW是
因为在示例实施例中，RCC >> RCRW，并且由于CRW 150和台架202的传动影响，所以CSR 100必须能够以比台架202高得多的角速度转动。然而，许多CSR 100被定额成比例如大通孔滑环高得多的角速度，使得（例如，功率或数据）跨旋转关节214的电传递被促进。
虽然在图4-6的图示的实施例中示出了每个接触通道一个CSR 100/CRW 150组件，但是应理解，多个这样的组件可以被包括在台架系统200中并且与接触通道210、212接触。特别地，可以围绕台架202在周围布置多个这样的组件。在CSR 100/CRW 150组件中的一个出故障或者例如被大外物敲击而脱离与接触通道210、212的接触（尽管使用偏置机制222进行预载）的情况下，这可以提供电接触的冗余。
虽然图4-6的图示的实施例将接触通道210、212描绘为台架202（台架系统200的系统转子）的构成部分，但是在替代实施例中，接触通道可以是台架系统200的系统定子的构成部分，如在本文中进一步描述的那样。然而，无论接触通道是系统转子还是系统定子的部分，CSR 100都被安装到系统转子和系统定子中的另一个或旋转关节（例如，旋转关节214）的“相对”侧。
图7图示了台架系统300的第二示例实施例。特别地，在图示的实施例中，围绕台架系统300的系统定子在周围布置至少一个接触通道（与围绕系统转子在周围布置相反，如相对于图4-6中示出的台架系统200图示的那样）。
具体地，台架系统300包括台架302（限定了台架系统300的系统转子）和框架304或者其他固定部件（限定了台架系统300的系统定子）。台架302围绕旋转轴306旋转。一个胶囊滑环（CSR）100/接触滚轮（CRW）150组件经由支架316耦合到台架302。应理解，图7是简化图，并且可以以与台架系统200的诸如（在图4-6中示出的）支架216之类的对应元件类似的方式实现台架系统300的诸如支架316之类的许多元件。CRW 150被偏置成与围绕系统定子304布置的接触通道310机械和电接触。CSR 100和CRW 150围绕旋转轴106旋转。而且，CSR 100/CRW 150组件围绕系统旋转轴306旋转使得CSR旋转轴106遵循轨道308。因此，在图示的实施例中，接触通道310相对于系统旋转轴306固定，并且CRW 150旋转并且与接触通道310接触地沿着轨道308旋转。
图8描绘了在（图3中示出的）接触滚轮（CRW）150和台架系统的接触通道402（例如，在图4-6中示出的台架系统200中的接触通道210和/或212，和/或在图7中示出的台架系统300中的接触通道310）之间的第一示例机械连接的图。如图示的那样，CRW 150具有背弧型面404，并且接触通道402具有内弧型面406。这样的互补型面404、406促进CRW 150和接触通道402之间的机械接触，即便处于在任一型面404、406中的小不完美和/或CRW 150和/或接触通道402的轻微震动的情况下。
图9描绘了在（在图3中示出的）接触滚轮（CRW）150和台架系统的接触通道412（例如，在图4-6中示出的台架系统200中的接触通道210和/或212，和/或在图7中示出的台架系统300中的接触通道310）之间的第二示例机械连接的图。如图示的那样，CRW 150具有内弧型面414，并且接触通道412具有背弧型面416。这样的互补型面414、416促进CRW 150和接触通道412之间的机械接触，即便处于在任一型面414、416中的小不完美和/或CRW 150和/或接触通道412的轻微震动的情况下。应理解，虽然已经提供了CRW 150和接触通道402、412的两个示例型面，但是可以在台架系统中采用任何数量的型面，只要型面适合于促进CRW 150和相应接触通道之间的机械（并且因此电）连接。
上面详细描述了方法和系统的示例性实施例。方法和系统不限于本文中描述的具体实施例，而相反，系统的部件和/或方法的步骤可以与本文中描述的其他部件和/或步骤独立和分离地使用。因此，可以结合本文中未具体描述的许多其他应用来实现和使用示例性实施例。例如，可以在任何适当的可旋转到可固定系统（包括具有大通孔系统转子的那些）中实现上面描述的胶囊滑环（CSR）旋转关节。
虽然可能在一些图中示出并且没有在其他图中示出示出本发明的各种实施例的具体特征，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可以与任何其他图的任何特征组合地引用和/或要求保护。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括被本领域技术人员想到的其他示例。意图这样的其他示例在权利要求的范围内，如果其具有并非不同于权利要求的字面语言的结构化元件或者如果其包括具有与权利要求的字面语言的非实质差异的等同结构化元件的话。
Claims (20)
1.一种实现系统转子和系统定子之间的电旋转关节的系统，包括：
系统转子，其围绕系统旋转轴旋转；
系统定子，其相对于系统转子固定；
至少一个导电接触通道，其被布置在系统转子和系统定子中的一个上；以及
至少一个胶囊滑环CSR，其固定地耦合到系统转子和系统定子中的另一个，所述至少一个CSR包括外接CSR转子并且与CSR转子的外表面电连接的CSR定子，所述至少一个CSR具有耦合到CSR转子的导电环形元件并具有相应的与系统旋转轴不同的CSR旋转轴，所述导电环形元件与所述至少一个导电接触通道机械接触使得所述至少一个CSR形成系统转子和系统定子之间的电旋转关节。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个导电接触通道包括第一接触通道和第二接触通道。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述至少一个CSR包括具有与第一接触通道机械接触的第一导电环形元件的第一CSR，以及具有与第二接触通道机械接触的第二导电环形元件的第二CSR。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个导电接触通道被布置在系统转子上，并且其中所述至少一个CSR耦合到系统定子。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个导电接触通道被布置在系统定子上，并且其中所述至少一个CSR耦合到系统转子。
6.如权利要求1所述的系统，其中系统转子具有第一直径，并且其中所述至少一个CSR具有小于第一直径的第二直径。
7.如权利要求1所述的系统，其中电旋转关节被配置成在系统转子和系统定子之间传递数据和功率中的至少一个。
8.一种台架系统，包括：
台架，其围绕系统旋转轴旋转；
框架，其相对于台架固定；
至少一个导电接触通道，其被布置在台架和框架中的一个上；以及
至少一个胶囊滑环CSR，其固定地耦合到台架和框架中的另一个，所述至少一个CSR包括外接CSR转子并且与CSR转子的外表面电连接的CSR定子，所述至少一个CSR具有耦合到CSR转子的接触滚轮CRW，所述CRW与所述至少一个导电接触通道机械接触使得所述至少一个CSR形成台架和框架之间的电旋转关节。
9.如权利要求8所述的台架系统，其中所述至少一个导电接触通道包括第一接触通道和第二接触通道。
10.如权利要求9所述的台架系统，其中所述至少一个CSR包括具有与第一接触通道机械接触的第一CRW的第一CSR，以及具有与第二接触通道机械接触的第二CRW的第二CSR。
11.如权利要求8所述的台架系统，其中所述至少一个导电接触通道被布置在台架上，并且其中所述至少一个CSR耦合到框架。
12.如权利要求8所述的台架系统，其中所述至少一个CSR经由使所述CRW相对于所述至少一个导电接触通道偏置的支架耦合到框架。
13.如权利要求8所述的台架系统，其中所述至少一个导电接触通道被布置在框架上，并且其中所述至少一个CSR耦合到台架。
14.如权利要求8所述的台架系统，其中台架具有第一直径，并且其中所述至少一个CSR具有小于第一直径的第二直径。
15.如权利要求8所述的台架系统，其中电旋转关节被配置成在台架和框架之间传递数据和功率中的至少一个。
16.一种实现系统转子和系统定子之间的电旋转关节的方法，所述方法包括：
将系统转子耦合到系统定子，系统转子被配置成围绕系统旋转轴旋转；
将至少一个导电接触通道耦合到系统转子和系统定子中的一个；
将胶囊滑环CSR转子耦合到CSR定子，使得CSR定子外接CSR转子以形成至少一个CSR，CSR定子与CSR转子的外表面电连接；
将所述至少一个CSR固定地耦合到系统转子和系统定子中的另一个；
将导电环形元件耦合到CSR转子；以及
使导电环形元件相对于所述至少一个导电接触通道偏置，使得所述至少一个CSR形成系统转子和系统定子之间的电旋转关节。
17.如权利要求16所述的方法，其中将至少一个导电接触通道耦合到系统转子和系统定子中的一个包括将第一接触通道和第二接触通道耦合到系统转子。
18.如权利要求17所述的方法，其中将所述至少一个CSR耦合到系统定子包括围绕系统定子在周围耦合多个CSR对，每对包括接触第一接触通道的第一CSR和接触第二接触通道的第二CSR。
19.如权利要求16所述的方法，其中将至少一个导电接触通道耦合到系统转子和系统定子中的一个包括将第一接触通道和第二接触通道耦合到系统定子。
20.如权利要求16所述的方法，进一步包括跨电旋转关节传递数据和功率中的至少一个。
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