CN114244052A - 直流马达、检查床以及用于运行直流马达的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在外部磁场中运行的直流马达(1)，所述直流马达包括：转子(2)，其能够围绕旋转轴线(5)旋转并且具有至少两个绕组(10，11)；至少四个连续的旋转变送器(3)，其中各两个旋转变送器(3)与所述绕组(10，11)中的一个绕组相关联并且所述各两个旋转变送器设计用于给分别相关联的绕组(10，11)供给直流电流；角度传感器(4)，其设计用于确定所述转子(2)的角度位置；以及控制单元(15)，其设计用于根据所述转子(2)的角度位置控制给所述绕组(10，11)中的至少一个绕组的电流输送。所述马达(1)在运行期间朝向外部磁场定向，使得所述旋转轴线(5)横向于所述外部磁场延伸。

Description

直流马达、检查床以及用于运行直流马达的方法
背景技术
在磁共振断层扫描仪(MRT)的检查床处使用马达，以便使检查床在竖直和水平方向上运动。在现有技术中已知，为此使用电动伺服马达。所述马达实施为无刷马达，其中定子由多个绕组组成并且转子配备有永磁体。由于永磁体，在外部磁场(例如MRT的磁场)的空间附近使用这种马达时必须注意，不使这种马达靠近产生外部磁场的源。
现今，例如磁共振系统的检查床设有间距框架，所述间距框架机械地阻止检查床靠近MRT的磁体。马达自身安装在检查床的后部分中，并且设有强的锚固件，以便在检查床基座中将马达固定就位。这种马达的扭矩与转子中的永磁体的磁通量密度成比例。由于提到的相对于磁共振磁体的间距问题，这种马达因此在其尺寸和其扭矩方面受限于特定的值。
在现有技术中已知的替选方案如气动或压电马达要么过慢、过弱要么对于在磁共振系统的检查床中的使用过于昂贵。纯电动马达因此显得更有利。
从US 4902975 A已知在转子处具有多个绕组的直流马达，所述多个绕组可以经由滑动触点通电。滑动触点在多个部位处中断，使得——如在直流马达中常见的那样——机械地进行换向。此外，马达使用外部磁场作为定子场。
从US 10330754 B2同样已知用于使用在外部磁场中的马达。马达具有滑动触点以及随着转子旋转的逆变器，经由逆变器，给转子处的绕组供给电流。
然而，也对于功率集中的设备的(例如磁共振系统的检查床的)高精度的驱动，需要强的且可精确控制的马达，其旋转角度可以被精确预先确定。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种用于在外部磁场中运行的直流马达，其可以产生足够高的扭矩并且可精确控制。
本发明以一种具有本发明的特征的DC马达、以一种具有本发明的特征的检查床以及以一种具有本发明的特征的用于在外部磁场中运行DC马达的方法解决所述问题。
根据本发明的第一方面，提供用于在外部磁场中运行的DC马达(DC＝DirectCurrent；直流马达)，所述DC马达包括：转子，其可围绕旋转轴线旋转并且具有至少两个绕组；至少四个连续的旋转变送器，其中各两个旋转变送器与绕组中的一个绕组相关联并且所述各两个旋转变送器设计用于给分别相关联的绕组供给直流电流；角度传感器，其设计用于确定转子的角度位置；以及控制单元，其设计用于根据转子的角度位置来控制对绕组中的至少一个绕组的电流输送，其中马达在运行期间朝向外部磁场定向，使得旋转轴线横向于外部磁场延伸。
相对于已知的现有技术，根据本发明的DC马达尤其通过连续的旋转变送器、角度传感器和控制单元区分。由此可以在外部磁场中使用马达并且高精确地到达先前预设的或特定的转子的角度位置。因此，可以非常精确地驱动或调节借助于根据本发明的马达运行的设备。为此，可以在步进马达运行方式中或在伺服马达运行方式中运行马达。在步进马达运行方式中，转子可以不连续地、而是在各个步中(也就是说逐步地)实施旋转。在此，步长可以决定马达的可实现的精度。在步进马达运行方式中，如果转速提高，则扭矩可以减小。优选地，在步进马达运行方式中使用的马达的转子具有9-60个绕组并从而具有18°至3°的步长。
在伺服马达运行方式中，转子可以实施与控制信号成比例的运动和进而可无级地控制。在伺服马达运行方式中，可以动态地与负载相关地提供扭矩。
与此相对地，仅仅能够接通和关断来自现有技术的在外部磁场中使用的马达，而不能够预先精确地定义或预先确定其目标位置(也就是说其旋转角度)。
外部磁场例如可以是磁共振断层扫描仪(MRT)的B0磁场。外部磁场可以在此具有连续延伸的场线。外部磁场可以在根据本发明的马达中用作定子磁场。此外，也可以使用MRT的杂散磁场作为外部磁场。
转子可以是柱状体，其可旋转地在马达的壳体中支承。支承机构可以是径向轴承，例如滑动轴承或滚动轴承。在滑动轴承中例如可以设有特氟龙轴承(Teflonlager)，以便减小滑动摩擦。在滚动轴承的情况下，可以使用球轴承或工业轴承(Industrielager)。通过使用标准化的轴承，可以快速地、简单地和低成本地确保马达的制造。优选地，陶瓷球轴承例如由氧化锆和/或氮化硅设置。由此，轴承的寿命可以提高。
此外，转子具有绕组，绕组可以具有用于传导电流的导体。绕组也可以称作线圈。每个绕组可以电绝缘。例如可以使用绝缘导线作为绕组。每个绕组可以由多个导线组成。绕组可以基本上沿着转子的纵向方向延伸并且围绕转子缠绕多次。如果转子是柱状体，则绕组可以沿着柱体的高度方向且至少部分地经由两个盖面延伸。绕组可以在转子的盖面处交叉。此外，每个绕组可以在转子的盖面中的一个盖面处与配设给绕组的旋转变送器连接。绕组可以通过设置在转子的环周面处的保持元件保持。为此，保持元件可以分别具有底切部，使得相应的绕组容纳在其中并且保持在其处。转子可以在转子的各个纵向端部处具有多个保持元件，使得可以在转子处设有多个绕组。保持元件可以在转子的环周上均匀分布地设置。由此可以将绕组简单地安置在转子处。此外，可以简单地添加另外的绕组或简单地更换绕组。如果设有分别由导体形成的两个绕组，则有利的是，每个导体沿着转子的纵向方向(也就是说沿着转子的旋转轴线)多次围绕转子缠绕。在此，两个绕组可以在转子处设置成，使得所述两个绕组彼此具有基本上90°的角距。
旋转变送器可以设计用于将电流从不可运动的构件(电流供给装置)传输给可旋转的构件(转子)。旋转变送器也可以设计为连续的滑环。在现有技术中已知，在直流马达中，滑环同时也用作换向器，使得——如在DC马达中常见的那样——可以机械地进行极性变换(Umpolung)。为此，滑环设计成具有中断部(也就是说不连续)。通常，滑环中的电流借助于碳刷传输给旋转的转子。然而，在从滑环的一个部段行至下一部段时(也就是说在电流极性变换时)可能发生所谓的电刷火花，所述电刷火花在MRT运行时可能导致对于成像的负面影响。因此，根据本发明设置连续的旋转变送器。在此，“连续”可以表示，在旋转变送器处不设有中断部。更确切地说，旋转变送器的相对于彼此运动的表面(也就是说固定的表面和旋转的表面)连续地构成，使得不发生像在中断的旋转变送器中那样的机械的极性变换过程。由此可以避免产生电刷火花，由此确保MRT成像可以不受马达干扰地工作。因为在旋转变送器中不发生极性变换，所以每个绕组配设两个旋转变送器。换言之，两个旋转变送器中的一个旋转变送器可以用作所配设的绕组的正极而另一旋转变送器用作所配设的绕组的负极。为此，旋转变送器可以与绕组串联连接。
角度传感器可以借助于光学系统、机械的/电的系统、磁性系统或上述系统的组合来确定转子的角度位置。因此，角度位置例如可以借助于电位器检测。此外，可以借助于磁性系统在使用霍尔传感器的情况下确定角度位置。角度传感器也可以描述为编码器或旋转传感器。优选地应用纯光学测量方法，其中可以借助于编码器盘(Encoder-Scheibe)的光波导体采样和随后屏蔽的信号评估来确定转子的角度变化。角度传感器可以与所使用的系统无关地输出对应于转子的角度位置的电压。为此，编码器盘可以安置在转子处，使得编码器盘随着转子旋转。角度传感器可以处于转子的轴上。优选地，角度传感器关于转子的绕组安装在与旋转变送器相同的侧上。
控制单元可以设计用于给绕组彼此个体化地和单独地经由旋转变送器输送直流电流并且可变地调节输送给绕组的直流电流的电流方向。控制单元可以是电路，所述电路可以通过控制开关和其他控制装置来控制马达的运行。此外，控制单元可以包括用于处理信号的CPU。控制单元可以接收信号(例如指令、测量值、检测值等)并且输出控制信号。控制单元可以设计用于从角度传感器接收信号(例如电压)并且基于所述信号(也就是说基于转子的角度位置)控制对绕组的电流输送。此外，控制单元可以设计用于从接口接收信号(例如控制信号、转子的目标位置等)。此外，控制单元可以设计用于将角度传感器的信号与接口的信号进行比较并且基于所述比较控制对绕组的电流输送。此外，控制单元可以包括存储单元，存储单元可以设计用于持久地或有时存储运行程序和/或测量值。
转子的角度位置可以表述为角度信息。此外，转子的角度位置可以是相对值或绝对值。例如，转子的如下位置可以描述为初始位置(0°的角度位置)，在所述位置的情况下第一绕组水平定向而第二绕组竖直定向。然后，如果转子例如围绕其旋转轴线旋转，使得第一绕组竖直而第二绕组水平定向，则存在90°的角度变化或角度位置。
在马达运行期间，马达朝向外部磁场定向，使得转子的旋转轴线横向于外部磁场(也就是说横向于磁场的场线)延伸。对于转子的旋转轴线横向于磁场的场线定向，充分的是，相应的场线的至少一个分量正交于旋转轴线延伸，也就是说特定的最小场强必须正交于旋转轴线。换言之，在旋转轴线横向于场线定向的情况下，旋转轴线和场线可以包括除了0°和180°之外的任意角度。角度优选地为30°和150°之间，更优选地为50°和130°之间，进一步更优选地为70°和110°之间。也就是说，旋转轴线可以设置成，使得其不平行于磁场的场线延伸。磁场的场线可以是上级磁场的合成的场线。换言之，只要相应的场线的至少一个分量基本上正交于马达的旋转轴线延伸，则可以不考虑较小的涡流。
马达例如可以在使用轴、螺杆和/或变速器设备的情况下调整检查床。尤其可以借助于马达移置调整床的头枕。此外，马达可以调整检查床相对于水平面的倾斜或在MRT中的成像过程期间引起检查床的进给。此外，可以借助于马达调整检查床的高度。因为对于马达没有设置永磁体等，则不必注意，马达具有相对于磁共振磁体的特定的间距。因此，提供在构造检查床和整个MR系统时提高的设计自由度。此外，总体上简化检查床的操作，因为不必注意检查床过近地靠近MR磁体。
此外，也可以在校准MR系统时使用马达。在此，可以校准和/或测试运动控制部件。例如可以接近实际地借助于马达使假人(也就是说模拟真实患者的人体模型)运动，而磁场在孔(Bore)中激活并且执行样品测量。因此，可以校准运动补偿。可以借助于马达可重复地和预先确定地实施运动，由此可以简化校准。
还可考虑，在借助于垫片装置(Shim-Device)设定MR系统时使用马达，以便使磁场均匀化。因此，例如可以借助于马达使在现有技术中手动执行的测量设备在磁场中的旋转自动化，使得服务技术人员不再必须手动实施这。由此可以加速MR系统的调整(Tune-Up)，这引起成本和时间节省。
在校准霍尔传感器时也可考虑使用马达。因此，在校准霍尔传感器时需要使所述霍尔传感器以特定的方式和方法在预先确定的磁场中运动。在所述所谓的“椭圆拟合校准(Elliptical Fitting Calibration)”中，可以有利地使用马达，以便使待校准的霍尔传感器以定义的方式运动，因为马达可无问题地和高精确地在外部磁场中运行。
优选地，马达由塑料、陶瓷和/或由铜形成。优选地，马达不具有铁磁性材料。因此，马达可以无问题地(也就是说无对应的锚固)放置在强的外部磁场中。此外，马达也可成本有利地制造，因为不需要如在市场上常见的伺服马达那样使用钕磁体。因此，可以节省在制造方面的成本。
优选地，每个绕组至少大约与旋转轴线处于一个平面中。换言之，每个绕组可以与旋转轴线处于相同的平面中。转子可以具有多个绕组，所述多个绕组基本上沿着转子的纵向方向(也就是说沿着旋转轴线)延伸。在此，每个绕组可以在转子的一侧上从相应的旋转变送器上的端子平行于转子的纵向方向延伸，然后在转子的端部处变换到转子的相对置的侧上并且在那里平行于转子的旋转轴线又延伸返回到端子。换言之，可以形成绕组的导线可以关于转子(也就是说关于马达的旋转轴线)相对置。“基本上”可以在上下文中意味着，形成绕组的导线不精确地相对置，而是以制造公差相对置。所述制造公差例如可以意味着大约5％的偏差。平面可以在以上情况下通过两个彼此90°伸展的直线确定。每个绕组可以在俯视图中形成基本上矩形的形状。此外，每个绕组可以在环周上包围转子。由此可以简单地确保从外部对绕组的可触及性。
优选地，转子的直径与绕组沿着转子的旋转轴线的延伸长度之间的比例关系小于1，优选地小于0.3。在所述比例关系的情况下确保，所产生的洛伦兹力作用于充分长的路段，以便产生充分大的扭矩。因此，可以提供强的步进马达。此外，能够以所限定的比例关系来优化所使用的材料与通过马达提供的作用之间的比例关系。
优选地，马达的扭矩可以大于2.5牛米。因此，马达可以设计为，即使没有通过变速器的传动也足够强，以便例如使MR系统的检查床连带其上的患者无问题地水平和/或竖直运动。
优选地，每个旋转变送器都具有导电的且连续延伸的第一元件和第二元件。优选地，第一元件和第二元件彼此可旋转地设置。优选地，在马达运行期间，第二元件与转子一起旋转。优选地，在第一元件与第二元件之间形成有间隙，在所述间隙中，设置有导电的液态金属合金，尤其共晶合金，其包括镓、铟和锡。第一元件可以在其朝向第二元件的侧上具有第一凹部而第二元件可以在其朝向第一元件的侧上具有第二凹部。在第一凹部和第二凹部中可以设置有导电的多孔材料。液态金属合金可以在第一元件与第二元件之间建立导电的连接。在此，多孔材料可以帮助液态金属合金可靠地保持在间隙中。因此，旋转变送器可以设计用于与转子是否旋转无关地将电流从第一元件传输至第二元件。因此，可以将电流从固定的电流源传输给旋转的转子，而不需要例如与碳刷的滑动接触。作为旋转变送器例如可以使用如在EP 2498347 B1中描述的旋转变送器。此外，EP 2498347 B1的内容通过引用包含于本文中。
优选地，控制单元可以设计用于基于转子的角度位置将至少一个绕组短路，尤其经由晶体管级联短路，使得可以制动转子的旋转。换言之，如果两个绕组中的一个绕组用于将转子置于旋转中，则可以将同样通过外部磁场运动的未使用的绕组短路。由于未使用的绕组在外部磁场中运动，在所述绕组中感应出电压。由此可以在绕组中引起电压降。于是，如果所述绕组短路，也就是说在所述绕组中对应于感应出的电压产生电流流动，洛伦兹力逆着转子的旋转方向起作用并且制动转子。如果转子不再在外部磁场中运动，则所产生的洛伦兹力与短路前转子的旋转速度相关并且变为零。换言之，所产生的制动作用可以与转子的旋转速度成比例。借此无论如何可以确保，通过将未使用的绕组短路产生足够大的制动作用，以便使转子停止在所期望的位置中。可以通过开关引起未使用的绕组的短路。“短路”可以根据本发明意味着使电回路闭合，使得电流可以基本上在无附加电阻(例如消耗器等)的情况下流动。因此，转子可以通过一个绕组置于旋转中而通过另一绕组制动。如果转子已经到达其所期望的位置，则可以给先前对于旋转使用的(也就是说通电的)绕组继续通电，以便增大马达在所期望的位置中的保持力矩。如此继续通电的绕组引起基于不想将转子置于旋转中的洛伦兹力的径向力分量。因此，可以将转子保持在所期望的位置中并且保持力矩可以增大。
也可以借助于多于仅一个的绕组制动，因此可以在马达中设有多个绕组，其中可以借助于特定数量的绕组加速转子并且可以借助于特定数量的绕组制动转子。优选地，也借助于与先前加速时相同数量的绕组制动。
为了限制在短路时流动的电流，可以设有至少一个晶体管，所述晶体管可以限制电流，使得可以限制制动作用或制动力。晶体管也可以是受控的晶体管，使得可以由控制单元主动地控制在绕组短路时流动的电流。因此，可以保护电路和马达免受损伤。尤其由于在短路时所产生的涡流而可以产生制动作用。优选地，控制单元可以基于其从角度传感器获得的信息将至少一个绕组在特定时间(也就是说在转子的特定的角度位置处)短路。通过短路，转子可以强烈被制动并且立即保持静止。因此可以确保转子不围绕目标位置摆动，而是直接占据目标位置。在转子旋转180°之后，电流方向可以相对于用于驱动的绕组变换极性，以便使转子在相同的方向上继续旋转。
尤其在马达以步进马达运行方式运行时可以使用制动。在步进马达运行方式中，由马达实施的单个步可以与绕组的数量相关。“步”可以定义为，使得该步具有从一个绕组至相邻的绕组的角距。因此，如果设有两个绕组，则步可以为90°。如果设有三个绕组，则步可以为60°。如果设有四个绕组，则步可以为45°，依次类推。对于高精确的步进马达，例如可以设定1.8°的步长。在这种情况下，可以在转子处设有100个绕组。优选地，然而设有8至10个绕组，使得可以得出22.5°至18°的步长。在步进马达运行方式中，控制单元可以控制绕组的通电，使得转子逐步地旋转了两个相邻的绕组之间的角距。
控制单元可以具有桥电路用于控制绕组的通电，所述桥电路也描述为H电路、H桥或全桥。因此，有利地能够通过控制桥电路中的开关来改变电流方向。可以使用MOSFET开关、晶体管、IGBT晶体管或继电器作为开关。换言之，控制单元可以接通和关断至每个绕组的电流流动以及改变施加每个绕组所用的电流方向。此外，控制单元可以设计用于改变(即设定)施加每个绕组所用的电压。因此，可以控制马达的旋转方向和扭矩。
优选地，转子可以包括设置在转子处的三个绕组。三个绕组可以在转子的环周方向上均匀分布地设置。换言之，三个绕组彼此间可以具有60°的角距。此外，也可以在转子处设置更多的绕组，所述绕组可以在转子的环周方向上均匀分布地设置。如果转子具有三个绕组，则可以在伺服马达运行方式中运行马达。在此，可以(例如经由接口)预设马达在运行期间应占据的目标角度位置。在此，可以经由角度传感器连续确定转子的位置。角度传感器可以为此例如输出对应于现在的角度位置的电压。目标位置同样可以表示为电压。此外，可以设有比较器，其将角度传感器的输出与预设的目标位置的电压进行比较并且一直运行马达，直至两个电压一致，也就是说，转子已到达所期望的位置。在马达以伺服马达运行方式运行时，可以给三个绕组中的至少两个绕组同时通电。在此，两个同时通电的绕组可以具有反向的电流流动。由此可以确保：所产生的洛伦兹力引起转子在相同方向上旋转，使得将转子置于运动中。此外，可以设定绕组中的电流强度，使得转子可以到达所期望的位置(也就是说目标位置)。换言之，各个绕组中的电流强度可以与绕组的位置相关地(也就是说与转子的位置相关地)改变。这对于引起转子均匀旋转是特别有利的，因为绕组可以相对于磁场定向成，使得在所述绕组中产生的洛伦兹力仅仅将径向力分量施加到转子上并且所述径向力分量因此对转子的旋转没有任何贡献。换言之，存在转子的如下角度位置：在所述角度位置处，绕组不能够产生(基于洛伦兹力)引起转子旋转的切向力分量。如果绕组与旋转轴线一起处于一个平面中并且外部磁场的场线平行于所述平面延伸(所述位置也可以称作为死点)，则可以存在所述角度位置。相反，至少两个另外的绕组可以分别产生切向力分量，所述切向力分量可以分别给转子的旋转提供贡献。此外，可以在伺服马达运行方式中控制绕组的通电，使得转子在到达目标位置之前变慢。因此，可以阻止转子围绕目标位置摆动或超出目标位置。优选地可以由控制单元控制绕组的通电，使得转子快速地加速并且然后其越接近其目标位置则变得越慢。替选地或附加地，控制单元可以通过如下方式制动转子的旋转：将绕组中的一个绕组短路和/或引起与旋转反向的洛伦兹力(也就是说通过一个绕组的短路或通过一个绕组的有针对性通电)。
优选地，控制单元可以设计用于借助于矢量控制来控制给绕组的电流输送。在当前情况下，电流输送可以包括电流强度。此外，电流输送也可以包括电流方向。可以借助于矢量调节合并在每个绕组中产生的力并且可以确定合成的力分量。可以设定可以单独施加到每个绕组上的电流强度和电流方向，使得合成的力分量将转子在预先确定的方向上且以预先确定的扭矩至于旋转中。换言之，矢量调节可以表示合成的力矢量的确定并且可以因此控制为使得可以尽可能快地和高精度地到达目标位置。
优选地，角度传感器可以是光学系统，所述光学系统设计用于通过采样极轮获得转子的角度位置。极轮可以在马达运行期间与转子一起旋转。极轮可以具有在其表面上分布的标记(例如留空部和/或突出部)，所述标记可以由光学系统检测。标记可以对应于增量或检测步骤，使得设有越多的增量，则可以提高角度位置的检测精度。因此，角度传感器可以基于检测到的标记(也就是说基于检测到的标记的数量或检测到的标记的类型)输出转子的当前角度位置。优选地，极轮具有为转子具有的绕组两倍的标记。优选地，极轮可以设计成，使得角度传感器可以以800至1500步的范围中、优选地900至1200步的范围中、特别优选地1000步的分辨率分辨。为此，极轮可以具有对应的数量的标记。这样高的分辨率尤其对于伺服马达运行是有利的。优选地，控制单元可以基于从角度传感器获得的信息以闭环控制方式控制马达，尤其在伺服马达运行方式的情况下。借此可以实现制造成本与控制精度之间的最优比例关系。角度传感器例如可以设计为光栅系统，所述光栅系统可以确定光束被极轮中断的数量。根据中断的数量可以确定转子处于哪个角度位置中。极轮也可以称作编码器盘。
因此，马达可以在外部磁场中用作步进马达或用作伺服马达，相反，在现有技术中已知的DC马达并不设计用于在MRT的磁场中作为步进马达或作为伺服马达工作。
根据本发明的另一方面，提供MR系统的检查床，所述检查床包括根据本发明的DC马达，其中检查床可以通过DC马达调节和/或移动。检查床例如可以由患者可以占据的检查台和例如可移动的基座形成。检查台可以相对于基座运动。检查台例如可以借助于马达相对于基座连续在不同方向上移动(例如在水平方向中和/或在竖直方向中)。这种检查床例如可以在借助于MRT的成像过程期间使用。在此，患者可以处于检查床的检查台上并且通过检查台的运动置于在MRT的孔中对于成像设置的图像平面中。在此，检查床也可以至少部分地处于孔中。在孔中可以存在具有大约0.5特斯拉至11特斯拉的强度的磁场。此外，检查床的检查台也可以借助于DC马达也在其高度上尤其相对于基座被调节，使得患者可以运动到MRT的图像平面中。此外，检查床也可以部段地通过DC马达调节，因此例如可以使检查台的头枕或另一部分翻转、倾斜或移动到位置中，以便给患者提供尽可能大的舒适度并且将患者同时最优地定位在MRT的图像平面中。
根据本发明的另一方面，提供一种用于在外部磁场中运行DC马达的方法，其中马达具有：转子，所述转子可围绕旋转轴线旋转并且具有至少两个绕组；至少四个连续的旋转变送器，其中各两个旋转变送器与绕组中的一个绕组相关联并且设计用于给分别相关联的绕组供给直流电流；角度传感器，其设计用于确定转子的角度位置，其中方法包括以下步骤：将马达放置在外部产生的磁场中，尤其放置在磁共振断层扫描仪的磁场中，使得马达的旋转轴线横向于磁场的场线延伸；给绕组中的至少一个绕组通电，使得转子尤其由于由此产生的洛伦兹力围绕旋转轴线旋转；在使用角度传感器的情况下确定转子的当前角度位置；调整绕组的通电，使得转子占据预先确定的角度位置。例如可以通过如下方式实现放置马达：马达紧固在检查床上，所述检查床可以用于将患者置于MRT的孔中并且支撑在那里。在此，仅仅需要将马达放置成，使得MRT的磁场的场线横向于转子的旋转轴线延伸。不必注意：马达太靠近MR磁体，如在现有技术中那样。因此，马达可以安装在检查床处的对于马达的功能和对于检查床的可制造性有利的位置处。换言之，仅还注意马达的定向并且不再注意放置的位置。因此，可以总体上提高在检查床和MR系统中的设计自由度。在马达在外部磁场中的其他使用中，例如可以手动定向马达，使得外部磁场的场线横向于转子轴线延伸。另外可考虑，自动地通过定向设备定向马达。在此，可以测量场线并且基于测量结果(也就是说磁场的场线的方向)自动地定向马达，使得场线横向于旋转轴线延伸。例如可以根据所述方法中的上述实施方式之一使用马达。
调整通电可以包括给一个或多个绕组选择性通电。因此，可以给绕组通电，以便将转子置于旋转中。在此，可以精确地给一个绕组或多个绕组通电，所述一个绕组或多个绕组由于洛伦兹力可以将切向力分量施加到转子上。绕组在外部磁场中的位置可以通过角度传感器获得。在此，场线的定向已知并且预设定或通过场线测量装置并行测量(例如借助于一个或多个霍尔传感器)。
此外，调整通电可以包括中断给一个或多个绕组的通电。因此，在到达转子的目标位置不久之前，可以中断给一个或多个绕组的通电，使得转子的旋转减缓(例如由于摩擦和/或负载)。此外，调整通电也可以包括在绕组中的至少一个绕组中引起特定的电流方向，使得产生抵抗旋转的力分量。最后，调整通电也可以包括将绕组中的至少一个绕组短路，使得先前感应出的电压引起电流流动，所述电流流动又引起抵抗旋转的洛伦兹力。借此可以转子精确地置于静止。可以通过具有上述特征的控制单元实施调整。
优选地，调整通电的步骤可以包括将绕组中的至少一个绕组短路或调整绕组中的电流强度。在此，可以在具有两个绕组的马达中在步进马达运行方式中执行短路。可以在具有至少三个绕组的马达中在伺服马达运行方式中调整绕组中的电流强度。
在步进马达运行方式中，转子可以具有至少两个绕组。在此，马达的运动区间(也就是说步长)可以对应于两个绕组之间的角距。也就是说，设有的绕组越多，则转子的运动区间就越小。在步进马达运行方式中，可以给负责转子旋转的至少一个绕组通电。在到达目标位置的情况下，可以将未使用的绕组短路，使得转子保持静止。在多个绕组的情况下，可以给邻接于死点的绕组通电，以便将转子置于运动中。死点是转子的如下点(角度位置)或姿态：在所述点(角度位置)或姿态处，给处于那里的绕组通电仅引起径向力分量并进而对转子的旋转没有提供贡献。被短路以便使转子停住的不用于通电的绕组可以处于任意位置(也就是说仅不在死点中)。然而，因为死点可以是待通电的绕组的目标位置，所以在此自动地满足所述要求。
在伺服马达运行方式中，优选地在转子处设有三个绕组，使得转子可以与相应的绕组中的电流方向相关地在所期望的方向上连续旋转。例如，绕组可以处于死点中并进而不用于加速转子。可以在此一直给绕组通电，直至到达目标位置。在转子运动期间，可能需要使通电变换极性，以便转子在一个方向上继续旋转。与步进马达运行方式相反，在伺服马达运行方式中在到达目标位置的情况下，没有绕组能够处于死点中。因此，可以通过连续的运动驶向任意目标位置。可选地，也可以在伺服马达运行方式中在使用未使用的绕组的情况下执行制动，以便将转子制动在目标位置中。
优选地，可以在MR系统中使用马达。此外，也可以在生产中使用该马达，其中可以在校准霍尔传感器时和在测试磁共振断层扫描仪的所谓的“运动控制部件”(使能器)时使用该马达。
此外，与对于设备相同的设计方式和优点适用于方法，反之亦然。
附图说明
由以下描述和附图得出其他特征和优点。
在附图中：
图1示出根据本发明的一个实施方式的马达的立体图，
图2示出根据本发明的一个实施方式的马达的立体示意图，
图3示出根据本发明的一个实施方式的马达的转子的示意性截面图，
图4示出图3中的转子在一个角度位置中的示意性截面图，
图5示出图3中的转子在另一角度位置中的示意性截面图，
图6示出图3中的转子在另一角度位置中的示意性截面图，
图7示出图3中的转子在另一角度位置中的示意性截面图，
图8示出根据本发明的一个实施方式的马达的转子的示意性截面图，
图9示出根据本发明的一个实施方式的具有另外的部件的马达的示意图，以及
图10示出根据本发明的一个实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一个实施方式的马达的立体视图。马达1具有可围绕旋转轴线5旋转的转子2。转子2具有两个绕组10、11，所述绕组基本上沿着旋转轴线5在转子2处伸展。此外，马达1具有四个旋转变送器3，其中各两个旋转变送器3与绕组10、11中的一个绕组相关联。也就是说，一个旋转变送器3是第一绕组10的正极而另一旋转变送器3是第一绕组10的负极。同样地，旋转变送器3中的一个旋转变送器是第二绕组11的正极而另一旋转变送器3是第二绕组11的负极。因此，各两个旋转变送器3与绕组10、11中的一个绕组串联连接。旋转变送器3以通过控制单元15可控制的方式可施加有电流。然后，旋转变送器3将电流传输到与旋转变送器3相关联的绕组10、11。因此，控制单元15设计用于控制给绕组10、11中的至少一个绕组的电流输送。此外，控制单元15可以个体化地对于每个绕组设定至绕组10、11的电流方向。
此外，马达具有角度传感器4，所述角度传感器设计用于确定转子2的角度位置。角度位置是转子的位置，表示为围绕转子的旋转轴线5的角度。角度位置可以是相对变量或绝对变量。角度传感器4关于转子2设置在马达1的与旋转变送器3相同的轴向侧处。由此可以提供优化的线缆引导，因为共同的线缆引导可以引导至角度传感器4和至旋转变送器3。在一个未示出的替选的实施方式中，角度传感器关于转子2设置在马达1的与旋转变送器3在轴向上不同的侧处。在此，角度传感器4无线缆地与控制单元15连接。
此外，转子2具有保持设备7，所述保持设备均匀分布地设置在转子2的环周上并且设计用于将绕组10、11保持在特定的位置中。在此，保持设备7设计成，使得其也可以在更高的转速和/或高的加速度的情况下将绕组10、11可靠地保持就位。为此，保持设备7具有底切部，绕组10、11在所述底切部中伸展。此外，马达1具有壳体(在该图中未示出)，马达1的构件容纳在所述壳体中。此外，旋转变送器3的和角度传感器的端子都设置在马达1的相同的侧上。因此，可以确保优化的线缆引导并且马达1可以紧凑地构成。
转子2在当前实施方式中是具有外壳面和两个盖面的柱状体。转子2关于旋转轴线5旋转对称地形成。在一个替选的未示出的实施方式中，转子2在截面中是具有为绕组两倍的多个面的多面体。
绕组10、11是绝缘导线，所述绝缘导线通过沿着转子2的旋转轴线5多次缠绕转子2形成绕组10、11。每个绕组10、11的导线分别用一端部与一个旋转变送器3连接并且用另一端部与另一旋转变送器3连接。导线在转子的盖侧处交叉。旋转变送器也可以构成为滑动触点。
图2是马达1的示意性立体图，其中为了简化描述而省略个别构件。在图2中示出外部磁场6。在当前实施方式中，外部磁场6是磁共振断层扫描仪的磁场(B0场)并且恒定地以基本上平行的场线伸展(参见该图中的箭头)。外部磁场可以具有0.5至11特斯拉的强度。此外，在图2中以点划线的形式示出旋转轴线5。在图2中，转子2定向成，使得第一绕组10处于死点中。如果给绕组通电仅引起相对于转子2径向起作用的力分量从而不会将转子2置于运动中，则绕组处于死点中。换言之，在图2中示出的示例中，给第一绕组10通电不引起转子运动。
相反，如果在图2中给第二绕组11通电，也就是说与能量源连接，使得电流流经绕组11，则由于洛伦兹力引起的切向力分量作用于转子2。所述切向力分量引起转子2在当前实施方式中以顺时针置于旋转中。相反，如果第一绕组10如在图2中示出的那样通电，则径向力分量作用于第一绕组10并从而作用于转子2，所述径向力分量对转子2的旋转没有贡献。换言之，仅当所产生的洛伦兹力具有关于转子2的切向力分量时，才能够将转子2置于旋转中。
转子2的旋转方向可以随着电流方向的变化而变化。控制单元15设置和设计用于调整流经绕组10、11的电流的电流方向。因此，可以使转子2在所期望的方向上旋转。
在图3中示意性示出通过图2中的转子的截面图。与图2中的转子2的姿态相反，在图3中示出的转子2逆时针旋转90°。在这种情况下，第一绕组10处于死点中，使得第一绕组10在其通电时仅仅产生径向力分量和从而不能够将转子2置于旋转中。相反，如果给第二绕组11通电(也就是说与电流源连接)，则转子2置于旋转中。然后，如果第二绕组11到达竖直位置(在图3中向上/向下方向，也就是说死点)，则给第二绕组11通电也没有贡献将转子2置于旋转中的力分量。转子2会稍微来回摆动并且然后随着第二绕组11竖直定向而静止。所述摆动在作为步进马达的马达1运行时是不期望的。因此，控制单元15控制给绕组10、11的电流输送，使得尤其避免转子2的来回摆动。在此，控制单元15将对于所述运动未使用的(也就是说通电的)绕组短路。因此，可靠地和精确地到达预先确定的角度位置(也就是说，无上述摆动)。对此的细节参照图4予以描述。
在图4至图7中示出图3中的转子2在不同运行位置中的四个示意性截面视图。在图4中，绕组10、11中的任一绕组都不与电流源连接并且转子2静止。外部磁场6在图4至图7中示出的截面视图中始终从左向右起作用(为了概览起见，仅在图4中通过箭头示出)。
在图5中对第二绕组11施加电流(也就是说与电流源连接)。在此，绕组11的在该图中的右侧具有正极性而绕组11的在该图中左边示出的侧具有负极性。对应地，如通过箭头在图5中示出的那样，在电流流经第二绕组11时洛伦兹力切向地作用于转子2。因此，转子2逆时针置于旋转中。
在图6中，转子2逆时针运动并且因此绕组10、11也移动。根据绕组11的转子2的在圆形轨迹上的移动，对转子2的旋转提供贡献的切向力分量变小，直至当第二绕组11已经到达竖直定向(也就是说死点)时所述切向力分量变为0。控制单元15已经获得或预设定转子2的位置作为预先确定的角度位置，在所述位置，第二绕组11竖直定向。在当前实施方式中，这对应于步进马达运行中的步。控制单元15通过角度传感器4持续接收转子2的当前角度位置。
在图7中，转子2已经到达所期望的且预先确定的目标位置。为了使转子2在所述预先确定的目标位置中停住(也就是说为了阻止来回摆动)，控制单元15通过闭合开关将第一绕组10短路，使得通过绕组10运动穿过磁场6而感应出的电压引起电流流动，所述电流流动又引起逆着转子2的旋转方向的切向洛伦兹力。由此突然制动转子2，因为第一绕组10的起作用的洛伦兹力(也就是说制动力)与第一绕组10运动穿过磁场6的速度相关。如果转子2静止，则在第二绕组10中不再存在电压降，由此不再有电流流经第二绕组10并进而没有洛伦兹力起作用。因此，转子精确地停止在目标位置中。在一些实施方式中，即使当第二绕组已经处于目标位置中时(在图7中示出的实施方式中在竖直定向上)，也继续给第二绕组11通电。由此可以产生马达1的保持力矩并且转子2保持在目标位置中。在所示出的实施方式中，步长为90°。在未示出的另外的实施方式中，转子2具有十个绕组并且借此具有18°的步长。
控制单元15控制通电，使得相邻或邻接死点设置的绕组通过运动移动到死点中。如果要实施转子2的大于一步的步长的旋转，则相继地实施多个步。
在图8中示出本发明的另一实施方式。在此，图8是根据本发明的另一实施方式的马达1的转子2的示意性截面视图。当前实施方式在转子2处具有第三绕组12。绕组10、11、12均匀围绕转子2的环周设置。换言之，绕组10、11、12彼此具有60°的角距。在当前实施方式中，给三个绕组10、11、12中的至少两个绕组通电(也就是说与电流源连接)，使得可以始终产生通电的绕组10、11、12中的一个绕组的洛伦兹力的切向力分量，使得转子可以无问题地运动到预先确定的角度位置中。
在当前实施方式中，可以在伺服马达运行方式中运行马达1。在此，控制马达1，使得其占据任意的预先确定的角度位置。在此，转子2不是逐步地而是连续地或持续地运动。为此，在当前实施方式中，设有另一绕组12，使得始终有两个绕组可以将切向力分量施加到转子2上并且例如可以使用一个绕组来制动转子2。因此，可以在伺服马达运行方式中运行当前实施方式的马达1用于精确的调节目的。
因此，控制单元15可以借助于矢量调节与从角度传感器4获得的位置相关地控制当前实施方式的马达1，使得到达转子2的预先确定的角度位置。即使在当前实施方式中，未使用的绕组10、11、12也可以用于将转子2静止在所期望的位置中。对应的制动如在上述实施方式中那样运行。
在另一未示出的实施方式中，设有多个绕组(优选地8-10个绕组)。因此，可以一方面获得足够强的马达1。借此可以对于作为伺服马达运行的马达1的强度和精度提出最高的要求，用以使用在外部磁场中。因此，当前实施方式的马达1具有至少2.5Nm的扭矩。
图9是示出具有其他部件的马达1的示意图。如上所述，控制单元15可以控制从电流源16至绕组10、11的电流输送。电流源16可以是电流存储器如电池或蓄电池或电网。此外，如上所述将电流经由旋转变送器3输送给绕组10、11。控制单元15可以从角度传感器4接收信号。为此，角度传感器4可以借助于线缆或无线缆地与控制单元15连接。角度传感器4输出对应于转子的位置的电压。控制单元15可以将电压与角度位置相关联。控制单元可以输出转子2的角度位置或将其用于其他过程。此外，设有接口17，其要么是至用户的接口要么是至另一系统(计算机系统)的接口。经由接口17，控制单元获得用于运行马达1的指令并且可以输出关于马达1的运行状态的信息。控制单元尤其经由接口17获得转子2的目标位置。
在步进马达运行方式中，控制单元15将目标位置与特定数量的待执行的步(与步长相关)和转子2的旋转方向相关联。基于此，控制单元控制绕组10、11的通电。在此，使用角度传感器4来精确地执行各个步(尤其上述制动干预)。
在伺服马达运行方式中，控制单元15将接收到的目标位置与特定的目标电压相关联并且将其与当前角度位置(也就是说与由角度传感器输出的电压)进行比较。这可以借助于比较器进行。然后，控制单元15控制转子2，直至两个电压基本上一致，也就是说，直至转子2已经到达目标位置。
图10是根据本发明的用于在外部磁场6中运行DC马达1的方法的示意性流程图。在所述方法中，可以使用根据上述实施方式中的一个实施方式的马达1。所述方法具有将马达放置S1在外部磁场中的步骤。在此，将马达1定位在外部磁场6中，使得旋转轴线5横向于磁场的场线6定向。在本发明的一个实施方式中，在MR系统的检查床中设有马达1，并且在那里相应地定向，使得如果检查床在运行状态中处于MR系统中或处于MR系统处，则保持马达，使得马达1的旋转轴线5横向于磁场的场线6延伸。
此外，所述方法具有给绕组10、11、12中的至少一个绕组通电S1，使得转子2围绕旋转轴线5旋转。如已经在上述实施方式中描述的那样，通过有针对性的通电(也就是说将绕组10、11、12中的至少一个绕组与电流源连接)，产生可以将转子2围绕旋转轴线5置于旋转中的切向力分量。同时或之后，在确定S3的步骤中，在使用角度传感器4的情况下确定转子2的当前角度位置。通过知悉转子2的角度位置和从而也知悉绕组10、11、12的位置，可以给对应的绕组10、11、12通电，所述对应的绕组可以将所期望的(例如最大的切向力)施加到转子2上。此外，通过知悉转子2的精确的角度位置在制动过程中或直接在到达预先确定的目标位置之前也可以确定用于制动转子2的那个绕组10、11、12。
此外，根据本发明的方法包括步骤：调整S4绕组10、11、12的通电，使得转子2占据预先确定的角度位置。为此，调整S4通电的步骤可以是将绕组10、11、12中的至少一个绕组短路或调整绕组10、11、12中的电流强度。换言之，例如可以在设有两个绕组10、11的马达1中，将恰好未用于驱动转子2的绕组短路，以便产生逆着旋转方向起作用的洛伦兹力，使得转子突然被制动。
在转子3具有多个(例如3个)绕组的实施方式中，可以控制相应的绕组10、11、12中的电流强度，使得作用于转子2的合成的切向力具有所期望的大小或方向。为此，也可以快速地相继切换绕组10、11、12，以便例如越过死点，在该死点中绕组仅将径向力施加到转子2上。应注意的是，在旋转180°之后必须变换极性，借此绕组中的所产生的力(也就是说所产生的洛伦兹力)继续沿着已经存在的旋转方向指向。极性的这种变换例如可以通过桥电路实现。然而，任何其他可以变换绕组10、11、12的正极和负极的电路也是合适的。在当前实施方式中，马达1由材料如陶瓷、塑料和/或铜形成。
在一个实施方式中，根据本发明的马达1用于校准霍尔传感器。在上下文中该马达尤其可以使用在“椭圆拟合校准”中。在此，马达1可以使待校准的霍尔传感器根据预设在现存的磁场中运动，使得可以基于已知的边界条件容易地创建修正参数。
在另一实施方式中，使用根据本发明的马达1来校准MR系统的运动修正(也就是说英文：Motion Correction)。在此，将人体模型(也就是说假人)引入MR系统中并且通过根据本发明的马达1运动。运动可以反映患者的真实运动。在此期间，可以基于马达1的已知的运动调整图像平面，使得可以在之后的成像方法中计算出运动。
在另一实施方式中，可以在测量例如在MR系统的孔中的磁场时使用根据本发明的马达1。在此，马达1可以在孔中用预先确定的测量来替代在其他情况下手动实施的运动或测量。由此可以提供MR系统的调整的自动化和简化。

Claims (11)

1.一种用于在外部磁场中运行的直流马达(1)，包括：
转子(2)，其能够围绕旋转轴线(5)旋转并且具有至少两个绕组(10，11)，
至少四个连续的旋转变送器(3)，其中各两个旋转变送器(3)与所述绕组(10，11)中的一个绕组相关联并且所述各两个旋转变送器设计用于给分别相关联的绕组(10，11)供给直流电流，
角度传感器(4)，其设计用于确定所述转子(2)的角度位置，以及
控制单元(15)，其设计用于根据所述转子(2)的角度位置控制给所述绕组(10，11)中的至少一个绕组的电流输送，
其中所述马达(1)在运行期间朝向外部磁场定向，使得所述旋转轴线(5)横向于所述外部磁场延伸。
2.根据权利要求1所述的直流马达(1)，其中每个绕组(10，11)与所述旋转轴线(5)至少大约处于一个平面中。
3.根据上述权利要求中任一项所述的直流马达(1)，其中在所述转子(2)的直径与所述绕组(10，11)沿着所述转子(2)的旋转轴线(5)的延伸长度之间的比例关系小于1，优选地小于0.3。
4.根据上述权利要求中任一项所述的直流马达(1)，其中每个旋转变送器(3)具有导电的且连续延伸的第一元件和第二元件，
其中所述第一元件和所述第二元件彼此可旋转地设置，
其中，在所述马达(1)运行期间，所述第二元件与所述转子(2)一起旋转，和
其中在所述第一元件与所述第二元件之间形成间隙，在所述间隙中，设置有导电的液态金属合金，尤其共晶合金，其包括镓、铟和锡。
5.根据上述权利要求中任一项所述的直流马达(1)，其中所述控制单元(15)设计用于基于所述转子(2)的角度位置将所述绕组(10，11)中的至少一个绕组短路，尤其经由晶体管级联短路，使得能够制动所述转子(2)的旋转。
6.根据上述权利要求中任一项所述的直流马达(1)，其中所述转子(2)包括设置在所述转子(2)上的三个绕组(10，11，12)。
7.根据权利要求6所述的直流马达(1)，其中所述控制单元(15)设计用于借助于矢量控制来控制给所述绕组(10，11，12)的电流输送。
8.根据上述权利要求中任一项所述的直流马达(1)，其中所述角度传感器(4)是光学系统，所述光学系统设计用于通过对极轮采样来获得所述转子(2)的角度位置。
9.一种磁共振系统的检查床，所述检查床包括根据上述权利要求中任一项所述的直流马达(1)，其中所述检查床通过所述直流马达(1)能够调节和/或能够移动。
10.一种用于在外部磁场中运行直流马达(1)的方法，其中所述马达(1)具有：
转子(2)，其能够围绕旋转轴线(5)旋转并且具有至少两个绕组(10，11)，
至少四个连续的旋转变送器(3)，其中各两个旋转变送器(3)与所述绕组(10，11)中的一个绕组相关联并且所述各两个旋转变送器设计用于给分别相关联的绕组(10，11)供给直流电流，
角度传感器(4)，其设计用于确定所述转子(2)的角度位置，其中所述方法包括以下步骤：
将所述马达(1)放置(S1)在外部产生的磁场中，尤其在磁共振断层扫描仪的磁场中，使得所述马达(1)的旋转轴线(5)横向于所述磁场的场线延伸，
给所述绕组(10，11)中的至少一个绕组通电(S2)，使得转子(2)尤其由于由此产生的洛伦兹力围绕所述旋转轴线(5)旋转，
在使用所述角度传感器(4)的情况下确定(S3)所述转子(2)的当前角度位置，
调整(S4)所述绕组(10，11，12)的通电，使得所述转子占据预先确定的角度位置。
11.根据权利要求10所述的方法，其中调整所述通电(S4)包括将所述绕组(10，11，12)中的至少一个绕组短路或调整所述绕组(10，11，12)中的电流强度。
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