CN114268180A - 一种应用于医疗ct机内球管的永磁电机、驱动系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于医疗CT机内球管的永磁电机、驱动系统及装置，属于医疗电机系统领域。永磁电机包括同轴套装的定子和转子，还包括冷却腔，所述冷却腔设置在球管的管芯外侧，且所述定子位于所述冷却腔内；所述转子位于球管的管芯内部。驱动系统，包括驱动控制器和所述永磁电机，所述驱动控制器用于控制所述永磁电机。本发明将永磁电机应用于医疗CT机的球管上，相比传统的感应电机，采用的永磁电机不需要无功励磁电流，可以显著提高电机的功率因数，减少定子电流和定子铜耗，而且转子上无电阻损耗，提升了电机的效率，并解决了转矩密度低的问题，同时提升了球管的功率。

Description

一种应用于医疗CT机内球管的永磁电机、驱动系统及装置

技术领域

本发明属于医疗电机系统领域，更具体地，涉及一种应用于医疗CT机内球管的永磁电机、驱动系统及装置。

背景技术

CT是computed tomography的简称，即计算机断层扫描成像，是目前对人体内部组织器官进行断面扫描的最主要的影像诊断系统，它的发明直接推动了现代医学的迅速发展。此外，CT设备还广泛应用在产品无损检测、安保、货物装置检测中，在现代社会中发挥着至关重要的作用。

CT设备主要由X射线发生装置、信号接收系统、计算机系统以及辅助设备等构成，其核心部件是球管。高度真空、高温环境的X射线发生装置，也即球管，主要由管芯、管套、高压电路、循环冷却系统等部分组成。管芯一般由玻璃壳密封，内由灯丝构成阴极，旋转靶盘构成阳极，阴阳极之间加上高压形成高压电场。控制靶盘旋转的装置就是球管内部的驱动电机系统。

现有的驱动电机系统方案是采用感应电机。但是，感应电机是依靠定子电流来建立气隙磁场，不仅增大了定子电流，而且提高了定子铜耗。更为严重的是，由于管芯密封的需要，在定转子之间存在玻璃壳，驱动电机定、转子之间的气隙普遍较大，而感应电机对气隙的敏感度比较高，使得现有的球管电机的转矩密度低。并且，较大的气隙长度需要显著增大定子电流来达到相同的励磁效果，进一步增大了定子铜耗，造成电机效率的降低。此外，由于转差率的存在，感应电机的转子损耗也较大，在导致电机效率降低的同时，球管内的转子的相对温度较高，不利于球管功率的进一步提升。为此，现有技术方案面临转矩密度低、电机功率小、电机效率低等一系列问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种应用于医疗CT机内球管的永磁电机、驱动系统及装置，其目的在于解决医疗CT机内球管的感应电机效率低及球管功率难以提升的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种应用于医疗CT机内球管的永磁电机，包括同轴套装的定子和转子，还包括冷却腔，所述冷却腔设置在球管的管芯外侧，且所述定子位于所述冷却腔内；所述转子位于球管的管芯内部。

进一步地，所述转子包括转子铁芯、永磁体以及套筒，所述永磁体套设在套筒内部，所述永磁体嵌入所述转子铁芯内或表贴于所述转子铁芯外表面。

进一步地，嵌入所述转子铁芯内的永磁体由两块沿电机d轴对称分布的第一永磁体和第二永磁体组成，且所述第一永磁体和第二永磁体的形状与d轴磁力线的分布形状一致。

进一步地，通过流线型等势线模拟所述d轴磁力线的分布；所述流线型等势线的分布函数为：

其中，θ是流线型等势线上的点和电机轴心的连线与电机d轴之间的夹角，D_ri是转子内径，p是电机极对数，Ψ是等势线常量，其表达式为：

其中，r是从电机轴心到所述流线型等势线上点的距离。

进一步地，表贴于所述转子铁芯外表面的永磁体为圆环永磁体或两块圆弧状或流线型子永磁体组成的永磁体。

进一步地，所述永磁体为钐钴永磁体或者掺杂有高导热性材料的钐钴永磁体。

进一步地，所述套筒表面覆有镀铬涂层。

进一步地，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组为分布式或者集中式绕组。

按照本发明的第二方面，提供了一种应用于医疗CT机内球管的永磁电机驱动系统，包括驱动控制器和第一方面任意一项所述的永磁电机，所述驱动控制器用于控制所述永磁电机，所述驱动控制器采用基于模型参考自适应系统或滑模观测器的无位置传感器。

按照本发明的第三方面，提供了一种应用于医疗CT机内球管，包括第二方面所述的永磁电机驱动系统。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明将永磁电机应用于医疗CT机的球管上，相比传统的感应电机，采用的永磁电机不需要无功励磁电流，能够显著提高球管电机的功率因数，减少定子电流和定子铜耗，提升了球管电机的效率；同时，由于转子位于球管管芯内部的高真空环境中，相比传统的感应电机，永磁电机的转子上无电阻损耗，发热量低，使得球管内的转子的相对温度更低；同时，在球管管芯外侧设置的冷却腔可以进一步降低球管外定子的温度，进而提升了球管的功率。

(2)进一步的，内置式永磁电机的永磁体形状沿着磁力线分布设计，永磁电机的d轴磁路只通过气隙，而q轴磁路同时穿过气隙和永磁体，永磁电机的d轴和q轴的电感不一样，这种转子磁路的不对称性，引入了最大化的电机凸极比，使电机产生额外的磁阻转矩，输出转矩大，进而提升了转矩密度。

(3)作为优选，本发明转子套筒表面覆有镀铬涂层，显著增强了热辐射能力，进而提升了电机的允许最大功率。

(4)作为优选，本发明驱动控制器采用无位置传感器控制，通过取消机械传感器来适应高温的工作环境，提高了驱动电机系统的可靠性。

总而言之，本发明解决了现有的医疗CT机的球管上驱动电机技术中存在的效率低、转矩密度低的问题，同时提升了球管的功率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的内置式永磁电机截面示意图；

图2是本发明实施例中的永磁电机d轴磁力线分布和永磁体形状的对比示意图；

图3是本发明实施例提供的内置式永磁电机剖面示意图；

图4是本发明实施例提供的表面插入式永磁电机截面示意图；

图5是本发明实施例提供的表面凸出式永磁电机截面示意图；

图6是本发明实施例提供的永磁电机分布式绕组示意图；

图7是本发明实施例提供的永磁电机集中式绕组示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

按照本发明的第一方面，本发明提供了一种应用于医疗CT机内球管的永磁电机，该永磁电机包括同轴套装的定子和转子，永磁电机的转子位于密封的球管管芯内部，处于高度真空、高温的环境中，最高工作温度可达450℃；永磁电机的定子位于球管管芯外侧，在球管管芯外侧设置有冷却腔，定子位于该冷却腔内，该冷却腔内设有降温机构，也可以直接放置球管的冷却油。作为优选，直接将冷却油放置在该冷却腔内，定子浸泡在冷却油中。

其定子包括定子铁芯和定子绕组，定子铁芯由硅钢片叠压而成，以降低定子的铁耗；绕组类型可为分布式或者集中式绕组形式，如图6、图7所示。为了缩短绕组端部长度同时提高槽满率，宜采用分数槽集中绕组。

其转子包括转子铁芯、永磁体以及套筒，永磁体套设在套筒内部，永磁体优选具有高工作温度的钐钴永磁体或者掺杂有高导热性材料的钐钴永磁体混合物，以防止高温工作环境下永磁体的失磁；转子套筒用来保护永磁体，防止其在高速运行时飞出。转子套筒采用具有机械强度、高电阻率、不导磁的材料构成，以最大化减少套筒对电机性能的影响。特别地，套筒表面覆有镀铬涂层，通过增强热辐射来提高转子在真空中的散热能力，进而提升电机的最大功率。转子铁芯为实心的，以避免叠片式铁芯在真空中性能恶化的风险。其中，在套筒和定子之间有密封壳，用于球管管芯的密封。

转子结构可以分为内置式、表面插入式和表面凸出式。

如图1所示，永磁电机转子为内置式结构，永磁体嵌入实心铁心内，永磁体由两块沿电机d轴对称分布的第一永磁体和第二永磁体组成，且第一永磁体和第二永磁体的形状与d轴磁力线的分布形状一致，如图2、图3所示。具体的，通过流线型等势线来模拟d轴磁力线的分布，进而确定永磁体的形状。

通过Joukowski翼型公式确定流线型等势线的形状：

其中，θ是等势线上的点和圆心O(即电机的轴心)的连线与电机d轴的之间的夹角，D_ri是转子内径，p是电机极对数。

Ψ是等势线常量，在一条固定的等势线上，该等势线常量的值是确定的，由下述公式计算得到：

其中，r是从圆心到等势线上点的距离。

为此，任取两个点，用极坐标分别表示为x₁(r₁,θ₁)，x₂(r₂,θ₂)，r₁，r₂分别是从圆心O到x₁(r₁,θ₁)，x₂(r₂,θ₂)的距离，θ₁，θ₂分别是Ox₁，Ox₂与电机d轴的之间的夹角，如果已知两个点的极坐标值，就可以确定两条不同的等势线，进而确定流线型永磁体的形状。为了最大化减少变量，将x₁(r₁,θ₁)，x₂(r₂,θ₂)选择在q轴上，这样θ₁和θ₂即变为已知量，并且D_ri/2≤x₁≤D_ro/2,D_ri/2≤x₁≤D_ro/2，其中，D_ro是转子外径。

在此基础上，利用单参数分析或优化算法，求解得到满足电机设计目标(如效率、输出转矩能力、转矩脉动等)的最优解x₁'(r₁',θ'₁)，x'₂(r₂',θ₂')，进而得到该最优解对应的两个等势线常量Ψ₁'，Ψ₂'。

将Ψ₁'，Ψ₂'代入Joukowski翼型公式，可得到不同夹角条件下的点，连接组成两条等势线：

由这两条等势线可以确定第一永磁体(位于电机d轴上方)的形状，第二永磁体的形状与第一永磁体的形状关于d轴对称。

此时，永磁电机的d轴磁路只通过气隙，而q轴磁路同时穿过气隙和永磁体，导致永磁电机的d轴和q轴的电感不一样，这种转子磁路的不对称性，引入了最大化的电机凸极比，产生额外的磁阻转矩，使得电机的输出转矩增大，进而提升了转矩密度。

同样，如图4所示，永磁电机转子可为表面插入式结构，其永磁体为两块圆弧状或流线型子永磁体，嵌在实心铁芯表面。该结构同样可以利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，但其磁阻转矩成分较低。

如图5所示，永磁电机转子亦可为表面凸出式结构，永磁体为圆环状，置于环形实心铁芯外表面。由于该转子结构转子磁路是对称的，因此该电机只能产生永磁转矩。

本发明还提供了一种应用于医疗CT机内球管的永磁电机驱动系统，包括驱动控制器和上述的永磁电机，该驱动控制器用于控制上述永磁电机的转矩大小及运行转速。该永磁电机驱动系统的驱动控制器，采用基于模型参考自适应系统或滑模观测器的无位置传感器驱动控制系统进行电机控制。通过反馈计算和概率预测来获取转子的位置信息，从而取消了机械传感器，有效降低了整体驱动系统的成本，并降低了硬件设计的复杂度和难度，提高了驱动电机系统的可靠性。

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合一个电机设计实例进行对比分析。所述实例的基本结构尺寸如表1所示。对于内置式永磁电机方案，其转子外面采用1mm套筒以保护永磁体。通过采用差分进化算法，建立转子设计参数(r₁，r₂)与设计目标(转矩T_em，效率η)之间的映射关系，然后选择得到最优的转子方案。

有限元仿真结果表明，在相同定子结构、相同转子内径，且通入相同电流幅值的情况下，所得到的内置式永磁电机相较传统的感应电机，转矩输出能力提升21.7％，效率提高5个百分点，体现出明显的性能优势。

表1示例电机的基本尺寸

结构参数	数值	单位
			定子外径	95	mm
定子内径	53	mm
			叠片长度	50	mm
转子外径	37	mm
			转子内径	29	mm

本发明还提出了一种应用于医疗CT机内球管，包括上述的永磁电机驱动系统。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于医疗CT机内球管的永磁电机，包括同轴套装的定子和转子，其特征在于，还包括冷却腔，所述冷却腔设置在球管的管芯外侧，且所述定子位于所述冷却腔内；所述转子位于球管的管芯内部。

2.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述转子包括转子铁芯、永磁体以及套筒，所述永磁体套设在套筒内部，所述永磁体嵌入所述转子铁芯内或表贴于所述转子铁芯外表面。

3.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，嵌入所述转子铁芯内的永磁体由两块沿电机d轴对称分布的第一永磁体和第二永磁体组成，且所述第一永磁体和第二永磁体的形状与d轴磁力线的分布形状一致。

4.根据权利要求3所述的永磁电机，其特征在于，通过流线型等势线模拟所述d轴磁力线的分布；所述流线型等势线的分布函数为：

其中，θ是流线型等势线上的点和电机轴心的连线与电机d轴之间的夹角，D_ri是转子内径，p是电机极对数，Ψ是等势线常量，其表达式为：

其中，r是从电机轴心到所述流线型等势线上点的距离。

5.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，表贴于所述转子铁芯外表面的永磁体为圆环永磁体或两块圆弧状或流线型子永磁体组成的永磁体。

6.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁体为钐钴永磁体或者掺杂有高导热性材料的钐钴永磁体。

7.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，所述套筒表面覆有镀铬涂层。

8.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组为分布式或者集中式绕组。

9.一种应用于医疗CT机内球管的永磁电机驱动系统，其特征在于，包括驱动控制器和权利要求1-8任意一项所述的永磁电机，所述驱动控制器用于控制所述永磁电机，所述驱动控制器采用基于模型参考自适应系统或滑模观测器的无位置传感器。

10.一种应用于医疗CT机内球管，其特征在于，包括权利要求9所述的永磁电机驱动系统。

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