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Die Erfindung betrifft eine synchron angetriebene Drehanode, eine Röntgenröhre mit einer synchron angetriebenen Drehanode, eine Anordnung mit einer Röntgenröhre und Synchronantrieb sowie ein Verfahren zum synchronen Betrieb einer Drehanode einer Röntgenröhre.
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Röntgenstrahlung wird in der Regel durch Beschuss einer Anode mit einem von einer Kathode ausgehenden Elektronenstrahl erzeugt. Die Kathode und die Anode sind dabei in einem Vakuumgehäuse einer Röntgenröhre angeordnet. Üblicherweise sind Röntgenröhren mit einer Drehanode ausgestattet, die sich unter dem auftreffenden Elektronenstrahl wegdreht, um einen bezüglich der Anode stationären Brennfleck zu vermeiden. Der Brennfleck, das heißt der Punkt, an dem der Elektronenstrahl auf der Anodenoberfläche auftrifft, verschiebt sich aus Sicht eines mit der Drehanode rotierenden Koordinatensystems entlang einer kreisförmigen Bahn über die Anodenoberfläche. Dadurch wird die beim Auftreffen des Elektronenstrahls erzeugte Verlustwärme vergleichsweise gleichmäßig auf die Anodenoberfläche verteilt, wodurch einer möglichen Materialüberhitzung im Brennfleck entgegengewirkt wird.
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Die Röntgen-Drehanode bekannter Röntgenröhren wird mittels eines Asynchronmotors angetrieben, der von einem Wechselrichter gespeist wird. Der mit der Drehanode gekoppelte Rotor des Asynchronmotors befindet sich innerhalb des Vakuumkolbens der Röntgenröhre. Eine derartige Antriebsvorrichtung ist beispielsweise in der
DE 197 52 114 A1 offenbart.
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Im Stator des Asynchronmotors sind beispielsweise drei um 120° gegeneinander versetzte Wicklungen angeordnet. Der Rotor besteht aus einer magnetischen Rückführung, und einem elektrisch leitfähigem Material, das als Käfig oder Glocke angeordnet ist. Die magnetische Rückführung kann auch fest ausgeführt sein. Fließt in den Wicklungen des Stators ein sinusförmiger elektrischer Strom und besteht zwischen den Strömen eine Phasenverschiebung von 120°, bildet sich im Stator des Motors ein rotierendes Magnetfeld aus. Dieses Magnetfeld durchsetzt den Rotor. Das rotierende Magnetfeld induziert in den Leitern des Rotors eine elektrische Spannung. Da die Leiter aufgrund ihrer Ausführung als Käfig kurzgeschlossen sind, bewirkt die induzierte Spannung einen Stromfluss im Rotor. Der Rotorstrom baut ein eigenes Magnetfeld auf, das mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators in Wechselwirkung tritt. Auf den Rotor wirkt ein Drehmoment, wodurch der Rotor eine Drehbewegung ausführt und der Rotation des Statorfelds folgt.
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Der Rotor folgt dem rotierenden magnetischen Statorfeld aber nicht synchron, sondern dreht sich mit einer geringeren Geschwindigkeit. Die Relativbewegung von Rotor und Statorfeld ist notwendig, da nur dann ein Stromfluss im Rotor induziert wird und der Rotor sein eigenes Magnetfeld aufbauen kann. Der Rotor dreht sich somit ”asynchron” zum Statorfeld. Zwischen der Frequenz des Statorfelds und der Drehfrequenz des Rotors tritt ein Schlupf auf. Die Größe des Schlupfs ist belastungsabhängig. Im Leerlauf ist der Schlupf nur sehr gering.
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Der Luftspalt zwischen den Wicklungen des Stators und dem Rotor ist bei konventionellen Asynchronmotoren sehr klein. Bei einer Röntgenröhre ist der Luftspalt aber bauartbedingt groß, da zwischen dem Stator und dem Rotor eine Röhrenhülle liegt, die das Röhrenvakuum sicherstellt. Befindet sich der Rotor zusätzlich noch auf Hochspannungspotenzial muss gegenüber dem Stator ein noch größerer Abstand eingehalten werden, um die elektrische Isolation zu gewährleisten. Der große Luftspalt zwischen Rotor und Stator bewirkt, dass die magnetische Flussdichte des Stators am Ort des Rotors klein ist. Das verfügbare Drehmoment ist gering, da die Lorenzkraft auf den Rotor im Vergleich zu einem üblichen Asynchronmotor klein ist.
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Problematisch sind auch die Wirbelströme im Rotor einer Asynchronmaschine, da sie zusätzliche Verlustwärme in der Röntgenröhre erzeugen. Die Wärme des Rotors muss abgeführt werden, was infolge des herrschenden Vakuums schwierig ist. Zusätzlich führt die Erwärmung zu einer Vergrößerung des spezifischen ohmschen Widerstands des Rotormaterials, wodurch das Drehmoment auf den Rotor zusätzlich verringert wird.
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Grundsätzlich hat eine Asynchronmaschine mit großem Luftspalt einen Leistungsfaktor kleiner 0,5. Das heißt, der Motor nimmt viel Blindleistung auf, wodurch die Stromamplitude sehr hoch wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu überwinden und eine Drehanode, eine Röntgenröhre, eine Anordnung mit einer Röntgenröhre sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Röntgenröhre anzugeben, die einen verbesserten Antrieb aufweisen.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Drehanode, der Röntgenröhre mit einer Drehanode, der Anordnung mit einer Röntgenröhre und dem Verfahren zum Betrieb einer Röntgenröhre der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Drehanode einer Röntgenröhre mit einem Synchronantrieb auszustatten. An Stelle eines Kurzschlussrotors eines Asynchronantriebs wird ein Rotor mit einem dauermagnetischen Material verwendet. Ist der Rotor aufmagnetisiert erzeugen die Dauermagnete ein bezüglich des Rotors stehendes Magnetfeld. Der Rotor dreht sich synchron mit einem von einem Stator erzeugten magnetischen Drehfeld.
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Die Erfindung beansprucht eine Drehanode für eine Röntgenröhre mit einem Rotor zum Antrieb der Drehanode, wobei ein Magnetfeld einer Statorwicklung auf mindestens einen im Rotor angeordneten Dauermagneten ein Drehmoment ausübt. Der Vorteil des synchronen Antriebs besteht darin, dass im Rotor keine Wirbelstromverluste auftreten und der Leistungsfaktor cosφ gegen 1 geht. Dadurch kann eine Drehanode effizienter angetrieben werden.
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In einer Weiterbildung kann ein den Rotor bildendes Rotormaterial den Dauermagneten umhüllen. Dadurch wird die Festigkeit erhöht und das Röhrenvakuum bei geeignetet Wahl des Materials geschützt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Rotor rohrförmig ausgebildet.
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Des Weiteren umfasst die Drehanode eine einen Anodenteller tragende Welle, die mit dem Rotor verbunden ist.
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Außerdem umfasst der Rotor zwei halbzylinderförmige, zueinander spiegelsymmetrisch angeordnete Dauermagnete.
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Die Erfindung beansprucht auch eine Röntgenröhre mit einer erfindungsgemäßen Drehanode.
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Die Erfindung beansprucht des Weiteren eine Anordnung mit einer außerhalb der erfindungsgemäßen Röntgenröhre angeordneten Statorwicklung, die ein magnetisches Drehfeld erzeugt.
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Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre an, wobei die Drehanode synchron angetrieben wird.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Lage des Dauermagneten erfasst. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die magnetischen Pole des Rotors im rechten Winkel zum Magnetfeld des Stators stehen.
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Des Weiteren kann die Lage des Dauermagneten geschätzt werden, wobei beispielsweise eine magnetische Rotorrückwirkung auf den Stator ermittelt wird.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen:
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1: das Prinzip eines synchronen Antriebs einet Drehanode,
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2: einen Längsschnitt durch eine Röntgenröhre mit einem Synchronantrieb der Drehanode und
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3: einen Querschnitt durch den Rotor einer Drehanode mit einem Dauermagneten.
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1 zeigt den synchronen Antrieb einer Drehanode nach dem Prinzip eines Synchronmotors. Der im Querschnitt dargestellte Synchronmotor umfasst einen Stator 5 und einen innerhalb des Stators 5 um eine gemeinsame Achse koaxial drehbar gelagerten Rotor 43. Der Stator 5 weist stromdurchflossene Wicklungen 51 auf. Der Rotor 43 ist mit einem Dauermagneten 44 versehen. In der 1 ist ein Stator 5 mit einem dreiphasigen Wicklungssystem 51 dargestellt. Zur Vereinfachung ist anstelle des Rotors ein einfacher Stabmagnet 44 mit einem Nordpol N und einem Südpol S gezeichnet.
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Fließt in den Wicklungen 51 ein sinusförmiger elektrischer Strom und besteht zwischen den Strömen in den Wicklungen 51 eine Phasenverschiebung von 120°, bildet sich im Stator 5 des Synchronmotors ein rotierendes Magnetfeld aus. Das so gebildete Magnetfeld durchsetzt auch den Dauermagneten 44 des Rotors 43. In Folge wirkt auf den Rotor 43 ein Drehmoment, wodurch der Rotor 43 eine Drehbewegung ausübt und der Rotation des Magnetfeldes folgt. Das auf den Rotor 43 wirkende Drehmoment ist dann am größten, wenn die magnetischen Pole N, S des Rotors 43 im rechten Winkel zum Magnetfeld des Stators 6 stehen.
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Deshalb wird die Position des Rotors 43 mit einem nicht dargestellten Lagegeber erfasst und an ein nicht dargestelltes Stellgerät übertragen. Dieses prägt die Ströme so in die Wicklungen 51 des Stators 5 ein, dass zwischen dem Rotor 43 und dem Magnetfeld des Stators 5 immer der optimale Winkel von 90° eingehalten wird. Über die Stromamplitude verändert das Stellgerät die Stärke des Drehmomentes. Für die Lageerfassung werden hoch auflösende Gebersysteme wie z. B. Resolver oder optische Geber eingesetzt, da deren Lageinformation gleichzeitig als Istwert für einen Lageregler verwendet werden kann.
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2 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre 1 mit einem Synchronantrieb gemäß 1. In einer evakuierten Röhrenhülle 2 der Röntgenröhre 1 befindet sich eine Elektronen emittierende Kathode 3 und eine ihr gegenüberliegende Drehanode 4. Die Drehanode 4 umfasst einen Anodenteller 41, der durch eine Welle 42 mit einem Rotor 43 eines Elektromotors verbunden ist. In dem Rotormaterial 45 des Rotors 43 sind aufmagnetisierte Dauermagnete 44 angeordnet, die ein mit dem Rotor 43 sich mitdrehendes Magnetfeld erzeugen.
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Außerhalb der Röhrenhülle 2 umschließt ein Staror 5 die Röhrenhülle 2 in unmittelbarer Nähre zum Rotor 4. Der Stator 5 erzeugt mit seinen Strom durchflossenen Statorwicklungen 51 ein um die Röhrenhülle 2 rotierendes Magnetfeld, das auf den Rotor 43 ein Drehmoment ausübt und somit die Drehanode 4 in eine synchrone Drehung entsprechend den Ausführungen zu 1 versetzt. Die Statorwicklungen 51 sind in einem Blechpaket 52 angeordnet.
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Der von der Kathode emittierte Elektronenstrahl 6 wird auf den Anodenteller 41 hin beschleunigt und erzeugt beim Auftreffen auf den Anodenteller 41 durch Abbremsung eine Röntgenstrahlung 7, die durch ein Strahlenfenster 8 in der Röhrenhülle 2 die Röntgenröhre 1 verlässt.
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Die Temperatur im Betrieb der Röntgenröhre 1 erreicht etwa 300°C. Bei der Herstellung der Röntgenröhre 1 können sogar Temperaturen von bis zu 600°C auftreten. Alle Materialien zur Herstellung des Rotors 43 müssen solche Temperaturen ohne Beschädigung überstehen und dürfen ihre magnetischen Eigenschaften nicht verlieren. Daher eignet sich als Material für die Dauermagnete 44 beispielsweise SmCo5 oder AlNiCo. Allerdings werden diese Materialien durch die hohen Herstellungstemperaturen entmagnetisiert, da die Curie-Temperatur überschritten wird. Daher müssen die Dauermagnete 44 im eingebauten Zustand nach Fertigstellung der Röntgenröhre 1 aufmagnetisiert werden. Bei SmCo5 muss die komplette Röhre 1 in eine Aufmagnetisierungsanordnung gebracht werden. Bei AlNiCo reicht es aus, die Aufmagnetisierung durch die Betriebsströme der Statorwicklung durchzuführen, da AlNiCo eine geringe Koerzitivfeldstärke besitzt.
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3 zeigt im Querschnitt eine erfindungsgemäße Anordnung von zwei Dauermagneten 44 eines Rotors 43 einer Drehanode. In einem Rotormaterial 45 des Rotors 43 sind die Dauermagnete 44 halbkreisförmig angeordnet. Sie bilden einen Nordpol N und einen Südpol S aus. Es ist wichtig, dass die Werkstoffe, die sich im Hochvakuum einer Röntgenröhre befinden, keine Inhaltsstoffe freisetzen, die die Qualität des Vakuums beieinträchtigen. Dies könnte nämlich zu Röhrenkurzschlüssen führen und den Betrieb der Röntgenröhre verschlechtern. Deshalb werden die bei 2 beschriebenen Magnetwerkstoffe komplett in dem Rotormaterial 45 verkapselt. Das Rotormaterial 45 erfüllt die geforderten Eigenschaften für das Hochvakuum und gewährleistet zudem die mechanische Festigkeit des Rotoraufbaus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Röntgenröhre
- 2
- Röhrenhülle
- 3
- Kathode
- 4
- Drehanode
- 41
- Anodenteller
- 42
- Welle
- 43
- Rotor
- 44
- Dauermagnet
- 45
- Rotormaterial
- 5
- Stator
- 51
- Statorwicklung
- 52
- Blechpaket
- 6
- Elektronenstrahl
- 7
- Röntgenstrahlung
- 8
- Strahlenfenster
- N
- Nordpol
- S
- Südpol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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