DE102011081280B4

DE102011081280B4 - Röntgenanordnung mit Antrieb für Drehanode mit Stator mit Jochwicklung

Info

Publication number: DE102011081280B4
Application number: DE102011081280.6A
Authority: DE
Inventors: Prof. Baral Andreas; Andreas Rohrmoser; Carsten Voss; Thomas Weidinger
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2021-12-02
Anticipated expiration: 2031-08-20
Also published as: CN103035463B; US9171692B2; CN103035463A; RU2012135481A; US20130208871A1; DE102011081280A1

Abstract

Röntgenanordnung,- wobei die Röntgenanordnung einen Vakuumbehälter (1) aufweist,- wobei in dem Vakuumbehälter (1) eine Drehanode (2) und ein Rotor (3) einer elektrischen Maschine angeordnet sind,- wobei die Drehanode (2) und der Rotor (3) drehfest miteinander verbunden sind und im Vakuumbehälter (1) drehbar gelagert sind, so dass die Drehanode (2) und der Rotor (3) um eine Rotationsachse (6) rotierbar sind,- wobei in Richtung der Rotationsachse (6) gesehen im Bereich des Rotors (3) ein Statorblechpaket (7) der elektrischen Maschine angeordnet ist, das in Bezug auf die Rotationsachse (6) den Vakuumbehälter (1) radial außen umgibt und nach radial innen offene Nuten (9) aufweist,- wobei im Statorblechpaket (7) ein Statorwicklungssystem (10) angeordnet ist,- wobei das Statorwicklungssystem (10) Wicklungen (11) aufweist,- wobei die Windungen (12) der Wicklungen (11) jeweils in einer der Nuten (9) von einem ersten axialen Ende (13) des Statorblechpakets (7) zu einem zweiten axialen Ende (14) des Statorblechpakets (7), dort nach radial außen, sodann auf der Außenseite des Statorblechpakets (7) wieder zum ersten axialen Ende (13) des Statorblechpakets (7) zurück und schließlich dort wieder nach radial innen zur entsprechenden Nut (9) laufen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenanordnung,

- wobei die Röntgenanordnung einen Vakuumbehälter aufweist,
- wobei in dem Vakuumbehälter eine Drehanode und ein Rotor einer elektrischen Maschine angeordnet sind,
- wobei die Drehanode und der Rotor drehfest miteinander verbunden sind und im Vakuumbehälter drehbar gelagert sind, so dass die Drehanode und der Rotor um eine Rotationsachse rotierbar sind,
- wobei in Richtung der Rotationsachse gesehen im Bereich des Rotors ein Statorblechpaket der elektrischen Maschine angeordnet ist, das in Bezug auf die Rotationsachse den Vakuumbehälter radial außen umgibt,
- wobei im Statorblechpaket ein Statorwicklungssystem angeordnet ist.

Eine derartige Röntgenanordnung ist beispielsweise aus der US 4 500 142 A bekannt.
Bei elektrischen Antrieben aller Art wird in der Regel der Luftspalt zwischen Stator und Rotor so klein wie möglich dimensioniert, da hierdurch die magnetische Wirkung des Stators auf den Rotor maximiert wird. Bei einem Antrieb für die Drehanode einer Röntgenanordnung muss jedoch ein relativ großer Luftspalt in Kauf genommen werden, da der Rotor sich zusammen mit der Drehanode innerhalb des Vakuumbehälters befindet, der Stator jedoch außerhalb des Vakuumbehälters angeordnet ist. Wenn der Rotor auf Hochspannungspotential liegt, muss sogar ein noch größerer Abstand eingehalten werden, um eine entsprechende elektrische Isolation zu gewährleisten. Ein Antrieb für eine Drehanode einer Röntgenanordnung weist daher prinzipbedingt im Vergleich zu einem Standardantrieb eine relativ geringe Leistungsdichte auf. Darüber hinaus ist der für den Stator vorgesehene Bauraum oftmals begrenzt, so dass der Stator nicht einfach vergrößert werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Röntgenanordnung zu schaffen, bei welcher - im Rahmen der Möglichkeiten - der Bauraum für den Stator in optimaler Weise ausgenutzt wird.
Die Aufgabe wird durch eine Röntgenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Röntgenanordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 9.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Röntgenanordnung der eingangs genannten Art dadurch auszugestalten,

- dass das Steuerblechpaket nach radial innen offene Nuten aufweist und
- dass die Windungen der Wicklungen jeweils in einer der Nuten von einem ersten axialen Ende des Statorblechpakets zu einem zweiten axialen Ende des Statorblechpakets, dort nach radial außen, sodann auf der Außenseite des Statorblechpakets wieder zum ersten axialen Ende des Statorblechpakets zurück und schließlich dort wieder nach radial innen zur entsprechenden Nut laufen.

Durch diese Ausgestaltung kann der für die Wicklungsköpfe des Statorwicklungssystems erforderliche Bauraum deutlich reduziert werden, so dass entweder - bei gleich bleibender Wirkung - der Stator kompakter konzipiert werden kann, oder - bei gleich bleibender Baugröße - das vom Stator auf den Rotor ausgeübte Moment erhöht werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Statorblechpaket in einer zur Rotationsachse orthogonalen Querschnittsebene gesehen in Segmente unterteilt ist und dass auf den Segmenten je eine Jochwicklung angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung ist es auf einfache Weise möglich, die Jochwicklungen auf das Statorblechpaket aufzubringen. Beispielsweise können die Jochwicklungen vorab auf Kunststoffformkörper aufgewickelt werden, so dass die Kunststoffformkörper einschließlich der entsprechenden Jochwicklungen nur noch auf die Segmente aufgesteckt werden müssen. Die Unterteilung des Statorblechpakets in Segmente kann auch bei anderen Antrieben sinnvoll sein, also unabhängig davon, ob der Antrieb bei einer Röntgenanordnung eingesetzt wird oder nicht.
Vorzugsweise sind die Segmente derart ausgebildet, dass Grenzflächen, an denen unmittelbar aneinander angrenzende Segmente aneinander angrenzen, mit einem die jeweilige Grenzfläche in der Querschnittsebene mittig teilenden Radialstrahl einen Winkel bilden. Durch diese Ausgestaltung können magnetische Verluste minimiert werden. Auch diese Ausgestaltung ist - analog zur Unterteilung des Statorblechpakets in Segmente - unabhängig von der Anwendung.
Es ist möglich, dass zumindest einige der Segmente im Übergangsbereich von einer Jochwicklung zur nächsten Jochwicklung einen nach radial außen weisenden Zahn aufweisen. Je nach Lage des Einzelfalls können sogar alle Segmente einen derartigen Zahn aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass keines der Segmente im Übergangsbereich von einer Jochwicklung zur nächsten Jochwicklung einen nach radial außen weisenden Zahn aufweist.
In der Regel ist der Antrieb der Drehanode als elektrische Asynchronmaschine ausgebildet. Vorzugsweise wirkt also der Rotor mit dem Statorblechpaket und dem Statorwicklungssystem nach Art einer elektrischen Asynchronmaschine zusammen. Insbesondere kann der Rotor zu diesem Zweck als Läufer ausgebildet sein, der in Bezug auf die Rotationsachse eine radial äußere Kupferschicht und eine radial innere Stahlschicht aufweist.
Die Jochwicklungen können nach Bedarf ausgestaltet sein. Insbesondere können die Jochwicklungen aus HF-Litze gewickelt sein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:

1 eine Röntgenanordnung im Längsschnitt,
2 ein Statorblechpaket der Röntgenanordnung von 1 im Querschnitt,
3 einen Ausschnitt des Statorblechpakets von 2 mit einer Wicklung,
4 eine mögliche Ausgestaltung von 3,
5 bis 7 mögliche Ausgestaltungen des Statorblechpakets von 2 im Querschnitt und
8 einen Rotor der Röntgenanordnung von 1 im Querschnitt.

Gemäß 1 weist eine Röntgenanordnung einen Vakuumbehälter 1 auf. In dem Vakuumbehälter 1 sind - unter anderem - eine Drehanode 2 und ein Rotor 3 einer elektrischen Maschine angeordnet. Die Drehanode 2 und der Rotor 3 sind auf einer gemeinsamen Welle 4 drehfest angeordnet und daher drehfest miteinander verbunden. Die Welle 4 ist in Lagern 5 drehbar gelagert, so dass die Drehanode 2 und der Rotor 3 um eine Rotationsachse 6 rotierbar sind.
Soweit nachfolgend die Begriffe „axial“, „radial“ und „tangential“ verwendet werden, sind sie stets auf die Rotationsachse 6 bezogen. „Axial“ ist eine Richtung parallel zur Rotationsachse 6. „Radial“ ist eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse 6 auf die Rotationsachse 6 zu bzw. von ihr weg. „Tangential“ ist eine Richtung, die sowohl zur Axialrichtung als auch zur Radialrichtung orthogonal ist. „Tangential“ ist somit eine Richtung, die in konstantem radialem Abstand um die Rotationsachse 6 herum gerichtet ist.
Zum Antreiben des Rotors 3 ist - in Richtung der Rotationsachse 6 gesehen - im Bereich des Rotors 3 ein Statorblechpaket 7 angeordnet. Das Statorblechpaket 7 umgibt in Bezug auf die Rotationsachse 6 den Rotor 3 radial außen. Das Statorblechpaket 7 weist - siehe die 2 und 3 - an seinem Innenumfang eine Anzahl von nach innen (d. h. radial innen) weisenden Zähnen 8 auf. Zwischen je zwei Zähnen 8 befindet sich eine Nut 9 des Statorblechpakets 7.
Im Statorblechpaket 7 ist ein Statorwicklungssystem 10 angeordnet, das Wicklungen 11 aufweist. Jede Wicklung 11 ist in eine der Nuten 9 des Statorblechpakets 7 eingelegt. 3 zeigt - stellvertretend für alle Wicklungen 11 - eine der Wicklungen 11 des Statorwicklungssystems 10.
Gemäß 3 sind die Wicklungen 11 als Jochwicklungen 11 ausgebildet, d. h. die einzelnen Windungen 12 der entsprechenden Wicklung 11 laufen in einer der Nuten 9 von einem ersten axialen Ende 13 des Statorblechpakets 7 (siehe 1) zu einem zweiten axialen Ende 14 des Statorblechpakets 7 (siehe ebenfalls 1), dort nach radial außen, sodann auf der Außenseite (d. h. radial außen) wieder zum ersten axialen Ende 13 des Statorblechpakets 7 zurück und schließlich dort wieder nach radial innen zur entsprechenden Nut 9.
Es ist möglich, dass das Statorblechpaket 7 entsprechend der üblichen Vorgehensweise aus Statorblechen 15 besteht, die in sich einstückig ausgebildet sind und in Axialrichtung gesehen aufeinander gestapelt sind, so dass das Statorblechpaket 7 nach dem Zusammenfügen der Statorbleche 15 ein einziger Block ist. In diesem Fall kann das Statorblechpaket 7 beispielsweise mittels einer üblichen Ringkernwickelmaschine bewickelt werden. Vorzugsweise ist das Statorblechpaket 7 jedoch entsprechend der Darstellung der 2 und 3 in einer zur Rotationsachse 6 orthogonalen Querschnittebene 16 gesehen in Segmente 17 unterteilt. Insbesondere kann die Anzahl an Segmenten mit der Anzahl an nach innen weisenden Zähnen 8 übereinstimmen, so dass auf den Segmenten 17 je eine Jochwicklung 11 angeordnet ist.
Es ist möglich, dass Grenzflächen 18 der Segmente 17, an denen die Segmente 17 aneinander angrenzen, in Axialebenen liegen, d. h. in Ebenen, welche die Rotationsachse 6 enthalten. Vorzugsweise sind die Segmente 17 entsprechend den 2 und 3 jedoch derart ausgebildet, dass die Grenzflächen 18 mit einem jeweiligen Mittel-Radialstrahl 19 einen Winkel α bilden.
Der jeweilige Mittel-Radialstrahl 19 ist derjenige Strahl, der von der Rotationsachse 6 ausgeht, orthogonal zur Rotationsachse 6 in der Querschnittebene 16 verläuft und die jeweilige Grenzfläche 18 mittig teilt. Der Winkel α liegt vorzugsweise so nahe bei 90°, wie dies konstruktionstechnisch möglich ist. In der Praxis ergibt sich, dass der Winkel α meist zwischen 60° und 75° liegt. Ein Minimum von 45° sollte jedoch nicht unterschritten werden.
Es ist entsprechend der Darstellung von 3 möglich, dass die jeweilige Jochwicklung 11 direkt auf das entsprechende Segment 17 gewickelt ist. Alternativ kann die entsprechende Jochwicklung 11 vorab auf einen Wicklungsträger 20 gewickelt werden, der sodann zusammen mit der entsprechenden Jochwicklung 11 auf das entsprechende Segment 17 aufgesteckt wird.
Entsprechend der Darstellung der 2 und 3 weisen alle Segmente 17 im Übergangsbereich von einer Jochwicklung 11 zur nächsten Jochwicklung 11 einen nach radial außen weisenden Zahn 21 auf. Alternativ ist es entsprechend der Darstellung von 5 möglich, dass keines der Segmente 17 derartige nach radial außen weisende Zähne aufweist. Gemäß den 6 und 7 sind weiterhin Zwischenlösungen möglich, bei denen zwar einige, nicht aber alle Segmente 17 im Übergangsbereich von einer Jochwicklung 11 zur nächsten Jochwicklung 11 einen derartigen nach radial außen weisenden Zahn 21 aufweisen.
Der Rotor 3 wirkt mit dem Statorblechpaket 7 und dem Statorwicklungssystem 10 vorzugsweise nach Art einer elektrischen Asynchronmaschine zusammen. Beispielsweise kann der Rotor 3 zu diesem Zweck gemäß 8 als Läufer ausgebildet sein, der in Bezug auf die Rotationsachse 6 eine radial äußere Kupferschicht 22 und eine radial innere Stahlschicht 23 aufweist. Eine Tragstruktur 24, welche die drehfeste Verbindung des Rotors 3 mit der Welle 4 bewirkt, kann nach Bedarf ausgebildet sein.
Das für die Herstellung der Wicklungen 11 verwendete Material kann nach Bedarf gewählt sein. Vorzugsweise sind die Jochwicklungen 11 entsprechend der Bezeichnung in 3 aus HF-Litze (d. h. aus einer Litze, bei welcher die einzelnen Adern voneinander elektrisch isoliert sind) gewickelt. Alternativ könnte beispielsweise eine Wicklung aus massivem Draht, aus Kupferlackdraht, aus parallelen Drähten usw. hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere ergibt sich eine höhere Leistungsdichte, die eine kompaktere Bauweise als im Stand der Technik und damit ein höheres Antriebsmoment für die Drehanode 2 ermöglicht. Weiterhin können eine Nutweite w1 und eine Zahnweite w2 besser aufeinander abgestimmt werden. Insbesondere ist es möglich, die Nutweite w1 und die Zahnweite w2 derart zu bestimmen, dass der magnetische Fluss in den nach radial innen weisenden Zähnen 8 und im Joch in die Nähe der magnetischen Sättigung gerät und dadurch in diesem Bereich die Leistungsdichte optimiert wird. Auch die Jochdicke kann im Sinne einer derartigen Optimierung variiert werden. Aufgrund der kleineren Wicklungsköpfe kann weiterhin die axiale Baulänge des Statorblechpakets 7 - bei unveränderten Gesamtabmessungen des Stators insgesamt - vergrößert werden, so dass das auf den Rotor 3 übertragene Drehmoment noch weiter vergrößert werden kann.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Röntgenanordnung, - wobei die Röntgenanordnung einen Vakuumbehälter (1) aufweist, - wobei in dem Vakuumbehälter (1) eine Drehanode (2) und ein Rotor (3) einer elektrischen Maschine angeordnet sind, - wobei die Drehanode (2) und der Rotor (3) drehfest miteinander verbunden sind und im Vakuumbehälter (1) drehbar gelagert sind, so dass die Drehanode (2) und der Rotor (3) um eine Rotationsachse (6) rotierbar sind, - wobei in Richtung der Rotationsachse (6) gesehen im Bereich des Rotors (3) ein Statorblechpaket (7) der elektrischen Maschine angeordnet ist, das in Bezug auf die Rotationsachse (6) den Vakuumbehälter (1) radial außen umgibt und nach radial innen offene Nuten (9) aufweist, - wobei im Statorblechpaket (7) ein Statorwicklungssystem (10) angeordnet ist, - wobei das Statorwicklungssystem (10) Wicklungen (11) aufweist, - wobei die Windungen (12) der Wicklungen (11) jeweils in einer der Nuten (9) von einem ersten axialen Ende (13) des Statorblechpakets (7) zu einem zweiten axialen Ende (14) des Statorblechpakets (7), dort nach radial außen, sodann auf der Außenseite des Statorblechpakets (7) wieder zum ersten axialen Ende (13) des Statorblechpakets (7) zurück und schließlich dort wieder nach radial innen zur entsprechenden Nut (9) laufen.
Röntgenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorblechpaket (7) in einer zur Rotationsachse (6) orthogonalen Querschnittsebene (16) gesehen in Segmente (17) unterteilt ist und dass auf den Segmenten (17) je eine Jochwicklung (11) angeordnet ist.
Röntgenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (17) derart ausgebildet sind, dass Grenzflächen (18), an denen unmittelbar aneinander angrenzende Segmente (17) aneinander angrenzen, mit einem die jeweilige Grenzfläche (18) in der Querschnittsebene (16) mittig teilenden Radialstrahl (19) einen Winkel (α) bilden.
Röntgenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Segmente (17) im Übergangsbereich von einer Jochwicklung (11) zur nächsten Jochwicklung (11) einen nach radial außen weisenden Zahn (21) aufweisen.
Röntgenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass alle Segmente (17) im Übergangsbereich von einer Jochwicklung (11) zur nächsten Jochwicklung (11) einen nach radial außen weisenden Zahn (21) aufweisen.
Röntgenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass keines der Segmente (17) im Übergangsbereich von einer Jochwicklung (11) zur nächsten Jochwicklung (11) einen nach radial außen weisenden Zahn aufweist.
Röntgenanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Rotor (3) mit dem Statorblechpaket (7) und dem Statorwicklungssystem (1) nach Art einer elektrischen Asynchronmaschine zusammenwirkt.
Röntgenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass der Rotor (3) als Läufer ausgebildet ist, der in Bezug auf die Rotationsachse (6) eine radial äußere Kupferschicht (22) und eine radial innere Stahlschicht (23) aufweist.
Röntgenanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Jochwicklungen (11) aus HF-Litze gewickelt sind.