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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Antriebssysteme, insbesondere auf dem Gebiet der Antriebssysteme für die Gantry eines bildgebenden medizinischen Geräts. Besonders hohe Anforderungen an solche Antriebssysteme werden im Bereich der Computertomographie gestellt. Ein Computertomograph ist zur röntgentechnischen Erzeugung von Bildern, insbesondere Schnittbildern, ausgelegt. Computertomographen kommen vor allem in der medizinischen Bildgebung zum Einsatz, finden aber auch in der zerstörungsfreien Materialprüfung und weiteren technischen Bereichen Anwendung. Die Bilder werden aus Messdaten rekonstruiert, wobei die Messdaten Projektionen aus einer Vielzahl verschiedener Projektionsrichtungen umfassen. Zur Aufnahme der Projektionen aus verschiedenen Projektionsrichtungen rotieren eine Röntgenquelle sowie ein mit der Röntgenquelle zusammenwirkender Röntgendetektor um einen Aufnahmebereich. Dabei sind die Röntgenquelle sowie der Röntgendetektor in dem rotierbaren Drehrahmen der Gantry des Computertomographen angeordnet. Weiterhin verfügt die Gantry über einen Tragrahmen, an dem der Drehrahmen drehbar gelagert ist. Bei den aktuellen Computertomographiegeräten werden Drehzahlen von 240 Umdrehungen pro Minute erreicht. In Zukunft sollen die Drehzahlen jedoch auf mindestens 300 Umdrehungen pro Minute angehoben werden. Durch Kombination von hoher Drehzahl, großem Rotationsradius und hoher Rotationsmasse sind die Anforderungen an ein entsprechendes Antriebssystem hoch. Weiterhin ist ein besonders präzise zu steuerndes und vibrationsarmes sowie leises Antriebssystem wünschenswert.
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Daher basieren Antriebssystem für die Gantry eines Computertomographen regelmäßig auf einem direkten und getriebelosen Antrieb durch einen Elektromotor. Ein herkömmliches elektromotorisches Antriebssystem ist der durch Permanentmagnete erregte Synchronmotor. Dabei weist üblicherweise der mit dem Drehrahmen verbundene Rotor Permanentmagnete auf, während der mit dem Tragrahmen verbundene Stator, welcher den Rotor umgibt, mit Spulen versehen ist. Durch eine entsprechende Bestromung der Spulen kann der Rotor und damit der Drehrahmen der Gantry in eine Rotationsbewegung versetzt werden. Durch Permanentmagnete erregte Synchronmotoren für die Computertomographie werden beispielsweise von der Firma Ziehl-Abegg vertrieben. Varianten eines solchen Antriebssystems, die auch als Sektormotor bekannt sind, werden in den Offenlegungsschriften
DE 103 04 030 A1 und
DE 20 2004 015 291 U1 beschrieben. Bei einem Sektormotor erstreckt sich der Stator nur über einen azimutalen Teilbereich, wodurch unter anderem eine Materialeinsparung erreicht werden kann.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Materialaufwand und die Kosten für die Fertigung eines elektromotorischen Antriebssystems für die Gantry eines Computertomographen weiter zu erniedrigen. Insbesondere ist es erstrebenswert den erheblichen Verbrauch von Permanentmagneten gegenüber den bekannten Antriebssystemen zu verringern. Gleichzeitig soll eine technisch einfache Fertigung sowie Integration des Antriebssystems in die Gantry sicher gestellt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Antriebssystem nach Anspruch 1 sowie durch die Gantry nach Anspruch 8 und den Computertomographen nach Anspruch 9.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem stellt eine spezielle Ausgestaltung eines Synchronmotors dar. Dabei weist der ringförmige Stator, welcher zur Befestigung am Tragrahmen einer Gantry ausgelegt ist, Spulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf. Die Spulenanordnung erstreckt sich entlang der Ringform des Stators. Allerdings weist der innerhalb des Stators angeordnete, zur Befestigung am Drehrahmen der Gantry ausgelegte, ringförmige Rotor zu Zwecken des Antriebs weder Spulen noch Permanentmagnete auf. Stattdessen weist der Stator in seinen Spulenkernen jeweils einen Permanentmagneten auf. Das Erregerfeld geht also ausschließlich vom Stator aus und erzeugt einen verketteten magnetischen Fluss. Nun weist der Rotor nach außen ragende Rotorzähne derart auf, dass der Rotor für einen magnetischen Rückschluss ausgelegt ist. Bei einem magnetischen Rückschluss handelt es sich im vorliegenden Fall um einen magnetischen Fluss durch den Rotor, wobei der verkettete magnetische Fluss von den Permanentmagneten und Spulen des Stators ausgeht. Das erfindungsgemäß realisierte Prinzip macht sich diesen Rückschluss zu Nutze und soll im Folgenden auch als das Prinzip einer flussschaltenden Maschine bezeichnet werden. Ein solcher Rückschluss tritt nämlich nur auf, wenn sich die Rotorzähne in einer bestimmten Position gegenüber der Spulenanordnung des Stators befinden. Dabei ändert sich die Flussrichtung des verketteten magnetischen Flusses in Abhängigkeit von der Lage des Rotors, genauer gesagt von der Lage der Rotorzähne, relativ zur Spulenanordnung. Bei einer entsprechenden Bestromung der Spulen wird ein Drehmoment auf den Rotor ausgeübt, so dass der Rotor und damit der Drehrahmen der Gantry in Rotation versetzt werden. Vorzugsweise weisen die Rotorzähne sowie ein die Rotorzähne verbindendes Element weichmagnetische Eigenschaften auf, so dass der Verlustanteil gering gehalten wird.
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Da erfindungsgemäß nur eine geringe Anzahl von Permanentmagneten im Stator benötigt wird, nämlich ein Permanentmagnet pro Spule, und da weiterhin keine Permanentmagneten im Rotor verbaut werden müssen, sind die Kosten für die Fertigung des vorgeschlagenen Antriebssystems besonders gering. Insbesondere weist der erfindungsgemäße Rotor keine Permanentmagnete an seiner Außenseite auf, wodurch nicht die Gefahr besteht, dass sich vom hohen Rotationskräften ausgesetzten Rotor Permanentmagnete lösen und dadurch erheblichen Schaden anrichten.
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Auch ist die Montage des erfindungsgemäßen Antriebssystems besonders einfach, da der Rotor keine Permanentmagnete aufweist und damit keine hohen Kräfte auf andere Gegenstände ausüben kann. Auch ist die Abschirmung der Permanentmagneten im Stator erfindungsgemäß sehr einfach zu bewerkstelligen.
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Weiterhin bietet die Erfindung den Vorteil einer einfacheren Kühlung der Permanentmagneten. Einerseits bieten Stator und Tragrahmen eine Vielzahl von Möglichkeiten die in den erfindungsgemäß angeordneten Permanentmagneten entstehende Hitze abzuführen. Weiterhin können auch aktive Kühlmittel wie Ventilatoren oder Flüssigkühlungen einfacher am Tragrahmen als am Drehrahmen realisiert werden. Durch die verbesserte Wärmeabfuhr sinkt auch das Risiko einer Demagnetisierung der Permanentmagneten.
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Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung sind die Permanentmagnete länglich ausgebildet und so angeordnet, dass sich ihre Längsachsen jeweils radial erststrecken. Dadurch sind die Feldlinien des verketteten, durch die Permanentmagnete sowie die Spulen erzeugten Magnetfeldes so gerichtet, dass ein besonders effektiver magnetischer Rückfluss ermöglicht wird und dadurch ein hohes Drehmoment des erfindungsgemäßen Antriebssystems bei geringen Verlusten erreicht werden kann.
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Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung weisen die Spulenkerne jeweils mindestens zwei Statorzähne mit weichmagnetischen Eigenschaften auf, wobei die Permanentmagnete jeweils zwischen zwei Statorzähnen angeordnet sind. Diese Variante ist vorteilhafte, da die Verluste bei weichmagnetischen Eigenschaften besonders gering sind.
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Gemäß einer Variante der Erfindung sind die einzelnen Statorzähne als separate Module ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Spulenwicklung um den Spulenkern mit den beiden Statorzähne für jede Spule unabhängig von anderen Spulen erfolgen kann. Damit kann auch die Spulenanordnung am Stator modular aufgebaut werden, wodurch die Fertigung des Antriebssystems erheblich vereinfacht wird. Weiterhin wird dadurch ein Austausch einzelner Spulen oder Spulenelemente vereinfacht.
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Gemäß einer Variante der Erfindung werden sämtliche Spulen in einem zusammenhängenden Winkelsektor des Stators angeordnet, wobei der Winkelsektor < 120° ist. Diese Variante bietet den Vorteil eines besonders geringen Materialaufwands, da die Permanentmagneten nur in weniger als einem Drittel des Winkelbereiches der Ringform des Stators verbaut werden. Dies ist insbesondere für das Antriebssystem eines Computertomographen von Vorteil, da der Umfang des Stators eines solchen Antriebssystems im Verhältnis zu anderen, typischen Anwendungsgebieten elektromotorischer Antriebe groß ist.
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Gemäß einer Variante der Erfindung sind die Spulen in wenigstens zwei Gruppen angeordnet, wobei der Abstand zwischen benachbarten Spulen derselben Gruppe geringer ist als der Abstand zwischen benachbarten Spulen verschiedener Gruppen. Eine Gruppe ist also in einem beschränkten Winkelsektor angeordnet, wobei der Bereich zwischen den Winkelsektoren frei von Spulen ist. Auch durch diese Anordnung lässt sich – mit besonderen Vorteilen für das Antriebssystem der Gantry eines Computertomographen – Material einsparen.
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Gemäß einer Variante der Erfindung weisen die Gruppen jeweils die gleiche Anzahl von Spulen auf, wobei benachbarte Spulen innerhalb der Gruppen jeweils den gleichen Abstand zueinander haben. Gemäß einem Aspekt dieser Variante können die Gruppen jeweils den gleichen Abstand zueinander aufweisen und rotationssymmetrisch angeordnet sein. In dieser Variante der Erfindung wird ein geringer Materialverbrauch mit einer besonders geringen Querbelastung auf die Lager der Gantry verbunden.
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Weiterhin umfasst die Erfindung auch die Gantry eines Computertomographen sowie einen Computertomographen mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem. Dabei können die Gantry sowie der Computertomograph jeweils in den zuvor genannten, vorteilhaften Varianten realisiert sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Darstellung des magnetischen Rückflusses bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem,
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2 eine Variante des erfindungsgemäßen Antriebssystems mit vollumfänglicher Spulenanordnung,
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3 eine Variante des erfindungsgemäßen Antriebssystems mit teilumfänglicher Spulenanordnung,
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4 eine Variante des erfindungsgemäßen Antriebssystems mit in Gruppen angeordneten Spulen,
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5 eine Variante des erfindungsgemäßen Antriebssystems in Aufsicht mit Elektroblechen im Stator,
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6 verschieden geformte Rotorzähnen des erfindungsgemäßen Rotors,
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7 eine Variante eines erfindungsgemäßen Drehrahmens,
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8 eine Variante einer erfindungsgemäßen Gantry und
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9 eine Variante eines erfindungsgemäßen Computertomographen.
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1 zeigt eine Darstellung des magnetischen Rückflusses bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem. In dem hier gezeigten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Antriebssystems sind ein ringförmiger Stator 14 sowie ein ringförmiger Rotor 18 gezeigt, wobei der Rotor 18 innerhalb des Stators 14 angeordnet ist. Der Stator 14 weist Spulen 16 auf, deren Wicklungen sich jeweils um einen Spulenkern erstrecken. Die Wicklungen sind hier und in den folgenden Abbildungen 2 bis 4 nicht explizit dargestellt. Die Wicklungen verlaufen Beispielsweise tangential zur oder entlang der Ringform des Stators 14. Die Spulenkerne weisen jeweils zwei Statorzähne 21 sowie einen Permanentmagneten 17 auf, wobei sich der Permanentmagnet 17 zwischen den beiden Statorzähnen 21 befindet. Wenigstens bei einigen Spulen 16 des Stators 14 sind jeweils zwei Statorzähne 21 benachbarter Spulen 16 derart miteinander Verbunden, dass durch sie ein magnetischer Fluss verlaufen kann. In dem hier gezeigten Beispiel formen die Statorzähne 21 benachbarter Spulen 16 ein Joch aus. Weiterhin können die Permanentmagnete 17 entlang des Umfangs des Stators 14 mittig im Spulenkern angeordnet sein, so dass die Spulenwicklung konzentrisch ist. Weiterhin können die Permanentmagnete 17 länglich geformt sein und sich in Richtung ihrer längsten Ausdehnung und damit entlang ihrer Längsachse radial erstrecken. Die Pfeile in den Abbildungen 1 bis 4 geben jeweils die Polung des Permanentmagneten 17 an, wobei benachbarte Permanentmagnete 17 jeweils eine entgegengesetzte Polung aufweisen. Die Nord-Süd Achse der Permanentmagnete 17 erstreckt sich in den gezeigten Ausführungsformen also entlang der Ringform des Rotors 18.
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Der Rotor 18 weist mehrere nach außen ragende Rotorzähne 20 auf, welche wie in dem hier gezeigten Beispiel den gleichen Abstand zueinander aufweisen können. Weiterhin können die Rotorzähne 20 eines Rotors 18 gleich geformt sein, wobei verschiedene Varianten der Form der Rotorzähne 20 in 6 dargestellt werden. Die Rotorzähne 20 sind zumindest teilweise derart miteinander verbunden, dass durch sie ein magnetischer Fluss geleitet werden kann. Statorzähne 21 und Rotorzähne 20 sind dabei so geformt und angeordnet, dass sich bei übereinstimmender Winkelposition ein Luftspalt zwischen ihnen befindet. Dieser Luftspalt kann insbesondere kleiner oder gleich einem Zentimeter weit sein.
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Die Spulen 16 können wie bei Synchronmotoren üblich von einem Strom mit einem sinusförmigen Verlauf durchflossen werden, wobei benachbarte Spulen einen Phasenunterschied aufweisen. Der Phasenunterschied kann insbesondere 360°/n betragen, wobei n eine natürliche Zahl ist. Weiterhin kann n auch Teiler der Anzahl m der Spulen 16 sein, also beispielsweise n = 3 für m = 3, m = 9 oder m = 12. Dadurch erzeugen die Spulen 16 ein rotierendes Magnetfeld. Die im Stator 14 angeordneten Permanentmagnete 17 erzeugen ein Magnetfeld, auch Erregerfeld genannt, welches den Stator 14 mit dem Rotor 18 verkettet. Der magnetische Fluss ist in 1 durch eine Linie dargestellt, welche jeweils von einem Spulenkern durch einen Teil des Rotors 18 zu einem benachbarten Spulenkern verläuft, wobei die Pfeile die Flussrichtung des magnetischen Flusses angeben. 1a und 1b stellen das gleiche Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebssystems zu verschiedenen Zeitpunkten dar. Durch eine entsprechende Spannungsänderung des die Spule 16 durchlaufenden Stroms ändert sich auch der verkettete magnetische Fluss, welcher sowohl auf das Magnetfeld des Permanentmagneten 17 als auch auf das Magnetfeld der Spulen 16 zurückzuführen ist. Durch Wechselwirkung der Magnetfelder der Spulen 16 sowie der Permanentmagnete 17 mit dem Rotor 18 wird ein Drehmoment auf den Rotor 18 ausgeübt, so dass dieser in eine Rotationsbewegung versetzt wird.
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Bei einer Ringform handelt es sich um eine entlang einer geschlossenen Bahnkurve verlaufende Form. Insbesondere können sowohl der Stator 14 als auch der Rotor 18 eine Rotationssymmetrie aufweisen, wobei sich die Zähligkeit der Rotationssymmetrie für Stator 14 und Rotor 18 unterscheiden kann. Erfindungsgemäß sind sowohl die Anzahl als auch die Abstände der Spulen 16 und damit der Statorzähne 21 und der Permanentmagnete 17 sowie die Anzahl und die Abstände der Rotorzähne 18 derart aufeinander abgestimmt, dass ein effizienter Betrieb des Antriebssystems ermöglicht wird. So können die Winkelabstände benachbarter Spulen 16, insbesondere innerhalb einer Gruppe, den Winkelabständen der Rotorzähne 20 ähnlich sein. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind die Winkelabstände der Spulen 16 und der Rotorzähne 20 innerhalb einer Abweichung < 30%, < 20% oder < 10% miteinander identisch. Auch bei ähnlich großen Winkelabständen der Spulen 16 sowie der Rotorzähne 20 können sich die absolute Anzahl der Spulen 16 und der Rotorzähne 20 stark unterscheiden, beispielsweise aufgrund einer Anordnung der Spulen 16 nur in bestimmten Winkelsektoren und/oder in Gruppen. Solche Beispiele sind in 3 und 4 illustriert.
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Typischer Weise weisen sowohl die Statorzähne 21 als auch die Rotorzähne 20 weichmagnetisches Material auf, insbesondere weichmagnetische Ni-Fe Legierungen oder Verbundwerkstoffe, da diese nur geringe Verluste bei der Leitung des magnetischen Flusses mit sich bringt. Die Permanentmagneten 17 können insbesondere stark magnetisches Material wie Ne-Fe-B Verbindungen oder Sm-Co Verbindungen aufweisen. Die Permanentmagnete 17 können verschiedene Formen annehmen, beispielsweise Quader oder Zylinder. Bei dem Material für die Spulenwicklung handelt es sich beispielsweise um Kupfer, Aluminium oder anderes gängiges Spulenmaterial. Weiterhin können die Statorzähne 21 auch andere als die hier gezeigten Formen annehmen, beispielsweise kann der Spulenkern im hier dargestellten Querschnitt ein Rechteck oder Trapez ausbilden, oder die Statorzähne 21 können derart plankonkav ausgebildet sein, dass die konkave Seite der Spulenwicklung zugewandt ist.
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Weiterhin kann der Rotor 18 in wesentlichen Teilen aus Elektroblechen gefertigt werden. Insbesondere die Rotorzähne 20 und weitere Elemente, welche für einen magnetischen Rückschluss ausgebildet sein müssen, können aus Elektroblechen gefertigt sein. Elektrobleche sind weichmagnetische dünne Bleche, welche vorzugsweise eine Dicke von einem Zehntel Millimeter bis einen Millimeter aufweisen. Beispielsweise können Elektrobleche erst miteinander verbunden und dann an dem Drehrahmen 4 befestigt werden. Das Verbinden der Elektrobleche sowie das Befestigen am Drehrahmen 4 erfolgt beispielsweise durch Nieten, Schrauben, Kleben, Schweißen oder andere Fügetechniken, so dass der Rotor 18 besonders fest und stabil mit dem Drehrahmen 4 verbunden ist.
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Die Höhe des Stators 14, also die radiale Erstreckung der Permanentmagneten 17 sowie der Statorzähne 21, beträgt in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in etwa 1 bis 10 Zentimeter. Die Breite des Spulenkerns, also die Erstreckung eines einzelnen Spulenkerns entlang der Ringform des Stators 14, ist ähnlich groß und typischer Weise etwas geringer als die Höhe des Stators 14. Insbesondere kann die Breite des Spulenkerns ein bis sechs Zentimeter betragen. Die Tiefe des Stators 14, also die Erstreckung von Permanentmagneten 17 und Statorzähnen 21 entlang der Rotationsachse, beträgt in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in etwa ein bis fünfzehn Zentimeter. Die Breite der Rotorzähne 20, also die Erstreckung eines einzelnen Rotorzahns 20 entlang der Ringform des Rotors 18, ist typischer Weise im Bereich von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern. Die Tiefe der einzelnen Rotorzähne 20 ist der Tiefe des Stators 14 in der Regel ähnlich. Die hier genannten, beispielhaften Abmessungen sind allgemein für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem geeignet, welches einen relativ großen Durchmesser des Rotors 18 von in etwa einem halben Meter oder sogar einem Meter und mehr aufweist. Denn durch die entsprechenden Abmessungen wird ein entsprechend starker magnetischer Fluss und ein damit einhergehend großes Drehmoment sicher gestellt, welches für den Antrieb eines großen und schweren Körpers wie den drehbaren Teil der Gantry 1 eines Computertomographen notwendig ist. Daher sind die vorstehenden Abmessungen besonders für das Antriebssystem für die Gantry 1 eines Computertomographen von Vorteil.
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2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Antriebssystems mit vollumfänglicher Spulenanordnung mit zwölf Spulen 16 sowie zehn Rotorzähnen 20. In dem hier gezeigten Beispiel sind die Spulen 16 sowie die Rotorzähne 20 gleichmäßig entlang ihrer Ringform angeordnet. Weiterhin sind die hier gezeigten Statorzähne 21 als Module 22 ausgebildet, wobei zwei Module jeweils benachbarter Spulen 16 ein Joch ausbilden. Diese Verwendung der Module 22 weist den Vorteil auf, das die Spulen 16 unabhängig voneinander hergestellt werden und dann zu einer Gruppe von Spulen 16 oder wie in dem hier gezeigten Beispiel zu einem vollumfänglich mit Spulen versehenen Stator 14 zusammengesetzt werden können. Die zu verschiedenen Spulen 16 gehörigen, benachbarten Module 22 können beispielsweise durch Nieten, Schrauben, Schweißen oder andere Fügetechniken miteinander verbunden werden.
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In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Spulen 16 sowie der Rotorzähne 20 von der hier dargestellten Anzahl abweichen. Beispielsweise können vierundzwanzig Spulen 16 und zwanzig Rotorzähne 20 verwendet werden. Weiterhin können die Spulen 16 in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung von Strom mit unterschiedlichem Phasenversatz durchflossen werden. Beispielsweise kann der Phasenversatz des Stroms, der benachbarte Spulen 16 durchfließt, 120° betragen, so dass das Antriebssystem bezüglich des Phasenversatzes eine dreizählige Symmetrie aufweist.
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Weiterhin können Schutzelemente, insbesondere aus nicht magnetischem und nicht oder nur schwach magnetisierbarem Material, an dem Rotor 18 und/oder an dem Stator 14 angebracht sein. Beispielsweise kann eine Schutzfolie aus Kunststoff auf der Innenseite des Stators 14 angebracht werden. Auch kann in weiteren Ausführungsformen der Erfindung der Bereich des Rotors 18 zwischen den Rotorzähnen 20 mit einer Kunststoffmasse ausgefüllt sein.
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3 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Antriebssystems mit teilumfänglicher Spulenanordnung. In dem hier gezeigten Beispiel weist der Stator 14 lediglich 3 Spulen auf, welche in einem Winkelsektor 23 von ca. 90° angebracht sind. In weiteren Ausführungsformen dieser Variante der Erfindung können aber auch andere Anzahlen von Spulen 16 zum Einsatz kommen oder die Spulen 16 können sich über einen andere, zusammenhängen Winkelsektor 23 erstrecken, beispielsweise über < 15°, < 30°, < 60° oder < 120°. Wenn die Spulen 16 mit einem gleichmäßigen Phasenversatz von 120° bestromt werden, ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Spulenanordnung drei Spulen 16 oder ein ganzzahliges Vielfaches von drei Spulen 16 aufweist. Diese Variante kann nicht nur als Antriebssystem für die Gantry 1 eines Computertomographen dienen, denn es entfaltet seine Vorteile eines besonders geringen Materialverbrauchs und damit einhergehend geringer Fertigungskosten auch in anderen technischen Bereichen. Diese Variante ist von besonderem Vorteil, wenn Antriebssysteme mit einem großen Durchmesser des Stators 14 sowie des Rotors 18 benötigt werden, insbesondere mit einem Innendurchmesser des Rotors 18 von über fünfzig Zentimetern oder von über einem Meter.
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4 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Antriebssystems mit in Gruppen angeordneten Spulen. Dabei weisen benachbarte Spulen 16 innerhalb einer Gruppe jeweils einen geringeren Abstand zueinander auf als benachbarte Spulen 16 verschiedener Gruppen. Insbesondere kann jede Gruppe die gleiche Anzahl an Spulen 16 aufweisen. Weiterhin können die Abstände benachbarter Spulen 16 innerhalb der Gruppen jeweils gleich sein. Auch können die Abstände benachbarter Gruppen zueinander jeweils gleich sein. Beispielsweise können zwei bis fünf Gruppen mit jeweils drei Spulen 16 zum Einsatz kommen, wobei die drei Spulen 16 einer Gruppe jeweils mit einem Phasenversatz von 120° bestromt werden können. Dadurch wird einerseits der Materialverbrauch gering gehalten. Andererseits wird durch die symmetrische Anordnung und Bestromung der Spulen 16 sicher gestellt, dass sich die Querkräfte senkrecht zur Rotationsachse 5 gegenseitig kompensieren. Auch diese Variante ist nicht auf den Einsatz für die Gantry 1 eines Computertomographen beschränkt, sondern entfaltet als Weiterbildung der in 3 beschriebenen Variante seine Vorteile auch in anderen technischen Gebieten, insbesondere bei einem relativ großen Durchmesser des Stators 14 sowie des Rotors 18. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung weist auch der Rotor 18 nicht vollumfänglich und regelmäßig Rotorzähne 18 auf, sondern nur innerhalb bestimmter Winkelsektoren. Dadurch kann der Materialbedarf für das erfindungsgemäße Antriebssystem weiter reduziert werden.
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5 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Antriebssystems in Aufsicht mit Elektroblechen im Stator. In dem hier gezeigten Beispiel weist der Stator 14 Module 22 auf, wobei die Module 22 wiederum aus weichmagnetischen Elektroblechen 24 gefertigt sind, welche sich in Richtung der ringförmigen Ausdehnung des Stators 14 erstrecken. Module 22 aus weichmagnetischen Elektroblechen 24 weisen geringere Verluste durch Wirbelströme auf als massiv gefertigte Module 22. Elektroblechen können auch für die Statorzähne 21 mit einem durchgehenden Joch zum Einsatz kommen, und nicht nur für Statorzähne 21 mit modularem Aufbau. Die Elektrobleche 24 weisen typischer Weise eine Dicke zwischen einem Zehntel Millimeter und einem Millimeter auf. Dementsprechend kann auch eine weit größere als die hier dargestellte Anzahl von Elektroblechen 24 zu einem Modul 22 beitragen. Weiterhin müssen die Elektrobleche 24 eines Moduls nicht bündig abschließen, sondern können auch verschiedene Ausdehnungen in Richtung der ringförmigen Ausdehnung des Stators 14 aufweisen, damit einzelne Elektrobleche 24 in den Bereich eines benachbarten Moduls 22 hereinragen und dadurch eine bessere Befestigung der benachbarten Module 22 aneinander ermöglichen.
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6 zeigt verschieden geformte Rotorzähne des erfindungsgemäßen Rotors. So sind die Rotorzähne 20 in 6a rechteckig geformt, während die Rotorzähne 20 in 6b eine abgerundete Trapezform und die Rotorzähne 20 in 6c eine Konusform aufweisen. Weiterhin ist die Krümmung der Außenseite der in 6 gezeigten Rotorzähne 20 an den Innendurchmesser des Stators 14 angepasst, wobei der Innendurchmesser des Stators 14 durch die Innenseiten der Statorzähne 21 definiert ist. Die Rotorzähne 20 können auch weitere Formen annehmen, solange die Rotorzähne 20 für einen effektiven magnetischen Rückschluss ausgelegt sind.
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7 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Drehrahmens. Der hier gezeigte Drehrahmen 4 verfügt über einen Halterungsring 26, welcher die Komponenten wie die Röntgenquelle oder den Röntgendetektor umgibt, und wobei der Halterungsring 26 an seiner hier nicht ersichtlichen Innenseite auch Mittel zur Aufnahme und Befestigung solcher Komponenten bereit stellt. Weiterhin weist der Drehrahmen 4 eine fest mit dem Halterungsring 26 verbundene Wand 25 auf, welche dem Drehrahmen 4 zusätzliche Stabilität verleiht und auch Mittel zur Aufnahme und Befestigung von Komponenten bereit stellen kann. Weiterhin weist der hier beispielhaft gezeigte Drehrahmen 4 eine Rotoraufnahme 27 auf, welche mit der Wand 25 fest verbunden ist. An der Rotoraufnahme 27 kann der Rotor 18 eines erfindungsgemäßen Antriebssystems befestigt werden, und zwar derart, dass das Antriebssystem dazu ausgelegt ist, mit dem Rotor 18 auch den Drehrahmen 4 in eine Rotationsbewegung zu versetzen. In weiteren Ausführungsformen wird der Rotor 18 auf der Außenseite des Halterungsrings 26 befestigt. Weiterhin kann der Drehrahmen 4 Mittel zur Lagerung aufweisen, welche für eine Rotationsbewegung notwendig ist, beispielsweise in Form von Drahtwälzlagern oder Magnetlagern.
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8 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Gantry. In dem hier gezeigten Beispiel ist der Rotor 18 wie zuvor beschrieben an der Rotoraufnahme 27 befestigt. Der Stator 14 ist hingegen mittels einer Statoraufnahme 28 an dem Tragrahmen 15 der Gantry 1 des Computertomographen befestigt. Die Statoraufnahme 28 erstreckt sich typischer Weise ringörmig um die Öffnung 10 der Gantry 1. Bei dem Tragrahmen 15 handelt es sich um eine feste Struktur, welche dazu ausgelegt ist den Drehrahmen 4 mit Hilfe eines Lagers derart zu tragen, dass der Drehrahmen 4 die erforderliche Rotationsbewegung ausführen kann, insbesondere mit einer geforderten Beschleunigung, Geschwindigkeit, Vibrationsfreiheit und Dauer. In dem hier gezeigten Beispiel verfügt der Tragrahmen 15 auch über Füße zum bodenseitigen Aufstellen oder Befestigen. Der Tragrahmen 15 kann aber auch zur deckenseitigen Befestigung ausgelegt sein. Weiterhin weist die Gantry eine Verkleidung für den Tragrahmen 15 auf. Die gestrichelten Linien geben den tunnelförmigen Bereich an, in der ein Patient oder anderes zu durchleuchtendes Gut, beispielsweise zur Materialprüfung, hinein geschoben werden kann.
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9 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Computertomographen. Der Computertomograph umfasst eine Gantry 1 mit einem Drehrahmen 4. In den Drehrahmen 4 sind in dem hier gezeigten Beispiel eine Röntgenquelle 8 und ein mit der Röntgenquelle 8 zusammenwirkender Röntgendetektor 9 integriert. Der Drehrahmen 8 rotiert während der Aufnahme von Röntgenprojektionen um eine Rotationsachse 5, und die Röntgenquelle 8 emittiert während der Aufnahme Röntgenstrahlen 2 in Form eines Röntgenstrahlbündels. Insbesondere kann das Röntgenstrahlbündel als Fächer oder Kegel ausgeformt sein. Der Computertomograph kann auch über mehr als nur eine Röntgenquelle 8 und mehr als nur einen Röntgendetektor 9 verfügen um Aufnahmen im sogenannten Dual Energy Verfahren zu ermöglichen. Bei dem Röntgenquelle 8 handelt es sich in dem hier gezeigten Beispiel um eine Röntgenröhre. Bei dem Röntgendetektor 9 handelt es sich in dem hier gezeigten Beispiel um einen Zeilendetektor mit mehreren Zeilen, beispielsweise mit 128 Zeilen oder mit 256 Zeilen.
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Bei Rotation des Drehrahmens 4 können Röntgenprojektionen aus verschiedenen Richtungen aufgenommen werden, die zu einem hoch aufgelösten, räumlich dreidimensionalen Bild rekonstruiert werden können. Bei der Aufnahme der Röntgenprojektionen liegt in dem hier gezeigten Beispiel ein Patient 3 auf einer Patientenliege 6, die so mit einem Liegensockel verbunden ist, dass er die Patientenliege 6 mit dem Patienten 3 trägt. Die Patientenliege 6 ist dazu ausgelegt den Patienten 3 entlang einer Aufnahmerichtung durch die Öffnung 10 der Gantry 1 verfahren. Die Aufnahmerichtung ist in der Regel durch die Rotationsachse 5 des Rotors 18 und damit des Drehrahmens 4 gegeben. Allerdings kann die Rotationsachse 5 auch gegenüber der Aufnahmerichtung, entlang derer der Patient 3 während der Aufnahme bewegt wird, verkippt sein, beispielsweise indem der Drehrahmen 4 als Teil einer kippbaren Gantry ausgebildet ist.
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In dem hier gezeigten Beispiel umfasst der Computertomograph auch einen Computer 12, welcher beispielsweise zur Steuerung des Computertomographen sowie zum Speichern und Verarbeiten einer Vielzahl von Röntgenprojektionen ausgelegt ist. Der Computer 12 ist mit einer Ausgabeeinheit 11, beispielsweise zur graphischen Ausgabe tomographischer Bilder verbunden. Bei der Ausgabeeinheit 11 handelt es sich beispielsweise um einen LCD-, Plasma- oder OLED-Bildschirm. Weiterhin ist der Computer 12 mit einer Eingabeeinheit 13 verbunden. Bei der Eingabeeinheit 13 handelt es sich beispielsweise um eine Tastatur, eine Maus, einen sogenannten Touchscreen oder auch um ein Mikrofon zur Spracheingabe. Schnittstellen 7 ermöglichen es dem Computer 12 mit dem Computertomographen sowie mit der Eingabeeinheit 13 oder einer Ausgabeeinheit 11 kommunizieren zu können. Bei den Schnittstellen 7 handelt es sich um allgemein bekannte Hard- oder Software-Schnittstellen, z.B. um die Hardware-Schnittstellen PCI-Bus, USB oder Firewire.
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Weiterhin können in der Gantry 1 Steuerungselemente 29 zur Ansteuerung des Antriebssystems untergebracht sein. Solche Steuerungselemente 29 können elektronische Schaltungen wie einen Phasenschieber oder ASICs (Akronym für das englischsprachige „application-specific integrated circuit“) umfassen. Der Computer 12 kann dazu ausgelegt sein Steuerungssignale 30 an die Steuerungselemente 29 zur Steuerung des Antriebssystems zu senden, insbesondere zur Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 18 und damit des Drehrahmens 4.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10304030 A1 [0002]
- DE 202004015291 U1 [0002]
