DE102015219029A1

DE102015219029A1 - Drehanode, Röntgenröhre und Anordnung mit einer Röntgenröhre sowie Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer Drehanode

Info

Publication number: DE102015219029A1
Application number: DE102015219029.3A
Authority: DE
Inventors: Roland Lorz; Daniel Maric; Gunter Röhrich; Wolfgang Schäff
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-10-02
Also published as: CN106941063B; DE102015219029B4; CN106941063A

Abstract

Die Erfindung gibt eine Drehanode (4) für eine Röntgenröhre (1) mit einem Rotor (7) zum Antrieb der Drehanode (4), wobei der Rotor (7) einen Flansch (14) aufweist, der mit einer Welle (6) der Drehanode (4) koppelbar ist. Der Rotor weist auf: – eine rohrförmige, magnetische Rückführung (15), die stirnseitig mit dem Flansch (14) stoffschlüssig verbunden ist, und – einen konzentrisch zur magnetischen Rückführung (15) angeordneten, rohrförmigen Kurzschlussläufer (16), der mit der magnetischen Rückführung (15) und dem Flansch (14) stoffschlüssig und spaltlos verbunden ist. Vorteilhaft ist, dass die Materialien der drei Komponenten des Rotors (7) unterschiedliche Eigenschaften haben können, wie zum Beispiel eine hohe Leitfähigkeit für den Kurzschlussläufer, gute magnetische Eigenschaften für die magnetische Rückführung und eine Kompensation des Ausdehnungskoeffizienten und eine Verbesserung des Korrosionsverhaltens des Flansches. Es besteht kein Restspalt zwischen der magnetscher Rückführung und dem Kurzschlussläufer.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Drehanode für eine Röntgenröhre mit einem Rotor zum Antrieb der Drehanode, wobei der Rotor einen Flansch aufweist, der mit einer Welle der Drehanode koppelbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Röntgenröhre mit einer derartigen Drehanode, eine Anordnung mit einer Röntgenröhre und ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer derartigen Drehanode.
Hintergrund der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Für den Roter eines asynchronen Antriebs bei gattungsgemäßen Drehanoden sind im Wesentlichen drei unterschiedliche Aufbauten bekannt:

a) Der Rotor besitzt keine mitdrehende magnetische Rückführung. Er weist eine Rotorglocke aus Kupfer auf, die mit einer Montageplatte aus Stahl oder Molybdän verbunden ist. Die Montageplatte dient der Montage an einer Lagerwelle oder der Drehanode. Die Verbindung zwischen der Rotorglocke und der Montageplatte kann stoffschlüssig sein. Ein derartiger Antrieb hat wegen der fehlenden magnetischen Rückführung eine geringe Effizienz.
b) Der Rotor ist zweiteilig mit magnetischer Rückführung. Dabei wird eine magnetische Stahlhülse von der Rotorglocke aus Kupfer umgeben. Die Stahlhülse stellt auch die Verbindung zum Lager bzw. zur Welle her. Die Rotorglocke und die Stahlhülse sind miteinander verbunden und rotieren gemeinsam mit der Drehanode. Nachteilig ist, dass die Kontakteigenschaften, wie Korrosion oder Ausdehnung, zwischen der Stahlhülse und dem Lager nicht optimal sind. Außerdem wird durch Wärmebehandlung beim Verbinden von Stahlhülse und Rotorglocke die magnetische Eigenschaft der Stahlhülse beeinträchtigt.
c) Der Rotor ist dreiteilig und besteht aus einer Montageplatte bzw. Flansch, aus einer Rotorglocke aus Kupfer und aus einer magnetischen Rückführung. Die magnetische Rückführung ist in den Flansch eingelötet. Zwischen der Rotorglocke und der magnetischen Rückführung ist ein Spalt, der sich negativ auf die Vakuumhygiene und eine Wiederverwendung des Rotors auswirkt, da der Spalt schwer zu reinigen ist.

Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile zu überwinden und eine Drehanode, eine Röntgenröhre, eine Anordnung mit einer Röntgenröhre und ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors anzugeben, die einen verbesserten Antrieb einer Drehanode ermöglichen.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Drehanode, einer Röntgenröhre, einer Anordnung mit einer Röntgenröhre und einem Verfahren zur Herstellung eines Rotors der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist der Rotor dreiteilig, wobei ein Flansch bzw. eine Montageplatte stoffschlüssig mit einer magnetischen Rückführung und mit einem Kurzschlussläufer sowie der Kurzschlussläufer stoffschlüssig mit der magnetischen Rückführung verbunden sind.
Die Erfindung beansprucht eine Drehanode für eine Röntgenröhre mit einem Rotor zum Antrieb der Drehanode, wobei der Rotor einen Flansch aufweist, der mit einer Welle der Drehanode koppelbar ist. Der Rotor weist ferner eine rohrförmige, magnetische Rückführung, die stirnseitig mit dem Flansch stoffschlüssig verbunden ist, und einen konzentrisch zur Rückführung angeordneten, rohrförmigen Kurzschlussläufer, der mit der magnetischen Rückführung und dem Flansch stoffschlüssig und spaltlos verbunden ist, auf.
Vorteilhaft ist, dass die Eigenschaften der Materialien der drei Komponenten unterschiedlich sein können, wie eine hohe Leitfähigkeit für den Kurzschlussläufer, gute magnetische Eigenschaften für die magnetische Rückführung und eine Kompensation bzw. Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten und Verbesserung des Korrosionsverhaltens des Flansches. Es besteht kein Restspalt zwischen der magnetischen Rückführung und dem Kurzschlussläufer. Dies wirkt sich positiv auf die Vakuumhygiene aus. Die Dicke des Kurzschlussläufers kann kleiner gewählt werden, da die magnetische Rückführung die Kühlung zumindest teilweise übernimmt. Die Effizienz des Antriebs steigt dadurch.
In einer Weiterbildung kann der Kurzschlusslaufer aus Kupfer sein.
In einer Weiterbildung kann der Flansch aus Molybdän sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann die magnetische Rückführung aus Stahl sein.
Die Erfindung beansprucht auch eine Röntgenröhre mit einer erfindungsgemäßen Drehanode.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Anordnung eine außerhalb der Röntgenröhre angeordnete Statorwicklung auf, die ein magnetisches Drehfeld erzeugt.
Die Erfindung beansprucht außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer erfindungsgemäßen Drehanode mit den Schritten:

– Herstellen eines Rohlings des Flansches,
– Herstellen eines Rohlings der magnetischen Rückführung,
– stoffschlüssiges Verbinden des Rohlings des Flansches mit dem Rohling der magnetischen Rückführung,
– Nachbearbeiten der stoffschlüssig verbundenen Rohlinge mit einer endgültigen Formgebung und
– stoffschlüssiges, spaltloses Aufbringen des Kurzschlussläufers.

In einer Weiterbildung kann das stoffschlüssige Verbinden der Rohlinge durch Reibschweißen erfolgen.
In einer weiteren Ausprägung kann das stoffschlüssige Aufbringen des Kurzschlussläufers durch Metallgießen erfolgen.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: einen Längsschnitt durch einen Rotor,
2: einen Querschnitt durch einen Rotor und
3: eine Anordnung mit einer Röntgenröhre.
Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Rotor 7 mit einem Flansch 14 (= Montageplatte) zur Befestigung an einer Welle einer Drehanode. Stoffschlüssig mit dem Flansch 14 ist eine rohrförmige magnetische Rückführung 15 mit einer ihrer Stirnseiten verbunden. Die magnetische Rückführung 15 bildet eine Hülse. Um die magnetische Rückführung 15 ist ein rohrförmiger Kurzschlussläufer 16 konzentrisch angeordnet. Auch dieser bildet eine Hülse. Der Kurzschlussläufer 16 ist mit der magnetischen Rückführung 15 entlang der Mantelflächen stoffschlüssig derart verbunden, dass dazwischen kein Spalt entsteht.
Vorzugsweise ist der Flansch 14 aus Molybdän, die magnetische Rückführung 15 aus Stahl und der Kurzschlussläufer 16 aus Kupfer. Der Kurzschlussläufer 16 wird daher auch als Kupferglocke oder Rotorglocke aus Kupfer bezeichnet.
Zur Herstellung des Rotors 7 werden zuerst Rohlinge des Flansches 14 und der magnetischen Rückführung 15 miteinander beispielsweise durch Reibschweißung verbunden. Rohlinge sind noch teilweise unbehandelte Werkstücke, die durch Nachbearbeitung, wie Zerspanen oder Schleifen, in Ihre endgültige Form gebracht werden. Anschließend werden die so verbundenen Rohlinge nachbearbeitet und in die erforderliche Form gebracht, so dass sie für den nächsten Arbeitsschritt vorbereitet sind. Danach wird der Kurzschlussläufer 16 beispielsweise durch Metallguss über die magnetische Rückführung 15 und den Flansch 14 aufgebracht.
2 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittfläche AB des Rotors 7 gemäß 1. Um die magnetische Rückführung 15 ist der rohrförmige Kurzschlussläufer 16 konzentrisch angeordnet. Der Kurzschlussläufer 16 ist mit der magnetischen Rückführung 15 entlang der Mantelflächen stoffschlüssig derart verbunden, dass dazwischen kein Spalt entsteht. Der Kurzschlussläufer 16 und die magnetische Rückführung bilden jeweils eine Hülse.
3 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre 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 5, der durch eine Welle 6 mit einem Rotor 7 eines Elektromotors verbunden ist.
Außerhalb der Röhrenhülle 2 umschließt ein Stator 8 die Röhrenhülle 2 in unmittelbarer Nähe zum Rotor 4. Der Stator 8 erzeugt mit seinen Strom durchflossenen Statorwicklungen 9 ein um die Röhrenhülle 2 rotierendes Magnetfeld, das auf den Rotor 7, der entsprechend der 1 und 2 ausgeführt ist, ein Drehmoment ausübt und somit die Drehanode 4 in eine Drehung versetzt. Die Statorwicklungen 9 sind in einem Blechpaket 10 angeordnet.
Der von der Kathode 3 emittierte Elektronenstrahl 11 wird auf den Anodenteller 5 hin beschleunigt und erzeugt beim Auftreffen auf den Anodenteller 5 durch Abbremsung eine Röntgenstrahlung 12, die durch ein Strahlenfenster 13 in der Röhrenhülle 2 die Röntgenröhre 1 verlässt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Röntgenröhre
2: Röhrenhülle
3: Kathode
4: Drehanode
5: Anodenteller
6: Welle
7: Rotor
8: Stator
9: Statorwicklung
10: Blechpaket
11: Elektronenstrahl
12: Röntgenstrahlung
13: Strahlenfenster
14: Flansch
15: Magnetische Rückführung
16: Kurzschlussläufer
AB: Schnittfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19752114 A1 [0003]

Claims

Drehanode (4) für eine Röntgenröhre (1) mit einem Rotor (7) zum Antrieb der Drehanode (4), wobei der Rotor (7) aufweist: – einen Flansch (14), der ausgebildet ist, mit einer Welle (6) der Drehanode (4) zu koppeln, gekennzeichnet durch: – eine rohrförmige, magnetische Rückführung (15), die stirnseitig mit dem Flansch (14) stoffschlüssig verbunden ist, und – einen konzentrisch zur magnetischen Rückführung (15) angeordneten, rohrförmigen Kurzschlussläufer (16), der mit der magnetischen Rückführung (15) und dem Flansch (14) stoffschlüssig und spaltlos verbunden ist.
Drehanode (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlusslaufer (16) aus Kupfer ist.
Drehanode (4) nach Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (14) aus Molybdän ist.
Drehanode (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Rückführung (15) aus Stahl ist.
Röntgenröhre (1) mit einer Drehanode (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Anordnung mit einer Röntgenröhre (1) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch: – eine außerhalb der Röntgenröhre (6) angeordnete Statorwicklung (9), die ein magnetisches Drehfeld erzeugt.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (7) einer Drehanode (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch: – Herstellen eines Rohlings des Flansches (14), – Herstellen eines Rohlings der magnetischen Rückführung (15), – stoffschlüssiges Verbinden des Rohlings des Flansches (14) mit dem Rohling der magnetischen Rückführung (15), – Nachbearbeiten der stoffschlüssig verbundenen Rohlinge mit endgültiger Formgebung und – stoffschlüssiges, spaltloses Aufbringen des Kurzschlussläufers (16).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Verbinden der Rohlinge durch Reibschweißen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Aufbringen des Kurzschlussläufers (16) durch Metallgießen erfolgt.