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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer 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 Stator angeordnet ist, der in Bezug auf die Rotationsachse den Vakuumbehälter radial außen umgibt,
- - wobei der Rotor und der Stator zusammen eine rotatorische elektrische Maschine bilden, mittels derer die Drehanode um die Rotationsachse rotiert wird,
- - wobei der Stator ein Statorblechpaket aufweist, das orthogonal zur Rotationsachse gesehen ein um die Rotationsachse umlaufendes Joch aufweist, von dem aus sich Statorzähne auf die Rotationsachse zu erstrecken,
- - wobei in den Zwischenräumen zwischen den Statorzähnen des Statorblechpakets ein Wicklungssystem mit mehreren Phasen angeordnet ist.
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Aus der
US 6 628 034 B2 ist eine elektrische Maschine bekannt, deren Stator Hauptwicklungen und Hilfswicklungen aufweist. Die Hauptwicklungen sind als Zahnwicklungen ausgebildet, die auf jeweils einen der Zähne des Stators aufgewickelt sind. Die Hilfswicklungen sind als Jochwicklungen ausgebildet.
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Aus der
US 2010/0 033 043 A1 ist ein Stator einer elektrischen Maschine bekannt, dessen Statorwicklung als Jochwicklung ausgebildet ist.
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Beim Betrieb einer Röntgenanordnung wird mittels einer Kathode ein Elektronenstrahl erzeugt, der auf eine Anode gelenkt wird. Der Punkt, auf den der Elektronenstrahl auftrifft, wird als Brennfleck bezeichnet. Im Brennfleck wird die Röntgenstrahlung erzeugt.
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Der Elektronenstrahl erhitzt den Brennfleck. Um eine Überhitzung des Brennflecks zu vermeiden, ist die Anode oftmals als Drehanode ausgebildet, die im Betrieb um eine Rotationsachse rotiert wird. Die Rotation wird mittels einer elektrischen Maschine bewirkt, deren Rotor zusammen mit der Drehanode innerhalb eines Vakuumbehälters angeordnet ist und deren Stator außerhalb des Vakuumbehälters angeordnet ist.
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Zur optimalen Bildgebung ist es erforderlich, dass der Brennfleck, bezogen auf die als Ganzes nicht um die Rotationsachse der Röntgenanordnung rotierende Röntgenanordnung, statisch ist, also während des Betriebs der Röntgenanordnung nicht oder zumindest nur geringfügig wandert. Da der die Röntgenstrahlung generierende Elektronenstrahl durch elektromagnetische Felder beeinflusst werden kann, ist es daher erforderlich, den Einfluss elektromagnetischer Felder so konstant wie möglich zu halten.
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Ein wichtiger Einflussfaktor sind die beim Antreiben des Rotors vom Stator ausgehenden Streufelder. Diese Streufelder können Bewegungen des Brennflecks hervorrufen, die sowohl in Richtung um die Rotationsachse herum gesehen als auch orthogonal hierzu im Bereich von mehreren 100 µm liegen können. Die hierdurch hervorgerufenen Störungen und Fehler bei der Bildgebung sind oftmals nicht vernachlässigbar, zumindest aber nachteilig.
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Aus der
DE 10 2011 081 280 A1 ist bekannt, das Wicklungssystem des Stators als Jochwicklung auszubilden. Mit einem derartigen Wicklungssystem kann erreicht werden, dass der Brennfleck sich sowohl in Richtung um die Rotationsachse herum gesehen als auch orthogonal hierzu um weniger als ca. 50 µm bewegt. Eine Jochwicklung ist jedoch in der Fertigung umständlich und daher kostenintensiv.
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Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Beaufschlagung des Wicklungssystems des Stators mit Strom während des aktiven Betriebs der Röntgenanordnung, während also die Röntgenstrahlung emittiert wird, zu reduzieren oder sogar ganz zu unterbrechen. Diese Vorgehensweise führt zwar zu einer deutlich reduzierten Bewegung des Brennflecks, erweist sich jedoch nicht immer als praktikabel. Insbesondere bei einer Ausbildung der Lager der Drehanode als Gleitlager sind die Reibungskräfte innerhalb des Lagers zu hoch, so dass bei einem vollständigen Unterbrechen der Stromversorgung die Drehbewegung der Drehanode zu schnell nachlassen würde.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Röntgenanordnung der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass sie sowohl kostengünstig ist als auch der Brennfleck sowohl in Richtung um die Rotationsachse herum gesehen als auch orthogonal hierzu stabil ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Röntgenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Röntgenanordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 und 3.
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Erfindungsgemäß wird eine Röntgenanordnung der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,
- - dass das Wicklungssystem Wicklungen aufweist, deren einzelne Windungen jeweils mehrere Statorzähne übergreifen, und
- - dass der Stator derart ausgebildet ist, dass bei Beaufschlagung der einzelnen Phasen mit gleichen Phasenspannungen die Phasen jeweils gleich große magnetische Streufelder hervorrufen.
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Aufgrund der Ausgestaltung des Wicklungssystems derart, dass es Wicklungen aufweist, deren einzelne Windungen jeweils mehrere Statorzähne übergreifen, kann das Wicklungssystem des Stators einfach, zuverlässig und kostengünstig hergestellt werden. Durch die Ausbildung des Stators derart, dass bei Beaufschlagung der einzelnen Phasen mit gleichen Phasenspannungen die Phasen jeweils gleich große magnetische Streufelder hervorrufen, kann dennoch erreicht werden, dass die Streufelder zeitlich nur sehr geringfügig variieren und in der Folge der Brennfleck sich beim Rotieren der Drehanode nur geringfügig bewegt. Insbesondere bewirkt die Vergleichmäßigung der magnetischen Streufelder eine sehr symmetrische Schwankung der magnetischen Streufelder beim Rotieren der Drehanode.
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Bei einem derartigen Wicklungssystem umfassen die Phasen des Wicklungssystems in Richtung der Rotationsachse gesehen oberhalb des Statorblechpakets jeweils einen oberen Teilwicklungskopf und unterhalb des Statorblechpakets jeweils einen unteren Teilwicklungskopf. Die oberen Teilwicklungsköpfe sind näher an der Drehanode angeordnet als die unteren Teilwicklungsköpfe. Weiterhin sind in der Regel die oberen Teilwicklungsköpfe in Richtung der Rotationsachse gesehen übereinander angeordnet, so dass die oberen Teilwicklungsköpfe zumindest einen äußeren oberen Teilwicklungskopf und einen inneren oberen Teilwicklungskopf umfassen. In Richtung der Rotationsachse gesehen ist der äußere obere Teilwicklungskopf der am weitesten vom Statorblechpaket entfernte obere Teilwicklungskopf. Umgekehrt ist in Richtung der Rotationsachse gesehen der innere obere Teilwicklungskopf der am weitesten von der Drehanode entfernte obere Teilwicklungskopf. Eine analoge Reihenfolge ist in der Regel auch für die unteren Teilwicklungsköpfe gegeben. Vorliegend kommt es aber entscheidend auf die oberen Teilwicklungsköpfe an, die näher an der Drehanode angeordnet sind als die unteren Teilwicklungsköpfe.
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Eine Vergleichmäßigung der von den Phasen hervorgerufenen magnetischen Streufelder kann insbesondere dadurch unterstützt werden, dass diejenige Phase, welche den äußeren oberen Teilwicklungskopf umfasst, eine größere Anzahl an Windungen aufweist als die anderen Phasen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Vergleichmäßigung dadurch unterstützt werden, dass diejenige Phase, welche den inneren oberen Teilwicklungskopf umfasst, eine kleinere Anzahl an Windungen aufweist als die anderen Phasen.
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Das Statorblechpaket besteht in der Regel aus einer Vielzahl von Statorblechen, die in Richtung der Rotationsachse gesehen übereinander gestapelt sind. Die Statorbleche sind im Stand der Technik oftmals über eine Schweißnaht, die am Außenumfang des Statorblechpakets parallel zur Rotationsachse verläuft, elektrisch miteinander verbunden. Eine weitere Möglichkeit zur Vergleichmäßigung der von den Phasen hervorgerufenen magnetischen Streufelder besteht darin, dass eine elektrische Verbindung von in Richtung der Rotationsachse aufeinanderfolgenden Statorblechen miteinander zumindest teilweise unterbrochen ist. Im einfachsten Fall kann dies dadurch implementiert sein, dass die Schweißnaht des Standes der Technik schlichtweg entfällt. Alternativ kann es sinnvoll sein, die Schweißnaht gezielt nur an einigen Stellen zu unterbrechen.
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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 einen Schnitt durch einen Stator entlang einer Linie II-II in 1,
- 3 den Stator von 2 in abgerollter Darstellung,
- 4 eine Seitenansicht des Stators von 2,
- 5 eine Draufsicht auf eine Drehanode,
- 6 ein Diagramm und
- 7 ein Statorblechpaket von der Seite.
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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.
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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 bei einer konstanten Axialposition in konstantem radialem Abstand kreisförmig um die Rotationsachse 6 herum gerichtet ist.
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Zum Antreiben des Rotors 3 ist - in Richtung der Rotationsachse 6 gesehen - im Bereich des Rotors 3 ein Stator 7 angeordnet, der in Bezug auf die Rotationsachse 6 den Vakuumbehälter 1 radial außen umgibt. Der Rotor 3 und der Stator 7 bilden zusammen eine rotatorische elektrische Maschine, mittels derer im Betrieb der Röntgenanordnung die Drehanode 2 um die Rotationsachse 6 rotiert wird. Die elektrische Maschine kann beispielsweise nach Art einer Asynchronmaschine ausgebildet sein.
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Der Stator 7 weist ein Statorblechpaket 8 auf. Das Statorblechpaket 8 besteht aus einer Vielzahl von Statorblechen 9, die in Richtung der Rotationsachse 6 gesehen übereinander gestapelt sind. Das Statorblechpaket 8 weist entsprechend der Darstellung in 2 ein Joch 10 auf. Das Joch 10 läuft um die Rotationsachse 6 um. Von dem Joch 10 aus erstrecken sich Statorzähne 11 auf die Rotationsachse 6 zu. In den Zwischenräumen (Nuten) zwischen den Statorzähnen 11 des Statorblechpakets 8 ist entsprechend der Darstellung in 3 ein Wicklungssystem 12 angeordnet. Das Wicklungssystem 12 weist mehrere Phasen 13 auf. In der Regel sind drei Phasen 13 vorhanden. Es sind jedoch auch Ausgestaltungen des Wicklungssystems 12 mit nur zwei Phasen 13 oder mit mehr als drei Phasen 13 denkbar.
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Die Phasen 13 sind in 3 zusätzlich mit einem kleinen Buchstaben (a, b bzw. c) versehen, um sie bei Bedarf voneinander unterscheiden zu können. Soweit erforderlich, werden nachstehend auch andere Bezugszeichen teilweise mit einem kleinen Buchstaben (a, b bzw. c) ergänzt, um sie bei Bedarf voneinander unterscheiden zu können. Wird ein derartiges Bezugszeichen mit einem kleinen Buchstaben ergänzt, ist das entsprechend bezeichnete Element auf die entsprechende Phase 13 bezogen, also beispielsweise ein Bezugszeichen 14a auf die Phase 13a.
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Das Wicklungssystem 12 weist Wicklungen 14 auf, deren einzelne Windungen 15 jeweils mehrere Statorzähne 11 übergreifen. Das Wicklungssystem 12 ist also als sogenanntes verteiltes Wicklungssystem 12 ausgebildet. Derartige Wicklungssysteme 12 sind Fachleuten allgemein bekannt. Sie weisen in der Regel gegenüber Zahnwicklungen überlegene elektrische und elektromagnetische Eigenschaften auf.
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Die Phasen 13 des Wicklungssystems 12 umfassen entsprechend der Darstellung in 4 in Richtung der Rotationsachse 6 gesehen oberhalb des Statorblechpakets 8 jeweils einen oberen Teilwicklungskopf 16. Weiterhin umfassen die Phasen 13 des Wicklungssystems 12 in Richtung der Rotationsachse 6 gesehen unterhalb des Statorblechpakets 8 jeweils einen unteren Teilwicklungskopf 17. Die oberen Teilwicklungsköpfe 16 sind in Richtung der Rotationsachse 6 gesehen näher an der Drehanode 2 angeordnet als die unteren Teilwicklungsköpfe 17.
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Weiterhin sind die oberen Teilwicklungsköpfe 16 in Richtung der Rotationsachse 6 gesehen übereinander angeordnet. Die oberen Teilwicklungsköpfe 16 umfassen somit zumindest einen äußeren oberen Teilwicklungskopf 16a und einen inneren oberen Teilwicklungskopf 16c. Der äußere obere Teilwicklungskopf 16a ist derjenige obere Teilwicklungskopf 16a, der in Richtung der Rotationsachse 6 gesehen am weitesten vom Statorblechpaket 8 entfernt ist. Der innere obere Teilwicklungskopf 16c ist derjenige obere Teilwicklungskopf 16c, der in Richtung der Rotationsachse 6 gesehen der am nächsten am Statorblechpaket 8 angeordnete obere Teilwicklungskopf 16c ist und damit zugleich auch der am weitesten von der Drehanode 2 entfernte obere Teilwicklungskopf 16c ist. In der Regel umfassen die oberen Teilwicklungsköpfe 16 zusätzlich auch mindestens einen zwischen dem äußeren oberen Teilwicklungskopf 16a und dem inneren oberen Teilwicklungskopf 16c angeordneten mittleren oberen Teilwicklungskopf 16b.
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Eine analoge Ausgestaltung ist in der Regel auch bezüglich der unteren Teilwicklungsköpfe 17 gegeben. Auch die unteren Teilwicklungsköpfe 17 sind also in Richtung der Rotationsachse 6 gesehen übereinander angeordnet, so dass sie zumindest einen äußeren unteren Teilwicklungskopf 17a und einen inneren unteren Teilwicklungskopf 17c und in der Regel zusätzlich auch mindestens einen mittleren unteren Teilwicklungskopf 17b umfassen. In diesem Fall umfassen die Phasen 13 des Wicklungssystems 12 in der Regel den jeweils gleichen oberen und unteren Teilwicklungskopf 16, 17. Diejenige Phase 13a, die den äußeren oberen Teilwicklungskopf 16a umfasst, umfasst also in der Regel zugleich auch den äußeren unteren Teilwicklungskopf 17a. Analoge Ausführungen gelten in der Regel für die anderen Phasen 13b, 13c.
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Beim Antreiben des Rotors 3 generiert der Stator 7 magnetische Streufelder. Die Streufelder variieren zeitlich. Dies führt dazu, dass über die Lorentzkraft der von der Kathode 18 der Röntgenanordnung emittierte Elektronenstrahl 19 (siehe 1) beeinflusst wird. Der Ort des Brennflecks 20 variiert daher zeitlich, und zwar entsprechend der Darstellung in 5 sowohl in Umfangsrichtung φ als auch entsprechend der Darstellung in den 1 und 5 orthogonal hierzu in einer weiteren Richtung z. Die weitere Richtung z verläuft auf der Kontur der Drehanode 2. Sie ist in der Regel gemischt radialaxial.
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Der Ort des Brennflecks 20 variiert in umso geringerem Umfang, je geringer die Schwankungen der vom Stator 7 generierten Streufelder sind. Im Betrieb des Stators 7 werden die Phasen 13 mit gleichen Phasenspannungen U beaufschlagt. Die Schwankungen der vom Stator 7 generierten Streufelder können daher dadurch minimiert werden, dass der Stator 7 derart ausgebildet ist, dass bei Beaufschlagung der einzelnen Phasen 13a, 13b, 13c mit gleichen Phasenspannungen Ua, Ub, Uc (siehe 3) die Phasen 13 jeweils gleich große magnetische Streufelder hervorrufen.
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Die magnetischen Streufelder sind zum einen proportional zu den durch die Phasenspannungen U hervorgerufenen Phasenströmen I und zum anderen abhängig von der Auslegung des Statorblechpakets 8. Eine Vergleichmäßigung der Phasenströme I kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Phase 13a, welche den äußeren oberen Teilwicklungskopf 16a umfasst, eine größere Anzahl an Windungen 15 aufweist als die anderen Phasen 13b, 13c. Alternativ oder zusätzlich kann eine Vergleichmäßigung der Phasenströme I dadurch erreicht werden, dass die Phase 13c, welche den inneren oberen Teilwicklungskopf 16c umfasst, eine kleinere Anzahl an Windungen 15 aufweist als die anderen Phasen 13a, 13b. Beispielsweise können bei einer konkreten Auslegung des Stators 7 die Phasenströme Ia, Ib, Ic dadurch angeglichen werden, dass entsprechend der Darstellung in den 3 und 6 die Wicklung 14a der Phase 13a n = 62 Windungen 15 aufweist, die Wicklung 14b der Phase 13b n = 60 Windungen 15 aufweist und die Wicklung 14c der Phase 13c n = 58 Windungen 15 aufweist. Bei anderen Auslegungen können sich selbstverständlich andere Zahlenwerte für die Windungszahlen n ergeben.
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Die Anzahl n an Windungen 15 der Wicklungen 14 der Phasen 13 ist stets eine ganze Zahl. Es kann daher geschehen, dass die von den Phasen 13 hervorgerufenen magnetischen Streufelder nicht exakt gleich groß sind. Derartige verbleibende Unterschiede müssen jedoch hingenommen werden. Denn man kann nicht beispielsweise 61,8 Windungen 15 legen, sondern nur entweder 61 oder 62. Man kann die Anzahl n an Windungen 15 der Wicklungen 14 der Phasen 13 aber zumindest derart wählen, dass die verbleibenden Schwankungen möglichst gering sind.
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Die Abstimmung der Windungen 15 der Wicklungen 14 der Phasen 13 aufeinander beeinflusst die Schwankung des Ortes des Brennflecks 20 sowohl in der Umfangsrichtung φ als auch in der weiteren Richtung z. In Versuchen konnte gegenüber einem konventionellen Stator 7 eine Reduzierung der Schwankung des Ortes des Brennflecks 20 in beiden Richtungen φ, z um den Faktor 3 erreicht werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der magnetischen Streufelder und damit der Schwankung des Ortes des Brennflecks 20 ist die gezielte Einstellung der elektrischen Verbindung von in Richtung der Rotationsachse 6 aufeinanderfolgenden Statorblechen 9 miteinander. Beispielsweise können in Richtung der Rotationsachse 6 verlaufende Schweißnähte 21 unterbrochen sein. Dieser Sachverhalt ist in 7 links dargestellt. Die dort dargestellte dreifache Unterbrechung ist jedoch nur rein beispielhaft. Es ist sogar möglich, dass derartige Schweißnähte vollständig entfallen. Dieser Sachverhalt ist in 7 rechts dargestellt. In diesem Fall werden die Statorbleche 9 durch die Montage des Stators 7 innerhalb der Röntgenanordnung fixiert.
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Durch die Abstimmung der elektrischen Verbindung der Statorbleche 9 miteinander kann insbesondere die Schwankung des Ortes des Brennflecks 20 in der weiteren Richtung z reduziert werden. Aber auch in der Umfangsrichtung φ ergibt sich eine Reduzierung. In Versuchen konnte eine Reduzierung der Schwankung des Ortes des Brennflecks 20 in der weiteren Richtung z um den Faktor 3 und in der Umfangsrichtung φ um den Faktor 1,5 bis 2 erreicht werden.
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Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung somit folgenden Sachverhalt:
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Eine Röntgenanordnung weist einen Vakuumbehälter 1 auf, in dem eine Drehanode 2 und ein Rotor 3 einer elektrischen Maschine angeordnet sind. Die Drehanode 2 und der Rotor 3 sind drehfest miteinander verbunden und im Vakuumbehälter 1 drehbar gelagert, so dass die Drehanode 2 und der Rotor 3 um eine Rotationsachse 6 rotierbar sind. In Richtung der Rotationsachse 6 gesehen ist im Bereich des Rotors 3 ein Stator 7 angeordnet, der in Bezug auf die Rotationsachse 6 den Vakuumbehälter 1 radial außen umgibt. Der Rotor 3 und der Stator 7 bilden zusammen eine rotatorische elektrische Maschine, mittels derer die Drehanode 2 um die Rotationsachse 6 rotiert wird. Der Stator 7 weist ein Statorblechpaket 8 auf, das orthogonal zur Rotationsachse 6 gesehen ein um die Rotationsachse 6 umlaufendes Joch 10 aufweist, von dem aus sich Statorzähne 11 auf die Rotationsachse 6 zu erstrecken. In den Zwischenräumen zwischen den Statorzähnen 11 des Statorblechpakets 8 ist ein Wicklungssystem 12 mit mehreren Phasen 13 angeordnet. Das Wicklungssystem 12 weist Wicklungen 14 auf, deren einzelne Windungen 15 jeweils mehrere Statorzähne 11 übergreifen. Der Stator 7 ist derart ausgebildet, dass bei Beaufschlagung der einzelnen Phasen 13 mit gleichen Phasenspannungen U die Phasen 13 jeweils gleich große magnetische Streufelder hervorrufen.
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Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere kann der Stator 7 auf konventionelle, einfache, zuverlässige und kostengünstige Weise gefertigt werden und können dennoch die magnetischen Streufelder dahingehend optimiert werden, dass sich nur sehr geringe zeitliche Schwankungen ergeben. Dies wird insbesondere durch die gezielte Vergleichmäßigung der ohmschen Widerstände und vor allem der Induktivitäten der Phasen 13 des Wicklungssystems 12 erreicht.
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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.
