DE102020211327A1

DE102020211327A1 - DC-Motor, Liege mit DC-Motor und Verfahren zum Betreiben eines DC-Motors

Info

Publication number: DE102020211327A1
Application number: DE102020211327.0A
Authority: DE
Inventors: Christopher Horn; Johann Sukkau
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-03-10
Also published as: CN114244052A; US20220071564A1

Abstract

DC-Motor (1) zum Betrieb in einem externen Magnetfeld umfassend: einen Rotor (2), der um eine Drehachse (5) drehbar ist und zumindest zwei Wicklungen (10,11) aufweist, zumindest vier kontinuierliche Drehübertrager (3), wobei jeweils zwei Drehübertrager (3) einer der Wicklungen (10,11) zugeordnet sind und die dazu ausgestaltet sind, die jeweils zugeordnete Wicklung (10,11) mit Gleichstrom zu versorgen, einen Winkelgeber (4), der dazu ausgestaltet ist, die Winkelposition des Rotors (2) zu bestimmen, und eine Steuereinheit (15), die dazu ausgestaltet ist, die Stromzufuhr zu zumindest einer der Wicklungen (10,11) in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors (2) zu steuern. Der Motor (1) ist während einem Betrieb so zu einem externen Magnetfeld ausgerichtet, dass sich die Drehachse (5) quer zu dem externen Magnetfeld erstreckt.

Description

Bei einer Liege eines Magnetresonanztomographen (MRT) wird ein Motor verwendet, um die Liege in vertikaler und horizontaler Richtung zu bewegen. Im Stand der Technik ist es bekannt, dazu einen elektrischen Servomotor zu verwenden. Dieser Motor ist als bürstenloser Motor umgesetzt, bei dem der Stator aus mehreren Wicklungen besteht und der Rotor mit Permanentmagneten ausgestattet ist. Wegen der Permanentmagneten muss beim Einsatz solcher Motoren in räumlicher Nähe zu externen Magnetfeldern (wie beispielsweise einem Magnetfeld eines MRT) darauf geachtet werden, dass sie dem das externe Magnetfeld erzeugenden Ursprung nicht zu nahekommen.
Derzeit werden beispielsweise Liegen von MR-Systemen mit einem Abstandsrahmen versehen, der mechanisch verhindert, dass die Liege dem Magneten des MRT zu nahekommt. Die Motoren selbst sind im hinteren Teil der Liege untergebracht und eine starke Verankerung ist vorgesehen, um den Motor in einem Liegenunterbau an Ort und Stelle festzulegen. Das Drehmoment solcher Motoren ist proportional zur magnetischen Flussdichte der Permanentmagnete im Rotor. Wegen dem genannten Abstandsproblem zum MR-Magneten sind solche Motoren daher in ihrer Größe und ihrem Drehmoment auf einen bestimmten Wert begrenzt.
Die im Stand der Technik bekannten Alternativen wie pneumatische-, oder Piezo-Motoren sind entweder zu langsam, zu schwach oder zu teuer für den Einsatz in einer Liege eines MR-Systems. Rein elektrische Motoren erscheinen daher vorteilhafter.
Aus der US 4902975 A ist ein Gleichstrommotor bekannt, der mehrere Wicklungen an einem Rotor aufweist, die über Schleifkontakte bestromt werden können. Die Schleifkontakte sind an mehreren Stellen unterbrochen, sodass die Kommutation - wie bei Gleichstrommotoren üblich - mechanisch erfolgt. Ferner nutzt der Motor ein externes Magnetfeld als Statorfeld.
Aus der US 10330754 B2 ist ebenfalls ein Motor zur Verwendung in einem externen Magnetfeld bekannt. Der Motor weist Schleifkontakte und einen sich mit einem Rotor drehenden Inverter auf, über die Wicklungen an dem Rotor mit Strom versorgt werden.
Für einen hochgenauen Antrieb auch von leistungsintensiven Vorrichtungen (wie beispielsweise von Liegen eines MR-Systems) werden jedoch starke und exakt steuerbare Motoren benötigt, deren Drehwinkel exakt vorbestimmt werden kann.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleichstrommotor zum Betrieb in einem externen Magnetfeld bereitzustellen, der ein ausreichend hohes Drehmoment erzeugen kann und genau steuerbar ist.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem mit einem DC-Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einer Liege mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und mit einem Verfahren zum Betreiben eines DC-Motors in einem externen Magnetfeld mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein DC-Motor (DC = Direct Current; Gleichstrommotor) zum Betrieb in einem externen Magnetfeld bereitgestellt, umfassend einen Rotor, der um eine Drehachse drehbar ist und zumindest zwei Wicklungen aufweist, zumindest vier kontinuierliche Drehübertrager, wobei jeweils zwei Drehübertrager einer der Wicklungen zugeordnet sind und die dazu ausgestaltet sind, die jeweils zugeordneten Wicklungen mit Gleichstrom zu versorgen, einen Winkelgeber, der dazu ausgestaltet ist, die Winkelposition des Rotors zu bestimmen und eine Steuereinheit, die dazu ausgestaltet ist, die Stromzufuhr zu zumindest einer der Wicklungen in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors zu steuern, wobei der Motor während einem Betrieb so zu einem externen Magnetfeld ausgerichtet ist, dass sich die Drehachse quer zu dem externen Magnetfeld erstreckt.
Gegenüber dem bekannten Stand der Technik unterscheidet sich der DC-Motor gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere durch die kontinuierlichen Drehübertrager, den Winkelgeber und die Steuereinheit. Dadurch kann der Motor in einem externen Magnetfeld eingesetzt werden und eine zuvor vorgegebene oder bestimmte Winkelposition des Rotors hochgenau erreicht werden. Somit kann eine Vorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Motor betrieben wird, sehr genau angetrieben bzw. eingestellt werden. Dazu kann der Motor in einem Schrittmotorbetrieb oder in einem Servomotorbetrieb betrieben werden. In einem Schrittmotorbetrieb kann der Rotor eine Drehung nicht kontinuierlich, sondern in einzelnen Schritten (d.h. schrittweise) ausführen. Dabei kann eine Schrittweite über die erreichbare Genauigkeit des Motors entscheiden. In dem Schrittmotorbetrieb kann sich das Drehmoment verringern, wenn sich die Drehzahl erhöht. Vorzugsweise weist der Rotor des Motors, der in dem Schrittmotorbetrieb genutzt wird, 9-60 Wicklungen auf und damit eine Schrittweite von 18° bis 3°.
In einem Servomotorbetrieb kann der Rotor eine zu einem Steuersignal proportionale Bewegung ausführen und somit stufenlos steuerbar sein. In dem Servomotorbetrieb kann das Drehmoment dynamisch abhängig von der Last bereitgestellt werden.
Dem gegenüber können die Motoren aus dem Stand der Technik, die in externen Magnetfeldern eingesetzt werden, lediglich ein- und ausgeschaltet werden, ohne dass deren Zielposition (d.h. deren Drehwinkel) vorher exakt definiert oder vorbestimmt werden kann.
Das externe Magnetfeld kann beispielsweise ein Bo Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen (MRT) sein. Das externe Magnetfeld kann dabei kontinuierlich verlaufende Feldlinien aufweisen. Das externe Magnetfeld kann bei dem erfindungsgemäßen Motor als ein Statormagnetfeld dienen. Ferner kann auch ein magnetisches Streufeld eines MRT als das externe Magnetfeld genutzt werden.
Der Rotor kann ein zylinderartiger Körper sein, der drehbar in einem Gehäuse des Motors gelagert ist. Bei der Lagerung kann es sich um ein Radiallager, beispielsweise ein Gleitlager oder Wälzlager handeln. Bei einem Gleitlager kann beispielsweise ein Teflonlager vorgesehen sein, um die Gleitreibung zu verringern. Im Falle eines Wälzlagers kann ein Kugellager oder ein Industrielager verwendet werden. Durch Einsatz von standarisierten Lagern kann die Herstellung des Motors schnell, einfach und zu geringen Kosten sichergestellt werden. Vorzugsweise sind keramische Kugellager beispielsweise aus Zirkonoxid und/oder aus Siliciumnitrid vorgesehen. Dadurch kann die Langlebigkeit der Lager erhöht sein.
Ferner weist der Rotor Wicklungen auf, die Leiter zum Leiten von elektrischem Strom aufweisen können. Die Wicklungen können auch als Spulen bezeichnet werden. Jede Wicklung kann elektrisch isoliert sein. Beispielsweise können als Wicklungen isolierte Leitungen verwendet werden. Jede Wicklung kann aus einer Vielzahl von Leitungen bestehen. Eine Wicklung kann sich im Wesentlichen entlang der Längsrichtung des Rotors erstrecken und mehrere Male um den Rotor herumgewickelt sein. Wenn der Rotor ein zylinderartiger Körper ist, kann sich eine Wicklung entlang der Höhenrichtung des Zylinders und zumindest teilweise über beide Deckelflächen erstrecken. Die Wicklungen können sich an den Deckelflächen des Rotors kreuzen. Ferner kann jede Wicklung an einer der Deckelflächen des Rotors mit den der Wicklung zugeordneten Drehübertrager verbunden sein. Die Wicklungen können durch Halterungselemente, die an der Umfangsfläche des Rotors vorgesehen sind, gehalten sein. Dazu können die Halterungselemente jeweils eine Hinterschneidung aufweisen, so dass die jeweilige Wicklung darin aufgenommen und daran gehalten ist. Der Rotor kann mehrere Halterungselemente an jeweils den Längsenden des Rotors aufweisen, sodass eine Vielzahl von Wicklungen an dem Rotor vorgesehen sein können. Die Halterungselemente können gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilt angeordnet sein. Dadurch ist eine einfache Anbringung der Wicklungen an dem Rotor möglich. Ferner können weitere Wicklungen einfach hinzugefügt oder Wicklungen einfach ausgetauscht werden. Sind zwei Wicklungen, die jeweils aus einem Leiter gebildet sind, vorgesehen, ist es vorteilhaft, dass jeder Leiter entlang der Längsrichtung des Rotors (das heißt entlang der Drehachse des Rotors) mehrmals um den Rotor herumgewickelt ist. Dabei können die zwei Wicklung so an dem Rotor angeordnet sein, dass sie einen Winkelabstand von im Wesentlichen 90° zueinander aufweisen.
Der Drehübertrager kann dazu ausgestaltet sein, Strom von einem unbeweglichen Bauteil (Stromversorgung) auf ein rotierendes Bauteil (Rotor) zu übertragen. Drehübertrager können auch als kontinuierliche Schleifringe ausgestaltet sein. Im Stand der Technik ist es bekannt, dass bei Gleichstrommotoren Schleifringe gleichzeitig auch als Kommutatoren dienen, sodass - wie bei DC-Motoren üblich - eine Umpolung mechanisch erfolgen kann. Dazu sind die Schleifringe mit Unterbrechungen ausgestaltet (d.h. nicht kontinuierlich). Üblicherweise wird der Strom in dem Schleifring mittels Kohlebürsten auf den sich drehenden Rotor übertragen. Bei einem Durchgang von einem Abschnitt des Schleifrings auf den nächsten (d.h. bei der Umpolung des Stroms) kann es jedoch zu sogenanntem Bürstenfeuer kommen, welches bei einem Betrieb eines MRT zu negativem Einfluss auf die Bildgebung führen kann. Daher werden erfindungsgemäß kontinuierliche Drehübertrager vorgesehen. Dabei kann kontinuierlich bedeuten, dass keine Unterbrechungen an dem Drehübertrager vorgesehen sind. Vielmehr sind die Oberflächen, die sich relativ zueinander bewegen (das heißt die feststehende Oberfläche und die sich drehende Oberfläche) des Drehübertragers durchgehend ausgebildet, sodass es nicht zu den mechanischen Polwechselvorgängen wie bei unterbrochenen Drehübertragern kommt. Dadurch kann das Entstehen von Bürstenfeuer vermieden werden, wodurch sichergestellt ist, dass die MRT Bildgebung ohne Störungen durch den Motor arbeiten kann. Da keine Umpolung in einem Drehübertrager stattfindet, sind jeder Wicklung zwei Drehübertrager zugeordnet. Mit anderen Worten kann einer der zwei Drehübertrager als ein Pluspol und der andere Drehübertrager als ein Minuspol der zugeordneten Wicklung dienen. Dazu können die Drehübertrager mit der Wicklung in Reihe geschaltet sein.
Der Winkelgeber kann die Winkelposition des Rotors mit Hilfe eines optischen Systems, eines mechanischen/elektrischen Systems, eines magnetischen System oder einer Kombination aus den vorher genannten Systemen bestimmen. So kann die Winkelposition beispielsweise mit Hilfe eines Potentiometers erfasst werden. Ferner kann mit einem magnetischen System unter Verwendung von Hallsensoren die Winkelposition bestimmt werden. Der Winkelgeber kann auch als ein Encoder oder Drehgeber bezeichnet werden. Vorzugsweise wird ein rein optisches Messverfahren angewendet, bei dem mittels Lichtwellenleiterabtastung einer Encoder-Scheibe und anschließender abgeschirmter Signalauswertung eine Winkeländerung des Rotors bestimmt werden kann. Der Winkelgeber kann, unabhängig von dem eingesetzten System, eine Spannung, die der Winkelposition des Rotors entspricht, ausgeben. Dazu kann die Encoder-Scheibe so an dem Rotor angebracht sein, dass sie sich mit dem Rotor dreht. Der Winkelgeber kann sich an der Welle des Rotors befinden. Vorzugsweise ist der Winkelgeber an derselben Seite in Bezug auf die Wicklungen des Rotors montiert wie die Drehübertrager.
Die Steuereinheit kann dazu ausgestaltet sein, den Wicklungen individuell und separat voneinander Gleichstrom über die Drehübertrager zuzuführen und die Stromrichtung des den Wicklungen zugeführten Gleichstroms variabel einzustellen. Die Steuereinheit kann eine Schaltung sein, die durch Steuern von Schaltern und anderen Steuereinrichtungen den Betrieb des Motors steuern kann. Ferner kann die Steuereinheit eine CPU zum Verarbeiten von Signalen umfassen. Die Steuereinheit kann Signale (z.B. Befehle, Messwerte, Erfassungswerte etc.) aufnehmen und Steuersignale ausgeben. Die Steuereinheit kann dazu ausgestaltet sein, Signale von dem Winkelgeber aufzunehmen (z.B. eine Spannung) und auf Basis dieser Signale (d.h. auf Basis der Winkelposition des Rotors) die Stromzufuhr zu den Wicklungen zu steuern. Ferner kann die Steuereinheit dazu ausgestaltet sein, Signale (z.B. Steuersignale, Zielposition des Rotors usw.) von einer Schnittstelle aufzunehmen. Ferner kann die Steuereinheit dazu ausgestaltet sein, die Signale von dem Winkelgeber mit den Signalen von der Schnittstelle zu vergleichen und auf Basis dieses Vergleichs die Stromzufuhr zu den Wicklungen zu steuern. Ferner kann die Steuereinheit eine Speichereinheit umfassen, die dazu ausgestaltet sein kann, ein Betriebsprogramm und/oder Messwerte dauerhaft oder zeitweise zu speichern.
Die Winkelposition des Rotors kann als eine Gradangabe ausgedrückt werden. Ferner kann die Winkelposition des Rotors ein Relativwert oder ein Absolutwert sein. Beispielsweise kann eine Position des Rotors, bei der die erste Wicklung horizontal ausgerichtet ist und die zweite Wicklung vertikal ausgerichtet ist als eine Ausgangsposition bezeichnet werden (Winkelposition von 0°). Dreht sich der Rotor dann beispielsweise um seine Drehachse, sodass die erste Wicklung vertikal und die zweite Wicklung horizontal ausgerichtet ist, liegt eine Winkeländerung oder eine Winkelposition von 90° vor.
Während einem Betrieb des Motors, ist der Motor so zu einem externen Magnetfeld ausgerichtet, dass sich die Drehachse des Rotors quer zu dem externen Magnetfeld (d.h. zu den Feldlinien des Magnetfelds) erstreckt. Für eine Ausrichtung der Drehachse des Rotors quer zu den Feldlinien des Magnetfelds, ist ausreichend, dass zumindest eine Komponente der jeweiligen Feldlinie orthogonal zu der Drehachse verläuft, d.h. es muss eine bestimmte Mindestfeldstärke orthogonal zur Drehachse anliegen. Mit anderen Worten kann bei der Ausrichtung der Drehachse quer zu den Feldlinien, die Drehachse und die Feldlinien jeden Winkel einschließen mit Ausnahme von 0° und 180°. Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen 30° und 150°, stärker bevorzugt zwischen 50° und 130°, noch stärker bevorzugt zwischen 70° und 110°. Das heißt die Drehachse kann so angeordnet sein, dass sie sich nicht parallel zu den Feldlinien des Magnetfelds erstreckt. Die Feldlinien des Magnetfelds können resultierende Feldlinien von übergeordneten Magnetfeldern sein. Mit anderen Worten können kleinere Wirbelströme außer Betracht bleiben, solange zumindest eine Komponente der jeweiligen Feldlinie im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse des Motors verläuft.
Der Motor kann beispielsweise unter Verwendung einer Spindel, Gewindestange und/oder einer Getriebevorrichtung eine Liege verstellen. Insbesondere kann mit dem Motor eine Kopfstütze der Liege verstellt werden. Ferner kann der Motor eine Neigung der Liege zu der Horizontalen verstellen oder während einem Bildgebungsprozess in einem MRT einen Vorschub der Liege bewirken. Darüber hinaus kann mit dem Motor die Höhe der Liege verstellt werden. Da für den Motor kein Permanentmagnet oder ähnliches vorgesehen ist, muss nicht drauf geachtet werden, dass der Motor einen bestimmten Abstand zu dem MR-Magneten aufweist. Somit ist eine erhöhte Designfreiheit bei der Konstruktion der Liege und des gesamten MR-Systems gegeben. Ferner ist die Handhabung der Liege insgesamt erleichtert, da nicht darauf geachtet werden muss, dass die Liege zu nahe an den MR-Magneten herankommt.
Ferner kann der Motor auch bei einer Kalibrierung eines MR-Systems genutzt werden. Dabei können Motion-Control-Komponenten kalibriert und/oder getestet werden. Beispielsweise kann ein Dummy (d.h. eine Puppe, die einen realen Patienten simuliert) realitätsnah mit dem Motor bewegt werden, während das Magnetfeld im Bore aktiv ist und Probemessungen durchgeführt werden. Somit kann eine Bewegungskompensation kalibriert werden. Die Bewegungen können mit dem Motor wiederholbar und vorbestimmt ausgeführt werden, wodurch die Kalibrierung vereinfacht werden kann.
Ferner ist es denkbar, dass der Motor bei einem Einstellen des MR-Systems mittels Shim-Devices genutzt wird, um das Magnetfeld zu homogenisieren. Somit kann beispielsweise mit Hilfe des Motors eine im Stand der Technik manuell durchgeführte Drehung einer Messvorrichtung in dem Magnetfeld automatisiert werden, sodass der Servicetechniker dieses nicht mehr manuell ausführen muss. Dadurch kann ein Tune-Up des MR-Systems beschleunigt werden, was zu einer Kosten- und Zeitersparnis führt.
Es ist auch eine Verwendung des Motors bei der Kalibrierung von Hallsensoren denkbar. So ist es bei der Kalibrierung von Hallsensoren nötig diese in einer bestimmten Art und Weise in einem vorgestimmten Magnetfeld zu bewegen. Bei dieser sogenannten „Elliptical Fitting Calibration“ kann der Motor vorteilhaft zum Einsatz kommen, um den zu kalibrierenden Hallsensor definiert zu bewegen, da der Motor problemlos und hochgenau in externen Magnetfeldern betreibbar ist.
Vorzugsweise ist der Motor aus Kunststoff, Keramik und/oder aus Kupfer gebildet. Vorzugsweise weist der Motor keine ferromagnetischen Werkstoffe auf. Somit kann der Motor problemlos (d.h. ohne entsprechende Verankerung) in einem starken externen Magnetfeld platziert sein. Darüber hinaus ist der Motor auch kostengünstig herstellbar, da es nicht nötig ist, wie bei einem marktüblichen Servomotor Neodym-Magnete zu verwenden. Somit können Kosten bei der Herstellung eingespart werden.
Vorzugsweise liegt jede Wicklung zumindest ungefähr mit der Drehachse in einer Ebene. Mit anderen Worten kann jede Wicklung mit der Drehachse in derselben Ebene liegen. Der Rotor kann eine Vielzahl von Wicklungen aufweisen, die sich im Wesentlichen entlang der Längsrichtung (das heißt entlang der Drehachse) des Rotors erstrecken. Jede Wicklung kann dabei auf einer Seite des Rotors von einem Anschluss an dem jeweiligen Drehübertrager parallel zu der Längsrichtung des Rotors verlaufen, dann am Ende des Rotors auf die gegenüberliegende Seite des Rotors hinüberwechseln und dort parallel zu der Drehachse des Rotors wieder zurück zu dem Anschluss verlaufen. Mit anderen Worten kann sich die Leitung, aus welcher eine Wicklung gebildet sein kann, bezüglich dem Rotor (das heißt bezüglich der Drehachse des Motors) gegenüberliegen. Im Wesentlichen kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass sich die die Wicklung bildende Leitungen nicht exakt gegenüberliegen, sondern mit Fertigungstoleranzen gegenüberliegen. Beispielsweise können diese Fertigungstoleranzen eine Abweichung von ungefähr 5 % bedeuten. Eine Ebene kann in dem vorliegenden Fall durch zwei 90° zueinander verlaufenden Geraden bestimmt sein. Jede Wicklung kann in einer Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Form bilden. Ferner kann jede Wicklung den Rotor umfänglich umgeben. Dadurch kann die Zugänglichkeit zu der Wicklung von außen einfach gewährleistet sein.
Vorzugsweise ist ein Verhältnis zwischen einem Durchmesser des Rotors und einer Erstreckungslänge der Wicklung entlang der Drehachse des Rotors kleiner 1, vorzugsweise kleiner 0,3. Bei diesem Verhältnis ist gewährleistet, dass eine erzeugte Lorentzkraft auf einer ausreichend langen Strecke wirkt, um ein ausreichend großes Drehmoment zu erzeugen. Somit kann ein starker Schrittmotor bereitgestellt werden. Ferner kann ein Verhältnis zwischen eingesetztem Material und durch den Motor bereitgestellter Wirkung mit dem definierten Verhältnis optimiert sein.
Vorzugsweise kann das Drehmoment des Motors größer 2,5 Newtonmeter sein. Somit kann der Motor dazu ausgestaltet sein, auch ohne eine Übersetzung durch ein Getriebe ausreichend stark zu sein, um beispielsweise eine Liege eines MR-Systems mit einem Patienten darauf problemlos horizontal und/oder vertikal zu bewegen.
Vorzugsweise weist jeder Drehübertrager ein elektrisch leitendes und sich kontinuierlich erstreckendes erstes und zweites Element auf. Vorzugsweise sind das erste Element und das zweite Element zueinander drehbar angeordnet. Vorzugsweise dreht sich, während einem Betrieb des Motors, das zweite Element zusammen mit dem Rotor. Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element ein Spalt gebildet, in dem eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung, insbesondere eine eutektische Legierung, die Gallium, Indium und Zinn umfasst, angeordnet ist. Das erste Element kann an seiner dem zweiten Element zugewandten Seite eine erste Ausnehmung aufweisen und das zweite Element kann an seiner dem ersten Element zugewandten Seite eine zweite Ausnehmung aufweisen. In der ersten und zweiten Ausnehmung kann ein elektrisch leitendes poröses Material angeordnet sein. Die Flüssigmetalllegierung kann eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element herstellen. Das poröse Material kann dabei helfen die Flüssigmetalllegierung sicher in dem Spalt zu halten. Der Drehübertrager kann also dazu ausgestaltet sein, einen elektrischen Strom von dem ersten Element zu dem zweiten Element zu übertragen unabhängig davon, ob sich der Rotor dreht oder nicht. Somit kann Strom von einer feststehenden Stromquelle auf den sich drehenden Rotor übertragen werden, ohne dass ein Schleifkontakt beispielsweise mit Kohlebürsten notwendig ist. Als Drehübertrager kann beispielsweise ein Drehübertrager, wie er in der EP 2498347 B1 beschrieben ist, verwendet werden. Ferner ist der Inhalt der EP 2498347 B1 durch Bezug hierin umfasst.
Vorzugsweise kann die Steuereinheit dazu ausgestaltet sein, basierend auf der Winkelposition des Rotors, zumindest eine Wicklung kurzzuschließen, insbesondere über eine Transistorkaskade, sodass eine Drehung des Rotors abgebremst werden kann. Mit anderen Worten kann, wenn eine von zwei Wicklungen dazu genutzt dazu wird, den Rotor in eine Drehung zu versetzen, die ungenutzte Wicklung, die sich ebenfalls durch das externe Magnetfeld bewegt, kurzgeschlossen werden. Aufgrund der Bewegung der nicht genutzten Wicklung in dem externen Magnetfeld, wird eine Spannung in dieser Wicklung induziert. Dadurch kann ein Spannungsgefälle in der Wicklung herbeigeführt werden. Wird diese Wicklung dann kurzgeschlossen, das heißt ein Stromfluss in dieser Wicklung entsprechend der induzierten Spannung erzeugt, wirkt eine Lorentzkraft entgegen der Drehrichtung des Rotors und bremst den Rotor ab. Die erzeugte Lorentzkraft ist abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Rotors vor dem Kurzschluss und wird null, wenn der Rotor sich nicht mehr in einem externen Magnetfeld bewegt. Mit anderen Worten kann die erzeugte Bremswirkung proportional zu der Drehgeschwindigkeit des Rotors sein. Damit kann jederzeit sichergestellt sein, dass durch Kurzschließen einer nicht genutzten Wicklung eine ausreichend hohe Bremswirkung erzeugt wird, um den Rotor in der gewünschten Position anzuhalten. Das Kurzschließen der nicht genutzten Wicklung kann durch einen Schalter bewirkt werden. Kurzschluss kann erfindungsgemäß bedeuten, dass ein Stromkreis so geschlossen wird, dass ein Strom im Wesentlichen ohne zusätzliche Widerstände (wie beispielsweise Verbraucher oder dergleichen) fließen kann. Der Rotor kann also durch eine Wicklung in Drehung versetzt werden und durch die andere Wicklung abgebremst werden. Hat der Rotor seine gewünschte Position erreicht kann die zuvor für die Drehung genutzte (d.h. bestromte) Wicklung weiter bestromt werden, um ein Haltemoment des Motors in der gewünschten Position zu erhöhen. Die so weiter bestromte Wicklung bewirkt eine radiale Kraftkomponente aufgrund der Lorentzkraft, die den Rotor nicht in Drehung zu versetzen mag. Somit kann der Rotor in der gewünschten Position gehalten werden und ein Haltemoment kann erhöht sein.
Es kann auch mit mehr als nur einer Wicklung gebremst werden, so können bei dem Motor eine Vielzahl von Wicklungen vorgesehen sein, wobei mit einer bestimmten Anzahl an Wicklungen der Rotor beschleunigt werden kann und mit einer bestimmten Anzahl an Wicklungen der Rotor gebremst werden kann. Vorzugsweise wird mit der gleichen Anzahl an Wicklungen gebremst wie auch zuvor beschleunigt wurde.
Um den bei dem Kurzschluss fließenden Strom zu begrenzen, kann zumindest ein Transistor vorgesehen sein, der den Strom begrenzen kann, sodass die Bremswirkung bzw. die Bremskraft begrenzt werden kann. Der Transistor kann auch ein gesteuerter Transistor sein, so dass der fließende Strom bei einem Kurzschluss einer Wicklung aktiv von der Steuereinheit gesteuert werden kann. Somit können die Schaltung und der Motor vor Beschädigungen geschützt werden. Die Bremswirkung kann insbesondere aufgrund von erzeugten Wirbelströmen bei dem Kurzschluss erzeugt werden. Vorzugsweise kann die Steuereinheit auf Basis der Informationen, die sie von dem Winkelgeber erhält, zumindest eine Wicklung zu einer bestimmten Zeit (d.h. an einer bestimmten Winkelposition des Rotors) kurzschließen. Durch den Kurzschluss kann der Rotor stark abgebremst werden und sofort stehen bleiben. Somit kann sichergestellt werden, dass der Rotor nicht um die Zielposition herum pendelt, sondern direkt die Zielposition einnimmt. Nach einer 180° Drehung des Rotors kann die Stromrichtung zu der zum Antrieb genutzten Wicklungen umgepolt werden, um den Rotor in die gleiche Richtung weiter zu drehen.
Die Abbremsung kann insbesondere bei einem Betrieb des Motors in einem Schrittmotorbetrieb verwendet werden. Bei dem Schrittmotorbetrieb kann ein einzelner Schritt, der von dem Motor ausgeführt wird, abhängig von der Anzahl der Wicklungen sein. Ein Schritt kann so definiert sein, dass er einem Winkelabstand von einer Wicklung zu benachbarten Wicklung aufweist. So kann, wenn zwei Wicklungen vorgesehen sind, ein Schritt 90° betragen. Sind drei Wicklungen vorgesehen, kann ein Schritt 60° betragen. Sind vier Wicklungen vorgesehen, kann ein Schritt 45° betragen usw.. Für hochgenaue Schrittmotoren kann beispielsweise eine Schrittweite von 1,8° eingestellt werden. In diesem Fall können 100 Wicklungen an dem Rotor vorgesehen sein. Vorzugsweise sind jedoch 8 bis 10 Wicklungen vorgesehen, so dass sich eine Schrittweite von 22,5° bis 18° ergeben kann. Bei dem Schrittmotorbetrieb kann die Steuereinheit die Bestromung der Wicklungen so steuern, dass sich der Rotor schrittweise um den Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Wicklungen dreht.
Die Steuereinheit kann zur Steuerung der Bestromung der Wicklungen eine Brückenschaltung, auch als H-Schaltung, H-Brücke oder Vollbrücke bezeichnet, aufweisen. Somit ist es vorteilhaft möglich die Stromrichtung durch Steuern der Schalter in der Brückenschaltung zu ändern. Als Schalter können MOSFET-Schalter, Transistoren, IGBT-Transistoren oder Relais verwendet werden. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit den Stromfluss zu jeder Wicklung ein- und ausschalten, sowie die Stromrichtung, mit der jede Wicklung beaufschlagt wird, ändern. Ferner kann die Steuereinheit dazu ausgestaltet sein, die Spannung, mit der jede Wicklung beaufschlagt wird, zu ändern (d.h. einzustellen). Somit können die Drehrichtung und das Drehmoment des Motors gesteuert werden.
Vorzugsweise kann der Rotor drei Wicklungen umfassen, die an dem Rotor angeordnet sind. Die drei Wicklungen können in der Umfangsrichtung des Rotors gleichmäßig verteilt angeordnet sein. Mit anderen Worten können die drei Wicklungen einen Winkelabstand von 60° zueinander aufweisen. Ferner können auch noch mehr Wicklungen an dem Rotor angeordnet sein, die gleichmäßig in der Umfangsrichtung des Rotors verteilt angeordnet sein können. Weist der Rotor drei Wicklungen auf, kann der Motor in einem Servomotorbetrieb betrieben werden. Dabei kann eine Zielwinkelposition vorgegeben werden (beispielsweise über die Schnittstelle), die der Motor während einem Betrieb einnehmen soll. Dabei kann kontinuierlich über den Winkelgeber die Position des Rotors bestimmt werden. Der Winkelgeber kann dazu beispielsweise eine Spannung ausgeben, die der derzeitigen Winkelposition entspricht. Die Zielposition kann ebenfalls als eine Spannung ausgedrückt werden. Ferner kann ein Komparator vorgesehen sein, der die Ausgabe des Winkelgebers mit der Spannung der vorgegebenen Zielposition vergleicht und den Motor solange betreibt, bis die beiden Spannungen übereinstimmen, d.h. der Rotor die gewünschte Position erreicht hat. Bei einem Betrieb des Motors in dem Servomotorbetrieb können mindestens zwei von drei Wicklungen gleichzeitig bestromt werden. Dabei können die beiden gleichzeitig bestromten Wicklungen einen gegenläufigen Stromfluss aufweisen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine erzeugte Lorentzkraft eine Drehung des Rotors in dieselbe Richtung bewirkt, sodass der Rotor in Bewegung versetzt wird. Ferner kann die Stromstärke in den Wicklungen so eingestellt werden, dass der Rotor die gewünschte Position (d.h. die Zielposition) erreichen kann. Mit anderen Worten kann die Stromstärke in den einzelnen Wicklungen abhängig von der Position der Wicklungen (d.h. abhängig von der Position des Rotors) variiert werden. Dies ist besonders vorteilhaft, um eine gleichmäßige Drehung des Rotors zu bewirken, da eine Wicklung so zu dem Magnetfeld ausgerichtet sein kann, dass die in dieser Wicklung erzeugt Lorentzkraft lediglich eine radiale Kraftkomponente auf den Rotor aufbringt und diese somit keinen Beitrag zu einer Drehung des Rotors liefert. Mit anderen Worten gibt es eine Winkelposition des Rotors, bei der eine Wicklung keine tangentiale Kraftkomponente (aufgrund der Lorentzkraft) erzeugen kann, die zu einer Drehung des Rotors beiträgt. Diese Winkelposition kann vorliegen, wenn eine Wicklung zusammen mit der Drehachse in einer Ebene liegt und die Feldlinien des externen Magnetfelds parallel zu der Ebene verlaufen (diese Position kann auch als Totpunkt bezeichnet werden). Dagegen können die zumindest zwei weiteren Wicklungen je eine tangentiale Kraftkomponente erzeugen, die jeweils einen Beitrag zu einer Drehung des Rotors liefern kann. Ferner kann die Bestromung der Wicklungen in einem Servomotorbetrieb so gesteuert werden, dass der Rotor vor dem Erreichen der Zielposition langsamer wird. Somit kann verhindert werden, dass die Rotor um die Zielposition herum pendelt bzw. über die Zielposition hinausschießt. Vorzugsweise kann die Bestromung der Wicklungen von der Steuereinheit so gesteuert werden, dass sich der Rotor schnell beschleunigt und dann langsamer wird umso näher er seiner Zielposition kommt. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit die Drehung des Rotors bremsen, indem eine der Wicklungen kurzgeschlossen wird und/oder eine der Drehung entgegengesetzte Lorentzkraft bewirkt wird (d.h. durch Kurzschließen einer Wicklung oder durch gezieltes Bestromen einer Wicklung).
Vorzugsweise kann die Steuereinheit dazu ausgestaltet sein, die Stromzufuhr zu den Wicklungen mittels einer Vektorsteuerung zu steuern. Die Stromzufuhr kann im vorliegenden Fall eine Stromstärke umfassen. Ferner kann die Stromzufuhr auch die Stromrichtung umfassen. Die in jeder Wicklung erzeugten Kräfte, können mit Hilfe der Vektorregelung zusammengeführt werden und eine resultierende Kraftkomponente kann bestimmt werden. Die Stromstärke und die Stromrichtung, die individuell auf jede Wicklung aufgebracht werden können, kann so eingestellt werden, dass die resultierende Kraftkomponente den Rotor in die vorbestimmte Richtung und mit einem vorbestimmten Drehmoment in Drehung versetzt. Mit anderen Worten kann die Vektorreglung ein Bestimmen des resultierenden Kraftvektors bezeichnen und kann daher so gesteuert werden, dass die Zielposition schnellst möglichst und hochgenau erreicht werden kann.
Vorzugsweise kann der Winkelgeber ein optisches System sein, das dazu ausgestaltet ist, die Winkelposition des Rotors durch Abtasten eines Polrads zu erlangen. Ein Polrad kann sich während einem Betrieb des Motors zusammen mit dem Rotor drehen. Das Polrad kann auf seiner Oberfläche verteilte Markierungen (z.B. Aussparungen und/oder Erhebungen) aufweisen, die von einem optischen System erfasst werden können. Die Markierungen können einem Inkrement oder einem Erfassungsschritt entsprechen, sodass umso mehr Inkremente vorgesehen sind, eine Erfassungsgenauigkeit der Winkelposition gesteigert werden kann. So kann der Winkelgeber auf Basis der erfassten Markierungen (d.h. auf Basis der Anzahl der erfassten Markierungen oder der Art der erfassten Markierungen), eine aktuelle Winkelposition des Rotors ausgeben. Vorzugsweise weist das Polrad doppelt so viele Markierungen auf, wie der Rotor Wicklungen aufweist. Vorzugsweise kann das Polrad so ausgestaltet sein, dass der Winkelgeber mit einer Auflösung im Bereich von 800 bis 1500 Schritten, bevorzugt in einem Bereich von 900 bis 1200 Schritten, besonders bevorzugt von 1000 Schritten, auflösen kann. Dazu kann das Polrad eine entsprechende Anzahl von Markierungen aufweisen. Eine solch hohe Auflösung ist insbesondere für den Servomotorbetrieb vorteilhaft. Vorzugsweise kann die Steuereinheit auf Basis der von dem Winkelgeber erlangen Informationen den Motor mit einer Closed-Loop-Steuerung steuern, insbesondere bei dem Servomotorbetrieb. Damit kann ein optimales Verhältnis zwischen Herstellungskosten und Steuerungsgenauigkeit erzielt werden. Der Winkelgeber kann beispielsweise als ein Lichtschrankensystem ausgestaltet sein, das die Anzahl der Unterbrechungen eines Lichtstrahls durch das Polrad bestimmen kann. Anhand der Anzahl der Unterbrechungen, kann bestimmt werden, in welcher Winkelposition sich der Rotor befindet. Das Polrad kann auch als Encoder-Scheibe bezeichnet werden.
Der Motor kann also als Schrittmotor oder als Servomotor in einem externen Magnetfeld eingesetzt werden, wohingegen die im Stand der Technik bekannten DC-Motoren nicht dazu ausgelegt sind im Magnetfeld eines MRT als Schrittmotor oder als Servomotor zu arbeiten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Liege eines MR-Systems bereitgestellt, umfassend einen DC-Motor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Liege durch den DC-Motor verstellbar und/oder verschiebbar ist. Die Liege kann beispielsweise aus einem Patiententisch, auf welchem ein Patient Platz nehmen kann, und einem Unterbau, der beispielsweise verfahrbar ist, gebildet sein. Der Patiententisch kann relativ zu dem Unterbau beweglich sein. Der Patiententisch kann beispielsweise mit Hilfe des Motors relativ zu dem Unterbau kontinuierlich in verschiedene Richtungen verschoben werden (z.B. in der Horizontalen und/oder in der Vertikalen). Eine solche Liege kann beispielsweise während einem Bildgebungsprozess mittels MRT verwendet werden. Dabei kann sich ein Patient auf dem Patiententisch der Liege befinden und durch die Bewegung des Patiententischs in eine für die Bildgebung vorgesehene Bildebene in einem Bore eines MRT verbracht werden. Dabei kann sich auch die Liege zumindest teilweise in dem Bore befinden. In dem Bore kann ein Magnetfeld mit einer Stärke von ungefähr 0,5 Tesla bis 11 Tesla herrschen. Ferner kann der Patiententisch der Liege mit dem DC-Motor auch in deren Höhe, insbesondere relativ zu dem Unterbau, verstellt werden, sodass der Patient in die Bildebenen des MRT bewegt werden kann. Ferner kann der Patiententisch auch abschnittsweise durch den DC-Motor verstellt werden, so kann beispielsweise eine Kopfstütze oder ein anderer Teil des Patiententischs gekippt, geneigt oder in der Position verfahren werden, um dem Patienten größtmöglichen Komfort zu bieten und den Patienten gleichzeitig optimal in der Bildebene eines MRT zu positionieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines DC-Motors in einem externen Magnetfeld bereitgestellt, wobei der Motor aufweist, einen Rotor, der um eine Drehachse drehbar ist und zumindest zwei Wicklungen aufweist, zumindest vier kontinuierliche Drehübertrager, wobei jeweils zwei Drehübertrager einer der Wicklungen zugeordnet sind und dazu ausgestaltet sind die jeweils zugeordnete Wicklung mit Gleichstrom zu versorgen, einen Winkelgeber, der dazu ausgestaltet ist, die Winkelposition des Rotors zu bestimmen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Platzieren des Motors in einem extern erzeugten Magnetfeld, insbesondere in einem Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen, so dass sich die Drehachse des Motors, quer zu Feldlinien des Magnetfelds erstreckt, Bestromen zumindest einer der Wicklungen, sodass sich der Rotor, insbesondere aufgrund einer dadurch erzeugten Lorentzkraft, um die Drehachse dreht, Bestimmen der aktuellen Winkelposition des Rotors unter Verwendung des Winkelgebers, Anpassen der Bestromung der Wicklungen, sodass der Rotor eine vorbestimmte Winkelposition einnimmt. Das Platzieren des Motors kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Motor an einer Liege befestigt ist, die dazu verwendet werden kann einen Patienten in den Bore eines MRT zu bringen und dort zu stützen. Dabei ist es lediglich notwendig, den Motor so zu platzieren, dass sich die Feldlinien des Magnetfelds des MRT quer zu der Drehachse des Rotors erstrecken. Es muss nicht darauf geachtet werden, dass der Motor dem MR-Magneten zu nahekommt, wie es im Stand der Technik der Fall ist. Somit kann der Motor an für die Funktion des Motors und für die Herstellbarkeit der Liege günstigen Positionen an der Liege montiert werden. Mit anderen Worten ist nur noch auf die Ausrichtung des Motors zu achten und nicht mehr auf den Ort der Platzierung. Somit kann die Designfreiheit bei der Liege und einem MR-System insgesamt gesteigert werden. Bei anderen Verwendungen des Motors in einem externen Magnetfeld kann der Motor beispielsweise manuell ausgerichtet werden, sodass sich Feldlinien des externen Magnetfelds quer zu der Rotorachse erstrecken. Im Übrigen ist es denkbar, dass der Motor automatisch durch eine Ausrichtungsvorrichtung ausgerichtet wird. Dabei können die Feldlinien gemessen werden und auf Basis des Messergebnisses (d.h. der Richtung der Feldlinien des Magnetfelds) der Motor automatisch so ausgerichtet werden, dass sich die Feldlinien quer zur Drehachse erstrecken. Beispielsweise kann der Motor gemäß einer der obigen Ausführungsformen bei dem Verfahren verwendet werden.
Anpassen der Bestromung kann die selektive Bestromung einer oder mehrerer Wicklungen umfassen. So kann eine Wicklung bestromt werden, um den Rotor in eine Drehung zu versetzten. Dabei kann genau die eine Wicklung oder mehrere Wicklungen bestromt werden, die eine tangentiale Kraftkomponente aufgrund der Lorentzkraft auf den Rotor ausüben kann. Die Position der Wicklungen in einem externen Magnetfeld kann durch den Winkelgeber erlangt sein. Dabei sind die Ausrichtung der Feldlinien bekannt und voreingestellt oder werden durch eine Feldlinienmesseinrichtung parallel gemessen (z.B. mit einem oder mehrerer Hallsensoren).
Ferner kann ein Anpassen der Bestromung ein Unterbrechen der Bestromung einer oder mehrerer Wicklungen umfassen. So kann kurz vor einem Erreichen einer Zielposition des Rotors, eine Bestromung einer oder mehrerer Wicklungen unterbrochen werden, so dass sich die Drehung des Rotors verlangsamt (z.B. aufgrund der Reibung und/oder einer Last). Darüber hinaus kann Anpassen der Bestromung auch ein Bewirken einer bestimmten Stromrichtung umfassen in zumindest einer der Wicklungen umfassen, so dass eine der Drehung entgegenwirkende Kraftkomponente erzeugt wird. Letztlich kann das Anpassen der Bestromung auch ein Kurzschließen zumindest einer der Wicklungen umfassen, so dass eine zuvor induzierte Spannung zu einem Stromfluss führt, der die wiederum eine der Drehung entgegenwirkende Lorentzkraft bewirkt. Damit kann der Rotor punktgenau zum Stehen gebracht werden. Das Anpassen kann durch eine Steuereinheit mit den oben genannten Merkmalen ausgeführt werden.
Vorzugsweise kann der Schritt des Anpassens der Bestromung ein Kurzschließen zumindest einer der Wicklungen oder ein Anpassen der Stromstärke in den Wicklungen umfassen. Hierbei kann das Kurzschließen bei einem Motor mit zwei Wicklungen in einem Schrittmotorbetrieb durchgeführt werden. Das Anpassen der Stromstärke in den Wicklungen kann bei einem Motor mit zumindest drei Wicklungen in einem Servomotorbetrieb stattfinden.
In dem Schrittmotorbetrieb kann der Rotor zumindest zwei Wicklungen aufweisen. Das Bewegungsintervall (d.h. die Schrittweite) des Motors kann dabei dem Winkelabstand zwischen zwei Wicklungen entsprechen. Das heißt umso mehr Wicklungen vorgesehen sind, umso kleiner sind die Bewegungsintervalle des Rotors. Bei dem Schrittmotorbetrieb kann zumindest eine Wicklung bestromt werden, die für die Drehung des Rotors sorgt. Die nicht genutzte Wicklung kann bei Erreichen der Zielposition kurzgeschlossen werden, so dass der Rotor stehenbleibt. Bei mehreren Wicklungen kann die zu dem Totpunkt angrenzende Wicklung bestromt werden, um den Rotor in Bewegung zu versetzten. Totpunkt ist der Punkt (Winkelposition) bzw. die Stellung des Rotors, an dem ein Bestromen einer dort befindlichen Wicklung nur zu einer radialen Kraftkomponente führt und somit keinen Beitrag zu einer Drehung des Rotors liefert. Die nicht zur Bestromung genutzte Wicklung, die kurzgeschlossen wird, um den Rotor anzuhalten, kann sich an einer beliebigen Position befinden (d.h. nur nicht in dem Totpunkt). Da jedoch der Totpunkt die Zielposition der zu bestromenden Wicklung sein kann, ist dieses Erfordernis hierbei automatisch erfüllt.
Bei einem Servomotorbetrieb sind vorzugsweise drei Wicklungen an dem Rotor vorgesehen, so dass sich der Rotor abhängig von der Stromrichtung in der jeweiligen Wicklung kontinuierlich in die gewünschte Richtung drehen kann. Beispielsweise kann sich eine Wicklung im Totpunkt befinden und daher nicht zur Beschleunigung des Rotors genutzt werden. Die Wicklungen können dabei solange bestromt werden, bis die Zielposition erreicht ist. Während einer Bewegung des Rotors kann ein Umpolen der Bestromung notwendig sein, damit sich der Rotor weiter in eine Richtung dreht. Im Gegensatz zum Schrittmotorbetrieb kann bei Erreichen der Zielposition im Servomotorbetrieb keine der Wicklungen im Totpunkt stehen. Es können also beliebige Zielpositionen durch eine kontinuierliche Bewegung angefahren werden. Optional kann auch bei dem Servomotorbetrieb eine Bremsung unter Verwendung der nicht genutzten Wicklung durchgeführt werden, um den Rotor in der Zielposition zu bremsen.
Vorzugsweise kann der Motor bei einem MR-System verwendet werden. Darüber hinaus kann der Motor auch in der Produktion verwendet werden, wobei der Motor bei einem Kalibrieren von Hallsensoren und beim Testen von sog. „Motion-Control-Komponenten“ (Enabler) von Magnetresonanztomographen verwendet werden kann.
Im Übrigen gelten für das Verfahren die gleichen Ausgestaltungsformen und Vorteile, wie für die Vorrichtung und andersherum.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.
In den beigefügten Figuren ist:

1 eine perspektivische Darstellung des Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine perspektivische, schematische Darstellung eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine schematische Schnittdarstellung des Rotors eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 schematische Schnittdarstellungen des Rotors aus 3 in einer Winkelposition,
5 schematische Schnittdarstellungen des Rotors aus 3 in einer weiteren Winkelpositionen
6 schematische Schnittdarstellungen des Rotors aus 3 in einer weiteren Winkelpositionen
7 schematische Schnittdarstellungen des Rotors aus 3 in einer weiteren Winkelpositionen
8 eine schematische Schnittdarstellung eines Rotors eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
9 ein schematisches Diagramm eines Motors mit weiteren Komponenten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Motor 1 weist einen Rotor 2 auf, der um eine Drehachse 5 drehbar ist. Der Rotor 2 weist zwei Wicklungen 10, 11 auf, die im Wesentlichen entlang der Drehachse 5 an dem Rotor 2 verlaufen. Ferner weist der Motor 1 vier Drehübertrager 3 auf, von denen jeweils zwei Drehübertrager 3 einer der Wicklungen 10, 11 zugeordnet sind. Das heißt ein Drehübertrager 3 stellt den Pluspol der ersten Wicklung 10 dar und der andere Drehübertrager 3 stellt den Minuspol der ersten Wicklung 10 dar. Genauso stellt einer der Drehübertrager 3 den Pluspol der zweiten Wicklung 11 dar und ein weiterer Drehübertrager 3 stellt den Minuspol der zweiten Wicklung 11 dar. Somit sind jeweils zwei Drehübertrager 3 mit einer der Wicklungen 10, 11 in Reihe geschaltet. Die Drehübertrager 3 sind durch eine Steuereinheit 15 steuerbar mit Strom beaufschlagbar. Die Drehübertrager 3 übertragen den Strom dann auf die den Drehübertragern 3 zugeordnete Wicklung 10, 11. Somit ist die Steuereinheit 15 dazu ausgestaltet, die Stromzufuhr zu zumindest einer der Wicklungen 10, 11 zu steuern. Zudem kann die Steuereinheit 15 die Stromrichtung zu den Wicklungen 10, 11 individuell für jede Wicklung einstellen.
Ferner weist der Motor einen Winkelgeber 4 auf, der dazu ausgestaltet ist die Winkelposition des Rotors 2 zu bestimmen. Die Winkelposition ist die Position des Rotors als Winkel um dessen Drehachse 5 ausgedrückt. Die Winkelposition kann eine relative Größe oder eine absolute Größe sein. Der Winkelgeber 4 ist in Bezug auf den Rotor 2 an derselben axialen Seite des Motors 1 angeordnet wie die Drehübertrager 3. Dadurch kann eine optimierte Kabelführung bereitgestellt werden, da eine gemeinsame Kabelführung zu dem Winkelgeber 4 und zu dem Drehübertrager 3 geführt werden kann. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist der Winkelgeber in Bezug auf den Rotor 2 an der axial anderen Seite des Motors 1 angeordnet wie die Drehübertrager 3. Der Winkelgeber 4 ist dabei kabellos mit der Steuereinheit 15 verbunden.
Ferner weist der Rotor 2 Haltevorrichtungen 7 auf, die gleichmäßig auf dem Umfang des Rotors 2 verteilt angeordnet sind und dazu ausgestaltet sind, die Wicklungen 10, 11 in einer bestimmten Position zu halten. Dabei sind die Haltevorrichtungen 7 so ausgestaltet, dass sie auch bei höheren Drehzahlen und/oder hohen Beschleunigungen die Wicklungen 10, 11 zuverlässig an Ort und Stelle halten können. Dazu weisen die Haltevorrichtungen 7 Hinterschneidungen auf, in welchen die Wicklungen 10,11 verlaufen. Ferner weist der Motor 1 ein Gehäuse auf (in der Fig. nicht dargestellt), in dem die Bauteile des Motors 1 aufgenommen sind. Ferner sind die Anschlüsse der Drehübertrage 3 und des Winkelgebers alle an derselben Seite des Motors 1 angeordnet. Somit kann eine optimierte Kabelführung gewährleistet werden und der Motor 1 kann kompakt ausgebildet sein.
Der Rotor 2 ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein zylindrischer Körper mit einer Mantelfläche und zwei Deckelflächen. Der Rotor 2 ist rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse 5 gebildet. In einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform ist der Rotor 2 im Schnitt ein Vielflach mit doppelt so vielen Flächen wie Wicklungen.
Die Wicklungen 10, 11 sind isolierte Leitungen, die durch mehrmaliges Umwickeln des Rotors 2 entlang der Drehachse 5 des Rotors 2 zu Wicklungen 10, 11 werden. Die Leitung jeder Wicklung 10, 11 ist jeweils mit einem Ende mit einem Drehüberträger 3 verbunden und mit dem anderen Ende mit einem anderen Drehübertrager 3 verbunden. Die Leitungen kreuzen sich an der Deckelseite des Rotors. Die Drehübertrager können auch als Schleifkontakte ausgebildet sein.
2 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Motors 1, wobei zur Vereinfachung der Beschreibung einzelne Bauteile weggelassen sind. In 2 ist das externe Magnetfeld 6 dargestellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das externe Magnetfeld 6 ein Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen (das B₀ Feld) und verläuft konstant mit im Wesentlichen parallelen Feldlinien (siehe Pfeile in der Fig.). Das externe Magnetfeld kann eine Stärke von 0,5 bis 11 Tesla aufweisen. Ferner ist in 2 die Drehachse 5 strichpunktiert dargestellt. In 2 ist der Rotor 2 so ausgerichtet, dass sich die erste Wicklung 10 in einem Totpunkt befindet. Eine Wicklung befindet sich dann in einem Totpunkt, wenn ein Bestromen der Wicklung nur eine radial zu dem Rotor 2 wirkende Kraftkomponente hervorrufen würde und somit den Rotor 2 nicht in Bewegung versetzen kann. Mit anderen Worten würde bei dem in 2 dargestellten Beispiel ein Bestromen der ersten Wicklung 10 keine Bewegung des Rotors hervorrufen.
Wird in 2 dagegen die zweite Wicklung 11 bestromt, das heißt so mit einer Energiequelle verbunden, dass Strom durch die Wicklung 11 fließt, wirkt eine tangentiale Kraftkomponente aufgrund der Lorentzkraft auf den Rotor 2. Diese tangentiale Kraftkomponente bewirkt, dass sich der Rotor 2 bei der vorliegenden Ausführungsform im Uhrzeigersinn in Drehung versetzt. Wird dagegen die erste Wicklung 10 wie in 2 dargestellt bestromt, so wirkt eine radiale Kraftkomponente auf die erste Wicklung 10 und damit auf den Rotor 2, die keinen Beitrag zu einer Drehung des Rotors 2 bewirkt. Mit anderen Worten kann der Rotor 2 nur in Drehung versetzt werden, wenn die erzeugte Lorentzkraft eine tangentiale Kraftkomponente hinsichtlich des Rotors 2 aufweist.
Eine Drehrichtung des Rotors 2 kann mit einem Ändern der Stromrichtung geändert werden. Eine Steuereinheit 15 ist vorgesehen und dazu ausgestaltet, die Stromrichtung des durch die Wicklungen 10, 11 fließenden Stroms anzupassen. Somit kann der Rotor 2 in die gewünschte Richtung gedreht werden.
In 3 ist ein Schnitt durch den Rotor aus 2 schematisch dargestellt. Im Gegensatz zu der Stellung des Rotors 2 in 2, hat sich der in 3 dargestellte Rotor 2 um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. In diesem Fall befindet sich die erste Wicklung 10 im Totpunkt, so dass die erste Wicklung 10 bei Bestromung derselben lediglich eine radiale Kraftkomponente erzeugt und damit den Rotor 2 nicht in Drehung versetzen kann. Wird dagegen die zweite Wicklung 11 bestromt (das heißt mit einer Stromquelle verbunden) versetzt sich der Rotor 2 in Drehung. Erreicht dann die zweite Wicklung 11 eine vertikale Lage (in 3 die Oben-/Unten- Richtung, d.h. den Totpunkt) trägt auch die Bestromung der zweiten Wicklung 11 keine Kraftkomponente bei, die den Rotor 2 in Drehung versetzen könnte. Der Rotor 2 würde etwas hin und her pendeln und dann mit der zweiten Wicklung 11 vertikal ausgerichtet zum Stehen kommen. Diese Pendelbewegung ist bei einem Betrieb des Motors 1 als Schrittmotor unerwünscht. Daher steuert die Steuereinheit 15 die Stromzufuhr zu den Wicklungen 10, 11 so, dass insbesondere das Hin- und Herpendeln des Rotors 2 vermieden ist. Dabei schließt die Steuereinheit 15 die für die Bewegung nicht genutzte (d.h. bestromte) Wicklung kurz. Somit wird die vorbestimmte Winkelposition zuverlässig und exakt erreicht (das heißt ohne die oben beschriebene Pendelbewegung). Details dazu werden mit Bezug auf 4 beschrieben.
In 4 bis 7 sind vier schematische Schnittansichten des Rotors 2 aus 3 in verschiedenen Betriebspositionen dargestellt. In 4 ist keine der Wicklungen 10, 11 mit der Stromquelle verbunden und der Rotor 2 steht still. Das externe Magnetfeld 6 wirkt bei den in 4 bis 7 dargestellten Schnittansichten stets von links nach rechts (zur Übersichtlichkeit nur in 4 durch Pfeile dargestellt).
In 5 wird die zweite Wicklung 11 mit Strom beaufschlagt (d.h. mit einer Stromquelle verbunden). Dabei weist die in der Fig. rechte Seite der Wicklung 11 eine positive Polarisierung auf und die in der Fig. links dargestellte Seite der Wicklung 11 eine negative Polarisierung. Dementsprechend wirkt bei einem Stromfluss durch die zweite Wicklung 11 die Lorentzkraft tangential auf den Rotor 2 wie durch den Pfeil in 5 dargestellt. Folglich setzt sich der Rotor 2 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn in Drehung.
In 6 bewegt sich der Rotor 2 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn und verlagert somit auch die Wicklungen 10, 11. Entsprechend der Verlagerung auf der Kreisbahn des Rotors 2 der Wicklung 11 wird die tangentiale Kraftkomponente, die einen Beitrag zu der Drehung des Rotors 2 liefert, kleiner, bis sie zu 0 wird, wenn die zweite Wicklung 11 die vertikale Ausrichtung erreicht hat (d.h. den Totpunkt). Die Steuereinheit 15 hat als vorbestimmte Winkelposition eine Position des Rotors 2 erlangt oder voreingestellt, bei der die zweite Wicklung 11 vertikal ausgerichtet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform entspricht dies einem Schritt im Schrittmotorbetrieb. Die Steuereinheit 15 nimmt permanent die aktuellen Winkelpositionen des Rotors 2 durch den Winkelgeber 4 auf.
In der 7 hat der Rotor 2 die gewünschte und vorbestimmte Zielposition erreicht. Um den Rotor 2 in dieser vorbestimmten Zielposition anzuhalten (d.h. um eine Hin- und Herpendeln zu verhindern), schließt die Steuereinheit 15 durch Schließen eines Schalters die erste Wicklung 10 kurz, sodass die durch die Bewegung der Wicklung 10 durch das Magnetfeld 6 induzierte Spannung einen Stromfluss bewirkt, der wiederrum eine tangentiale Lorentzkraft entgegengesetzt der Drehrichtung des Rotors 2 bewirkt. Dadurch wird der Rotor 2 schlagartig abgebremst, da die wirkende Lorentzkraft (das heißt die Bremskraft) der ersten Wicklung 10 abhängig von der Geschwindigkeit ist, mit der die erste Wicklung 10 durch das Magnetfeld 6 bewegt wurde. Kommt der Rotor 2 zum Stehen, herrscht in der zweiten Wicklung 10 kein Spannungsgefälle mehr, wodurch kein Strom mehr durch die zweite Wicklung 10 fließt und somit keine Lorentzkraft wirkt. Folglich kommt der Rotor punktgenau in der Zielposition zum Stehen. Bei einigen Ausführungsformen wird die zweite Wicklung 11 weiter bestromt auch wenn sich diese bereits in der Zielposition befindet (bei der in 7 dargestellten Ausführungsform in der vertikalen Ausrichtung). Dadurch kann ein Haltemoment des Motors 1 erzeugt werden und der Rotor 2 in der Zielposition gehalten werden. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt die Schrittweite 90°. In weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen weist der Rotor 2 zehn Wicklungen auf und hat damit eine Schrittweite von 18°.
Die Steuereinheit 15 steuert die Bestromung, so dass eine Wicklung, die benachbart oder angrenzend an den Totpunkt vorgesehen ist, durch die Bewegung in den Totpunkt wandert. Soll eine Drehung des Rotors 2 ausgeführt werden die größer ist als die Schrittweite eines Schritts, so werden mehrere Schritte nacheinander ausgeführt.
In 8 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. 8 ist dabei eine schematische Schnittansicht durch einen Rotor 2 eines Motors 1 gemäß einer weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Ausführungsform weist eine dritte Wicklung 12 an dem Rotor 2 auf. Die Wicklungen 10, 11, 12 sind gleichmäßig um den Umfang des Rotors 2 herum angeordnet. Mit anderen Worten haben die Wicklungen 10, 11, 12 einen Winkelabstand von 60° zueinander. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden zumindest zwei der drei Wicklungen 10, 11, 12 bestromt (das heißt mit der Stromquelle verbunden), sodass stets eine tangentiale Kraftkomponente der Lorentzkraft einer der bestromten Wicklungen 10, 11, 12 erzeugt werden kann, sodass sich der Rotor problemlos in eine vorbestimmte Winkelposition bewegen kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Motor 1 in einem Servomotorbetrieb betrieben werden. Dabei wird der Motor 1 so gesteuert, dass er eine beliebige vorbestimmte Winkelposition einnimmt. Dabei bewegt sich der Rotor 2 nicht schrittweise, sondern kontinuierlich oder fortlaufend. Dazu sind bei der vorliegenden Ausführungsform eine weitere Wicklung 12 vorgesehen, so dass stets zwei Wicklungen eine tangentiale Kraftkomponente auf den Rotor 2 aufbringen können und eine Wicklung beispielsweise zum Bremsen des Rotors 2 eingesetzt werden kann. Somit kann der Motor 1 der vorliegenden Ausführungsform für präzise Stellaufgaben in dem Servomotorbetrieb betrieben werden.
Die Steuereinheit 15 kann daher den Motor 1 der vorliegenden Ausführungsform mit Hilfe der Vektorregelung abhängig von der erlangten Position aus dem Winkelgeber 4 so steuern, dass die vorbestimmte Winkelposition des Rotors 2 erreicht wird. Auch bei der vorliegenden Ausführungsform kann eine nicht genutzte Wicklung 10, 11, 12 dazu genutzt werden den Rotor 2 in einer gewünschten Position zum Stehen zu bringen. Eine entsprechende Bremse funktioniert wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform.
Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform sind mehrere Wicklungen (vorzugsweise 8-10 Wicklungen) vorgesehen. Somit kann zum einen ein ausreichend starker Motor 1 erlangt werden. Damit können höchste Ansprüche an die Genauigkeit und die Stärke des Motors 1 zum Betrieb als Servomotor zur Verwendung in einem externen Magnetfeld bereitgestellt werden. So weist der Motor 1 der vorliegenden Ausführungsform ein Drehmoment von zumindest 2,5 Nm auf.
9 ist ein schematisches Diagramm, das den Motor 1 mit weiteren Komponenten darstellt. Wie bereits oben erwähnt kann die Steuereinheit 15 die Stromzufuhr von einer Stromquelle 16 zu den Wicklungen 10, 11 steuern. Die Stromquelle 16 kann ein Stromspeicher wie eine Batterie oder ein Akkumulator oder das Stromnetz sein. Ferner wird der Strom den Wicklungen 10, 11 wie oben beschrieben über Drehübertrager 3 zugeführt. Die Steuereinheit 15 kann Signale von dem Winkelgeber 4 aufnehmen. Dazu kann der Winkelgeber 4 mit einem Kabel oder kabellos mit der Steuereinheit 15 verbunden sein. Der Winkelgeber 4 gibt eine Spannung aus, die der Position des Rotors entspricht. Die Steuereinheit 15 kann der Spannung eine Winkelposition zuordnen. Die Steuereinheit kann die Winkelposition des Rotors 2 ausgeben oder für weitere Prozesse verwenden. Fern ist eine Schnittstelle 17 vorgesehen, die entweder eine Schnittstelle zu einem Benutzer oder zu einem weiteren System (Computersystem) ist. Über die Schnittstelle 17 erlangt die Steuereinheit die Befehle zum Betreiben des Motors 1 und kann Informationen über Betriebszustände des Motors 1 ausgeben. Insbesondere erhält die Steuereinheit die Zielposition des Rotors 2 über die Schnittstelle 17.
In dem Schrittmotorbetrieb ordnet die Steuereinheit 15 der Zielposition eine bestimmte Anzahl an auszuführenden Schritten (abhängig von der Schrittweite) und eine Drehrichtung des Rotors 2 zu. Basierend darauf steuert die Steuereinheit die Bestromung der Wicklungen 10, 11. Dabei wird der Winkelgeber 4 dazu verwendet, um die einzelnen Schritte genau durchzuführen (insbesondere den oben beschriebenen Bremseingriff).
In dem Servomotorbetrieb ordnet die Steuereinheit 15 der empfangenen Zielposition eine bestimmte Zielspannung zu und vergleicht diese mit der aktuellen Winkelposition (d.h. mit der von dem Winkelgeber ausgegebenen Spannung). Dies kann mit Hilfe eines Komparators erfolgen. Dann steuert die Steuereinheit 15 den Rotor 2 solange bis beide Spannungen im Wesentlichen Übereinstimmen, d.h. bis der Rotor 2 die Zielposition erreicht hat.
10 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines DC-Motors 1 in einem externen Magnetfeld 6. Bei dem Verfahren kann ein Motor 1 gemäß einer der obigen Ausführungsformen eingesetzt werden. Das Verfahren weist einen Schritt der Platzierens S1 des Motors in einem externen Magnetfeld auf. Dabei wird der Motor 1 so in dem externen Magnetfeld 6 positioniert, dass die Drehachse 5 quer zu den Feldlinien 6 des Magnetfelds ausgerichtet ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Motor 1 in einer Liege eines MR-Systems vorgesehen, und dort entsprechend so ausgerichtet, dass, wenn sich die Liege in einem Betriebszustand in oder an dem Mr-System befindet, der Motor so gehalten ist, dass sich die Drehachse 5 des Motors 1 quer zu den Feldlinien 6 des Magnetfelds erstreckt.
Ferner weist das Verfahren ein Bestromen S1 zumindest einer der Wicklungen 10, 11, 12 auf, sodass sich der Rotor 2 um die Drehachse 5 dreht. Wie bereits bei den obigen Ausführungsformen beschrieben, wird durch gezieltes Bestromen (das heißt ein Verbinden zumindest einer der Wicklungen 10, 11, 12) mit einer Stromquelle, eine tangentiale Kraftkomponente erzeugt, die den Rotor 2 um die Drehachse 5 in Drehung versetzten kann. Gleichzeitig oder anschließend wird in einem Schritt des Bestimmens S3 die aktuelle Winkelposition des Rotors 2 unter Verwendung des Winkelgebers 4 bestimmt. Durch die Kenntnis, der Winkelposition des Rotors 2 und damit auch der Positionen der Wicklungen 10, 11, 12 kann die entsprechende Wicklung 10, 11, 12 bestromt werden, die eine gewünschte (beispielsweise die größte Tangentialkraft) auf den Rotor 2 ausüben kann. Ferner kann durch Kenntnis der exakten Winkelposition des Rotors 2 auch bei einem Bremsvorgang oder unmittelbar vor Erreichen einer vorbestimmten Zielposition diejenige Wicklung 10, 11, 12 bestimmt werden, die zum Bremsen des Rotors 2 verwendet wird.
Ferner umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt des Anpassens S4 der Bestromung der Wicklungen 10, 11, 12, sodass der Rotor 2 eine vorbestimmte Winkelposition einnimmt. Dazu kann der Schritt des Anpassens S4 der Bestromung ein Kurzschließen zumindest einer der Wicklungen 10, 11, 12 sein oder ein Anpassen der Stromstärke in den Wicklungen 10, 11, 12. Mit anderen Worten kann beispielsweise bei einem Motor 1, bei dem zwei Wicklungen 10, 11 vorgesehen sind, eine Wicklung, die gerade nicht zum Antreiben des Rotors 2 genutzt wird kurzgeschlossen werden, um eine entgegen der Drehrichtung wirkende Lorentzkraft zu erzeugen, sodass der Rotor abrupt abgebremst wird.
Bei einer Ausführungsform, bei der der Rotor 3 mehrere Wicklungen aufweist (beispielsweise 3) kann die Stromstärke in den jeweiligen Wicklungen 10, 11, 12, so gesteuert werden, dass eine resultierende Tangentialkraft, die auf den Rotor 2 wirkt, eine gewünschte Größe bzw. Richtung aufweist. Dazu können die Wicklungen 10, 11, 12 auch schnell nacheinander geschalten werden, um beispielsweise einen Totpunkt bei dem eine Wicklung nur eine Radialkraft auf den Rotor 2 ausübt, zu durchschreiten. Zu beachten ist, dass bei einer Drehung nach 180° die Polung gewechselt werden muss, damit die erzeugte Kraft in den Wicklungen (d. h. die erzeugte Lorentzkraft) weiterhin in die bereits herrschende Drehrichtung zeigt. Ein solcher Wechsel der Polarisierung kann beispielsweise durch eine Brückenschaltung realisiert werden. Es ist jedoch auch jede andere Schaltung geeignet, die den Plus- und Minuspol einer Wicklung 10 ,11, 12 wechseln kann. Bei den vorliegenden Ausführungsformen ist der Motor 1 aus Werkstoffen wie Keramik, Kunststoff und/oder Kupfer gebildet.
Der erfindungsgemäße Motor 1 wird in einer Ausführungsform zur Kalibrierung von Hallsensoren verwendet. Insbesondere kann er in diesem Zusammenhang bei einer „Elliptical Fitting Calibration“ eingesetzt werden. Dabei kann der Motor 1 einen zu kalibrierenden Hallsensor entsprechend den Vorgaben in einem bestehenden Magnetfeld bewegen, sodass Korrekturparameter basierend auf den bekannten Randbedingungen leicht erstellt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Motor 1 dazu verwendet, eine Bewegungskorrektur (d.h. Motion Correction) eines MR-Systems zu kalibrieren. Dabei wird eine Puppe (d.h. ein Dummy) in ein MR-System eingebracht und durch einen erfindungsgemäßen Motor 1 bewegt. Die Bewegungen können die realen Bewegungen eines Patienten widerspiegeln. Währenddessen kann die Bildebenen auf Basis der bekannten Bewegungen des Motors 1 so angepasst werden, dass die Bewegungen bei einem späteren Bildgebungsverfahren ausgerechnet werden können.
In einer weiteren Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Motor 1 bei einem Messen eines Magnetfelds beispielsweise im Bohr eines MR-Systems genutzt werden. Dabei kann der Motor 1 die sonst manuell ausgeführten Bewegungen bzw. Messungen an vorbestimmten Messungen im Bohr ersetzten. Dadurch können eine Automatisierung und Vereinfachung des Tune-Up eines MR-Systems bereitgestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4902975 A [0004]
US 10330754 B2 [0005]
EP 2498347 B1 [0029]

Claims

DC-Motor (1) zum Betrieb in einem externen Magnetfeld umfassend: einen Rotor (2), der um eine Drehachse (5) drehbar ist und zumindest zwei Wicklungen (10,11) aufweist, zumindest vier kontinuierliche Drehübertrager (3), wobei jeweils zwei Drehübertrager (3) einer der Wicklungen (10,11) zugeordnet sind und die dazu ausgestaltet sind, die jeweils zugeordnete Wicklung (10,11) mit Gleichstrom zu versorgen, einen Winkelgeber (4), der dazu ausgestaltet ist, die Winkelposition des Rotors (2) zu bestimmen, und eine Steuereinheit (15), die dazu ausgestaltet ist, die Stromzufuhr zu zumindest einer der Wicklungen (10,11) in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors (2) zu steuern, wobei der Motor (1) während einem Betrieb so zu einem externen Magnetfeld ausgerichtet ist, dass sich die Drehachse (5) quer zu dem externen Magnetfeld erstreckt.
DC-Motor (1) gemäß Anspruch 1, wobei jede Wicklung (10,11) zumindest ungefähr mit der Drehachse (5) in einer Ebene liegt.
DC-Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis zwischen einem Durchmesser des Rotors (2) und einer Erstreckungslänge der Wicklungen (10,11) entlang der Drehachse (5) des Rotors (2) kleiner 1 ist, vorzugweise kleiner 0,3.
DC-Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Drehübertrager (3) ein elektrisch leitendes und sich kontinuierlich erstreckendes erstes und zweites Element aufweist, wobei das erste Element und das zweite Element zueinander drehbar angeordnet sind, wobei sich, während einem Betrieb des Motors (1), das zweite Element zusammen mit dem Rotor (2) dreht, und wobei zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element ein Spalt gebildet ist, in dem eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung, insbesondere eine eutektische Legierung, die Gallium, Indium und Zinn umfasst, angeordnet ist.
DC-Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (15) dazu ausgestaltet ist, basierend auf der Winkelposition des Rotors (2), zumindest eine der Wicklungen (10,11) kurzzuschließen, insbesondere über eine Transistorkaskade, so dass eine Drehung des Rotors (2) abgebremst werden kann.
DC-Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (2) drei Wicklungen (10,11,12) umfasst, die an dem Rotor (2) angeordnet sind.
DC-Motor (1) gemäß Anspruch 6, wobei die Steuereinheit (15) dazu ausgestaltet ist, die Stromzufuhr zu den Wicklungen (10,11,12) mittels einer Vektorsteuerung zu steuern.
DC-Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkelgeber (4) ein optisches System ist, das dazu ausgestaltet ist, die Winkelposition des Rotors (2) durch ein Abtasten eines Polrads zu erlangen.
Liege eines MR-Systems umfassend einen DC-Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Liege durch den DC-Motor (1) verstellbar und/oder verschiebbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines DC-Motors (1) in einem externen Magnetfeld, wobei der Motor (1) aufweist: einen Rotor (2), der um eine Drehachse (5) drehbar ist und zumindest zwei Wicklungen (10,11) aufweist, zumindest vier kontinuierliche Drehübertrager (3), wobei jeweils zwei Drehübertrager (3) einer der Wicklungen (10,11) zugeordnet sind und die dazu ausgestaltet sind, die jeweils zugeordnete Wicklung (10,11) mit Gleichstrom zu versorgen, einen Winkelgeber (4), der dazu ausgestaltet ist, die Winkelposition des Rotors (2) zu bestimmen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Platzieren (S1) des Motors (1) in einem extern erzeugten Magnetfeld, insbesondere in einem Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen, so dass sich die Drehachse (5) des Motors (1), quer zu Feldlinien des Magnetfelds erstreckt, Bestromen (S2) zumindest einer der Wicklungen (10,11), so dass sich der Rotor (2), insbesondere aufgrund einer dadurch erzeugten Lorentzkraft, um die Drehachse (5) dreht, Bestimmen (S3) der aktuellen Winkelposition des Rotors (2) unter Verwendung des Winkelgebers (4), Anpassen (S4) der Bestromung der Wicklungen (10,11,12), so dass der Rotor eine vorbestimmte Winkelposition einnimmt.
Verfahren gemäß dem Anspruch 10, wobei das Anpassen der Bestromung (S4) ein Kurzschließen zumindest einer der Wicklungen (10,11,12) oder ein Anpassen der Stromstärke in den Wicklungen (10,11,12) umfasst.