DE202020104661U1

DE202020104661U1 - Motor zur Verwendung in einem externen Magnetfeld

Info

Publication number: DE202020104661U1
Application number: DE202020104661.6U
Authority: DE
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2030-08-12
Also published as: CN216929723U

Abstract

Motor (1) zur Verwendung in einem externen Magnetfeld (2), umfassend:
eine Scheibe (4) mit in der Umfangsrichtung der Scheibe (4) gleichmäßig verteilten Wicklungen (5), wobei durch den Mittelpunkt der Scheibe (4) und senkrecht zur Scheibe (4) eine Rotorachse (10) verläuft, wobei die Wicklungen (5) so gegeneinander isoliert sind, dass sie elektrisch voneinander getrennt sind,
zumindest einen ersten Rahmen (6) mit Magnetkernen (8), wobei der erste Rahmen (6) und die Magnetkerne (8) so angeordnet sind, dass die Magnetkerne (8) in einer Umfangsrichtung um die Rotorachse (10) gleichmäßig verteilt sind,
wobei die Scheibe (4) und der erste Rahmen (6) relativ zueinander drehbar sind,
wobei die Magnetkerne (8) so auf dem ersten Rahmen (6) verteilt angeordnet sind, dass, unabhängig von der Stellung der Scheibe (4) und des ersten Rahmens (6) zueinander, zwei auf dem ersten Rahmen (6) benachbarte Magnetkerne (8) in einer Richtung parallel zu der Rotorachse (10) jeweils unterschiedlichen Wicklungen (5) zugeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor zur Verwendung in einem externen Magnetfeld und die Verwendung eines solchen Motors in einem externen Magnetfeld.
Die Verwendung eines Elektromotors in einem externen Magnetfeld kann aus verschiedenen Gründen ein Problem darstellen. Das externe Magnetfeld beeinflusst oft verschiedene Komponenten des Motors, insbesondere magnetisierbare Komponenten, wie zum Beispiel Eisenbleche, was dazu führen kann, dass ein Motor in einem externen Magnetfeld höhere Verluste erleidet und eine geringere Leistung aufweist als ohne ein externes Magnetfeld. Insbesondere Elektromotoren, die üblicherweise einen feststehenden Stator und einen sich bewegenden, meist rotierenden Rotor aufweisen, reagieren oft empfindlich auf externe Magnetfelder, insbesondere wenn sie für ihren Betrieb Magneten verwenden, wie dies z.B. bei Scheibenläufermotoren der Fall ist.
Diese Problemstellung ist insbesondere relevant für Elektromotoren, die in der Nähe eines Magneten eines Magnetresonanztomographen (MRT) betrieben werden sollen. In der unmittelbaren Nähe des MRT herrschen während eines Betriebs des MRT üblicherweise Streufelder in der Größenordnung von 10-100 mT abhängig von der genauen Position. Gerade der Raum in der unmittelbaren Nähe des MRT soll aber wünschenswerterweise für elektrische und mechanische Komponenten genutzt werden, um damit einen platzsparenden Aufbau zu erreichen. Insbesondere ist es auch wünschenswert in diesem Bereich Elektromotoren zu verbauen, die zum Beispiel für den Betrieb von Lüftern vorgesehen sind, die Patienten im Inneren des MRT Frischluft zuführen und für Kühlung von elektrischen Schaltungen sorgen können. Zudem werden Motoren benötigt, die die Patientenliege antreiben (d.h. den Patiententisch). Auch motorisch verstellbare Mechanik in Lokalspulen, zum Beispiel in der Kopfspule, benötigt Motoren, die in diesem Fall eventuell sogar im Inneren des MRT bei Magnetfeldern von 1,5-7 T betrieben werden müssen.
Ein bisher verwendeter Ansatz ist es, Motoren an denjenigen Stellen zu positionieren, an denen das magnetische Streufeld einen besonders geringen Wert hat. Solche Stellen in der Nähe des MR-Gerätes sind aber begrenzt. Zudem gibt es andere Komponenten, die ebenfalls auf ein externes Magnetfeld empfindlich reagieren, wodurch es eine starke Konkurrenz um entsprechende Stellen gibt. Weiterhin sind für eine solche Lösung umfangreiche Tests vonnöten, in denen herausgefunden werden muss, ob der entsprechende Motor mit seiner Positionierung und dem dort vorherrschenden externen Magnetfeld einwandfrei funktioniert.
Ein weiterer Ansatz ist es, insbesondere wenn für den Motor kein Bauraum mit einem Streufeld, welches niedrig genug ist, gefunden werden kann, den Motor mit Gehäusen zum Beispiel aus Eisenblech von externen Magnetfeldern abzuschirmen. Solche Gehäuse haben jedoch ein hohes Gewicht, sind teuer und es werden bei deren Platzierung im Streufeld hohe mechanische Kräfte erzeugt.
Noch ein weiterer alternativer Ansatz ist es, Motoren relativ weit weg vom MR-Gerät zu positionieren und zum Beispiel im Falle von Lüftermotoren, den Luftstrom per Rohrleitung zu den gewünschten Stellen zu leiten. Dazu müssen aber Schläuche mit relativ großem Durchmesser (10 cm und mehr) verbaut werden. Durch den dadurch benötigten zusätzlichen Platz ergibt sich aber eine weniger kompakte Abmessung des gesamten MR-Gerätes. Zudem müssen solche Schläuche in der Regel an einem Einsatzort während der Installation des MR-Gerätes montiert werden, was den Aufwand bei der Installation erhöht und wodurch sich eine weitere Fehlerquelle bei der Installation ergibt und sich das Risiko einer fehlerhaften Montage erhöht.
Wünschenswert ist es daher, einen Motor direkt z.B. seitlich an dem Magneten des MR-Gerätes platzieren zu können. Somit kann der Motor vormoniert werden. Ferner können Komponenten des MR-Gerätes bereits im Vorhinein getestet werden und bei der Installation am Einsatzort kann Zeit eingespart werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor bereitzustellen, der in einem externen Magnetfeld verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Motor gemäß Anspruch 1 und die Verwendung eines solchen Motors gemäß Anspruch 13.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Motor zur Verwendung in einem externen Magnetfeld vorgesehen. Der Motor umfasst eine Scheibe mit in der Umfangsrichtung der Scheibe gleichmäßig verteilten Wicklungen, wobei durch den Mittelpunkt der Scheibe und senkrecht zur Scheibe eine Rotorachse verläuft, wobei die Wicklungen so gegeneinander isoliert sind, dass sie elektrisch voneinander getrennt sind. Weiterhin umfasst der Motor zumindest einen Rahmen mit Magnetkernen, wobei der Rahmen und die Magnetkerne so angeordnet sind, dass die Magnetkerne in einer Umfangsrichtung um die Rotorachse gleichmäßig verteilt sind, wobei die Scheibe und der erste Rahmen relativ zueinander drehbar sind und wobei die Magnetkerne so auf dem ersten Rahmen verteilt angeordnet sind, dass, unabhängig von der Stellung der Scheibe und des ersten Rahmens zueinander, zwei auf dem ersten Rahmen benachbarte Magnetkerne in einer Richtung parallel zu der Rotorachse jeweils unterschiedlichen Wicklungen zugeordnet sind.
Unter einem externen Magnetfeld ist dabei insbesondere ein Magnetfeld zu verstehen, welches sich an einem Ort befindet, an dem der Motor während seines Einsatzes positioniert sein soll. Das externe Magnetfeld existiert dabei unabhängig von dem Motor selbst und kann zum Beispiel durch eine oder mehrere elektromagnetische Spulen erzeugt werden, die selbst nicht Teil des Motors sind. Es ist auch denkbar, dass das externe Magnetfeld durch Permanentmagneten, die ebenfalls nicht Teil des Motors sind, erzeugt wird. Insbesondere kann das externe Magnetfeld durch ein medizinisches Gerät, wie beispielsweise ein MR-Gerät erzeugt werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem externen Magnetfeld um das Streufeld eines MR-Magneten. Das externe Magnetfeld kann Feldlinien aufweisen, die kontinuierlich und im Wesentlichen homogen in eine Richtung verlaufen. Dies kann zumindest der Fall sein an einer Position, wo der Motor angeordnet ist.
Bei der Scheibe kann es sich um ein scheibenartiges Element handeln, an welchem die Wicklungen angebracht sind und/oder in welches die Wicklungen integriert sind. Insbesondere kann die Scheibe im Wesentlichen aus den Wicklungen selbst bestehen. Dadurch ist eine besonders materialsparende Ausgestaltung möglich. Ferner kann sich bei einer Rotation einer solchen Scheibe im Betrieb des Motors durch das geringe Gewicht ein geringeres benötigtes Drehmoment ergeben, um die Scheibe in Bewegung zu versetzten, wodurch der Motor schneller und effizienter starten und geringere energetische Verluste aufweisen kann. Dadurch kann der Motor an sich energieeffizienter sein. Bevorzugt besteht die Scheibe aus Wicklungen, die derart angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen eine Scheibenform ergeben, wobei die Wicklungen in dieser Form fixiert sind. Die Scheibe kann also überwiegend aus den Wicklungen gebildet sein. Mit anderen Worten kann die Scheibe aus zumindest 70% aus den Wicklungen bestehen, vorzugsweise aus zumindest 80%. Beispielsweise können die Wicklungen in einem Epoxidharz angeordnet sein. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein elektrisch nichtleitendes Epoxidharz. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine einfache und schnelle aber gleichzeitig auch effektive Herstellung der Scheibe, die zudem eine gute Haltbarkeit und Robustheit aufweist. Es ist aber auch denkbar, dass die Wicklungen auf einer von den Wicklungen separaten Scheibe befestigt sind, zum Beispiel angeschweißt, angeklebt und/oder festgeklemmt sind, oder dass die Wicklungen in einem scheibenförmigen Gehäuse gehalten sind, zum Beispiel eingehängt, aufgehängt, angeklebt und/oder angeschweißt oder auf anderer Weise befestigt sind. Dadurch kann die Scheibe vorteilhafterweise an eine für den Motor benötigte Gestalt bzw. Form angepasst sein, während die Wicklungen teilweise unabhängig von der Gestalt der Scheibe bzw. gegebenenfalls nur durch den Umfang der Scheibe begrenzt angeordnet sein können. Scheibenartig kann in diesem Zusammenhang eine Ausdehnung im Wesentlichen in zwei Raumrichtungen bedeuten. Dabei kann die Ausdehnung in der dritten Raumrichtung deutlich geringer sein. Vorzugsweise kann die Gestalt der Scheibe in den zwei Raumrichtungen größerer Ausdehnung kreisförmig oder annähernd kreisförmig sein. Dies ermöglich in vorteilhafter Weise einen besonders gleichmäßigen Rundlauf des Motors, falls die Scheibe die Funktion eines Rotors des Motors einnimmt. Es ist aber auch denkbar, dass die Scheibe in diesen zwei Raumrichtungen eine von einem Kreis abweichende Gestalt annimmt, beispielsweise um Material einzusparen. Insbesondere wenn die Scheibe die Funktion eines Stators des Motors hat, sich also beim Betrieb des Motors nicht dreht, ist es denkbar, dass die Scheibe in diesen zwei Raumrichtungen eine von einem Kreis abweichende Gestalt aufweist. Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, die Gestalt der Scheibe so anzupassen, dass sie möglichst effektiv befestigt werden kann oder dass eine elektrische Stromzuleitung zu den Wicklungen besonders gut realisiert sein kann. Die Scheibe kann Rotationssymmetrisch um die Rotorachse gebildet sein. Ferner kann die Scheibe eine variable Dicke entlang der Rotorachse aufweisen. Vorzugsweise nimmt die Dicke der Scheibe von der Rotorachse zu dem radial äußeren Rand der Scheibe hin ab. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Scheibe als Rotor des Motors eingesetzt ist, da dadurch Gewicht eingespart werden kann. Die Wicklungen können auch als Spulen bezeichnet werden.
Die Wicklungen können elektrisch leitfähige Leitungen sein. Die Wicklungen können gegeneinander isoliert sein, sodass sie elektrisch voneinander getrennt sind. Die Isolierung kann zum Beispiel durch eine Beabstandung der Wicklung voneinander erreicht sein. Es ist auch denkbar, dass die Wicklungen durch ein nicht-leitfähiges Material voneinander isoliert sind. Zum Beispiel ist es vorstellbar, dass die Wicklungen durch ein Isoliermaterial ummantelt sind. Bevorzugt sind die Wicklungen in einem nicht-leitfähigen Material eingebettet. Zum Beispiel können sie von einem nicht-leitfähigen Epoxidharz umgeben sein. Dies ermöglicht einen kompakten und relativ einfach herzustellenden Aufbau. Die Wicklungen können dabei insbesondere leitfähige Leiterschlaufen sein, die eine Erstreckung in einer radialen Richtung der Scheibe aufweisen. Die radiale Richtung kann eine Richtung sein, die strahlförmig vom Mittelpunkt der Scheibe nach außen wegführt. Bevorzugt handelt es sich bei den Wicklungen um Einfachwicklungen, die gleichmäßig in Umfangsrichtung der Scheibe nebeneinander oder versetzt hintereinander angeordnet sein können. Bei einer versetzten Anordnung bietet sich der Vorteil, dass die Wicklungen mit einem größeren Biegeradius an der Scheibe angeordnet sein können. Ferner kann der Kupferfüllgrad (in dem Fall, bei dem Wicklungen Kupfer umfassen) erhöht sein, was die Leistungsfähigkeit des Motors während dem Betrieb verbessert. Mit anderen Worten kann jede Wicklung bevorzugt aus einer Leiterschlaufe bzw. einer Leitung, die in einem ganz oder teilweise geschlossenen Umlauf, insbesondere in Radialrichtung und wieder zurück, geführt wird, bestehen. Die Scheibe kann Haltevorrichtungen für je eine Wicklung aufweisen. Um jede Haltevorrichtung kann eine Wicklung herumgelegt oder herumgewickelt sein. Dadurch lassen sich die Wicklungen leicht anbringen und in einem Revisionsfall leicht austauschen. Gleichmä-ßig in der Umfangsrichtung der Scheibe verteilt kann dabei eine gleichmäßige Verteilung entlang einem Drehwinkel um den Mittelpunkt der Scheibe bedeuten. Durch den Mittelpunkt der Scheibe kann die Rotorachse verlaufen. Gleichmäßig verteilt kann insbesondere bedeuten, dass ein Winkelabstand zwischen benachbarten Wicklungen jeweils gleich ist oder im Wesentlichen gleich ist. Bevorzugt ist jede Wicklung von jeder anderen Wicklung isoliert. Die Wicklungen weisen bevorzugt jeweils mindestens zwei Anschlüsse auf, über die eine elektrische Spannung an die Wicklung angelegt werden kann. Bevorzugt befinden sich diese Anschlüsse jeweils an einem Anfang und an einem Ende der jeweiligen Wicklung. Weiterhin bevorzugt befinden sich die Anschlüsse in einem inneren Bereich der Scheibe. Wobei ein innerer Bereich der Scheibe der Teil der Scheibe sein kann, der die Fläche der Scheibe umfasst, die sich innerhalb eines Kreises mit einem Radius, der kleiner als der halbe Radius der gesamten Scheibe, bevorzugt kleiner als ein Drittel des Radius der gesamten Scheibe, ist, befindet. Die Wicklungen können an ihren Enden, die als elektrische Anschlüsse ausgestaltet sein können, teilweise miteinander verbunden sind. Somit können Wicklungspaare gebildet sein, die aus zumindest zwei Wicklungen bestehen. Insbesondere können diejenigen Enden der Wicklungen, die jeweils mit der gleichen Polung einer Stromquelle (zum Beispiel dem Pluspol oder dem Minuspol einer Stromquelle) verbunden sind, auch untereinander verbunden sein. Insbesondere können die Wicklungen auch in Reihe geschaltet sein.
In einer Ausführungsform sind die Wicklungen in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Dies stellt eine strukturell besonders einfache Anordnung dar, die gleichzeitig einen effektiven Motorbetrieb ermöglicht. Eine solche Anordnung ist relativ leicht herzustellen, da die Wicklungen in einem Kreissinn lediglich nebeneinander aufgereiht werden müssen. Zudem können die Wicklungen in einer solchen Anordnung leichter z.B. durch Beabstandung voneinander isoliert sein. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Wicklungen in Umfangsrichtung um weniger als ihre Erstreckung in der Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Dabei können sie in einer Richtung senkrecht zu der Scheibe (d.h. parallel zu der Rotorachse) versetzt sein. Die Wicklungen können damit teilweise hintereinander und/oder überlappend angeordnet sein. Ferner ist es denkbar, dass jede Wicklung einen Wicklungsbereich auf der Scheibe definiert, der von der Wicklung zumindest teilweise umgeben sein kann. In einem Ausführungsbeispiel überlappen sich diese Wicklungsbereiche der einzelnen Wicklungen nicht, in alternativen Ausführungsbeispielen überlappen sich diese Wicklungsbereiche teilweise oder sogar ganz. So ist es zum Beispiel denkbar, dass in Umfangsrichtung gesehen ein erster Wicklungsbereich einer ersten Wicklung beginnt und, bevor dieser Wicklungsbereich endet, mindestens ein zweiter Wicklungsbereich beginnt. In Umfangsrichtung gesehen kann dabei der erste Wicklungsbereich enden, bevor der zweite Wicklungsbereich endet. Hierdurch ist vorteilhafterweise eine Anordnung von besonders vielen Wicklungen auf engem Raum ermöglicht, was einen besonders effektiven Antrieb des Motors ermöglicht. Insbesondere kann der Biegeradius und der Wicklungsmaterial-Füllgrad des Bereichs mit den radial nach außen laufenden Wicklungen so besonders vorteilhaft realisiert sein.
Bei dem Rahmen kann es sich um ein Bauteil oder Element handeln, das dazu geeignet ist, Magnetkerne in einer Umfangsrichtung um die Rotorachse herum zu halten. Beispielsweise kann der Rahmen auch ein Ständer sein. Die Magnetkerne können dabei in der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt sein. Vorzugsweise sind die Magnetkerne dabei analog zu der Verteilung der Wicklungen gleichmäßig verteilt. Die Anzahl der Wicklungen und die Anzahl der Magnetkerne können sich unterscheiden. Die Magnetkerne, können auch als Eisenkerne bezeichnet werden. Sie können insbesondere als Flussleitstücke dienen, welche den magnetischen Fluss, der durch ein äußeres Magnetfeld verursacht wird, konzentrieren und in ihrer Umgebung verstärken und/oder in eine gewisse Richtung leiten. In diesem Sinne können die Magnetkerne oder ein Teil der Magnetkerne auch als Polschuhe aufgefasst werden, die magnetische Feldlinien, z.B. des externen Magnetfelds oder eines Permanentmagneten, leiten und/oder verstärken. Die Magnetkerne können aus ferromagnetischen Metallen, zum Beispiel Kobalt, Eisen oder Nickel, oder aus ferromagnetischen Metalllegierungen bestehen. Diese lassen sich besonders effektiv magnetisieren und können eine angemessen große magnetische Flussdichte erzeugen. Besonders effektiv magnetisierbar sind diese Materialien in dem Sinne, dass sie eine magnetische Permeabilität aufweisen, die deutlich größer, insbesondere um mehrere Größenordnungen größer, als 1 ist. Angemessen groß ist die erzeugte magnetisch Flussdichte in diesem Kontext, wenn sie deutlich größer, bevorzugt um ein Vielfaches größer und besonders bevorzugt um mindestens eine Größenordnung größer, ist als es die durch ein externes Magnetfeld alleine ohne den Magnetkern verursachte magnetische Flussdichte wäre. Aber auch die Verwendung von ferromagnetischen Materialien wie zum Beispiel Ferriten oder Magnetite ist denkbar. Vorzugsweise sind die Magnetkerne aus weichmagnetischem Eisen gebildet, so dass sie von einem externen Magnetfeld ab ca. 10 mT in eine magnetische Sättigung getrieben werden können. Dies kann auch in dem Fall gelten, bei dem ein magnetischer Kreis im Bereich des Motors nicht geschlossen ist. Mit anderen Worten sind die Magnetkerne so ausgestaltet, dass sie ein Magnetfeld in einer bestimmten Form auf die Wicklungen richten (d.h. durch diese hindurchleiten), so dass aufgrund der Lorentzkraft ein Drehmoment auf die Wicklungen wirkt. Zwischen den Wicklungen und den Magnetkernen kann sich ein Luftspalt befinden. Die Magnetkerne können so ausgestaltet sein, dass sie das Magnetfeld zu dem Luftspalt leiten und eine passende Form des Magnetfelds in dem Luftspalt bewirken. Ein Luftspalt kann Bereiche beschreiben, in denen das Magnetfeld durch die Luft verläuft.
Die Magnetkerne sind in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes nicht notwendigerweise magnetisiert. Sie können aber, bedingt durch ihre Remanenz-Eigenschaft, möglicherweise auch in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes magnetisiert sein, wobei sie in diesem Fall möglicherweise schwächer magnetisiert sind als bei eingeschaltetem externen Magnetfeld. Die Magnete können durch ein externes Magnetfeld magnetisiert werden. Dadurch kann eine magnetische Flussdichte im Bereich der Scheibe bzw. der Wicklungen erzeugt werden, die deutlich größer ist, als die Flussdichte, die durch das externe Magnetfeld allein erzeugt würde. Sind die Magnetkerne durch ein externes Magnetfeld gesättigt, so erzeugen sie bevorzugt eine magnetische Flussdichte im Bereich von 0,2 T bis 3 T und besonders bevorzugt im Bereich von 1 T bis 1,7 T. Der Rahmen kann beispielsweise ein Gehäuse oder ein Teil eines Gehäuses bilden, in welchem die Scheibe aufgenommen sein kann. Die von den gesättigten Magnetkernen erzeugte Flussdichte kann von dem Material der Magnetkernen abhängen. Vorzugsweise sind die Magnetkerne so ausgebildet, dass die von den Magnetkernen erzeugte Flussdichte stärker ist als die eines externen Magnetfelds.
Die Scheibe und der erste Rahmen sind relativ zueinander drehbar. Dabei kann die Scheibe oder der erste Rahmen drehbar um die Rotorachse angeordnet sein, während die jeweils andere Komponente feststehend angeordnet sein kann. Vorzugsweise können die Scheibe und der erste Rahmen in Richtung der Rotorachse versetzt zueinander sein, wobei der Abstand der beiden zueinander bevorzugt in der Größenordnung der Dicke der Scheibe liegen kann. Vorzugsweise liegt ein Verhältnis des Radius der Scheibe und dem Abstand zwischen der Scheibe und dem Rahmen in einem Bereich von 0,01 bis 0,5, vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,25, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,07 bis 0,1. Somit kann ein effektiver Betrieb des Motors gewährleistet sein bei gleichzeitig ausreichend hohen Toleranzen, um Kosten bei der Fertigung einsparen zu können.
Erfindungsgemäß sind zwei auf dem ersten Rahmen benachbarte Magnetkerne jeweils unterschiedlichen Wicklungen zugeordnet unabhängig von der Stellung der Scheibe und des ersten Rahmens zueinander. Benachbart kann dabei in der Umfangsrichtung benachbart bedeuten. Mit anderen Worten kann ein Magnetkern zumindest einer Wicklung zugeordnet sein. Anders ausgedrückt dürfen zwei in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Magnetkerne nicht derselben Wicklung zugeordnet sein. Zugeordnet kann dabei bedeuten, dass einer der Magnetkerne, während einem Betrieb des Motors, in elektromagnetischer Wechselwirkung mit den zugeordneten Wicklungen oder der zugeordneten Wicklung steht. Ferner kann zugeordnet bedeuten, dass eine magnetische Flussdichte, welche durch zumindest einen der durch das externe Magnetfeld magnetisierten Magnetkerne verstärkt wird, im Bereich der Wicklung besonders stark ausgeprägt ist. Der Ausdruck „besonders stark ausgeprägt“ kann dabei so zu verstehen sein, dass die magnetische Flussdichte in dem entsprechenden Bereich maximal oder annährend maximal ist. Darüber hinaus kann zugeordnet in räumlicher Nähe bedeuten. So kann ein Magnetkern zumindest einem Teil zumindest einer Wicklung mit einem Spalt dazwischen gegenüberliegen. Insbesondere kann der Magnetkern der zugeordneten Wicklung entlang einer parallel zu der Rotorachse verlaufenden Geraden gegenüberliegen. Mit anderen Worten kann sich ein zugeordneter Magnetkern in Bezug auf die Rotorachse auf derselben Radialposition und/oder Winkelposition befinden wie die Wicklung, der er zugeordnet ist. Die Position des Magnetkerns und der Wicklung oder eines Teils der Wicklung, insbesondere eines Teils der Wicklung der radial von der Rotorachse weg bzw. zu ihr hin verläuft, kann sich demnach nur durch die Positionierung in einer Richtung parallel zu der Rotorachse unterscheiden. Die Magnetkerne können durch ein äußeres Magnetfeld bzw. ein externes Magnetfeld magnetisiert werden. Das externe Magnetfeld kann im Wesentlichen unidirektional sein. Dies kann insbesondere für den Bereich gelten, in dem die Magnetkerne in dem externen Magnetfeld angeordnet sind. Dadurch kann auch der magnetische Fluss im Bereich der Scheibe, der durch die Magnetisierung der Magnetkerne verursacht bzw. verstärkt werden kann, an Positionen wo zugeordnete Wicklungen angeordnet sind in die gleiche Richtung bzw. annähernd in die gleiche Richtung gerichtet sein. Es können auch weitere Magnetkerne radial benachbart zu den in Umfangsrichtung angeordneten Magnetkernen vorgesehen sein. So können radial benachbarte Magnetkerne entlang einer oder mehrerer zugeordneter Wicklungen (d.h. entlang deren Radialabschnitten) angeordnet sein. Die Magnetkerne können beispielsweise je eine zylindrische Form aufweisen, deren Höhe sich parallel zu der Rotorachse erstreckt. Solche Magnete sind kommerziell in der Regel gut verfügbar und relativ günstig. Zudem kann sich damit in Bezug auf jeweils eine einzelne Wicklung ein sich kontinuierlich auf- und abbauendes Drehmoment ergeben, wenn radial verlaufende Leitungsstücke der entsprechenden Wicklung in den Bereich des Magnetkerns hinein- und wieder herauslaufen. Ferner können die Magnetkerne eine ovale Form aufweisen, deren Hauptachse sich in radialer Richtung erstreckt. Auch eine kreissegmentartige bzw. kuchenstückartige Form ist denkbar, welche eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raums ermöglicht und daher einen besonders effektiven Betrieb des Motors ermöglicht. Jeder Form von Magnetkernen kann geeignet sein, solange zwei in der Umfangsrichtung benachbarte Magnetkerne jeweils unterschiedlichen Wicklungen zugeordnet sind.
Vorzugsweise ist der Motor im Betrieb dabei so in dem externen Magnetfeld ausgerichtet oder angeordnet, dass das externe Magnetfeld parallel zu der Rotorachse ausgerichtet ist. Mit anderen Worten können sich die Feldlinien des externen Magnetfelds parallel zu der Rotorachse erstrecken. Dementsprechend kann das externe Magnetfeld senkrecht zu der Scheibe verlaufen, womit auch der magnetische Fluss, der durch die Magnetkerne erzeugt werden kann, senkrecht zu der Scheibe verlaufen kann. Wird nun ein elektrischer Strom durch die Wicklungen geleitet, welche im Wesentlichen auf der Ebene der Scheibe verlaufen und damit senkrecht zu dem durch die Magnetkerne verursachten magnetischen Fluss, so kann auf die Wicklungen eine Lorentzkraft wirken. Die Lorentzkraft kann abhängig von der Stromrichtung bzw. der Stromflussrichtung und der magnetischen Flussdichte sein. Bei einer Stromstärke I, die durch eine Wicklung fließt, und mit einer gerichteten Länge x eines Leitungsabschnitts der Wicklung, also einem Vektor x, der Betrag der Länge und Richtung der Stromleitung angibt, kann eine magnetische Flussdichte B eine Lorentzkraft F_L= I(x × B) auf den jeweiligen Leitungsabschnitt der Wicklung erzeugen. Für diejenigen Abschnitte der Wicklungen, welche radial verlaufen, kann die Lorentzkraft tangential zu der Scheibe wirken. In Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Stroms und der Magnetfeldrichtung bzw. der damit verknüpften Richtung der magnetischen Flussdichte kann diese Kraft entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gerichtet sein. Somit kann eine Drehrichtung der Scheibe oder des Rahmens gesteuert werden. Durch die schlaufenförmige Gestalt der Wicklungen können diese jeweils einen Bereich aufweisen, in dem der Strom radial nach außen fließt und einen weiteren Bereich, in dem der Strom radial nach innen fließt. Je nach Erstreckung in der Umfangsrichtung der Wicklungen und der Magnetkerne und bei geeigneter Schaltung des Stroms kann sich so ein Szenario ergeben, in dem entweder dauerhaft oder zumindest in manchen Stellungen der Scheibe relativ zum Rahmen der Strom im Einflussbereich der magnetischen Flussdichte der Magnetkerne nur in eine radiale Richtung (entweder nur nach außen oder nur nach innen) fließt. Eine entgegen der gewünschten Drehrichtung wirkende Lorentzkraft kann durch eine geeignete Schaltung des Stroms verhindert werden. Das heißt, die Stromrichtung durch eine Wicklung kann immer dann umgekehrt werden, wenn ein Abschnitt der Wicklung (durch Drehung der Scheibe oder des Rahmens) in den Einflussbereich eines Magnetkerns gelangt, in dem der Strom in radialer Richtung entgegengesetzt verläuft zu dem Strom in einem Abschnitt der Wicklung der zuvor in dem Einflussbereich eines Magnetkerns war. Der Einflussbereich eines Magnetkerns kann der Bereich sein, in dem der durch den Magnetkern erzeugte magnetische Fluss maximal oder annähernd maximal ist. Der Abschnitt der Wicklung kann analog zu der oben gegebenen Definition dem Magnetkern zugeordnet sein. Durch ein solches Umschalten der Stromrichtung kann gewährleistet werden, dass die Lorentzkraft, die auf die Leiterabschnitte wirkt, immer in die gleiche Umlaufrichtung gerichtet ist. Anders ausgedrückt kann so eine kontinuierliche Drehung aufgrund der Lorentzkraft erreicht werden, ohne dass die Magnetkerne eine unterschiedliche Polarisierung aufweisen.
Der erfindungsgemäße Motor unterscheidet sich damit von im Stand der Technik bekannten Scheibenläufermotoren dadurch, dass, während einem Betrieb des Motors, zu keinem Zeitpunkt eine Wicklung zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Magnetkernen bzw. Magneten zugeordnet ist und dass ein externes Magnetfeld für den Betrieb des Motors verwendet werden kann. Daher können im Gegensatz zu dem im Stand der Technik bekannten Schiebenläufermotor zwei in der Umfangsrichtung benachbarte Magnetkerne dieselbe Polarisierung aufweisen (d.h. die durch benachbarte Magnetkerne erzeugten oder verstärkten Feldlinien zeigen in dieselbe Richtung).
Zudem werden erfindungsgemäß Magnetkerne anstatt Permanentmagnete verwendet. Bei Scheibenläufermotoren aus dem Stand der Technik ist es üblich und zweckmäßig in einer Umfangsrichtung um die Rotorachse abwechselnd Magnete derart anzuordnen, dass die Magnete, die benachbart sind, jeweils eine Flussdichte erzeugen, die in entgegengesetzte Richtung parallel zur Rotorachse verläuft (d.h. die benachbarten Magnete habe eine unterschiedliche Polarisierung). Dabei ist gleichzeitig ein Abschnitt der Wicklung, in dem der Strom radial nach außen verläuft einem Magneten zugeordnet, und ein Abschnitt der Wicklung, in dem der Strom radial nach innen verläuft, ist einem benachbarten Magneten zugeordnet, der eine magnetische Flussdichte erzeugt, die derjenigen des ersten Magneten entgegengesetzt ist. Ohne ein externes Magnetfeld erzeugt eine solche Konfiguration einen effektiven Motor, da sowohl die radial nach innen als auch die radial nach außen verlaufenden Abschnitte der Wicklungen zum Drehmoment des Rotors beitragen. Eine derartige Konfiguration ist in einem starken externen Magnetfeld unvorteilhaft, da dieses die Magnete umpolen kann und so die Funktion des Motors einschränkt.
Insbesondere durch die erfindungsgemäße Anordnung der Magnetkerne, kann der Motor in einem externen Magnetfeld ohne Einschränkungen betrieben werden. Eine magnetische Abschirmung des Motors ist für den erfindungsgemäßen Motor nicht nötig, da das externe Magnetfeld für die Funktion des Motors genutzt werden kann. Somit kann der Motor an beliebigen Stellen um ein MR-System herum angebracht und problemlos während einem Betrieb des MR-Systems betrieben werden. Damit konkurriert der erfindungsgemäße Motor bei der Anbringung an MR-Systemen nicht mit anderen magnetfeldsensitiven Komponenten um Einbauplätze.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist jede Wicklung des Motors zwei Radialabschnitte, die sich im Wesentlichen radial auf der Scheibe erstrecken, und zumindest einen Umfangsabschnitt, der sich im Wesentlichen in der Umfangsrichtung der Scheibe erstreckt, auf, wobei die Radialabschnitte jeder Wicklung einen endlichen ersten Winkelabstand zueinander aufweisen, und wobei jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Magnetkerne einen endlichen zweiten Winkelabstand zueinander aufweisen, wobei der Betrag des zweiten Winkelabstands größer ist als der Betrag des ersten Winkelabstands, vorzugsweise zumindest doppelt so groß ist wie der Betrag des ersten Winkelabstands.
Im Wesentlichen radial kann dabei bedeuten, dass die Radialabschnitte sich nicht notwendigerweise strickt strahlförmig von einem inneren Bereich der Scheibe nach außen bzw. von au-ßen zu einem inneren Bereich der Scheibe erstrecken, sondern es ist auch eine davon leicht abweichende, zum Beispiel leicht kurvenförmige oder gekrümmte Erstreckung denkbar. Dies kann zum Beispiel herstellungstechnisch einfacher realisierbar sein, insbesondere um die Wicklungen schlaufenförmig und ohne Knicke ausführen zu können. Die Umfangsabschnitte können mit einer Krümmung, die der Krümmung eines Kreises an der Stelle der Umfangsabschnitte, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunk der Scheibe zusammenfällt, verlaufen. Die Umfangsabschnitte können aber auch gerade oder mit einer stärkeren oder schwächeren Krümmung als ein Kreis an der Stelle der Umfangsabschnitte, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunk der Scheibe zusammenfallen kann, verlaufen. Bevorzugt ist es, dass die Radialabschnitte relativ zu dem Umfangsabschnitt möglichst groß sind (d.h. eine möglichst große Erstreckungslänge aufweisen). Da im Betrieb des Motors nur auf radial verlaufenden Wicklungsabschnitte wirkende Lorentzkraft (d.h. auf die Radialabschnitte) einen Beitrag zur Drehung der Scheibe oder des Rahmens leistet, kann durch einen möglichst großen Anteil radial verlaufender Wicklungsabschnitte die Effektivität des Motors vorteilhafterweise erhöht werden. Die in Umfangsrichtung tangential zu der Scheibe wirkende Lorentzkraft kann die Scheibe (in dem Fall, bei dem die Scheibe der Rotor ist) drehend antreiben oder die Gegenkraft zu der erzeugten Lorentzkraft kann den Rahmen drehend antreiben (in dem Fall, bei dem der Rahmen der Rotor ist).
Die Radialabschnitte haben einen endlichen Winkelabstand zueinander, was u.a. bedeuten kann, dass der Winkelabstand größer als 0° ist. Der Winkelabstand kann dabei als Größe des Winkels in Umfangsrichtung verstanden werden, wobei der erste Winkelabstand bevorzugt kleiner als 180° und besonders bevorzugt kleiner als 90° ist. Vorzugsweise kann der erste Winkelabstand auch deutlich kleiner als 90° sein, z.B. im Bereich von 1° bis 15°, um die Anordnung von mehreren Magnetkernen und damit einen effektiveren Motor zu ermöglichen. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der erste Winkelabstand etwa 45°, wobei sich die Wicklungen in diesem Fall optional überlappen können.
Eine Konfiguration, in der der Betrag des zweiten Winkelabstandes zwischen benachbarten Magnetkernen größer ist als der Betrag des ersten Winkelabstandes zwischen zwei Radialabschnitten jeweils einer Wicklung, ermöglicht es vorteilhafterweise, dass zu jeder Zeit eine Wicklung nur jeweils einem Magnetkern zugeordnet ist. Die Breite der Magnetkerne kann einem Winkelabstand entsprechen, der kleiner ist als eine Differenz aus zweitem und erstem Winkelabstand. Ist der zweite Winkelabstand doppelt so groß wie der erste Winkelabstand, kann zu jeder Zeit einer Wicklung nur ein Magnetkern zugeordnet sein, wenn ein Winkelbereich, über den sich jeweils ein Magnetkern erstreckt, im Wesentlichen dem ersten Winkelabstand entspricht. Dadurch kann ein besonders effektiver und konstanter Arbeitsablauf des Motors gewährleistet werden.
Gemäß einer Ausführungsform können der erste Rahmen und die Magnetkerne so angeordnet sein, dass die Magnetkerne auf einem zu der Rotorachse konzentrischen Kreis angeordnet sind. Durch die Anordnung der Magnetkerne auf einem zu der Rotorachse konzentrischen Kreis, ergibt sich vorteilhafterweise ein besonders konstanter Betrieb des Motors. Besonders bevorzugt können dabei die Mittelpunkte der Magnetkerne auf einem zu der Rotorachse konzentrischen Kreis angeordnet sein. Alle Magnetkerne können die gleiche Form haben, was einer besonders gleichmäßigen Anordnung entspricht. Jeder Magnetkern kann eine im wesentliche zylindrische Form aufweisen, wobei jeder Magnetkern so an dem Rahmen angeordnet sein kann, dass sich eine Längsachse jedes Magnetkerns parallel zu der Rotorachse erstreckt. Ferner können die Magnetkerne so angeordnet sein, dass sie einem Bereich der Scheibe (d.h. der dort angeordneten Wicklungen) zugeordnet sind, der einen größeren Abstand zur Rotorachse aufweisen kann als der Betrag des halben Radius der Scheibe.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein zweiter Rahmen mit Magnetkernen an der anderen Seite der Scheibe vorgesehen sein, so dass die Scheibe zwischen dem ersten Rahmen und dem zweiten Rahmen zwischengefügt sein kann, wobei der zweite Rahmen und die Magnetkerne so angeordnet sein können, dass die Magnetkerne in einer Umfangsrichtung um die Rotorachse gleichmäßig verteilt sind, wobei je ein Magnetkern des ersten Rahmens und ein Magnetkern des zweiten Rahmens auf derselben parallel zu der Rotorachse verlaufenden Geraden liegen können, und wobei der erste Rahmen und der zweite Rahmen relativ zueinander feststehend vorgesehen sein können. Vorzugsweise sind die Magnetkerne des ersten Rahmens und die Magnetkerne des zweiten Rahmens spiegelbildlich zu einer durch die Scheibe definierten Spiegelebene bzw. zu einer mitten durch die Scheibe und senkrecht zur Rotorachse verlaufenden Spiegelebene angeordnet. Ein Magnetkern des ersten Rahmens und ein Magnetkern des zweiten Rahmens können eine den beiden Magnetkernen zugeordnete Wicklung zwischeneinfügen. Der zweite Rahmen kann an dem ersten Rahmen befestigt sein, er kann aber auch unabhängig von dem ersten Rahmen an dem Motor angeordnet sein. Der erste Rahmen und der zweite Rahmen können integral bzw. einstückig gebildet sein. Durch die zusätzlichen Magnetkerne des zweiten Rahmens kann sich im Bereich der Scheibe eine stärkere, insbesondere beispielsweise doppelt so starke magnetische Flussdichte und damit ein leistungsstärkerer Motor ergeben. Bei der optionalen zusätzlichen Verwendung von Permanentmagneten oder Elektromagneten zur Magnetisierung der Magnetkerne, kann dadurch zudem der magnetische Widerstand verringert werden. Denn die von Permanentmagneten erzeugten magnetischen Feldlinien können so zu einem größeren Anteil durch magnetisch gut leitende Magnetkerne statt durch magnetisch weniger leitfähige Luft (Luftspalt) verlaufen. Hierdurch können weniger starke Permanentmagnete vorgesehen sein, um die Magnetkerne vollständig in Sättigung zu bringen. Somit hat das Vorsehen des zweiten Rahmens den Vorteil, dass der magnetische Widerstand (Reluktanz) in dem magnetischen Kreis reduziert sein kann, insbesondere durch die gegebene Geometrie beispielsweise auf ein Achtel reduziert sein kann, da die Luftstrecke in dem magnetischen Kreis kürzer ist.
In einer Ausführungsform kann der Motor zumindest einen Permanentmagneten umfassen, der die Magnetkerne magnetisieren kann, so dass die von den magnetisierten Magnetkernen erzeugte Feldlinien zumindest im Bereich der Scheibe jeweils in die gleiche Richtung zeigen. Der Permanentmagnet kann auch als Spule ausgestaltet sein, die durch eine geeignete Steuerung ein Magnetfeld erzeugen kann. Dabei kann die Spule wie ein Permanentmagnet wirken. Die Spule bietet den Vorteil, dass sie selektiv betrieben werden kann und in einem Fall, bei dem ein externes Magnetfeld vorhanden ist nicht bestromt werden muss. Mit anderen Worten kann die Spule lediglich dann betrieben werden, wenn kein externes Magnetfeld vorhanden ist und der Motor dennoch betrieben werden soll. Insbesondere kann der Motor so platziert werden, dass die von den Permanentmagneten erzeugten Feldlinien zumindest im Bereich der Magnetkerne in die gleiche Richtung zeigen wie das externe Magnetfeld. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, den Motor auch dann zu betreiben, wenn das externe Magnetfeld ausgeschaltet ist, also zum Beispiel, wenn der Magnet eines MRT, an dem der Motor angebracht ist, außer Betrieb ist. Beispielsweise lässt sich dadurch auch bei ausgeschaltetem MR-Magnetfeld die Elektronik und der Patiententisch des MRT zumindest bei reduzierter Leistung betreiben. Das erleichtert die Inbetriebnahme, Reparaturen und Tests im Labor.
Bevorzugt ist der mindestens eine Permanentmagnet dazu ausgestaltet, die Magnetkerne bis zur Sättigung zu magnetisieren. Dadurch, dass die Magnetkerne von den Permanentmagneten bis zur Sättigung magnetisiert werden können, kann erreicht werden, dass der magnetische Fluss im Bereich der Scheibe sowohl mit einem externem Magnetfeld als auch ohne ein externes Magnetfeld im Wesentlichen konstant vorhanden ist und damit auch die Motorleistung im Wesentlichen konstant ist, da die Magnetkerne bis zur Sättigung magnetisiert werden können und der magnetische Fluss im Wesentlichen durch die Magnetisierung der Magnetkerne bestimmt wird. Der Motor kann so in jeder Situation betreibbar sein.
Bevorzugt sind jeweils zwei Magnetkerne, die in Richtung der Rotorachse auf beiden Seiten der Scheibe gegenüberliegend angeordnet sind, über einen Verbindungsbereich verbunden, der sich parallel zu der Rotorachse und in radialer Richtung beabstandet zu der Scheibe erstreckt, so dass je zwei Magnetkerne mit einer im Wesentlichen u-förmigen Verbindung verbunden sind. Der Verbindungsbereich kann aus dem gleichen Material bestehen wie die Magnetkerne. Dies kann zu einer effektiven Magnetisierung führen. Bei der optionalen zusätzlichen Verwendung von Permanentmagneten oder Elektromagneten zur Magnetisierung der Magnetkerne, kann der magnetische Widerstand hierdurch noch weiter verringert werden. Denn die von Permanentmagneten erzeugten magnetischen Feldlinien können so zu einem noch deutlich größeren Anteil durch magnetisch gut leitende Magnetkerne statt durch magnetisch weniger leitfähige Luft verlaufen. Hierdurch werden deutlich weniger starke Permanentmagnete benötigt. Insbesondere kann der zweite Rahmen im Wesentlichen aus den Verbindungsbereichen bestehen oder aus einem Teil der Verbindungsbereiche. Vorzugsweise ergeben zwei gegenüberliegend angeordnete Magnetkerne zusammen mit dem Verbindungsbereich einen u-förmigen bzw. hufeisenförmigen Gesamtmagnetkern. Somit kann durch den Verbindungsbereich der magnetische Kreis außerhalb des Motors (d.h. außerhalb des Bereichs, in dem die Scheibe angeordnet ist) geschlossen werden. Dadurch können bei dieser Ausführungsform die Magnetkerne mit kleinen Permanentmagneten und ohne externes Magnetfeld in Sättigung gebracht werden. Somit kann das volle Drehmoment des Motors erzeugt werden. Am Verbindungsbereich kann in diesem Fall das entsprechend ausgerichtete externe Magnetfeld zwar dem in dem Verbindungsbereich wirkenden Magnetfeld entgegenwirken. Weil das Feld in dem Verbindungsbereich aber nicht für den Betrieb des Motors eingesetzt wird, wird dadurch die Funktion des Motors nicht gestört, denn das Drehmoment wird nur im Bereich der Magnetkerne erzeugt.
Mit anderen Worten kann ein erster Bereich definiert werden, in dem der Verbindungsbereich vorgesehen ist und in dem der magnetische Kreis geschlossen ist. In dem ersten Bereich können die durch die Magnetkerne bewirkten Feldlinien entgegen den Feldlinien des externen Magnetfeld verlaufen. Da sich der erste Bereich jedoch radial von der Scheibe beabstandet befindet, hat dies keine negativen Auswirkungen auf den Betrieb des Motors. Ferner kann ein zweiter Bereich definiert werden, in dem die Magnetkerne und die Wicklungen vorgesehen sind. In dem zweiten Bereich verlaufen die von den Magnetkernen bewirkten Feldlinien entlang der Feldlinien des externen Magnetfeldes. Die von den Magnetkernen bewirkten Feldlinien in dem zweiten Bereich können zum Antreiben der Scheibe oder des Rahmens genutzt werden. Mit anderen Worten kann durch den Verbindungsbereich sichergestellt werden, dass sich der erste Bereich außerhalb des Bereichs befindet, in dem sich die Scheibe befindet. Somit kann ein effizienter Betrieb des Motors sichergestellt sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Scheibe dazu ausgestaltet, als ein Rotor zu dienen, wobei die Wicklungen insbesondere über zumindest einen Kommutator, der eine Vielzahl von Schleifkontakten aufweist, mit Gleichstrom versorgbar sind, wobei die Anzahl der Schleifkontakte vorzugsweise der doppelten Anzahl der Magnetkerne auf dem ersten Rahmen und/oder dem zweiten Rahmen entspricht. In dieser Ausführungsform kann der Rahmen als Stator dienen, der fixiert und damit nicht drehbar ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Magnetkerne in dem externen Magnetfeld nicht bewegt werden müssen und damit die Problematik entsprechend möglicherweise auftretender Kräfte und Wirbelstromverluste vermieden werden kann. Die Schleifkontakte ermöglichen es, die Wicklungen mit Strom zu versorgen, ohne dass die Zuleitungen sich mit der Scheibe drehen müssen. Die Schleifkontakte können im Rahmen des Kommutators so angeordnet sein, dass bei dem Drehen der Scheibe, jeweils ein Ende jeder Wicklung mit einem Pluspol und ein anderes Ende mit einem Minuspol bzw. einer Erdung verbunden ist. Weiterhin können beim Drehen der Scheibe die Wicklungen periodisch umgepolt werden, sodass der Stromfluss zyklisch umgekehrt wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Strom der Leitungsabschnitte, die in radialer Richtung verlaufen und die gerade einem Magnetkern zugeordnet sind, immer in die gleiche Richtung fließt, wodurch die resultierende Lorentzkraft immer in die gleiche Richtung orientiert ist. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Schleifkontakte der doppelten Anzahl der Magnetkerne, da somit ein Umpolen in der passenden Frequenz, die direkt mit der Anzahl der Magnetkerne zusammenhängt, ermöglicht wird. Jede Wicklung kann einen Abschnitt aufweisen, in dem der Strom nach außen fließt und einen Abschnitt, in dem der Strom nach innen fließt. Demgemäß kann der Stromfluss in einer Wicklung zumindest einmal umgepolt werden, wenn sich der Magnetkern und die Wicklung aneinander vorbei bewegen. Dies kann mit der gegebenen Anzahl an Schleifkontakten ermöglicht werden. Während der Versorgungsstrom, welcher dem Motor zugeführt wird ein Gleichstrom sein kann, wechselt aufgrund dieser Konfiguration der Strom durch die Wicklungen im Betrieb periodisch seine Richtung.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der erste Rahmen bzw. gegebenenfalls auch ein vorhandener zweiter Rahmen dazu ausgestaltet sein, als ein Rotor zu dienen, wobei der Motor ferner eine Steuereinheit umfassen kann, die dazu ausgestaltet ist, jede Wicklung mit einem Wechselstrom mit einer vorbestimmten Wechselstromfrequenz zu versorgen, wobei die Wechselstromfrequenz dem mathematischen Produkt aus Drehfrequenz des Motors und dem Zweifachen der Anzahl der Magnetkerne eines Rahmens entsprechen kann. In dieser Ausführungsform kann die Scheibe als Stator dienen, ist also fixiert und nicht drehbar. Der Rahmen dagegen ist um die Rotorachse drehbar, wobei die Rotorachse vorzugsweise im Zentrum der Magnetkerne liegt. Hierbei kann sich die Kräftewechselwirkung zunutze gemacht werden, die dafür sorgt, dass durch eine entsprechende Gegenkraft zu der Lorentzkraft auch eine Kraft auf die Magnetkerne wirkt, die insbesondere äquivalent zu der Lorentzkraft auf die Wicklungen ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass keine Schleifkontakte, welche möglicherweise für MR-Geräte ungünstige Funkenbildung bzw. Bürstenfeuer am Schleifring erzeugen kann, benötigt werden. Um dennoch eine zeitlich alternierende Stromrichtung in den Wicklungen zu gewährleisten, können die Wicklungen mit einem Wechselstrom versorgt werden, wobei die Wechselstromfrequenz an die Geometrie des Motors und die gewünschte Drehfrequenz bzw. Drehzahl des Motors angepasst sein kann. Beispielsweise kann ein Frequenzumrichter für die Steuerung des Stroms verwendet werden. Vorzugsweise ist der Rahmen hierbei ebenfalls im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet, was einem gleichmäßigen Rundlauf des Rahmens zugutekommt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Motors können die Magnetkerne geblecht sein. Dabei können, die Magnetkerne aus dünnen Blechen oder Folien bestehen, die gegeneinander isoliert sind. Dadurch können Wirbelströme, die die Leistung des Motors beeinträchtigen könnten, vermieden bzw. minimiert werden. Alternativ ist es auch denkbar für den gleichen Zweck einen Pulverkern zu verwenden, bei dem die Pulverkörner voneinander isoliert sind. Auch der Einsatz eines Ferritkerns oder eines anderen ferromagnetischen Materials, das aufgrund seiner geringen Leitfähigkeit nur äußerst geringe Wirbelstromverluste aufweist, ist denkbar.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Motor dazu ausgerichtet sein, im Betrieb eine Stromzufuhr zu den Wicklungen zusätzlich zu der Wechselstromfrequenz intermittierend ein- und auszuschalten, sodass eine höhere Schaltfrequenz erreicht wird, insbesondere eine Schaltfrequenz von mindestens 1kHz. Mit anderen Worten kann bei einer vorbestimmten Polumschalt-Frequenz, z.B. 100Hz, innerhalb einer Periode die Wicklung mehrmals, z.B. zehnmal, ein- und ausgeschaltet werden um immer auf eine hohe Umschaltfrequenz, z.B. 1kHz, zu. Eine solche Umschaltfrequenz ist für den Betrieb des Motors nicht nötig. Dazu kann der Motor eine Steuereinheit aufweisen, die dazu ausgestaltet sein kann, die Stromzufuhr zu den Wicklungen so zu schalten, dass eine Umschaltfrequenz von zumindest 1kHz erreicht ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist es auch denkbar, dass sich die Wicklungen überlappen. Zusätzlich kann optional die Anzahl der Magnetkerne geringer als die Anzahl der Wicklungen sein. Der Motor kann dabei so ausgelegt sein, dass mehrere Wicklungen gleichzeitig mit Strom versorgt werden können. In dieser Ausführungsform können die Wicklungen relativ häufig umgeschaltet werden. Insbesondere können die Wicklungen mit einer Frequenz, die dem mathematischen Produkt aus der Motorfrequenz bzw. der Drehfrequenz des Rahmens und aus der doppelten Anzahl der Magnetkerne entspricht, geschaltet werden. Alternativ können die Wicklungen auch mit einer Frequenz, die dem mathematischen Produkt aus der Motorfrequenz bzw. der Drehfrequenz des Rahmens und aus der Anzahl der Wicklungen entspricht, geschaltet werden. Dadurch kann sich eine Schaltfrequenz ergeben, die deutlich größer als die eigentliche Drehfrequenz der Scheibe oder des Rahmens ist. Beträgt die Drehfrequenz der Scheibe bzw. des Rahmens beispielsweise 33,3 Hz, so können die Wicklungen beispielsweise jede 1/30-Umdrehung des Rahmens oder der Scheibe geschaltet werden, wodurch sich eine Schaltfrequenz von ca. 1kHz ergäbe.
Diese Ausführungsformen zur Kontrolle der Schaltfrequenz können vorteilhaft sein beim Einsatz des Motors in der Nähe von MR-Systemen, da die Messungen bzw. die MR-Bildgebung empfindlich auf magnetische Störungen, insbesondere eine leichte Modulation des Magnetfeldes im Field-of-View, im Bereich von 1 Hz bis 1 KHz reagieren kann. Der genaue Frequenzbereich der höchsten Störempfindlichkeit ist dabei abhängig von der gewählten Sequenz der MR-Bildgebung. Störungen des Magnetfeldes oberhalb von 1 kHz sind dagegen für die MR-Bildgebung weit weniger kritisch. Durch die Konfiguration gemäß dieser Ausführungsform kann ein Umschalten (d.h. aufgrund der Kommutation) in diesem kritischen Frequenzbereich vermieden werden ohne, dass die Drehzahl des Motors an sich erhöht werden muss, was für viele Zwecke, wie den Betrieb eines oder mehrerer Lüfter oder das kontrollierte Verfahren einer Patientenliege nicht wünschenswert wäre. Dazu kann die Steuereinheit einen Delta-Sigma Digital-Analog-Konverter (Delta-Sigma-Modulators) aufweisen, der dafür sorgen kann, dass niedrige Frequenzen, die kleiner als 1kHz sind, vermieden werden, selbst wenn die Polwechselfrequenz für die gewünschte Drehzahl niedriger ist, also z.B. bei 100Hz liegt. In diesem Fall kann die Taktfrequenz des Delta-Sigma-Modulators so gewählt werden, dass das Rauschen ab 1kHz ansteigt, und kein Sinussignal ausgegeben wird, sondern ein weißes Rauschen als Nutzsignal ausgegeben wird. Damit kann zur Ansteuerung des Motors ein Signal erlangt werden, das unter 1kHz kaum Leistungsdichte aufweist. Der Ausgang eines Delta-Sigma-Modulators kann ein Rechteck sein, so eine Bestromung der Wicklungen nur ein- und ausgeschaltet werden muss.
Alternativ ist es auch denkbar, dass der Motor gemäß einer der vorherigen Ausführungsbeispiele mit der Puls- bzw. Messfrequenz eines MRT synchronisiert ist. Insbesondere kann die Schaltfrequenz der Wicklungen der Messfrequenz des MRT, mit der der MRT Pulse aussendet und misst, entsprechen oder kann ein Vielfaches dieser Messfrequenz sein. Störungen der Messung des MRT könnten sich durch ein räumlich etwas verschobenes MRT-Bild auswirken. Beispielsweise kann ein MRT-Bild dadurch um 0,1 mm bis 2 mm verschoben sein. Durch die Synchronisierung kann dieser Versatz vorteilhafterweise konstant bzw. gleichbleibend sein. Dadurch kann sich ein scharfes Bild ergeben, das lediglich absolut verschoben ist.
Mit anderen Worten kann jede MRT-Bilderzeugungs-Sequenz eine eigene Dauer aufweisen, in der sich HF-Pulse und die Messungen des MRT-Signals wiederholen, z.B. alle 30 Millisekunden (=33,3Hz). Magnetfeldstörungen aufgrund des Betriebs des Motors können sich dann nicht oder kaum auswirken, wenn sie das gleiche oder eine ganzzahliges Vielfaches dieser Frequenz aufweisen. Wenn man also alle 5 ms (=sechsfache Frequenz) die Wicklungen umschaltet (bei z.B. 12 Wicklungen auf der Scheibe können das 16,66 Umdrehungen pro Sekunde oder 1000 Umdrehungen pro Minute sein) würden die Magnetfeldstörungen durch den Motor (Periode 5 ms) und das Messen des MRT (d.h. der einzelnen Schichten mit der Periode von 30 ms) phasensynchronisiert (d.h. die Startzeitpunkte verschieben sich nicht gegeneinander über die Dauer der ganzen Sequenz die beispielsweise 5 Minuten dauert) sein. Bei jeder Messung wirkt sich die Magnetfeldstörung damit gleich aus. Die Auswirkung eines kleinen überlagerten Magnetfeldes ist typischerweise der Grund, dass ein Gradient (Schichtauswahl-, Phasenkodier- oder Frequenzkodier-Gradient) etwas verbogen ist. Dadurch verschiebt sich der angenommene Ort eines MRT-Signals ein wenig. Was im MRT-Bild an einem bestimmten Ort zu sein scheint ist nicht wirklich an diesem Ort, sondern ein wenig (z.B. ca.1/10 mm bis zu ca. 2 mm) räumlich versetzt. Da die Magnetfeldstörung synchron zum Rhythmus der Bildgenerierung des MRT ist, ist dieser Versatz immer gleich, so dass das Bild scharf bleibt und nur mit einem kleinen Fehler in der absoluten räumlichen Position behaftet ist.
In einem anderen Beispiel kann, bei einem Abstand zwischen zwei MRT-Messungen (HF-Impulsen) von 66 Hz, der Strom durch die Wicklungen alle 5,077 ms umgeschaltet werden, was der 13-fachen Frequenz entsprechen kann. Dies würde zu 16,4 Umdrehungen pro Sekunde oder 985 Umdrehungen pro Minute führen. Bei einem Lüfter ist so eine Drehzahländerung (d.h. im Vergleich zu der obigen Drehzahl) beispielsweise tolerierbar.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht die Verwendung des Motors gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen in einem externen Magnetfeld vor, wobei der Motor so in dem externen Magnetfeld ausgerichtet ist, dass die Feldlinien des externen Magnetfelds parallel zu der Rotorachse verlaufen. Alle Vorteile und Ausführungsformen die für den Motor beschrieben wurden gelten auch für die Verwendung des Motors und umgekehrt.
In einer Ausführungsform wird der Motor in einem Magnetresonanz (MR)-System (MRT) verwendet. Dadurch können die im einleitenden Teil beschriebenen Probleme hinsichtlich der Platzierung des Motors in der Nähe des MR-Systems gelöst werden und der Motor kann sich das magnetische Streufeld des MR-Magneten zunutze machen.
Besonders bevorzugt ist der Motor, der in einem externen Magnetfeld bzw. in oder an einem MR-System verwendet wird, zum Antrieb eines Lüfters ausgelegt.
Im Folgenden werden Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.

1 zeigt einen Scheibenläufermotor in einer Frontalansicht wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist,
2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors in einer Frontalansicht,
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors in einer Seitenansicht,
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Motors gemäß der Erfindung und
5 zeigt eine Seitenansicht des Motors aus 4 entlang der Schnittebene A-A, und
6 zeigt einen erfindungsgemäßen Motor, der in der unmittelbaren Umgebung eines MR-Systems angebracht ist.

1 zeigt einen Scheibenläufermotor 100 gemäß dem Stand der Technik in einer Frontalansicht. Der Scheibenläufermotor 100 hat acht Wicklungen 105 die gleichmäßig in einer Umfangsrichtung um eine Rotorachse 110 auf einem Rotor 104 angeordnet sind. Der Rotor 104 ist drehbar um die Rotorachse 110 gelagert. Zusätzlich weist der Motor 100 axial entlang der Rotorachse 110 versetzt acht feststehende Magnete 109 auf, denen in dieser Stellung jeweils zwei Wicklungen 105 bzw. jeweils zwei radial verlaufende Leitungsabschnitte 112 zweier verschiedener Wicklungen 105 zugeordnet sind. Benachbarte Magnete 109 dieser Konfiguration sind jeweils unterschiedlich polarisiert, d.h. in Umfangsrichtung zeigt immer abwechselnd der Nordpol eines Magneten 109 entweder in die Bildebenen hinein oder hinaus. Durch die Pfeile in 1 ist die Stromflussrichtung in den Wicklungen 105 angedeutet. Die Stromflussrichtung der Abschnitte der Wicklungen 105, die jeweils einem Magneten 109 zugeordnet sind, zeigen dabei jeweils in die gleiche Richtung. Diese Richtung ist bei Wicklungsabschnitten 112, die benachbarten Magneten 109 zugeordnet sind, entgegengesetzt und wechselt sich bei benachbarten Magneten 109 entsprechend der abwechselnden Orientierung der Magnete 109 ab.
Ein konstantes externes Magnetfeld 2 würde den Betriebsablauf dieses Motors 100 allerdings stören. Insbesondere, wenn das externe Magnetfeld entlang der Rotorachse 110 orientiert ist, würde es die Wirkung der Magnete 109 schwächen oder sie sogar umpolen und damit den Motor 1 funktionsunfähig machen oder zumindest seine Leistung vermindern. Aufgrund der unterschiedlich ausgerichteten und sich abwechselnden Magnetfelder, können die unterschiedlichen Stromflussrichtungen in allen radial verlaufenden Leitungsabschnitten der Wicklungen genutzt werden, um den Rotor in Drehung zu versetzen.
2 zeigt in einer Frontalansicht einen Motor 1 nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der Motor 1 weist eine um eine Rotorachse 10 drehbare Scheibe 4 mit acht Wicklungen 5, die jeweils zwei Radialabschnitte 12 und einen Umfangsabschnitt 14 aufweisen, auf. Die Wicklungen 5 sind in diesem Fall für eine bessere Übersicht in einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet, es ist aber auch möglich und vorteilhaft, dass die Wicklungen 5 überlappend angeordnet sind. An einem Ende jedes Radialabschnitts 12 befindet sich ein Schleifkontakt 18, sodass jede Wicklung 5 zwei Schleifkontakte 18 hat. Die Wicklungen 5 können alternativ auch hintereinander oder parallel geschaltet sein, wenn sie so angeordnet sind, dass sie immer den gleichen Umschaltzeitpunkt für den Strom haben. Dadurch können Schleifkontakte eingespart werden. In dem Ausführungsbeispiel Beispiel mit 4 um 90° versetzen Magnetkernen sind dies jeweils die Wicklungen 5 die auf der Scheibe 4 um genau 90° versetzt angeordnet sind. Die Schleifkontakte 18 sind mit einer Stromquelle verbunden, so dass den Wicklungen darüber Strom zugeführt werden kann. In einer Ausführungsform hat in jeder Stellung des Motors 1 jeweils ein Schleifkontakt 18 einer Wicklung 5 Kontakt mit einem Pluspol eines Stromanschlusses, während der jeweils andere Schleifkontakt 18 einer Wicklung 5 Kontakt mit dem Minuspol eines Stromanschlusses hat. Je nach Stellung der Scheibe 4 wird dadurch ein Stromfluss durch die jeweilige Wicklung 5 in die eine oder die entgegengesetzte Richtung bedingt. Für die aktuelle Stellung der Scheibe 4 ist die Stromflussrichtung durch Pfeile an den Wicklungen 5 in 2 angedeutet.
Weiterhin umfasst der Motor 1 vier Magnetkerne 8, die an einem feststehenden, nicht drehbaren, ersten Rahmen 6 (nicht gezeigt in 2) angebracht sind. Jedem Magnetkern 8 sind in dieser Stellung zwei Radialabschnitte 12 von jeweils zwei verschiedenen Wicklungen zugeordnet. Die Stromflussrichtung dieser jeweils zwei Radialabschnitte 12, die einem Magnetkern 8 zugeordnet sind, weist im Betrieb des Motors 1 jeweils in die gleiche Richtung. Von jeder Wicklung 5 ist nur jeweils ein Radialabschnitt 12 einem Magnetkern 8 zugeordnet. Der jeweils andere Radialabschnitt 12 ist keinem Magnetkern 8 zugeordnet. Dies bedingt zudem, dass jeweils zwei benachbarte Magnetkerne 8, nicht gleichen Wicklungen 5 zugeordnet sind, wodurch vermieden wird, dass einem Magneten 9 zwei Wicklungen mit unterschiedlichen Stromflussrichtungen zugeordnet sind. Ein erster Winkelabstand 16, der die Breite der Wicklungen 5 in Umfangsrichtung bzw. den Winkelabstand der zwei Radialabschnitte 12 einer Wicklung 5 angibt, ist in diesem Ausführungsbeispiel weniger als halb so groß wie ein zweiter Winkelabstand 17, der den Abstand zweier benachbarter Magnetkerne 8 in der Umfangsrichtung angibt. Der Abstand zweier benachbarter Magnetkerne 8 in der Umfangsrichtung wird in diesem Fall zwischen den Mittelpunkten der Magnetkerne 8 gemessen. Um eine besonders effektive Aufteilung von Wicklungen 5 und Magnetkernen 8 zu gewährleisten, ist der zweite Winkelabstand 17 bevorzugt genau doppelt so groß wie der erste Winkelabstand 16.
Für den Betrieb des Motors 1 ist es vorgesehen, dass der Motor in einem externen Magnetfeld 2 ausgerichtet ist, wobei das externe Magnetfeld 2 im Wesentlichen parallel zu der Rotorachse 10 ausgerichtet ist. In diesem Fall verlaufen die Magnetfeldlinien des externen Magnetfelds 2 senkrecht zur Bildebene von 2 und zeigen aus der Bildebene heraus. Dies bewirkt eine Magnetisierung der Magnetkerne 8 in der Richtung des externen Magnetfeldes 2. Die magnetische Flussdichte im Bereich der Scheibe 5 ist dadurch an den Stellen der Scheibe 5, die den Magnetkernen 8 zugeordnet sind, deutlich verstärkt. In diesem Beispiel sind dabei diejenigen Bereiche der Scheibe 5 den Magnetkernen 8 zugeordnet, die in der Bildebene auf der gleichen Fläche liegen wie die Magnetkerne 8. Durch eine entsprechende Anordnung der Schleifkontakte 18 ist zu jedem Zeitpunkt gewährleistet, dass der Strom in den Radialabschnitten 12, die gerade einem Magnetkern 8 zugeordnet sind, radial nach außen fließt. Da die magnetische Flussdichte, die durch das äußere Magnetfeld verursacht wird, deutliche geringer ist, als die verstärkte magnetische Flussdichte im Bereich der Magnetkerne 8, folgt, dass sich durch die Lorentzkraft im Wesentlichen Drehmomente im Uhrzeigersinn ergeben. Die Lorentzkraft auf die Radialabschnitte 12, die keinem Magnetkern zugeordnet sind, weist zwar in die entgegengesetzte Richtung auf, ist aber aufgrund der dort geringeren Flussdichte des externen Magnetfelds deutlich geringer und hat daher keinen wesentlichen Einfluss auf das Gesamtdrehmoment. Durch eine Addition der an den einzelnen Radialabschnitten 12, die jeweils einem Magnetkern 8 zugeordnet sind, verursachten Drehmomente, die alle in die gleiche Umlaufrichtung weisen, ergibt sich ein Gesamtdrehmoment des Motors 1 im Uhrzeigersinn, wodurch die Scheibe 4 um die Rotorachse 10 gedreht wird und somit als Rotor des Motors angetrieben wird. Auch auf die Umfangsabschnitte 14 wirkt eine Lorentzkraft, diese ist aber recht schwach, da diese Abschnitte keinem Magnetkern 8 zugeordnet sind, und senkrecht zur Drehrichtung der Scheibe ausgerichtet, also in eine Richtung, in der die Scheibe nicht beweglich ist. Zudem gleichen sich die Lorentzkräfte, die auf die verschiedenen Umfangsabschnitte wirken, gegenseitig aus, weil die Kräfte auf gegenüberliegende Umfangsabschnitte entgegengesetzt gerichtet sind. Genauso kann der Rotor auch entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden, wenn der Strom so gesteuert wird, dass er in dem einem Magnetkern zugeordneten Radialabschnitt radial nach innen fließt.
3 zeigt in einer Seitenansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors in einem externen Magnetfeld 2, das in der Bildebene von links nach rechts verläuft. Zu sehen ist eine Scheibe 4, deren Wicklungen 5 aus dieser Perspektive nicht erkennbar sind. Die Rotorachse 10 verläuft parallel zu dem externen Magnetfeld 2. Weiterhin ist ein erster Rahmen 6 zu sehen, an dem Magnetkerne 8, die sich rechts der Scheibe 4 befinden, befestigt sind. An einem zweiten Rahmen 7, der über einen Verbindungsbereich 20 an dem ersten Rahmen 6 befestigt ist, sind weitere Magnetkerne 8 befestigt, die den Magnetkernen 8, die an dem ersten Rahmen 6 befestigt sind, gegenüberliegen und sich auf der linken Seite der Scheibe 4 befinden. In diesem Fall ist der Verbindungsbereich 20 integral mit dem ersten Rahmen 6 und dem zweiten Rahmen 7 gelbildet. Ferner ist der Verbindungsbereich 20 aus dem gleichen Material wie die Magnetkerne 8 gebildet. Dadurch ergeben sich Gesamtmagnetkerne, die hufeisenförmig ausgebildet sind und die vorteilhafterweise eine noch stärkere Magnetisierung durch Permanentmagnete 19 ermöglichen, die in dieser Ausführungsform an den Magnetkernen 8 des ersten Rahmens befestigt sind. Dabei ist der Motor so ausgerichtet, dass die Feldlinien (nicht gezeigt) der Permanentmagnete 19 in die gleiche Richtung zeigen, wie die Feldlinien des externen Magnetfelds 2. Dies ermöglicht es, den Motor 1 auch bei ausgeschaltetem externem Magnetfeld 2 zu betreiben. Vorteilhafterweise sind die Permanentmagnete 19 stark genug, um die Magnetkerne 8 in Sättigung zu magnetisieren. Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform ist der Permanentmagnet 19 als eine Spule ausgestaltet, die durch anlegen einer Spannung ein Magnetfeld erzeugen kann. Dadurch unterscheidet sich die magnetische Flussdichte in den Bereichen der Scheibe 4, die den Magnetkernen 8 zugeordnet sind, bei eingeschaltetem externem Magnetfeld nicht wesentlich von der magnetischen Flussdichte bei ausgeschaltetem externem Magnetfeld. Das ist dadurch begründet, dass die Größe der magnetischen Flussdichte im Wesentlichen durch die magnetisierten Magnetkerne 8 bestimmt wird, während die Anteile durch das externe Magnetfeld 2 und die Permanentmagnete allein gering sind. Da die Magnetkerne 8 in jedem Fall in Sättigung magnetisiert sind, ändert sich die magnetische Flussdichte in den den Magnetkernen zugeordneten Bereichen nicht wesentlich, wenn das externen Magnetfeld 2 zugeschaltet wird. Dadurch arbeitet der Motor 1 zuverlässig und unabhängig vom externen Magnetfeld 2.
4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors 1. 5 zeigt dabei eine Seitenansicht entlang der in 4 dargestellten Schnittachse A-A. In dieser Ausführungsform ist ein erster Rahmen 6 mit Magnetkernen 8 rotierbar gelagert, während eine Scheibe 4 mit Wicklungen 5 fixiert ist. In 4 ist der erste Rahmen 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Auch in diesem Fall ist das externe Magnetfeld parallel zu der Rotorachse 10 ausgerichtet. Da die Stromflussrichtung durch die Wicklungen 5 nicht mittels Schleifkontakten 18 geändert werden kann, liegt an den Wicklungen 5 eine Wechselspannung an, die entsprechend der doppelten Anzahl der Magnetkerne 8 dem Achtfachen der Drehfrequenz des Motors 1 entspricht. Auch in diesem Fall ist der erste Winkelabstand 16 größer als der zweite Winkelabstand 17, allerdings ist er aufgrund der hier relativ kleinen Magnetkerne 8 weniger als doppelt so groß wie der zweite Winkelabstand 17. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Magnetkerne 8 geblecht. Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform sind alle stromleitenden Bestandteile des Motors 1 geblecht (siehe Definition oben), um Verluste durch Wirbelströme zu begrenzen.
6 zeigt einen erfindungsgemäßen Motor 1, der in der unmittelbaren Umgebung eines MR-Systems 3 angebracht ist und dort verwendet wird. Aufgrund der Nähe zum MR-System 3 befindet sich der Motor im Einflussbereich eines externen Magnetfeldes 2, das durch das MR-System 3 verursacht wird. In diesem Fall wird der Motor 1 für den Antrieb eines Lüfters 15 verwendet. Der Strom durch die Wicklungen 5 der Scheibe des Motors wird von einer Steuereinheit 11 gesteuert.

Claims

Motor (1) zur Verwendung in einem externen Magnetfeld (2), umfassend: eine Scheibe (4) mit in der Umfangsrichtung der Scheibe (4) gleichmäßig verteilten Wicklungen (5), wobei durch den Mittelpunkt der Scheibe (4) und senkrecht zur Scheibe (4) eine Rotorachse (10) verläuft, wobei die Wicklungen (5) so gegeneinander isoliert sind, dass sie elektrisch voneinander getrennt sind, zumindest einen ersten Rahmen (6) mit Magnetkernen (8), wobei der erste Rahmen (6) und die Magnetkerne (8) so angeordnet sind, dass die Magnetkerne (8) in einer Umfangsrichtung um die Rotorachse (10) gleichmäßig verteilt sind, wobei die Scheibe (4) und der erste Rahmen (6) relativ zueinander drehbar sind, wobei die Magnetkerne (8) so auf dem ersten Rahmen (6) verteilt angeordnet sind, dass, unabhängig von der Stellung der Scheibe (4) und des ersten Rahmens (6) zueinander, zwei auf dem ersten Rahmen (6) benachbarte Magnetkerne (8) in einer Richtung parallel zu der Rotorachse (10) jeweils unterschiedlichen Wicklungen (5) zugeordnet sind.
Motor (1) gemäß Anspruch 1, wobei jede Wicklung (5) zwei Radialabschnitte (12), die sich im Wesentlichen radial auf der Scheibe (4) erstrecken, und zumindest einen Umfangsabschnitt (14), der sich im Wesentlichen in der Umfangsrichtung der Scheibe (4) erstreckt, aufweisen, wobei die Radialabschnitte (12) jeder Wicklung (5) einen endlichen ersten Winkelabstand (16) zueinander aufweisen, und wobei jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Magnetkerne (8) einen endlichen zweiten Winkelabstand (17) zueinander aufweisen, wobei der Betrag des zweiten Winkelabstands (17) größer ist als der Betrag des ersten Winkelabstands (16), vorzugsweise zumindest doppelt so groß ist wie der Betrag des ersten Winkelabstands (16).
Motor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Rahmen (6) und die Magnetkerne (8) so angeordnet sind, dass die Magnetkerne (8) auf einem zu der Rotorachse (10) konzentrischen Kreis angeordnet sind.
Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor (1) während einem Betrieb so in einem externen Magnetfeld (2) angeordnet ist, dass sich die Feldlinien des externen Magnetfelds (2) parallel zu der Rotorachse (10) erstrecken.
Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Rahmen (7) mit Magnetkernen (8) an der anderen Seite der Scheibe (4) vorgesehen ist, so dass die Scheibe (4) zwischen dem ersten Rahmen (6) und dem zweiten Rahmen (7) eingefügt ist, wobei der zweite Rahmen (7) und die Magnetkerne (8) so angeordnet sind, dass die Magnetkerne (8) in einer Umfangsrichtung um die Rotorachse (10) gleichmäßig verteilt sind, wobei je ein Magnetkern (8) des erstens Rahmens (6) und ein Magnetkern (8) des zweiten Rahmens (7) auf derselben parallel zu der Rotorachse (10) verlaufenden Geraden liegen, und wobei der erste Rahmen (6) und der zweite Rahmen (7) relativ zueinander feststehend vorgesehen sind.
Motor (1) gemäß Anspruch 5, wobei jeweils zwei Magnetkerne (8), die in Richtung der Rotorachse (10) auf beiden Seiten der Scheibe (4) gegenüberliegend angeordnet sind, über einen Verbindungsbereich (20) verbunden sind, der sich parallel zu der Rotorachse (10) und in radialer Richtung beabstandet zu der Scheibe (4) erstreckt, so dass je zwei Magnetkerne (8) mit einer im Wesentlichen u-förmigen Verbindung verbunden sind.
Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor (1) zumindest einen Permanentmagneten (19) umfasst, der die Magnetkerne (8) magnetisiert, so dass von den magnetisierten Magnetkernen (8) erzeugte Feldlinien zumindest im Bereich der Scheibe (4) jeweils in die gleiche Richtung zeigen.
Motor (1) gemäß Anspruch 6, wobei der mindestens eine Permanentmagnet (19) dazu ausgestaltet ist, die Magnetkerne (8) bis zur Sättigung zu magnetisieren.
Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Scheibe (4) dazu ausgestaltet ist, als ein Rotor zu dienen, wobei die Wicklungen (5) über zumindest einen Kommutator, der eine Vielzahl von Schleifkontakten (18) aufweist, mit Gleichstrom versorgbar sind, wobei die Anzahl der Schleifkontakte (18) der doppelten Anzahl der Magnetkerne (8) auf dem ersten Rahmen (6) entspricht.
Motor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Rahmen (6) dazu ausgestaltet ist, als ein Rotor zu dienen, wobei der Motor (1) ferner eine Steuereinheit umfasst, die dazu ausgestaltet ist, jede Wicklung (5) mit einem Wechselstrom mit einer vorbestimmten Wechselstromfrequenz zu versorgen, wobei die Wechselstromfrequenz dem mathematischen Produkt aus Drehfrequenz des Motors (1) und dem Zweifachen der Anzahl der Magnetkerne (8) eines Rahmens (6,7) entspricht.
Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetkerne (8) geblecht sind.
Motor (1) gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der Motor (1) dazu ausgerichtet ist, im Betrieb eine Stromzufuhr zu den Wicklungen (5) zusätzlich zu der Wechselstromfrequenz intermittierend ein- und auszuschalten, sodass eine höhere Schaltfrequenz erreicht wird, insbesondere eine Schaltfrequenz von mindestens 1kHz.
Verwendung eines Motors (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem externen Magnetfeld (2), wobei der Motor so in dem externen Magnetfeld (2) ausgerichtet ist, dass die Feldlinien des externen Magnetfelds (2) parallel zu der Rotorachse (10) verlaufen.
Verwendung eines Motors (1) gemäß Anspruch 13, wobei der Motor in oder an einem Magnetresonanz-System verwendet wird.
Verwendung eines Motors (1) gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der Motor (1) zum Antrieb eines Lüfters ausgelegt ist.