EP0612096A1 - Antriebsvorrichtung für eine Drehanode - Google Patents

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EP0612096A1
EP0612096A1 EP94200323A EP94200323A EP0612096A1 EP 0612096 A1 EP0612096 A1 EP 0612096A1 EP 94200323 A EP94200323 A EP 94200323A EP 94200323 A EP94200323 A EP 94200323A EP 0612096 A1 EP0612096 A1 EP 0612096A1
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motor
drive
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    • H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08—Electrical details
    • H05G1/66—Circuit arrangements for X-ray tubes with target movable relatively to the anode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/101—Arrangements for rotating anodes, e.g. supporting means, means for greasing, means for sealing the axle or means for shielding or protecting the driving
    • H01J35/1017—Bearings for rotating anodes
    • H01J35/1024—Rolling bearings

Definitions

  • the invention relates to a drive device for the rotating anode of an X-ray tube with a drive motor with stator and rotor, which are operated at anode potential, a rotor shaft driving the rotating anode.
  • the object is achieved in that the rotor of the drive motor is designed as an external rotor and the motor is fed by means of a potential-isolating transmission device.
  • a further substantial reduction in the volume of the motor can be achieved in that the rotor as Outrunner is realized. Since the torque of the motor is essentially determined by the bore area, the total volume of the motor is determined by the motor parts lying outside the bore area at the desired torque. A stator lying outside the bore area is now of substantially larger size than a rotor lying outside the bore area, in particular if, according to a preferred embodiment of the invention, the rotor consists of one or more concentric metal cylinders.
  • the external rotor also has the advantage of a higher moment of inertia compared to an internal rotor, so that in the event of malfunctions in the electronics that feed the motor, e.g. due to high electromagnetic fields, as are typical in X-ray tubes, smaller speed fluctuations will occur. A speed control can then be dispensed with or can be carried out more simply.
  • the external rotor shields the motor's electromagnetic field better against the electron and X-ray beam than with an external stator. This is especially the case if, according to a further embodiment of the invention, the rotor length is greater than the laminated core length of the stator, but less than the total length of the stator. The torque is additionally increased by this rotor arrangement.
  • the stator interior is drilled through to allow the introduction of cooling liquid, for example oil. Drilling the inside of the stator does not adversely affect the motor properties. The However, coolant can be transported to the desired locations.
  • cooling liquid for example oil
  • the rotor cylinder consists of copper.
  • the external rotor also has such small dimensions that there are no strength problems at high speeds (for example between 3000 rpm and 20,000 rpm) in the rotor designed as a copper cylinder .
  • a rotating anode drive can be realized which has a power factor of 0.4 to 0.5 and an efficiency of 40% to 60%. This leads to significant cost reductions in the motor's power supply and in the cooling device of the X-ray tube.
  • the drive motor is supplied via an isolating transformer arrangement or via a potential-isolating DC / DC converter.
  • the drive of the drive motor is guaranteed by the potential isolation by means of an isolating transformer arrangement or a potential-isolating DC / DC converter.
  • volume must be made available for the isolating transformer and DC / DC converter. Due to the spatial separation of motor and electrical isolation, a lower total volume is achieved and this total volume can be more skillfully distributed throughout the device.
  • the rotor is vacuum-separated from the stator by means of a non-magnetic separating layer which also supports the stator laminated core, the separating layer consisting for example of nickel-chromium steel, ceramic or glass.
  • the rotor 5b of the drive motor 5 is located inside the vacuum chamber 3 .
  • the separation from the vacuum chamber 3 is realized in the gap of the motor 5 by the separating layer 4, which can be made, for example, of stainless steel, ceramic or glass.
  • This separating layer 4 also serves to receive the stationary stator laminate 5d.
  • the stator winding 5c is inserted into the slots of this stator lamination stack 5d.
  • Stator winding 5c and stator laminated core 5d form the stator 5a of the drive motor 5.
  • the rotor 5b consists of two different materials, a copper cylinder 5e and an iron cylinder 5f surrounding it.
  • the drive motor 5 drives the rotating anode 7 via a shaft 6.
  • the bearing 7a of the shaft 6 is designed as a ball bearing, but can also be a sliding or a spiral groove bearing.
  • the motor supply takes place via electrically isolating transmission devices according to FIG. 2 or 3.
  • the electrically isolating transmission device according to FIG. 2 consists of a rectifier 11 connected to mains terminals 10a and 10b, an adjoining inverter 12 and an isolating transformer device 13 with the isolating transformer coils 13a and 13b.
  • a frame 14 indicates that the coil 13b and the motor 5 are in the high-voltage region of the X-ray tube.
  • the part of the inverter on the AC side, as well as the coils 13a and 13b and the motor 5 are of three-phase design.
  • FIG. 3 shows another variant of the transmission device.
  • an alternating voltage is supplied to the rectifier 11 via the terminals 10a and 10b, which converts the supplied alternating current into a direct current and forms one DC / DC converter 15 feeds.
  • the DC / DC converter 15 has an inverter part 15a, a rectifier part 15b and an isolating transformer part 15c.
  • the isolating transformer part 15c has two coils 15d and 15e.
  • the rectifier part 15b supplies a DC voltage to an inverter 12, which converts the DC voltage supplied to it into a three-phase AC voltage system and outputs it to the motor 5.
  • the high-voltage region, outlined by line 14, coil 15e and rectifier part 15b of DC / DC converter 15 includes inverter 12 and motor 5.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für die Drehanode einer Röntgenröhre mit einem Antriebsmotor (5) mit Stator (5a) und Rotor (5b), die auf Anodenpotential betrieben werden, wobei die Rotorwelle (6) die Drehanode (7) antreibt, wobei der Rotor (5b) des Antriebsmotors (5) als Außenläufer ausgebildet ist und die Speisung des Motors (5) mittels einer potentialtrennenden Übertragungsvorrichtung erfolgt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für die Drehanode einer Röntgenröhre mit einem Antriebsmotor mit Stator und Rotor, die auf Anodenpotential betrieben werden, wobei eine Rotorwelle die Drehanode antreibt.
  • Aus der US-PS 41 88 559 ist es bekannt, zum Antrieb der Drehanode einer Röntgenröhre einen elektrischen Innenläufermotor zu verwenden, wobei der gesamte Motor auf Anodenpotential liegt. Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß zwischen dem Rotor und Stator nur ein kleiner Spalt notwendig ist. Insgesamt ist die Anordnung aber, da ein außen liegender Stator verwendet wird, relativ großbauend.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die weniger kostenintensiv und kleinbauender gestaltet werden kann.
  • Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotor des Antriebsmotors als Außenläufer ausgebildet ist und die Speisung des Motors mittels einer potentialtrennenden Übertragungsvorrichtung erfolgt.
  • Durch den Betrieb des Motors über eine potentialtrennende Übertragungsvorrichtung ist zwischen Stator und Rotor ein kleinerer Spalt notwendig, als wenn dieser Spalt zusätzlich die Potentialtrennung von mehreren kV gewährleisten sollte. Aufgrund dieses kleineren Spaltes kann der Motor bereits kleinbauender realisiert werden.
  • Eine weitere wesentliche Verringerung des Volumens des Motors kann dadurch erzielt werden, daß der Rotor als Außenläufer realisiert wird. Da das Drehmoment des Motors im wesentlichen durch die Bohrungsfläche bestimmt wird, wird das Gesamtvolumen des Motors bei festgelegtem gewünschtem Drehmoment durch die außerhalb der Bohrungsfläche liegenden Motorteile bestimmt. Ein außerhalb der Bohrungsfläche liegender Stator ist nun wesentlich großbauender als ein außerhalb der Bohrungsfläche liegender Rotor, insbesondere, wenn nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Rotor aus einem oder mehreren konzentrischen Metallzylindern besteht.
  • Der außen liegende Rotor hat zudem den Vorteil eines höheren Massenträgheitsmomentes gegenüber einem innen liegenden Rotor, so daß bei Störungen in der den Motor speisenden Elektronik, z.B. durch hohe elektromagnetische Felder, wie sie in Röntgenröhren typisch sind, kleinere Drehzahlschwankungen auftreten werden. Somit kann dann auf eine Drehzahlregelung verzichtet werden oder diese einfacher ausgeführt werden.
  • Durch den außenliegenden Rotor wird das elektromagnetische Feld des Motors besser gegenüber dem Elektronen- und Röntgenstrahl abgeschirmt als bei einem außenliegenden Stator. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Rotorlänge größer als die Blechpaketlänge des Stators ist, aber kleiner als die Gesamtlänge des Stators. Durch diese Rotoranordnung wird das Drehmoment zusätzlich erhöht.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Statorinnenraum durchbohrt ist, um das Einleiten von Kühlflüssigkeit, beispielsweise Öl, zu ermöglichen. Durch die Aufbohrung des Statorinneren werden die Motoreigenschaften nicht negativ beeinflußt. Die Kühlflüssigkeit kann aber an die gewünschten Stellen transportiert werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Rotorzylinder aus Kupfer besteht. Infolge des geringen Spaltes zwischen Stator und Rotor aufgrund der Speisung auf Anodenpotential besitzt auch der außen liegende Rotor noch so geringe Abmessungen, daß in dem als Kupferzylinder ausgebildeten Rotor keine Festigkeitsprobleme bei hohen Drehzahlen (beispielsweise zwischen 3000 U/min und 20000 U/min) auftreten. Es ist aber auch möglich, den Rotor aus zwei konzentrischen Metallzylindern aufzubauen, wobei der Kupferzylinder auf der vom Spalt abgewandten Seite von einem Eisenzylinder umgeben ist. Trotz der unterschiedlichen Ausdehnung der beiden Materialien infolge Wärmedehnung und Rotationsdehnung ist eine Verbindung der beiden Rotorschichten möglich, da sich der innen liegende Kupferzylinder stärker dehnt als der außen liegende Eisenzylinder. Diese Verbindung der beiden Zylinder vergrößert das Drehmoment und verringert die Verluste. Bei Innenläuferrotoren ist eine solche Verbindung der beiden Metallzylinder aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung dagegen nicht möglich. Die Motoreigenschaften von Motoren mit innen liegendem Rotor sind deshalb für diesen Anwendungsfall schlechter.
  • Mit Hilfe der beschriebenen Anordnung läßt sich ein Drehanodenantrieb realisieren, der einen Leistungsfaktor von 0,4 bis 0,5 und einen Wirkungsgrad von 40% bis 60% besitzt. Dies führt zu deutlichen Aufwandreduzierungen im Speisegerät des Motors und in der Kühleinrichtung der Röntgenröhre.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Speisung des Antriebsmotors über eine Trenntransformatoranordnung oder über einen potentialtrennenden DC/DC-Wandler erfolgt. Durch die Potentialtrennung mittels einer Trenntransformatoranordnung oder eines potentialtrennenden DC/DC-Wandlers ist der Antrieb des Antriebsmotor gewährleistet. Zwar muß auch hier für Trenntransformator und DC/DC-Wandler Volumen zur Verfügung gestellt werden. Durch die räumliche Trennung von Motor und Potentialtrennung wird aber ein geringeres Gesamtvolumen erzielt und kann dieses Gesamtvolumen geschickter in dem gesamten Gerät verteilt werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Rotor vom Stator mittels einer unmagnetischen Trennschicht vakummäßig getrennt ist, die zugleich das Statorblechpaket abstützt, wobei die Trennschicht beispielsweise aus Nickel-Chrom-Stahl, Keramik oder Glas besteht.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine Antriebsvorrichtung für eine Drehanode einer Röntgenröhre,
    • Fig. 2 die Speisung des Antriebsmotors über eine Trenntransformatoranordnung,
    • Fig. 3 die Speisung des Antriebsmotors über eine potentialtrennende DC/DC-Wandleranordnung.
  • Fig. 1 zeigt einen Teil einer Röntgenröhre mit einem auf Erdpotential liegenden Röhrenteil 1, einem Isolator 2 und einer Vakuumkammer 3. Innerhalb der Vakuumkammer 3 befindet sich der Rotor 5b des Antriebsmotors 5. Die Trennung zur Vakuumkammer 3 wird im Spalt des Motors 5 durch die Trennschicht 4 realisiert, die z.B. aus CrNi-Stahl, Keramik oder Glas bestehen kann. Diese Trennschicht 4 dient gleichzeitig zur Aufnahme des ortsfesten Statorblechpaketes 5d. In die Nuten dieses Statorblechpaketes 5d ist die Statorwicklung 5c eingelegt. Statorwicklung 5c und Statorblechpaket 5d bilden den Stator 5a des Antriebsmotors 5. Der Rotor 5b besteht aus zwei unterschiedlichen Materialien, einem Kupferzylinder 5e und einem diesen umschließenden Eisenzylinder 5f. Der Antriebsmotor 5 treibt die Drehanode 7 über eine Welle 6 an. Die Lagerung 7a der Welle 6 ist als Kugellager ausgebildet, kann aber auch eine Gleit- oder eine Spiralrillenlagerung sein.
  • Die Motorspeisung erfolgt über potentialtrennende Übertragungseinrichtungen nach Fig. 2 oder 3. Die potentialtrennende Übertragungseinrichtung nach Fig. 2 besteht aus einem an Netzklemmen 10a und 10b angeschlossenen Gleichrichter 11, einem sich daran anschließenden Wechselrichter 12 und einer Trenntransformatoreinrichtung 13 mit den Trenntransformatorspulen 13a und 13b. Durch einen Rahmen 14 ist angedeutet, daß sich die Spule 13b und der Motor 5 im Hochspannungsbereich der Röntgenröhre befinden. Der wechselstromseitige Teil des Wechselrichters sowie die Spulen 13a und 13b und der Motor 5 sind dreiphasig ausgebildet.
  • Fig. 3 zeigt eine andere Variante der Übertragungsvorrichtung. Wie in Fig. 2 wird über die Klemmen 10a und 10b eine Wechselspannung an den Gleichrichter 11 abgegeben, der den zugeführten Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt und einem DC/DC-Wandler 15 zuleitet. Der DC/DC-Wandler 15 hat einen Wechselrichterteil 15a, einen Gleichrichterteil 15b und einen Trenntransformatorteil 15c. Der Trenntransformatorteil 15c besitzt zwei Spulen 15d und 15e. Der Gleichrichterteil 15b liefert eine Gleichspannung an einen Wechselrichter 12, der die ihm zugeführte Gleichspannung in ein dreiphasiges Wechselspannungssystem umwandelt und an den Motor 5 abgibt. Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß der Hochspannungsbereich, umrissen durch die Linie 14, die Spule 15e und den Gleichrichterteil 15b des DC/DC-Wandlers 15, den Wechselrichter 12 und den Motor 5 umfaßt.

Claims (12)

  1. Antriebsvorrichtung für eine Drehanode einer Röntgenröhre mit einem Antriebsmotor (5) mit Stator (5a) und Rotor (5b), die auf Anodenpotential betrieben werden, wobei die Rotorwelle (6) die Drehanode (7) antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (5b) des Antriebsmotors (5) als Außenläufer ausgebildet ist und die Speisung des Motors (5) mittels einer potentialtrennenden Übertragungsvorrichtung erfolgt.
  2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Antriebsmotors (5) über eine Trenntransformatoranordnung (13) erfolgt.
  3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Antriebsmotors (5) über einen potentialtrennenden DC/DC-Wandler (15) erfolgt.
  4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorlänge gleich oder größer als die Blechpaketlänge des Stators, aber kleiner als die Gesamtlänge des Stators ist.
  5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorlänge kleiner als die Blechpaketlänge des Stators ist.
  6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorinnenraum durchbohrt ist, um das Einleiten von Kühlflüssigkeit zu ermöglichen.
  7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (5b) ein reiner Kupfer-, Eisen- oder Aluminiumzylinder ist.
  8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (5b) aus Kupfer oder Aluminium (5e) auf der vom Spalt abgelegenen Seite von Eisen (5f) umgeben ist.
  9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als Käfigläufer ausgebildet ist.
  10. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor vom Stator mittels einer unmagnetischen Trennschicht vakuummäßig getrennt ist, die zugleich das Statorblechpaket abstützt.
  11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht aus Nickel-Chrom-Stahl, Keramik oder Glas besteht.
  12. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialtrennende Übertragungseinrichtung aus dem Einphasen-Netz, aus dem Dreiphasen-Netz oder aus der in einer Röntgenröhre vorhandenen Gleichspannung gespeist wird.
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