WO2014009034A1 - Drehanodenanordnung und röntgenröhre - Google Patents

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WO2014009034A1
WO2014009034A1 PCT/EP2013/058528 EP2013058528W WO2014009034A1 WO 2014009034 A1 WO2014009034 A1 WO 2014009034A1 EP 2013058528 W EP2013058528 W EP 2013058528W WO 2014009034 A1 WO2014009034 A1 WO 2014009034A1
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rotor
stator
rotary anode
ray tube
anode
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PCT/EP2013/058528
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Inventor
Zeljko Jajtic
Thomas Weidinger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01J2235/1073—Magnetic bearings

Definitions

  • the invention relates to an arrangement with a rotary anode, with a rotor for driving the rotary anode and with a stator which exerts a torque on the rotor by means of magnetic force.
  • the invention also relates to an X-ray tube with this rotary anode arrangement.
  • X-radiation is typically produced by bombarding an anode with an electron beam emanating from a cathode.
  • the cathode and the anode are arranged in a vacuum housing of an X-ray tube.
  • x-ray tubes are equipped with a rotating anode which rotates under the incident electron beam to avoid a stationary focal spot with respect to the anode.
  • the focal spot that is to say the point at which the electron beam impinges on the anode surface, shifts over the anode surface along the view of a coordinate system rotating with the rotary anode along a circular path.
  • the heat loss generated by the impact of the electron beam is distributed relatively uniformly on the anode surface, whereby a possible material overheating is counteracted in the focal spot.
  • the X-ray rotary anode of known X-ray tubes is driven by means of an asynchronous motor, which is fed by an inverter.
  • the rotor of the asynchronous motor coupled to the rotary anode is located inside the vacuum envelope of the x-ray tube.
  • Such a drive device is disclosed for example in DE 197 52 114 AI.
  • the stator of the asynchronous motor for example, three are offset by 120 ° to each other windings.
  • the rotor consists of a magnetic return, and an electrically conductive material, which is arranged as a cage or bell. The magnetic feedback can also be performed firmly.
  • a rotating magnetic field is formed in the stator of the motor. This magnetic field passes through the rotor.
  • the rotating magnetic field induces an electrical voltage in the conductors of the rotor. Since the conductors are short-circuited due to their cage design, the induced voltage causes current flow in the rotor.
  • the rotor current builds up its own magnetic field, which interacts with the rotating magnetic field of the stator. A torque acts on the rotor causing the rotor to rotate and follow the rotation of the stator field.
  • the rotor does not follow the rotating magnetic stator field synchronously, but rotates at a slower speed.
  • the relative movement of the rotor and the stator field is necessary because only then a current flow is induced in the rotor and the rotor can build its own magnetic field.
  • the rotor thus rotates "asynchronously" to the stator field. Slippage occurs between the frequency of the stator field and the rotational frequency of the rotor.
  • the size of the slip depends on the load and the size of the air gap between the rotor and the stator. At idle, the slip is low.
  • the air gap between the windings of the stator and the rotor is very small in conventional asynchronous motors.
  • a mechanically large air gap is desirable because between the stator and the rotor is a tube sleeve, which ensures the tube vacuum. If the rotor is additionally still at high voltage potential, an even greater distance must be maintained in relation to the stator in order to ensure electrical insulation.
  • the large air gap between the rotor and the stator causes the magne- table flux density of the stator is small at the location of the rotor. The available torque is low because the Lorenzkraft on the rotor is small compared to a conventional asynchronous motor.
  • an asynchronous machine with a large air gap has a power factor of less than 0.5. That is, the motor consumes a lot of reactive power, which makes the current amplitude very high. Therefore, DE 10 2011 077 746 A1 proposes to equip a rotary anode of an X-ray tube with a synchronous drive.
  • a rotor with a permanent-magnetic material is used. When the rotor is magnetized, the permanent magnets generate a magnetic field with respect to the rotor. The rotor rotates synchronously with a magnetic rotating field generated by a stator.
  • DE 10 2011 077 746 A1 discloses a rotary anode for an X-ray tube with a rotor for driving the rotary anode, wherein a magnetic field of a stator winding on at least one permanent magnet arranged in the rotor exerts a torque.
  • the advantage of the synchronous drive is that eddy current losses are minimized in the rotor and the power factor cos ⁇ approaches 1. This allows a rotary anode to be driven more efficiently.
  • Figure 1 shows a longitudinal section of the X-ray tube with a synchronous drive according to DE 10 2011 077 746 AI.
  • the rotary anode 4 comprises an anode plate 41, which is connected by a shaft 42 to a rotor 43 of an electric motor.
  • a rotor 43 of an electric motor Arranged in the rotor material 45 of the rotor 43 are magnetized permanent magnets 44, which generate a magnetic field which rotates with the rotor 43.
  • a starter 5 surrounds the tubular casing 2 in the immediate vicinity of the rotor 4.
  • the stator 5 generates with its current flowing through the stator windings 51 a rotating around the tube shell 2 magnetic field, which exerts a torque on the rotor 43 and thus the rotary anode 4 in a synchronous rotation corresponding to the comments on Figure 1 offset.
  • the stator windings 51 are arranged in a sheet-metal package 52.
  • the electron beam 6 emitted by the cathode is accelerated toward the anode plate 41 and generates an X-ray radiation 7 when it strikes the anode plate 41 by deceleration which leaves the X-ray tube 1 through a beam window 8 in the tube envelope 2.
  • the patent US 4 322 624 A discloses a rotary anode with an electromotive rotary anode drive comprising a coil and a permanent magnet.
  • the publication WO 2010/136325 A2 discloses an axial hybrid bearing, which consists of a permanent magnetic bearing for generating a repulsive force and an electromagnetic part for generating an attractive force. Summary of the invention
  • the core of the invention is to drive a rotary anode according to the principle of a synchronous motor, wherein a stator for generating a magnetic exciter field, the chained the stator with a rotor, permanent magnets and coils.
  • the rotor has only a soft magnetic structure. This eliminates those portions of the losses in the copper of a stator coil and in the copper cylinder of the rotor, which would occur in a comparable asynchronous machine by the current to generate a magnetic excitation flux. It is also advantageous that a large air gap is possible, so that sufficient space can be provided for the tubular casing.
  • the rotor has no permanent magnets whose magnetic properties at the high temperatures to which the rotor is exposed during operation and during manufacture, can be permanently deteriorated.
  • the invention claims a rotary anode arrangement with a rotary anode, with a stator having a stator housing, which exerts a torque on the rotor, with a plurality of coils arranged in the stator for generating a first magnetic field, with a plurality of permanent magnets arranged in the stator for generating a second magnetic field and with a arranged inside the stator rotor for driving the rotary anode.
  • Coils and the permanent magnets are arranged along the circumference of the stator housing, wherein in each case a permanent magnet (152) within each one coil (151) is arranged.
  • the rotor is designed for a magnetic return and free of magnetic sources, and the rotor has a toothed structure in the direction of rotation of the rotor.
  • the invention offers the advantage that lower losses occur than with asynchronous motors because of this synchronous drive arrangement, because no current has to be used to generate a magnetic flux in the rotor.
  • the effect factor cos ⁇ is close to 1, which in turn leads to lower currents and thus to lower losses in an upstream converter.
  • the space can be significantly reduced, since the permanent-magnet synchronous motor has a significantly higher electromagnetic utilization than a comparable asynchronous motor. The improved efficiency also contributes to the reduction of the required installation space.
  • the rotor comprises a first soft magnetic material.
  • the arrangement comprises a plurality of stator tooth modules which are arranged at regular intervals along the circumference of the stator housing, the stator tooth modules each consisting of two stator tooth halves of a second soft magnetic material), wherein between the Statorzahnhbankn the permanent magnets are arranged and wherein by two Statorzahnhbankn and the intermediate permanent magnet in each case a coil is wound.
  • the rotary anode may comprise an anode plate and a shaft carrying the anode plate, wherein the shaft is connected to the rotor.
  • the invention also claims an X-ray tube having a rotary anode arrangement according to the invention, wherein the rotor within an X-ray envelope of the X-ray tube and the stator are arranged outside the X-ray envelope of the X-ray tube (101).
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an X-ray tube according to FIG.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through an X-ray tube with a rotary anode arrangement according to the invention
  • FIG. 3 shows a cross section through the stator and rotor of the rotary anode arrangement.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through an X-ray tube 101 with a rotary anode arrangement according to the invention.
  • an evacuated tube shell 102 of the x-ray tube 101 is an electron-emitting cathode 103 and a rotary anode 104 opposite thereto.
  • the rotary anode 104 comprises an anode plate 141, which is connected by a shaft 142 to a rotor 143 of an electric motor.
  • the rotor 143 is formed of a first soft magnetic material. Soft magnetic materials are for example electric or dynamo sheets or SMC materials.
  • a stator 105 encloses the tube shell 102 in the immediate vicinity of the rotor 104.
  • the stator 105 comprises a plurality of permanent magnets 152 arranged along its circumference, which generate a second magnetic field which acts as a field of excitation on the soft magnetic rotor 143.
  • the stator 105 with coils 151 flowing through the circumference, generates at least one first magnetic field rotating about the tube shell 102.
  • the permanent magnets 152 are arranged in a second soft magnetic material 153.
  • the electron beam 106 emitted by the cathode is accelerated onto the anode plate 141 and, when it strikes the anode plate 141, generates an x-radiation 107 by braking, which leaves the x-ray tube 101 through a beam window 108 in the tube envelope 102.
  • FIG. 3 shows a cross section through the stator 105 and the rotor 143 of the rotary anode arrangement according to the invention according to FIG. 2.
  • the stator 105 comprises a magnetically nonconductive cylindrical stator housing 154 in which stator tooth modules 157, consisting of stator tooth halves, are arranged at regular intervals along the circumference of the stator housing 154 155 of a second soft magnetic material 153, for example, motor plates, are arranged. Between the stator tooth halves 155 permanent magnets 152 are arranged in alternating polarity. In each case two stator tooth halves 155 and a permanent magnet 152, a coil 151 made of copper wire is wound, which forms a toothed coil 156. The coils 151 generate a first magnetic field when current flows through, the permanent magnets 152 generate a second magnetic field. Both magnetic fields close over the rotor 143, which thus forms a portion of a magnetic circuit of an electric machine.
  • the first soft magnetic material of the rotor 143 has a regular tooth-shaped structure. By interaction of the two magnetic fields and the rotor 143 creates a force acting on the rotor 143 torque, which is used to drive the rotary anode.
  • the stator 105 consists of six wound stator tooth modules 157, in the middle thereof in radial upright edges. ge each a permanent magnet 152 is introduced.
  • the stator tooth modules 157 are individually wound, and then the stator 105 is composed of the wound stator tooth modules 157.
  • the individual coils 151 of the stator 105 thus formed are switched to a three-stranded motor winding.
  • the operating behavior and the control of the motor are due to a sinusoidally induced voltage equal to any known permanent magnet synchronous machine.

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Abstract

Die Erfindung gibt eine Drehanodenanordnung mit einer Drehanode (104), einem Rotor (143) zum Antrieb der Drehanode (104) und einem Stator (105), der ein Drehmoment auf den Rotor (143) ausübt, an. Der Stator (105) umfasst mindestens eine Spule (151) zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds und mindestens einen Permanentmagneten (152) zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds. Die Erfindung gibt auch eine Röntgenröhre mit der erfindungsgemäßen Drehanodenanordnung an. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass bei einem durch Permanentmagnete erregten Synchronmotor eine hohe elektromagnetische Ausnutzung möglich ist.

Description

Beschreibung
Drehanodenanordnung und Röntgenröhre Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Drehanode, mit einem Rotor zum Antrieb der Drehanode und mit einem Stator, der mittels magnetischer Kraft ein Drehmoment auf den Rotor ausübt. Die Erfindung betrifft auch eine Röntgenröhre mit dieser Drehanodenanordnung.
Hintergrund der Erfindung Röntgenstrahlung wird in der Regel durch Beschuss einer Anode mit einem von einer Kathode ausgehenden Elektronenstrahl erzeugt. Die Kathode und die Anode sind dabei in einem Vakuumgehäuse einer Röntgenröhre angeordnet. Üblicherweise sind Röntgenröhren mit einer Drehanode ausgestattet, die sich un- ter dem auftreffenden Elektronenstrahl wegdreht, um einen bezüglich der Anode stationären Brennfleck zu vermeiden. Der Brennfleck, das heißt der Punkt, an dem der Elektronenstrahl auf der Anodenoberfläche auftrifft, verschiebt sich aus Sicht eines mit der Drehanode rotierenden Koordinatensystems ent- lang einer kreisförmigen Bahn über die Anodenoberfläche. Dadurch wird die beim Auftreffen des Elektronenstrahls erzeugte Verlustwärme vergleichsweise gleichmäßig auf die Anodenoberfläche verteilt, wodurch einer möglichen Materialüberhitzung im Brennfleck entgegengewirkt wird.
Die Röntgen-Drehanode bekannter Röntgenröhren wird mittels eines Asynchronmotors angetrieben, der von einem Wechselrichter gespeist wird. Der mit der Drehanode gekoppelte Rotor des Asynchronmotors befindet sich innerhalb des Vakuumkolbens der Röntgenröhre. Eine derartige Antriebsvorrichtung ist beispielsweise in der DE 197 52 114 AI offenbart. Im Stator des Asynchronmotors sind beispielsweise drei um 120° gegeneinander versetzte Wicklungen angeordnet. Der Rotor besteht aus einer magnetischen Rückführung, und einem elektrisch leitfähigem Material, das als Käfig oder Glocke ange- ordnet ist. Die magnetische Rückführung kann auch fest ausgeführt sein. Fließt in den Wicklungen des Stators ein sinusförmiger elektrischer Strom und besteht zwischen den Strömen eine Phasenverschiebung von 120°, bildet sich im Stator des Motors ein rotierendes Magnetfeld aus. Dieses Magnetfeld durchsetzt den Rotor. Das rotierende Magnetfeld induziert in den Leitern des Rotors eine elektrische Spannung. Da die Leiter aufgrund ihrer Ausführung als Käfig kurzgeschlossen sind, bewirkt die induzierte Spannung einen Stromfluss im Rotor. Der Rotorstrom baut ein eigenes Magnetfeld auf, das mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators in Wechselwirkung tritt. Auf den Rotor wirkt ein Drehmoment, wodurch der Rotor eine Drehbewegung ausführt und der Rotation des Statorfelds folgt.
Der Rotor folgt dem rotierenden magnetischen Statorfeld aber nicht synchron, sondern dreht sich mit einer geringeren Geschwindigkeit. Die Relativbewegung von Rotor und Statorfeld ist notwendig, da nur dann ein Stromfluss im Rotor induziert wird und der Rotor sein eigenes Magnetfeld aufbauen kann. Der Rotor dreht sich somit "asynchron" zum Statorfeld. Zwischen der Frequenz des Statorfelds und der Drehfrequenz des Rotors tritt ein Schlupf auf. Die Größe des Schlupfs ist von der Belastung und von der Größe des Luftspalts zwischen Rotor und Stator abhängig. Im Leerlauf ist der Schlupf nur gering. Der Luftspalt zwischen den Wicklungen des Stators und dem Rotor ist bei konventionellen Asynchronmotoren sehr klein. Bei einer Röntgenröhre ist aber ein mechanisch großer Luftspalt erwünscht, da zwischen dem Stator und dem Rotor eine Röhrenhülle liegt, die das Röhrenvakuum sicherstellt. Befindet sich der Rotor zusätzlich noch auf Hochspannungspotenzial muss gegenüber dem Stator ein noch größerer Abstand eingehalten werden, um die elektrische Isolation zu gewährleisten. Der große Luftspalt zwischen Rotor und Stator bewirkt, dass die magne- tische Flussdichte des Stators am Ort des Rotors klein ist. Das verfügbare Drehmoment ist gering, da die Lorenzkraft auf den Rotor im Vergleich zu einem üblichen Asynchronmotor klein ist .
Problematisch sind auch die Wirbelströme im Rotor einer Asynchronmaschine, da sie zusätzliche Verlustwärme in der Röntgenröhre erzeugen. Die Wärme des Rotors muss abgeführt werden, was infolge des herrschenden Vakuums schwierig ist. Zu- sätzlich führt die Erwärmung zu einer Vergrößerung des spezifischen ohmschen Widerstands des Rotormaterials, wodurch das Drehmoment auf den Rotor zusätzlich verringert wird.
Grundsätzlich hat eine Asynchronmaschine mit großem Luftspalt einen Leistungsfaktor kleiner 0,5. Das heißt, der Motor nimmt viel Blindleistung auf, wodurch die Stromamplitude sehr hoch wird. Daher wird in der Offenlegungsschrift DE 10 2011 077 746 AI vorgeschlagen, eine Drehanode einer Röntgenröhre mit einem Synchronantrieb auszustatten. An Stelle eines Kurz- schlussrotors eines Asynchronantriebs wird ein Rotor mit einem dauermagnetischen Material verwendet. Ist der Rotor auf- magnetisiert erzeugen die Dauermagnete ein bezüglich des Rotors stehendes Magnetfeld. Der Rotor dreht sich synchron mit einem von einem Stator erzeugten magnetischen Drehfeld.
Die DE 10 2011 077 746 AI offenbart eine Drehanode für eine Röntgenröhre mit einem Rotor zum Antrieb der Drehanode, wobei ein Magnetfeld einer Statorwicklung auf mindestens einen im Rotor angeordneten Dauermagneten ein Drehmoment ausübt. Der Vorteil des synchronen Antriebs besteht darin, dass im Rotor Wirbelstromverluste minimiert werden und der Leistungsfaktor cos φ gegen 1 geht. Dadurch kann eine Drehanode effizienter angetrieben werden. Figur 1 zeigt einen Längsschnitt der Röntgenröhre mit einem Synchronantrieb gemäß DE 10 2011 077 746 AI. In einer evakuierten Röhrenhülle 2 einer Röntgenröhre 1 befindet sich eine Elektronen emittierende Kathode 3 und eine ihr gegenüberlie- gegenüberliegende Drehanode 4. Die Drehanode 4 umfasst einen Anodenteller 41, der durch eine Welle 42 mit einem Rotor 43 eines Elektromotors verbunden ist. In dem Rotormaterial 45 des Rotors 43 sind aufmagnetisierte Dauermagnete 44 angeord- net, die ein mit dem Rotor 43 sich mitdrehendes Magnetfeld erzeugen .
Außerhalb der Röhrenhülle 2 umschließt ein Staror 5 die Röhrenhülle 2 in unmittelbarer Nähre zum Rotor 4. Der Stator 5 erzeugt mit seinen Strom durchflossenen Statorwicklungen 51 ein um die Röhrenhülle 2 rotierendes Magnetfeld, das auf den Rotor 43 ein Drehmoment ausübt und somit die Drehanode 4 in eine synchrone Drehung entsprechend den Ausführungen zu Figur 1 versetzt. Die Statorwicklungen 51 sind in einem Blech- paket 52 angeordnet.
Der von der Kathode emittierte Elektronenstrahl 6 wird auf den Anodenteller 41 hin beschleunigt und erzeugt beim Auftreffen auf den Anodenteller 41 durch Abbremsung eine Rönt- genstrahlung 7, die durch ein Strahlenfenster 8 in der Röhrenhülle 2 die Röntgenröhre 1 verlässt.
Problematisch für den Permanentmagneten des Rotors können die im Betrieb der Röntgenröhre auftretenden Temperaturen von über 300 °C und die Temperaturen bei der Herstellung der Röntgenröhre von bis zu 600 °C sein.
Die Patentschrift US 4 322 624 A offenbart eine Drehanode mit einem eine Spule und einen Permanentmagneten umfassenden elektromotorischen Drehanodenantrieb.
Die Offenlegungsschrift WO 2010/136325 A2 offenbart ein axiales Hybridlager, das aus einem permanentmagnetischen Lager zur Erzeugung einer abstoßenden Kraft und einem elektromagne- tischen Teil zur Erzeugung einer anziehenden Kraft besteht. Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine weitere Drehanodenanordnung anzugeben, die eine Alternative zu bekannten Lösun- gen darstellt.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Drehanodenanordnung und der Röntgenröhre der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung besteht darin, eine Drehanode nach dem Prinzip eines Synchronmotors anzutreiben, wobei ein Stator zur Erzeugung eines magnetischen Erregerfeldes, das den Sta- tor mit einem Rotor verkettet, Permanentmagnete und Spulen umfasst. Der Rotor weist lediglich eine weichmagnetische Struktur auf. Dadurch entfallen diejenigen Verlustanteile im Kupfer einer Statorspule und im Kupferzylinder des Rotors, die bei einer vergleichbaren Asynchronmaschine durch den Strom zur Erzeugung eines magnetischen Erregerflusses anfallen würden. Vorteilhaft ist auch, dass ein großer Luftspalt möglich ist, so dass ausreichend Platz für die Röhrenhülle bereitgestellt werden kann. Vorteilhaft besitzt der Rotor keine Permanentmagnete, deren magnetische Eigenschaften bei den hohen Temperaturen, denen der Rotor im Betrieb und bei der Herstellung ausgesetzt ist, nachhaltig verschlechtert werden können .
Die Erfindung beansprucht eine Drehanodenanordnung mit einer Drehanode, mit einem Stator mit einem Statorgehäuse, der ein Drehmoment auf den Rotor ausübt, mit mehreren im Stator angeordneten Spulen zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds, mit mehreren im Stator angeordneten Permanentmagneten zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds und mit einem innerhalb des Stators angeordneten Rotor zum Antrieb der Drehanode. Die
Spulen und die Permanentmagnete sind entlang des Umfangs des Statorgehäuses angeordnet, wobei jeweils ein Permanentmagnet (152) innerhalb jeweils einer Spule (151) angeordnet ist. Der Rotor ist für einen magnetischen Rückschluss ausgebildet und frei von magnetischen Quellen, und der Rotor weist eine gezahnte Struktur in Drehrichtung des Rotors auf. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch diese synchrone Antriebsanordnung geringere Verluste als bei Asynchronmotoren auftreten, weil kein Strom zur Erzeugung eines magnetischen Flusses im Rotor verwendet werden muss. Außerdem liegt der Wirkungsfaktor cos φ nahe bei 1, was wiederum zu geringeren Strömen und damit zu geringeren Verlusten in einem vorgeschalteten Umrichter führt. Auch kann der Bauraum deutlich verkleinert werden, da der permanenterregte Synchronmotor eine deutlich höhere elektromagnetische Ausnutzung aufweist, als ein vergleichbarer Asynchronmotor. Auch der verbesserte Wirkungsgrad trägt zur Reduzierung des erforderlichen Bauraums bei .
In einer Weiterbildung der Anordnung umfasst der Rotor ein erstes weichmagnetisches Material.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anordnung mehrere Statorzahnmodule, die entlang des Umfangs des Statorgehäuses in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, wobei die Statorzahnmodule jeweils aus zwei Statorzahnhälften aus einem zweiten weichmagnetischen Material) bestehen, wobei zwischen den Statorzahnhälften die Permanentmagnete angeordnet sind und wobei um jeweils zwei Statorzahnhälften und den dazwischen liegenden Permanentmagneten jeweils eine Spule gewickelt ist .
Des Weiteren kann die Drehanode einen Anodenteller und eine den Anodenteller tragende Welle umfassen, wobei die Welle mit dem Rotor verbunden ist. Die Erfindung beansprucht auch eine Röntgenröhre mit einer erfindungsgemäßen Drehanodenanordnung, wobei der Rotor innerhalb einer Röntgenhülle der Röntgenröhre und der Stator außerhalb der Röntgenhülle der Röntgenröhre (101) angeordnet sind .
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen: Figur 1: einen Längsschnitt durch eine Röntgenröhre gemäß
Stand der Technik,
Figur 2: einen Längsschnitt durch eine Röntgenröhre mit einer erfindungsgemäßen Drehanodenanordnung und Figur 3 : einen Querschnitt durch Stator und Rotor der Dreh- anodenanordnung .
Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Röntgenröhre 101 mit einer erfindungsgemäßen Drehanodenanordnung. In einer evakuierten Röhrenhülle 102 der Röntgenröhre 101 befindet sich eine Elektronen emittierende Kathode 103 und eine ihr gegenüberliegende Drehanode 104. Die Drehanode 104 umfasst einen Anodenteller 141, der durch eine Welle 142 mit einem Rotor 143 eines Elektromotors verbunden ist. Der Rotor 143 ist aus einem ersten weichmagnetischen Material gebildet. Weichmagnetische Materialien sind beispielweise Elektro- oder Dynamobleche oder SMC-Werkstoffe . Außerhalb der Röhrenhülle 102 umschließt ein Stator 105 die Röhrenhülle 102 in unmittelbarer Nähre zum Rotor 104. Der Stator 105 umfasst mehrere entlang seines Umfangs angeordnete Permanentmagnete 152, die ein zweites Magnetfeld erzeugen, das als Erregerfeld auf den weichmagnetischen Rotor 143 wirkt. Der Stator 105 erzeugt mit entlang des Umfangs angeordneten Strom durchflossenen Spulen 151 wenigstens ein um die Röhrenhülle 102 rotierendes erstes Magnetfeld. Die im Stator 105 angeordneten Permanentmagnete 152 erzeugen ein zweites Magnetfeld (= Erregerfeld) . Durch Wechselwirkung des ersten und zweiten Magnetfelds mit dem Rotor 143 wird ein Drehmoment erzeugt, wodurch die Drehanode 104 in eine synchrone Drehung versetzt wird. Die Permanentmagnete 152 sind in einem zweiten weichmagnetischen Material 153 angeordnet.
Der von der Kathode emittierte Elektronenstrahl 106 wird auf den Anodenteller 141 hinzu beschleunigt und erzeugt beim Auftreffen auf den Anodenteller 141 durch Abbremsung eine Rönt- genstrahlung 107, die durch ein Strahlenfenster 108 in der Röhrenhülle 102 die Röntgenröhre 101 verlässt.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch den Stator 105 und den Rotor 143 der erfindungsgemäßen Drehanodenanordnung gemäß Fi- gur 2. Der Stator 105 umfasst ein magnetisch nicht leitendes zylinderförmiges Statorgehäuse 154 in dem in regelmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Statorgehäuses 154 Statorzahnmodule 157, bestehend aus Statorzahnhälften 155 aus einem zweiten weichmagnetischen Material 153, beispielsweise Motor- bleche, angeordnet sind. Zwischen den Statorzahnhälften 155 sind Permanentmagnete 152 in wechselnder Polarität angeordnet. Um jeweils zwei Statorzahnhälften 155 und einem Permanentmagneten 152 ist eine Spule 151 aus Kupferdraht gewickelt, die eine Zahnspule 156 bildet. Die Spulen 151 erzeugen bei Stromdurchfluss ein erstes Magnetfeld, die Permanentmagnete 152 erzeugen ein zweites Magnetfeld. Beide Magnetfelder schließen sich über den Rotor 143, der damit einen Abschnitt eines magnetischen Kreises einer elektrischen Maschine bildet .
Das erste weichmagnetische Material des Rotors 143 hat eine regelmäßige zahnförmige Struktur. Durch Wechselwirkung der beiden Magnetfelder und dem Rotor 143 entsteht ein auf den Rotor 143 wirkendes Drehmoment, das zum Antrieb der Drehanode genutzt wird.
Beispielsweise besteht der Stator 105 aus sechs bewickelten Statorzahnmodulen 157, in deren Mitte in radialer Hochkantla- ge jeweils ein Permanentmagnet 152 eingebracht ist. Die Statorzahnmodule 157 werden einzeln bewickelt und danach wird der Stator 105 aus den bewickelten Statorzahnmodulen 157 zusammengesetzt. Die so gebildeten einzelnen Spulen 151 des Stators 105 werden zu einer drei-strängigen Motorwicklung geschaltet. Durch diesen modularen Motoraufbau mit der separaten Bewicklung der Statorzahnmodule 157 wird ein hoher Kupferfüllfaktor der Spulen 151 erzielt, wodurch der Wirkungs- faktor groß wird.
Das Betriebsverhalten sowie die Ansteuerung des Motors sind aufgrund einer sinusförmig induzierten Spannung gleich wie bei jeder bekannten permanenterregten Synchronmaschine.
Bezugszeichenliste
1 Röntgenröhre
2 Röhrenhülle
3 Kathode
4 Drehanode
41 Anodenteller
42 Welle
43 Rotor
44 Dauermagnet
45 Rotormaterial
5 Stator
51 Statorwicklung
52 Blechpaket
6 Elektronenstrahl
7 Röntgenstrahlung
8 Strahlenfenster
101 Röntgenröhre
102 Röhrenhülle
103 Kathode
104 Drehanode
141 Anodenteller
142 Welle
143 Rotor
105 Stator
151 Spule
152 Permanentmagnet
153 zweites weichmagnetische Material
154 Statorgehäuse
155 Statorzahnhälfte
156 Zahnspule
157 Statorzahnmodul
106 Elektronenstrahl
107 Röntgenstrahlung
108 Strahlenfenster

Claims

Patentansprüche
1. Drehanodenanordnung mit :
einer Drehanode (104),
- einem Stator (105) mit einem Statorgehäuse (154), der ein Drehmoment auf den Rotor (143) ausübt,
mehreren im Stator (105) angeordneten Spulen (151) zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds,
mehreren im Stator (105) angeordneten Permanentmagneten (152) zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds und
einem innerhalb des Stators (105) angeordneten Rotor (143) zum Antrieb der Drehanode (104),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spulen (151) und die Permanentmagnete (152) ent- lang des Umfangs des Statorgehäuses (154) angeordnet sind, wobei jeweils ein Permanentmagnet (152) innerhalb jeweils einer Spule (151) angeordnet ist,
dass der Rotor (143) für einen magnetischen Rückschluss ausgebildet ist und frei von magnetischen Quellen ist und - dass der Rotor (143) eine gezahnte Struktur in Drehrichtung des Rotors (143) aufweist.
2. Drehanodenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor (143) ein erstes weichmagnetisches Material umfasst .
3. Drehanodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2 ,
gekennzeichnet durch:
- mehrere Statorzahnmodule (157), die entlang des Umfangs des Statorgehäuses (154) in regelmäßigen Abständen angeordnet sind,
wobei die Statorzahnmodule (157) jeweils aus zwei Statorzahnhälften (155) aus einem zweiten weichmagnetischen Ma- terial (153) bestehen,
wobei zwischen den Statorzahnhälften (155) die Permanentmagnete (152) angeordnet sind und wobei um jeweils zwei Statorzahnhälften (155) und den dazwischen liegenden Permanentmagneten (152) jeweils eine Spule (151) gewickelt ist.
4. Drehanodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehanode (104) einen Anodenteller (141) und eine den Anodenteller (141) tragende Welle (142) umfasst, wobei die Welle (142) mit dem Rotor (143) verbunden ist.
5. Röntgenröhre (101) mit einer Drehanodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor (143) innerhalb einer Röntgenhülle (102) der Röntgenröhre (101) und der Stator (105) außerhalb der Röntgenhülle (102) der Röntgenröhre (101) angeordnet sind.
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