专利名称：具有弯曲线性感应电机的驱动器的制作方法
具有弯曲线性感应电机的驱动器本申请一般地涉及电机设计领域，并且特别地涉及具有弯曲线性感应电机的驱动器。它一般应用于使用电机来沿着诸如圆周或其一部分的弯曲路径移动受驱元件的情况。 这种电机例如在成像领域是有用的，特别是在用于基于计算机断层摄影(CT)的成像的方法和装置中。它至少适用于这种成像，其中电机驱动辐射源、辐射探测器或者源和探测器二者沿着圆形路径旋转以便对患者或对象成像。可以使用弯曲线性感应驱动器电机的类似成像系统包括其他基于X射线的成像系统和核医学成像系统，诸如PET和SPECT。因此该电机将在此特别参考CT成像系统进行描述，且应理解它具有更一般的适用性。在CT成像扫描器的特定背景下，X射线源和一个或多个X射线探测器被安装到扫描器外壳或机架内的旋转框架上。要被成像的人或对象定位在X射线源和一个或多个X射线探测器之间的机架内，X射线源和一个或多个X射线探测器沿着围绕人或对象的弯曲路径旋转。人或对象通常被放置在支撑台上，该支撑台能够线性地移入或移出机架中的孔径， 从而X射线源和一个或多个X射线探测器可以沿轴向定位在期望位置以执行成像扫描。保持住X射线源和探测器的旋转框架通常由电机驱动。在带有具有64层或更少层的探测器阵列的CT成像扫描器中，框架和相关联的安装部件的旋转惯量和直径是相对小的，从而旋转速度较低(通常每分钟大约180转或更少转)。因此这种扫描器的驱动器可以是旋转AC感应电机，其具有连接到旋转框架的间接带驱动器，或为了紧凑目的的具有安装在机架定子上的初级线圈和安装到旋转框架的次级永磁环的直接驱动AC永磁环电机。然而，在带有具有256个探测器阵列层的探测器阵列以改善成像质量的更现代的 CT成像扫描器中，这种驱动器由于若干原因可能通常是不充分够用的。该探测器阵列硬件是相对更大且因此更重的，并且额外重量和惯量必须由旋转框架承受且由电驱动器来控制。另外，这些更现代的CT成像扫描器通常比以前的扫描器采用具有更高功率水平的X射线源，因此增加了 X射线源的重量，这也必须由旋转框架承受并且由驱动器控制。此外，这些更现代的CT成像扫描器中的扫描器机架的中央开孔是期望比以前的扫描器更大的，以适应肥胖患者并且也有助于介入研究和程序。更高的旋转速度和加速度也是期望的，以便改善患者成像通量。这些因素在几何结构、性能及成本方面强加了严格的设计约束，这是难以利用具有连接到旋转框架的间接带驱动器的旋转AC感应电机或者直接驱动AC永磁环电机来满足的。根据本发明的一个方面，提供一种弯曲线性感应电机直接驱动器。这种弯曲线性感应电机驱动器比以前的扫描器中使用的具有间接带驱动器的旋转AC感应电机或直接驱动AC永磁环电机更好地适于现代成像扫描器的要求。弯曲线性感应驱动器电机也更一般地适用于在任何种类的装置中沿着弯曲路径驱动元件。根据本发明的另一方面，弯曲线性感应驱动器电机的转子包括机械耦合到旋转框架并且具有两个层——即铝层和钢层的环。在本发明这一方面的一种形式中，铝层是转子环的内层，而钢层是转子环的外层。在另一种优选形式中，铝层被插入钢层中并且通过压缩适配至少部分地保持在钢层内。铝层向转子环提供旋转驱动力。它将这一驱动力传递给机械耦合到旋转框架的钢层。本发明这一方面可实现的一个优点是钢层能够用作铝层的散热器并因此帮助耗散铝层的热量。额外的潜在益处在于钢层能够使磁路完整并且帮助生成产生旋转扭矩的磁力。根据本发明的再一方面，提供一种用于制作用在弯曲线性感应电机驱动器中的转子环的方法，其包括压缩适配过程。在阅读对优选实施例的以下详细描述之后，本领域普通技术人员将明了各种额外的优点和益处。本发明可以体现为各种部件和部件布置以及各种过程操作和过程操作布置。附图仅用于图示说明优选实施例的目的，而不应被解读为限制本发明。
图1图示说明CT成像扫描器；图2图示说明直接弯曲线性感应电机驱动器；图3图示说明包括两层转子环的直接弯曲线性感应电机驱动器；图4图示说明包括两层转子环的替代性直接弯曲线性感应电机驱动器；图5图示说明利用两个层之间的压缩适配来制作转子环的过程；图6图示说明具有利用压缩适配组装的两个层的转子环的辅助支撑；以及图7图示说明利用两个层之间的压缩适配来制作转子环的过程。在此描述的弯曲线性感应电机驱动器一般地针对沿着诸如圆周或其一部分的弯曲路径移动受驱元件，虽然它在CT成像装置的特定背景下被描述。图1图示说明用于执行成像扫描的CT成像扫描器100的一个示例。CT成像采集系统102包括机架104和沿着ζ轴移动的平台106。要被成像的患者或其他对象(未示出) 躺在平台106上并且被移动以被设置在机架104的孔径108内。一旦患者或对象就位，则 X射线源110发射将被机架104内部的X射线探测器阵列114收集的X射线112的投射。 (在图1中机架104的一部分116被切除以示出容纳在机架104内部的X射线源110和X 射线探测器阵列114。)X射线源110和X射线探测器阵列114 一起围绕孔径108旋转以便从各种位置记录CT成像数据，通常结合平台106的线性移动。这一旋转是可能的，因为X 射线源110和探测器阵列114均被安装到机架104内部的旋转框架(未示出)上。该框架可以以任何方式可旋转地安装在机架104中，例如利用空气轴承或钢滚柱轴承。然后CT成像采集系统102通过通信链路101将CT成像数据传送到CT成像处理和显示系统118。虽然在此为了图示说明的目的，系统102和118被示出和描述为分离的系统，但是它们在其他实施例中可以是单一系统的一部分。CT成像数据传送到图像处理器 120，该图像处理器将数据存储在存储器122中。图像处理器120对CT成像数据进行电子处理以生成被成像患者或其他对象的图像。图像处理器120可以在相关联的显示器IM上示出最终的图像。可以提供诸如键盘和/或鼠标设备的用户输入1 以便用户控制处理器 120。如前所述，X射线源110和探测器阵列114均被安装在容纳于机架104内的旋转框架上。该框架的旋转是由直接弯曲线性感应电机驱动器驱动的。在图2中示出此类电机驱动器200的示例。该电机200将电力转换成机械力以便以可控方式为CT扫描提供旋转框架以及安装在该框架上的X射线源110和探测器阵列114的旋转定位。图示说明的示例性直接分段线性感应电机驱动器200包括三个定子节段202、204和206，每一个均包括弯曲线性感应电机主线圈组。这些弯曲定子节段被安装在机架104内并且不移动。虽然在图 2中示出了三个此类弯曲定子节段，但是可以使用任意数量的此类定子节段，包括仅有单一
5定子。优选地使用两个、三个或四个弯曲定子节段，并且围绕弯曲定子节段对称地放置。以此方式，弯曲定子节段和转子或转子节段(下面描述)之间的径向吸引力被平衡以彼此抵消。定子节段202、204、206被对称地放置在次级转子反作用环208的圆周内。该转子环208进而被机械耦合到旋转框架，尽管这在图2中未示出。以此方式，转子环208在机架 104内的电驱动旋转促使该框架也旋转。电机200的每个弯曲定子节段202、204、206生成三分之一的所需推力以推进或停止转子208围绕静止定子节段的旋转运动。转子环208在图2中被示出为“完整”环，即它是形成完整无破损圆周的一个单一节段。在其他可替代的实施例中，环208可以由多于一个节段组成。分别构成电机的定子和转子的节段的数量以及各节段之间的间隙程度优选被选择为避免转子围绕定子的任何“盲区”位置。常规电子伺服驱动器或其他驱动器210进行操作以改变施加到每个定子节段 202、204和206的电力的电流、电压或频率，从而通常在不需要换相的情况下移动转子208。 虽然交变电流被用于驱动旋转，但可以使用交变电流或直流电流来制动旋转。常规反馈设备212提供来自转子208的反馈到驱动器210，从而指示转子208 (并且因此还有经由框架安装到转子208的X射线源110和X射线探测器阵列114)的当前旋转位置。电机200、驱动器210和反馈设备212 —起构成完整的旋转直接驱动器系统214。在图3所示的一个实施例中，电机200'包括图2中的相同的弯曲定子节段202、 204和206。在电机200'中，次级转子反作用环208‘是由两个层——即内层302和外层 304构成的完整环。内层302是由良好电导体一一例如铝、铜或银制成的。内层302优选由铝制成并且相对较薄，其径向厚度大约为2毫米。外层304为反作用环208'提供机械支撑和刚性，并且优选也由磁性材料构成以使磁路完整并帮助生成产生旋转扭矩的磁力。因此用于外层304的适当材料包括铁或铁合金，例如钢，特别是低碳钢。外钢层304是相对厚的，其径向厚度大约为6毫米。内层302、外层304或二者可以由多个节段构成，而不是图3 所示的单一节段形式。结合图3的实施例，其中内层302是铝并且外层304是钢，弯曲定子节段202、204、 206是由三个相同的硅钢层压节段构成的，其中铜线圈围绕层压狭槽。开槽的定子线圈面朝外，朝向转子208'的内铝层302，以感生电流并且旋转转子208'。因此内铝层302响应于弯曲定子202、204和206与铝之间的磁相互作用而向转子208'提供主要的旋转驱动力。外钢层304进而被机械耦合到旋转框架(例如图6中所示)。这一机械耦合可以是直接耦合，其中环208'与框架之间不存在介入结构元件，或者它可以是间接的，其中存在介入元件。间接机械耦合的一个示例发生在环304被栓接到空气轴承或滚柱轴承的滚道上并且该滚道进而被固定附接到框架上的情况下。在图4所示的替代性弯曲线性感应直接驱动器系统电机200"中，弯曲定子节段202〃 ,204"和206〃可以位于转子208〃的外侧。在电机200"中，次级转子反作用环 208"是由两个层——即内层402和外层404构成的完整环。内层402为反作用环208”提供机械支撑和刚性，并且优选也由磁性材料构成以使磁路完整并帮助生成产生旋转扭矩的磁力。因此用于内层402的适当材料包括铁或铁合金，例如钢，特别是低碳钢。内钢层402 是相对厚的，其径向厚度大约为6毫米。外层404是由良好电导体——例如铝、铜或银制成的。外层404优选是由铝制成的并且相对较薄，其径向厚度大约为2毫米。内层402、外层 404或二者可以由多个节段构成，而不是图3所示的单一节段形式。结合图4的实施例，其中内层402是钢并且外层404是铝，弯曲定子节段202"、 204〃 ,206"是由三个相同的硅钢层压节段构成的，其中铜线圈围绕层压狭槽。开槽的定子线圈面朝内，朝向转子208"的外铝层404，以感生电流并且旋转转子208"。因此外铝层 404响应于弯曲定子202〃 ,204"和206〃与铝之间的磁相互作用而向转子208〃提供主要的旋转驱动力。内钢层402进而例如通过螺栓(未示出)机械耦合到旋转框架。内层402、 外层404或二者可以由多个节段构成，而不是图4所示的单一节段形式。图3和图4所示的实施例的一个优点在于钢层从铝层汲取热量，并且也帮助使磁路完整并生成产生旋转扭矩的磁力。因为钢层远大于铝层，所以此类热传递使任一层的温度变形最小化。图3的转子208'可以利用内铝环302与外钢环304之间的压缩适配来制造。提供此类压缩适配的主要益处是围绕转子208'的整个圆周的基本均勻的应力分配，从而导致电机200'的最优性能。压缩在钢环304内的铝环302的预加载或最终残余应力提供均勻的摩擦力，该摩擦力阻止两个件302和304之间的相对运动。由于压缩适配，铝环302中的由弯曲线性感应电机200'生成的磁驱动力被传递到钢环304中。另外，围绕转子208' 的圆周的一致压力帮助阻止内铝环302中单一点处的负载积累。此类负载积累可能导致与外钢环304相比相对较薄的铝环302的断裂。压缩适配的另一特征在于压缩力保持内铝环 302与外钢环304基本在交界面的整个圆周上接触。这有助于使得钢环304相对于铝环302 起到散热器的作用。此类压缩适配可以例如通过将铝环302收缩适配到钢环304内来实现。图5图示说明用于实现将内铝环302压缩适配到外钢环304中的示例性过程。在步骤502中，钢环 304例如通过机械加工形成以具有用于应用的大致合适的几何结构。在步骤504中，大致矩形的铝板被卷起，并且其末端被焊接在一起，以形成内铝环302。内铝环302的外径稍微大于外钢环304的内径。这一过程的前两个步骤502和504可以以任何次序执行。内铝环 302被放置在冷环境中以促使其尺寸收缩506。例如，环302可以被放置在液氮槽中或者足够冷以促使铝收缩的其他物质中。内铝环302保持在冷环境中直到内铝环302的外径小于外钢环304的内径。然后将已收缩的内铝环302插入508外钢环304中并且允许其升温并因此膨胀。随着内铝环302膨胀510，残余压缩应力在两个环302和304之间形成，从而导致将这些环保持在一起的摩擦力。可以添加512诸如紧固件或键合剂的辅助支撑以增强两个环302、304之间的键合。最后的组件可以被机械加工或以其他方式处理514以实现用于具体应用的尺度规格。例如，此类最后处理可以包括机械加工铝环的内径以匹配指定尺度。如上所述，除了压缩适配外，可以施加512辅助支撑，以将内铝环302保持在外钢环304内。一种此类辅助支撑可以包括在内铝环302与外钢环304中钻孔装埋螺钉602，如图6所示。此类螺钉602的应用在内铝环302与外钢环304之间添加了额外的压缩力以增加摩擦力并且使连接更稳健。同样如图6所示，外钢环304可以包括一系列凸块604，其中有用于容纳螺栓的孔606以便如上所述形成环304与旋转框架的机械耦合。另一种类型的辅助支撑涉及在内铝环302与外钢环304之间施加键合剂，一旦两个环通过压缩适配被保持在一起，则该键合剂将固化。该键合剂可以在自然环境中在一段时间内固化，或者以无氧方式固化(不存在空气)。该键合剂优选在铝环302被插入钢环 304之前的冷却温度下是液态的，从而在铝被完全升温之前键合剂不会受到负面影响。另外，键合剂优选不在材料方面影响铝和钢之间的热传递，从而允许从铝到钢的基本自由的热流动。图4的实施例也可以利用内钢环402和外铝环404之间的压缩适配来制造。此类压缩适配可以例如通过将外铝环404收缩适配到内钢环402上来实现。图7图示说明此类过程。在此，形成702内钢环402并且形成704外铝环404。内钢环402的外径稍微大于外铝环404的内径。然后外铝环404被放置在炉中或其他加热环境中以促使其尺寸膨胀706， 直到其内径大于内钢环402的外径。然后已膨胀的外铝环404被围绕内钢环402放置708 并且被允许冷却，因此其收缩710。随着外铝环404收缩，残余压缩应力在两个环402与404 之间形成，从而导致将这些环保持在一起的摩擦力。可以添加712诸如紧固件或键合剂的辅助支撑以增强两个环402、404之间的键合。最后的组件可以被机械加工或以其他方式处理以实现用于具体应用的尺度规格。例如，此类最后处理可以包括机械加工铝环的外径以匹配指定尺度。基于给定CT成像扫描器100的具体设计参数，例如推力和旋转速度要求，电机200 的设计和驱动器210的选择被一起考虑以最小化所需的标定伏特-安培功率水平并且降低驱动器系统214在机架104中占用的体积以及其成本。可以基于可用的机架空间来确定转子208和弯曲定子组202、204和206的取向和位置。在优选实施例中，电机200可以是三相感应电机，其中三个分段定子以星形方案或三角形(delta)方案串联或并联。可以以下面的方式优化针对特定CT成像装置的要求的分段线性感应电机直接驱动器系统214的设计。首先，根据所需峰值推力水平F、峰值线速度V、电机的效率η以及电机的功率因子cose确定电子电机驱动器系统214的规模(size)W。基于规模W确定电机驱动器系统214输出的线电压和电流。根据该电压和电流，可以计算出每个定子节段的相电流和电压限度。最后，线性感应电机组定子的设计被选择为提供期望线速度下的期望推力输出，或者具有适当转差频率的等价激励频率。在优选实施例中，根据以下公式选择规模W
权利要求
1.一种弯曲线性感应电机驱动器系统，其包括由驱动器控制的电机，所述电机包括定子和转子，所述定子包括一个或多个定子节段，所述一个或多个定子节段是弯曲的并且由所述驱动器控制，且所述转子包括机械耦合到可旋转框架的环，其中，所述转子由所述一个或多个弯曲定子节段磁驱动以沿着弯曲路径旋转。
2.如权利要求1所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，所述环是由至少两个环节段构成的，所述至少两个环节段被所述环节段之间的间隙分离。
3.如任一前述权利要求所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，辐射源和辐射探测器中的至少一个被安装到所述可旋转框架。
4.如任一前述权利要求所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，所述弯曲定子节段被设置在所述环的圆周内，且所述弯曲定子节段的外曲线紧密地对应于所述环的内曲线。
5.如任一前述权利要求所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，所述环包括内层和外层，所述内层和所述外层中的一个包括由所述弯曲定子节段磁驱动的电导体，且所述内层和所述外层中的另一个使磁路完整并且为所述电导体提供机械支撑。
6.如权利要求5所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，所述电导体包括铝，且所述内层和所述外层中的所述另一个包括钢。
7.如权利要求5或6所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，所述环的所述内层是所述电导体，且所述环的所述外层使磁路完整并且为所述内层提供机械支撑。
8.如权利要求5、6、7或8所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，所述环的所述内层通过所述内层和所述外层之间的压缩适配而被保持在所述外层内。
9.如权利要求8所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其还包括所述环的所述内层和所述外层之间的辅助支撑。
10.如任一前述权利要求所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，存在三个、四个或五个弯曲定子节段。
11.如任一前述权利要求所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，所述电机是具有三个弯曲定子节段的三相感应电机，且规模W是根据下式由峰值推力水平F、峰值线速度V、 所述电机的效率n以及所述电机的功率因子cos θ确定的
12.如权利要求11所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，驱动线电流l·是根据下式由所述规模W和峰值线电压\确定的W = √3.VL.IL。
13.如任一前述权利要求所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其被设置在成像装置内。
14.一种弯曲线性感应电机驱动器系统，其包括驱动器和由所述驱动器控制的电机，所述电机包括定子和转子，所述定子包括一个或多个定子节段，所述一个或多个定子节段是弯曲的并且由所述驱动器控制，且所述转子包括要由所述一个或多个弯曲定子节段磁驱动以沿着弯曲路径旋转的铝层。
15.如权利要求14所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，所述铝层被设置在机械耦合到可旋转框架的环中。
16.如权利要求14或15所述的弯曲线性感应电机驱动器系统，其中，辐射源和辐射探测器中的至少一个耦合到所述转子。
17.—种制造用作弯曲线性感应电机驱动器系统的转子的环的方法，其中，所述环包括铝层和钢层，所述方法包括将所述铝层和所述钢层形成为环形，其中，所述铝环的外径大于所述钢环的内径； 将所述铝环放置在冷环境中以促使其尺寸收缩，直到所述铝环的所述外径小于所述钢环的所述内径；将所述铝环插入所述钢环中；以及允许所述铝环的温度升高，从而其在所述钢环内膨胀。
18.如权利要求17所述的方法，其还包括在所述铝环和所述钢环之间添加辅助支撑。
全文摘要
本发明提供一种弯曲线性感应电机直接驱动器。该电机驱动器的转子机械附接到旋转框架，该旋转框架进而保持住其他部件。该转子可以包括两层，即向定子提供主要磁相互作用的铝环，以及提供机械强度的钢环。这种转子环可以利用压缩适配来制造。
文档编号H02K41/025GK102577055SQ201080016539
公开日2012年7月11日 申请日期2010年3月9日 优先权日2009年4月15日
发明者C·L·小卡特尔, J·萨普, R·谢里登, S·东, T·A·布雷门乌尔, T·内梅兹 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司