感应旋转接头的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在两个相对彼此可旋转的单元之间耦合电功率的感应功率传送设备，特别是用于在计算机断层扫描仪中使用的功率耦合器。这样的功率耦合器也被称为旋转接头。
【背景技术】
[0002]在计算机断层(CT)扫描仪和其他相关机器中，在从1kW直到超过10kW的范围内的大功率从静止侧传送到旋转侧。这里，生成在超过一百千伏的范围中的高电压以产生X射线辐射。
[0003]在美国专利US7054411中，公开了多通道感应旋转接头。多通道感应旋转接头具有用于将功率从静止侧传送到旋转侧的感应通道。具有辅助电源和主电源电路。另外提供用于功率控制的电容性反馈链路。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是要提供一种感应功率传送设备或者旋转接头，其具有大的动态范围并且需要相对低的基本负载。
[0005]此问题的解决方案在独立权利要求中被描述。从属权利要求涉及对本发明的进一步改进。
[0006]感应旋转接头通常被建造得像电力变压器，其中一侧相对另一侧旋转。例如，在CT扫描仪中，功率必须从静止侧传送到旋转侧。因此，功率耦合器是具有静止的一次绕组和旋转的二次绕组的变压器。为了简化，以下的解释和实施例涉及这样的CT扫描仪旋转接头。显而易见的是，同样可以被应用到通常的任何旋转接头并且另外不仅被应用到用于将功率从静止侧传送到旋转侧的旋转接头，而且被应用到用于将功率从旋转侧传送到静止侧的旋转接头。
[0007]由于变压器仅仅可以传送交流(交变电流)，因此变压器要么由交流线电压馈电，要么由逆变器馈电，生成可以经由旋转变压器更好地被传送的较高频率的交流电压。因此，优选的是在一次侧具有逆变器。在二次侧或者输出侧，在大部分情况下，此交流电压被转换为直流电压以便提供直流输出。这可以通过桥式整流器来进行，滤波电容器跟随在桥式整流器后面以生成平滑的直流电压。
[0008]在特定环境中，比如在CT扫描仪中，感应功率传送设备的负载范围是相对宽的。在满载状况下，10kW数量级或者更大数量级的功率可以被供应给X射线管。在空载期间，当比如X射线管和检测器的大部分系统关闭时，仅有较小数量的低功耗设备必须被供应电功率。在过去的几年中，计算机、存储器和其他电子组件的功率消耗已经连续地降低，因此，CT扫描仪的空载功率也显著地降低，而X射线管所需要的满载功率由于较高的X射线功率需求而增加。在CT扫描仪中使用的旋转接头相对较大。典型的CT扫描仪可以具有I米到1.5米之间的直径。因此，一次绕组和二次绕组也相对较大。另外，在旋转部分和静止部分之间不可能具有极小的空气间隙，因为具有机械公差。这导致变压器相对较大的杂散电感。大直径进一步导致大绕组以及因此在绕组内、绕组之间以及绕组的单独线匝之间的相对较大的寄生电容。杂散电感或者寄生电感与寄生绕组电容一起引起了寄生共振电路，其导致在寄生共振电路的高Q状况下输出电压的增加，当功率耦合器的输出端负载具有高阻抗时会满足所述寄生共振电路的高Q状况。因此，高输出阻抗或者低负载在输出端抽取低功率使得输出电压增加。这可以导致旋转侧电子组件的损坏。为了防止不想要的输出电压的增加，可以具有降低共振电路的Q因数，并且因此降低空载状态下的输出电压的基本负载或者虚负载。虚负载是不经济的并且虚负载需要另外的组件，比如大功率电阻器以及比如风扇的冷却装置。因此，设计一种感应功率耦合器使得不需要虚负载或者至少减小虚负载中的功率损耗是期望的。
[0009]为了减小所需要的虚负载，在感应功率耦合器中输出电压的增加被减少。这可以通过减小感应功率耦合器中的杂散电感和总的寄生电容以及通过提供新的整流电路来进行。
[0010]在第一实施例中，在二次侧上具有至少两个二次绕组，二次侧优选为旋转侧。这些二次绕组以相同的方向卷绕，具有相同的线匝数量，并且要么在绕组的开头要么在绕组的末尾在共同的连接点处被连接在一起。此共同的连接点连接到一对电容器，其中第一电容器连接到正极输出端，第二电容器连接到负极输出端。绕组的其他端的每一个连接到一对整流器。对于每个二次绕组，提供单独的一对整流器。如果具有连接到相同的一对整流器上的多个二次绕组，则在这个实施方式的情况中这如同单个二次绕组那样工作。
[0011]每一对整流器包括正向连接到正极输出端的第一整流器，以及反向连接到负极输出端的第二整流器。优选地，整流器中的至少一个包括二极管，但它还可以包括任何等效元件，比如可以是FET的有源控制开关。
[0012]通过此电路，多个绕组通过整流器的方式以相同方向并联连接。
[0013]与简单地传递与来自二次绕组的峰峰交流电压的一半大致对应的输出电压的全桥整流器相比，此电路用作倍压器并且传递二次绕组的近似全峰峰输出电压。由于这个原因，每个二次绕组仅需要与供应全桥整流器的电路相比一半数量的线匝。因此，存储在寄生电容的能量显著较低，并且因此需要较低的虚负载或者较高的虚负载阻抗，这进一步导致在空载期间较低的热量损耗。
[0014]在进一步的实施例中，至少两个二次绕组被并联卷绕。这意味着绕组的绕线被并联引导，优选地彼此紧密接触。这导致显著减小的匝间寄生电容。在线匝彼此紧密接近的区域中，在相邻线匝之间具有相对较大的寄生电容。因为绕组以相同方向卷绕，因此在相邻线匝之间无电压差，并且因此寄生电容不引起电荷的移动，并且因此不引起寄生电流。因此，寄生电容的这个组件不产生影响。因此，通过使得至少两个绕组并联对齐，总的寄生电容可以显著地减小。
[0015]需要具有至少两个二次绕组，但是显而易见的是，可以具有任何更大数量的二次绕组。
[0016]在进一步优选的实施例中，在正极输出端和负极输出端以及负载之间具有直流/直流变换器。此直流/直流变换器可以是升压变换器或者降压变换器或者两者的组合。直流/直流变换器也可以是在升压变换和降压变换之间可切换的。可替代地，还可以具有直流/交流变换器。
[0017]在进一步的实施例中，第一电容器和第二电容器被改变尺寸作为串联共振变换器的总共振电容的一部分。
[0018]另外，优选的是，串联共振变换器的总共振电容由至少一个一次共振电容(I31)和在二次侧的第一电容器(231)和第二电容器(232)组成。
[0019]根据另一个实施例，串联共振变换器的总共振电容由至少一个一次共振电容(131)和在二次侧的第一电容器(231)和第二电容器(232)组成，其在一次和二次侧之间近似均匀地分布。因此，至少一个一次共振电容器(131)的总电容与二次侧电容器(231、232)的总电容近似相等。
[0020]另外，一次绕组与二次绕组的绕组匝数比可以近似是2。当改变电容器尺寸时，绕组匝数比是需要考虑的。例如，在电容均匀地分布在一次侧和二次侧之间并且一次绕组与二次绕组的绕组匝数比为2的情况下，二次电容器(231，232)电容的每一个应该具有一次电容器(I 31)电容值的近似2倍，一次电容器(I 31)电容值具有所需要的总共振电容值的近似一半。
[0021]在进一步的实施例中，至少一个一次共振电容器的总电容与二次侧电容器的总电容的比近似等于至少一个二次绕组与至少一个一次绕组的绕组匝数比的平方。
[0022]在大型旋转电力变压器中使用本文所公开的实施例是最有效的，因为在这样的大型单元中存在显著的改进，但是将实施例应用于较小的单元可以是有益的。
【附图说明】
[0023]在下面，将参考附图通过实施例的示例以示例的方式描述本发明，而不限制一般发明构思。
[0024]图1示出优选实施例。
[0025]图2示出第一电流图。
[0026]图3示出第二电流图。
[0027]图4示出具有寄生组件的电路图。
[0028]图5示出通过常规的二次绕组的横截面。
[0029]图6示出相邻绕组之间的寄生电容。
[0030]图7示出了优选实施例的方案。
[0031 ]图8示出了优选实施例的寄生电容和电压。
[0032]图9示意性地示出了CT(计算机断层)扫描仪机架。
【具体实施方式】
[0033]在图1中，示出了具有两个分离的一次绕组的优选实施例。需要具有至少两个二次绕组，但是很明显的是，可以具有任何更大数量的二次绕组。
[0034]感应功率耦合器具有一次侧100和二次侧200，其相对彼此是可旋转的。
[0035]在一次侧100，具有一次绕组110，其优选地由逆变器120用交流信号、优选地具有显著高于标准线频率的频率的交流信号供电。优选地，在逆变器和一次绕组之间具有一次共振电容器131。共振电容器131优选地具有在IkHz到10kHz范围中的频率，优选地在20和40kHz之间。在二次侧200，具有至少两个二次绕组，第一二次绕组211和第二二次绕组212，如此图所示。标记在绕组顶部的点示出了绕组的开始或者绕组的末尾。意味着绕组的哪一端不重要，但重要的是绕组以相同方向定位并且具有相同的线匝数量。二次绕组的定位相对于一次绕组的定位是不相关的。二次绕组的定位可以被改变而没有任何负面影响。另外，可以具有任何数量的一次绕组。第一二次绕组211具有第一输出端213和第二输出端214。第二二次绕组212具有第一输出端215和第二输出端216。第二输出端214和216连接在一起并且进一步连接到第一电容器231和第二电容器232。第一电容器231连接到正极输出端251而第二电容器232连接到负极输出端252。第一电容器231和第二电容器232被改变尺寸作为共振电容器。优选的是，一次共振电容器131和二次共振电容器(231，232)具有近似相同的值，这导致在欠载时输出电压的进一步降低。由于第一和第二二次绕组的相同定位，在第一绕组输出端213和215的输出信号是相同的。第一绕组输出端的每一个连接到一对整流器222、224和221、223。整流器朝向正极输出端251正向定位并且朝向负极输出端252反向定位。优选地，在正极输出端251和负极输出端252之间具有并联于负载的第二滤波电容器233。基本上，具有两个并联倍压器电路。由于倍压，每个绕组的输出电压是桥式整流器电路电压的两倍。因此，所需的线匝的数量也可以是桥式整流器电路的数量的一半。因此，绕组的电感是桥式整流器电路的1/4，从而导致减小的杂散电感大约是桥式整流器电路的1/4。这导致感应电路中显著减小的能量，因此，负载组件240处的最小负载可以显著减小。试验已经示出在比如CT扫描仪使用的那些的大型感应耦合器上，最小负载是全桥电路或者常规半桥电路的最小负载的一半。因此，可以是负载240的一部分的虚负载可以被减小。
[0036]在图2中，第一简化电流图被示出，其中在第一绕组输出端213、215的电压相对于在绕组输出端214、216的电压是正的。具有从第一二次绕组的第一绕组输出端213，通过整流器222传播到正极输出端251并且经由电容器231传播到第一一次绕组的第二绕组输出端214的第一电流路径261。