用于計算機斷層掃描臺架的線頻率旋轉變壓器的制作方法

本公開的領域總體涉及計算機斷層掃描（ct）系統，以及更具體地，涉及用于ct臺架（gantry）的線頻率旋轉變壓器。

背景技術：

通常，ct臺架系統包括稱為定子的靜止部分和繞定子旋轉的臺架。臺架容納有x射線源和x射線探測器部件。定子向該臺架遞送功率以操作該ct臺架系統。

可以使用各種技術將用于操作ct臺架系統的功率從定子傳輸到臺架。一種技術利用在定子和臺架之間建立機械導電橋的接觸滑環。機械導電橋通常由滑動接觸（諸如例如導電刷）形成。替代地，可以利用非接觸滑環，其稱為旋轉變壓器。旋轉變壓器利用交變磁場將定子耦接到臺架，用于功率傳輸。

技術實現要素：

在一個方面，提供了一種線頻率旋轉變壓器，其包括初級芯和次級芯。初級芯可磁性地耦接到次級芯。初級芯包括布置在可耦接到定子的第一環中的第一多個e芯鋼層壓件。初級芯包括設置在第一環內并且被配置為傳輸線頻率ac功率的初級繞組。次級芯包括布置在可耦接到臺架的第二環中的第二多個e芯鋼層壓件。臺架可旋轉地耦接到定子。次級芯包括設置在第二環內的次級繞組并且被配置為接收由初級繞組通過初級芯和次級芯在次級繞組中感應的線頻率ac功率。

在另一方面，提供了一種為臺架計算機斷層掃描（ct）系統供電的方法。該方法包括在臺架ct系統的定子上向線頻率旋轉變壓器的初級側提供線頻率交流（ac）輸入功率。該方法還包括在臺架ct系統的臺架上感應線頻率旋轉變壓器的次級側上的線頻率ac輸出功率。該方法還包括將線頻率ac輸出功率供應至x射線源和x射線探測器。

在另一方面，提供了一種臺架ct系統。該臺架ct系統包括線頻率旋轉變壓器、臺架和定子。線頻率旋轉變壓器包括初級芯和次級芯。臺架包括x射線源和使用來自線頻率旋轉變壓器的線頻率ac輸出功率可操作的x射線探測器。臺架還包括耦接到x射線源和x射線探測器的線頻率旋轉變壓器的次級側。定子包括線頻率旋轉變壓器的初級側。初級側鄰近次級側設置，以限定初級芯和次級芯之間的空氣間隙。初級側被配置為接收線頻率ac輸入功率并且在線頻率旋轉變壓器的次級側處感應線頻率ac輸出功率。

附圖說明

當參考附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本公開的這些和其它特征、方面和優點，在附圖中，相同的符號遍及各附圖表示相同的零件，其中：

圖1是臺架ct系統的示例性實施例的框圖；

圖2是供在圖1中示出的臺架ct系統中使用的線頻率旋轉變壓器的e芯的示例性實施例的橫截面圖；

圖3是供在圖1中示出的臺架ct系統中使用的線頻率旋轉變壓器的示例性實施例的橫截面圖；

圖4是圖3中示出的線頻率旋轉變壓器的示例性弧形段的透視圖；

圖5是向圖1中示出的臺架ct系統提供功率的示例性方法的流程圖；以及

圖6是圖1中示出的臺架ct系統的示意圖。

除非另有說明，本文提供的附圖意在圖示本公開的實施例的特征。這些特征被認為可應用于包括此公開的一個或更多個實施例的各種各樣的系統中。因此，附圖不意味著包括本領域普通技術人員已知的用于實踐本文公開的實施例所需的所有常規特征。

具體實施方式

在以下說明書和權利要求書中，引用具有以下含義的多個術語。

除非上下文另有明確指示，否則單數形式“一”、“一個”和“該”包括復數引用。

“可選的”或“可選地”意指隨后描述的事件或情況可以發生或可以不發生，并且該描述包括該事件發生的情況和該事件不發生的情況。

貫穿整個說明書和權利要求書，如本文中使用的近似語言可應用于修飾可以容許改變而不導致與其相關的基本功能改變的任何定量表示。因此，由一個或多個術語（諸如“約”、“近似”和“基本上”）修飾的值不限于所指定的精確值。在至少一些情況下，近似語言可以對應于用于測量該值的儀器的精度。在這里以及貫穿整個說明書和權利要求書，范圍限制可以組合和/或互換。除非上下文或語言另有說明，確定這些范圍并且這些范圍包括包含在其內的所有子范圍。

接觸滑環裝置易于磨損并且需要頻繁維護或更換。此外，滑動動作導致電刷磨損并將微粒污染物引入系統中。微粒污染物通常是導電的，并且能夠破壞附近電子器件的正常操作。

替代地，可以在臺架ct系統中利用非接觸滑環或旋轉變壓器。本文認識到高頻旋轉變壓器利用諸如整流器-逆變器電路之類的頻率升高部件來生成與變壓器材料兼容的頻率。本文還認識到x射線源和x射線探測器通常利用直流（dc）或線頻率，例如50hz或60hz的交流（ac）功率。因此，通過旋轉變壓器傳輸的高頻功率在臺架處被轉換回dc或線頻率。這些轉換所必需的部件對ct臺架系統引入成本、復雜性和尺寸問題。

通常，變壓器被設計為接受一定量的輸入功率從而以有效的方式生成一定量的輸出功率。許多變壓器也被設計成最小化尺寸和重量以用于給定應用。在設計有效的變壓器時，變壓器芯應具有相對于真空的磁導率的高磁導率。這被稱為相對磁導率，其是材料響應于所施加的磁場而獲得的磁性的度量。有效的變壓器還應具有高的磁化電感與漏電感的比率，諸如例如1000:1，以最小化芯和繞組中的損耗。

高的磁化電感是合意的，因為它通常導致較低的磁化電流和較低的導體損耗。通過減小變壓器中的總電流以及通過減少繞組匝數來減小導體損耗，這減小了繞組電阻。

變壓器中的磁化電感與有效磁導率和繞組匝數的平方的乘積成比例。繞組中感應的電壓與通量的變化率成比例，對于固定面積，通量的變化率相當于通量密度的變化。對于給定的峰值通量，變化率與頻率成比例。因此，感應電壓與頻率成比例。相反，當頻率降低時，更大的通量增加是必需的以在繞組中維持相同的電壓。

低漏電感（即低漏通量）改善電壓調節。漏通量降低變壓器中初級至次級電壓的比例關系，特別是在重負載下。漏電感是繞組匝數的函數，繞組匝數與變壓器的額定功率和電壓調節能力直接相關。繞組中較少的匝數降低漏電感和繞組損耗。相反，繞組中更多的匝數增加漏電感和繞組損耗，并進一步降低電壓調節能力。可以通過與繞組串聯耦接的電容來降低漏電感。

本文認識到，對于臺架ct系統，通常放松對變壓器尺寸和重量的約束，因為臺架中的許多x射線源和x射線探測器部件需要比用于臺架結構的具有合適尺寸的變壓器將通常提供的更少的功率。因此，線頻率旋轉變壓器的操作通量密度通常在飽和以下。本文還認識到旋轉變壓器中的空氣間隙減小了旋轉變壓器的磁化電感。此外，線頻率旋轉變壓器的低頻率進一步降低了磁化電感并增加了磁化電流。

本文還認識到，能夠通過增加繞組匝數來減輕由于增加的磁化電流引起的損耗。增加的匝數減小了繞組中感應給定電壓所必需的通量。繞組中增加的匝數增加了繞組損耗和漏電感，并且降低了變壓器的電壓調節能力。跨次級繞組增加分路電容器進一步降低由于增加的磁化電流所帶來的損耗。分路電容器影響磁化電流的分配，從而允許減少繞組匝數。本文認識到，初級繞組和次級繞組上的串聯電容能夠減輕增加的漏電感。本文認識到，相比在常規變壓器設計中，在用于臺架ct系統的線頻率旋轉變壓器中，磁化電感與漏電感的低比率是可接受的。在某些實施例中，此類比率可以為3:1或更低。本文還認識到，在臺架ct系統中所得到的變壓器損耗和降低的電壓調節是可接受的。

圖1是具有臺架102和定子104的臺架ct系統100的示例性實施例的框圖。定子104包括臺架ct系統100的固定部件，其包括為臺架ct系統100供電的線頻率電源106。臺架102可旋轉地耦接到定子104，從而便于臺架102及其部件繞定子104旋轉。臺架102包括x射線源108和x射線探測器110。x射線源108生成由臺架ct系統100用來詢問對象的x射線信號。x射線探測器110在所生成的x射線信號通過、經過被詢問的對象、反射、偏轉或以其它方式與被詢問的對象相互作用時探測所生成的x射線信號。

x射線源108和x射線探測器110需要功率來操作。通常，臺架102的部件（諸如x射線源108和x射線探測器110）利用dc或線頻率ac臺架功率112。由于臺架102和定子104之間的旋轉關系，臺架功率112從定子104通過滑環114遞送到臺架102。滑環114使用主環116和輔環118在定子104和臺架102之間提供電連接。通常，滑環使用接觸連接或非接觸連接來提供此類電連接，此類滑環分別被稱為接觸滑環和非接觸滑環。在圖1的示例性實施例中，滑環114是利用旋轉變壓器將臺架功率112從主環116傳輸到輔環118的非接觸滑動環。

圖2是供在臺架ct系統100（在圖1中示出）中使用的線頻率旋轉變壓器的e芯200的示例性實施例的橫截面圖。e芯200優選地由具有高相對磁導率的材料制成，該材料諸如例如硅鋼、金屬玻璃、鐵、坡莫合金或其它合適的材料。e芯200包括側柱202和中心柱204。側柱202通過空氣間隙206與中心柱204分離，側柱202和中心柱204以字母“e”的形式布置。側柱202具有1個單位的側柱寬度208，而中心柱204具有2個單位的中心柱寬度210。分隔側柱202和中心柱204的空氣間隙206具有1個單位的間隙寬度212。e芯200具有4個單位的總長度214。在總長度214中，側柱202和中心柱204具有3個單位的柱長度216，而背板218具有1個單位的背板長度220。e芯200的精確尺寸是可縮放的，因為每種實現方式需要并且很大程度上取決于功率需求。至少部分地選擇各種尺寸之間的比率以簡化e-芯的層壓件的制造。

圖3是供在（圖1所示的）臺架ct系統100中使用的線頻率旋轉變壓器300的示例性實施例的橫截面圖。線頻率旋轉變壓器300包括初級芯302和次級芯304。初級芯302和次級芯304是由空氣間隙306分隔開的e芯。在某些實施例中，空氣間隙306為0.5毫米至5毫米。例如，在一個實施例中，空氣間隙306優選為2毫米，但在線頻率旋轉變壓器300的整體上可以從1毫米變化到3毫米。空氣間隙306的相對磁導率低于初級芯302和次級芯304的相對磁導率。因此，線頻率旋轉變壓器300作為整體的相對磁導率降低，并且漏電感增加。更具體地，隨著空氣間隙306加寬，漏電感和損耗增加。

初級芯302和次級芯304中每一個包括布置成環的多個e芯層壓件。在某些實施例中，主環被組裝成e-芯層壓件的若干弧形段。弧形段構造簡化了初級芯302和次級芯304中每一個的組裝。在某些實施例中，初級芯302和次級芯304的多個e芯層壓件與非導電間隔件交錯，從而降低線頻率旋轉變壓器300的重量。

線頻率旋轉變壓器300包括初級繞組308和次級繞組310。初級繞組308包括初級端子312，并且同樣，次級繞組310包括次級端子314。當線頻率輸入電壓316施加到初級端子312時，磁通量318被感應并流過由初級芯302、空氣間隙306和次級芯304限定的磁路。磁通量318在次級端子314處感應線頻率輸出電壓320。

圖4是線頻率旋轉變壓器300（在圖3中示出）的弧形段400的透視圖。弧形段400包括初級芯302和次級芯304，每個芯包括多個e芯層壓件402。在某些實施例中，e芯層壓件402包括與非導電間隔件交錯的硅鋼e芯層壓件。在其它實施例中，e芯層壓件402僅包括由硅鋼或具有高相對磁導率的任何其它合適材料制造的e芯層壓件。如圖4所圖示的，初級芯302和次級芯304由空氣間隙306分開。此外，弧形段400包括初級繞組308和次級繞組310。

圖5是使用（分別在圖1和圖3中示出的）線頻率旋轉變壓器300向臺架ct系統100提供功率的方法500的示例性實施例的流程圖。方法500在開始步驟510處開始。在定子功率步驟520處，將線頻率ac輸入功率提供至線頻率旋轉變壓器300的在定子104處的初級側。更具體地，線頻率輸入電壓316施加到初級繞組308的初級端子312，該初級繞組308在初級芯302和次級芯304中感應磁通量318。

在感應步驟530處，流過初級芯302和次級芯304的磁通量318在臺架102處的線頻率旋轉變壓器300的次級側感應線頻率ac輸出功率。更具體地，線頻率輸出電壓320跨次級繞組310的次級端子314來感應。

在臺架功率步驟540處，將線頻率ac輸出功率供應至x射線源108和x射線探測器110。方法500在結束步驟550處結束。

圖6是臺架ct系統100和（分別在圖1和圖3中示出的）線頻率旋轉變壓器300的示意圖。臺架ct系統100包括通過線頻率旋轉變壓器300耦接在原理圖的相對側上的定子104和臺架102。線頻率ac電源106被圖示為跨線頻率旋轉變壓器300的初級繞組308耦接的ac電壓源。線頻率ac電源106將線頻率ac輸入電壓316遞送到初級繞組308。

同樣，臺架102包括被圖示為負載的x射線源108和x射線探測器110。線頻率旋轉變壓器300將線頻率ac輸出電壓320提供至x射線源108和x射線探測器110。臺架102還包括跨線頻率旋轉變壓器300的次級繞組310的分路電容器610。臺架102和定子104還包括與初級繞組308串聯耦接的串聯電容器620和與次級繞組310串聯耦接的串聯電容器630。電容器620和630減輕了線頻率旋轉變壓器300中的漏電感的影響。

本文描述的方法、系統和裝置的示例性技術效果包括以下中的至少一個：（a）通過使用非接觸滑環以便將功率傳輸至臺架來改善臺架功率質量；（b）通過使用非接觸滑環來降低維護成本；（c）減少定子和臺架上的用于轉換為線頻率ac功率以及從線頻率ac功率轉換所必需的整流器、逆變器和變壓器；（d）通過省略整流器、逆變器和變壓器來降低臺架上的重量；以及（e）降低臺架-定子滑環的制造成本。

用于線頻率旋轉變壓器的方法、系統和裝置的示例性實施例不限于本文所描述的具體實施例，更確切地說，可以與本文描述的其他部件和/或步驟獨立和分別利用系統的部件和/或方法的步驟。例如，所述方法還可以與其它非常規線頻率旋轉變壓器組合使用，并且不限于僅利用如本文所描述的系統和方法進行實踐。相反，能夠結合可受益于增加的效率、降低的操作成本和減少的資本支出的許多其它應用、設備和系統來實現和利用示例性實施例。

雖然本公開的各種實施例的具體特征可以在一些附圖中示出而不在其他附圖中示出，但這僅是為了方便。根據本公開的原理，附圖的任何特征可以與任何其它附圖的任何特征組合地引用和/或要求保護。

本書面描述使用示例來公開實施例（包括最佳模式），并且還使任何本領域技術人員能夠實踐該實施例，包括制造和使用任何設備或系統以及執行任何結合的方法。本公開的可專利范圍由權利要求限定，并且可以包括本領域技術人員想到的其他示例。如果此類其它示例具有并未與權利要求的字面語言不同的結構元件，或者如果此類其他示例包括具有與權利要求的字面語言無實質差異的等同結構元件，則此類其它示例意圖在權利要求的范圍內。