感應旋轉接頭的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于在兩個相對彼此可旋轉的單元之間耦合電功率的感應功率傳送設備，特別是用于在計算機斷層掃描儀中使用的功率耦合器。這樣的功率耦合器也被稱為旋轉接頭。
【背景技術】
[0002]在計算機斷層(CT)掃描儀和其他相關機器中，在從1kW直到超過10kW的范圍內的大功率從靜止側傳送到旋轉側。這里，生成在超過一百千伏的范圍中的高電壓以產生X射線輻射。
[0003]在美國專利US7054411中，公開了多通道感應旋轉接頭。多通道感應旋轉接頭具有用于將功率從靜止側傳送到旋轉側的感應通道。具有輔助電源和主電源電路。另外提供用于功率控制的電容性反饋鏈路。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是要提供一種感應功率傳送設備或者旋轉接頭，其具有大的動態范圍并且需要相對低的基本負載。
[0005]此問題的解決方案在獨立權利要求中被描述。從屬權利要求涉及對本發明的進一步改進。
[0006]感應旋轉接頭通常被建造得像電力變壓器，其中一側相對另一側旋轉。例如，在CT掃描儀中，功率必須從靜止側傳送到旋轉側。因此，功率耦合器是具有靜止的一次繞組和旋轉的二次繞組的變壓器。為了簡化，以下的解釋和實施例涉及這樣的CT掃描儀旋轉接頭。顯而易見的是，同樣可以被應用到通常的任何旋轉接頭并且另外不僅被應用到用于將功率從靜止側傳送到旋轉側的旋轉接頭，而且被應用到用于將功率從旋轉側傳送到靜止側的旋轉接頭。
[0007]由于變壓器僅僅可以傳送交流(交變電流)，因此變壓器要么由交流線電壓饋電，要么由逆變器饋電，生成可以經由旋轉變壓器更好地被傳送的較高頻率的交流電壓。因此，優選的是在一次側具有逆變器。在二次側或者輸出側，在大部分情況下，此交流電壓被轉換為直流電壓以便提供直流輸出。這可以通過橋式整流器來進行，濾波電容器跟隨在橋式整流器后面以生成平滑的直流電壓。
[0008]在特定環境中，比如在CT掃描儀中，感應功率傳送設備的負載范圍是相對寬的。在滿載狀況下，10kW數量級或者更大數量級的功率可以被供應給X射線管。在空載期間，當比如X射線管和檢測器的大部分系統關閉時，僅有較小數量的低功耗設備必須被供應電功率。在過去的幾年中，計算機、存儲器和其他電子組件的功率消耗已經連續地降低，因此，CT掃描儀的空載功率也顯著地降低，而X射線管所需要的滿載功率由于較高的X射線功率需求而增加。在CT掃描儀中使用的旋轉接頭相對較大。典型的CT掃描儀可以具有I米到1.5米之間的直徑。因此，一次繞組和二次繞組也相對較大。另外，在旋轉部分和靜止部分之間不可能具有極小的空氣間隙，因為具有機械公差。這導致變壓器相對較大的雜散電感。大直徑進一步導致大繞組以及因此在繞組內、繞組之間以及繞組的單獨線匝之間的相對較大的寄生電容。雜散電感或者寄生電感與寄生繞組電容一起引起了寄生共振電路，其導致在寄生共振電路的高Q狀況下輸出電壓的增加，當功率耦合器的輸出端負載具有高阻抗時會滿足所述寄生共振電路的高Q狀況。因此，高輸出阻抗或者低負載在輸出端抽取低功率使得輸出電壓增加。這可以導致旋轉側電子組件的損壞。為了防止不想要的輸出電壓的增加，可以具有降低共振電路的Q因數，并且因此降低空載狀態下的輸出電壓的基本負載或者虛負載。虛負載是不經濟的并且虛負載需要另外的組件，比如大功率電阻器以及比如風扇的冷卻裝置。因此，設計一種感應功率耦合器使得不需要虛負載或者至少減小虛負載中的功率損耗是期望的。
[0009]為了減小所需要的虛負載，在感應功率耦合器中輸出電壓的增加被減少。這可以通過減小感應功率耦合器中的雜散電感和總的寄生電容以及通過提供新的整流電路來進行。
[0010]在第一實施例中，在二次側上具有至少兩個二次繞組，二次側優選為旋轉側。這些二次繞組以相同的方向卷繞，具有相同的線匝數量，并且要么在繞組的開頭要么在繞組的末尾在共同的連接點處被連接在一起。此共同的連接點連接到一對電容器，其中第一電容器連接到正極輸出端，第二電容器連接到負極輸出端。繞組的其他端的每一個連接到一對整流器。對于每個二次繞組，提供單獨的一對整流器。如果具有連接到相同的一對整流器上的多個二次繞組，則在這個實施方式的情況中這如同單個二次繞組那樣工作。
[0011]每一對整流器包括正向連接到正極輸出端的第一整流器，以及反向連接到負極輸出端的第二整流器。優選地，整流器中的至少一個包括二極管，但它還可以包括任何等效元件，比如可以是FET的有源控制開關。
[0012]通過此電路，多個繞組通過整流器的方式以相同方向并聯連接。
[0013]與簡單地傳遞與來自二次繞組的峰峰交流電壓的一半大致對應的輸出電壓的全橋整流器相比，此電路用作倍壓器并且傳遞二次繞組的近似全峰峰輸出電壓。由于這個原因，每個二次繞組僅需要與供應全橋整流器的電路相比一半數量的線匝。因此，存儲在寄生電容的能量顯著較低，并且因此需要較低的虛負載或者較高的虛負載阻抗，這進一步導致在空載期間較低的熱量損耗。
[0014]在進一步的實施例中，至少兩個二次繞組被并聯卷繞。這意味著繞組的繞線被并聯引導，優選地彼此緊密接觸。這導致顯著減小的匝間寄生電容。在線匝彼此緊密接近的區域中，在相鄰線匝之間具有相對較大的寄生電容。因為繞組以相同方向卷繞，因此在相鄰線匝之間無電壓差，并且因此寄生電容不引起電荷的移動，并且因此不引起寄生電流。因此，寄生電容的這個組件不產生影響。因此，通過使得至少兩個繞組并聯對齊，總的寄生電容可以顯著地減小。
[0015]需要具有至少兩個二次繞組，但是顯而易見的是，可以具有任何更大數量的二次繞組。
[0016]在進一步優選的實施例中，在正極輸出端和負極輸出端以及負載之間具有直流/直流變換器。此直流/直流變換器可以是升壓變換器或者降壓變換器或者兩者的組合。直流/直流變換器也可以是在升壓變換和降壓變換之間可切換的。可替代地，還可以具有直流/交流變換器。
[0017]在進一步的實施例中，第一電容器和第二電容器被改變尺寸作為串聯共振變換器的總共振電容的一部分。
[0018]另外，優選的是，串聯共振變換器的總共振電容由至少一個一次共振電容(I31)和在二次側的第一電容器(231)和第二電容器(232)組成。
[0019]根據另一個實施例，串聯共振變換器的總共振電容由至少一個一次共振電容(131)和在二次側的第一電容器(231)和第二電容器(232)組成，其在一次和二次側之間近似均勻地分布。因此，至少一個一次共振電容器(131)的總電容與二次側電容器(231、232)的總電容近似相等。
[0020]另外，一次繞組與二次繞組的繞組匝數比可以近似是2。當改變電容器尺寸時，繞組匝數比是需要考慮的。例如，在電容均勻地分布在一次側和二次側之間并且一次繞組與二次繞組的繞組匝數比為2的情況下，二次電容器(231，232)電容的每一個應該具有一次電容器(I 31)電容值的近似2倍，一次電容器(I 31)電容值具有所需要的總共振電容值的近似一半。
[0021]在進一步的實施例中，至少一個一次共振電容器的總電容與二次側電容器的總電容的比近似等于至少一個二次繞組與至少一個一次繞組的繞組匝數比的平方。
[0022]在大型旋轉電力變壓器中使用本文所公開的實施例是最有效的，因為在這樣的大型單元中存在顯著的改進，但是將實施例應用于較小的單元可以是有益的。
【附圖說明】
[0023]在下面，將參考附圖通過實施例的示例以示例的方式描述本發明，而不限制一般發明構思。
[0024]圖1示出優選實施例。
[0025]圖2示出第一電流圖。
[0026]圖3示出第二電流圖。
[0027]圖4示出具有寄生組件的電路圖。
[0028]圖5示出通過常規的二次繞組的橫截面。
[0029]圖6示出相鄰繞組之間的寄生電容。
[0030]圖7示出了優選實施例的方案。
[0031 ]圖8示出了優選實施例的寄生電容和電壓。
[0032]圖9示意性地示出了CT(計算機斷層)掃描儀機架。
【具體實施方式】
[0033]在圖1中，示出了具有兩個分離的一次繞組的優選實施例。需要具有至少兩個二次繞組，但是很明顯的是，可以具有任何更大數量的二次繞組。
[0034]感應功率耦合器具有一次側100和二次側200，其相對彼此是可旋轉的。
[0035]在一次側100，具有一次繞組110，其優選地由逆變器120用交流信號、優選地具有顯著高于標準線頻率的頻率的交流信號供電。優選地，在逆變器和一次繞組之間具有一次共振電容器131。共振電容器131優選地具有在IkHz到10kHz范圍中的頻率，優選地在20和40kHz之間。在二次側200，具有至少兩個二次繞組，第一二次繞組211和第二二次繞組212，如此圖所示。標記在繞組頂部的點示出了繞組的開始或者繞組的末尾。意味著繞組的哪一端不重要，但重要的是繞組以相同方向定位并且具有相同的線匝數量。二次繞組的定位相對于一次繞組的定位是不相關的。二次繞組的定位可以被改變而沒有任何負面影響。另外，可以具有任何數量的一次繞組。第一二次繞組211具有第一輸出端213和第二輸出端214。第二二次繞組212具有第一輸出端215和第二輸出端216。第二輸出端214和216連接在一起并且進一步連接到第一電容器231和第二電容器232。第一電容器231連接到正極輸出端251而第二電容器232連接到負極輸出端252。第一電容器231和第二電容器232被改變尺寸作為共振電容器。優選的是，一次共振電容器131和二次共振電容器(231，232)具有近似相同的值，這導致在欠載時輸出電壓的進一步降低。由于第一和第二二次繞組的相同定位，在第一繞組輸出端213和215的輸出信號是相同的。第一繞組輸出端的每一個連接到一對整流器222、224和221、223。整流器朝向正極輸出端251正向定位并且朝向負極輸出端252反向定位。優選地，在正極輸出端251和負極輸出端252之間具有并聯于負載的第二濾波電容器233。基本上，具有兩個并聯倍壓器電路。由于倍壓，每個繞組的輸出電壓是橋式整流器電路電壓的兩倍。因此，所需的線匝的數量也可以是橋式整流器電路的數量的一半。因此，繞組的電感是橋式整流器電路的1/4，從而導致減小的雜散電感大約是橋式整流器電路的1/4。這導致感應電路中顯著減小的能量，因此，負載組件240處的最小負載可以顯著減小。試驗已經示出在比如CT掃描儀使用的那些的大型感應耦合器上，最小負載是全橋電路或者常規半橋電路的最小負載的一半。因此，可以是負載240的一部分的虛負載可以被減小。
[0036]在圖2中，第一簡化電流圖被示出，其中在第一繞組輸出端213、215的電壓相對于在繞組輸出端214、216的電壓是正的。具有從第一二次繞組的第一繞組輸出端213，通過整流器222傳播到正極輸出端251并且經由電容器231傳播到第一一次繞組的第二繞組輸出端214的第一電流路徑261。