CN105720837B - 感应旋转接头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种感应旋转接头。一种感应功率传送电路，包括具有相对二次侧可旋转地布置的一次侧的感应旋转耦合器。一次侧具有一次绕组，而二次侧具有至少两个二次绕组。二次绕组传递具有相同相位的信号，并且在一端连接到一对电容器，所述电容器进一步连接到正极输出端和负极输出端。二次绕组的其他端的每一个分开连接到一对整流器，所述一时整流器正向连接到正极输出端，并且反向连接到负极输出端。通过并联多个二次绕组和整流器电路，可以减小杂散电感和电容，这进一步导致减小的基本负载，从而有助于减少电路的总的能量消耗。

Description

感应旋转接头
技术领域
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
在计算机断层(CT)扫描仪和其他相关机器中，在从10kW直到超过100kW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。
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
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。
本发明的一个方面涉及一种感应功率传送电路，至少包括感应旋转耦合器，所述感应旋转耦合器具有相对于二次侧可旋转地布置的一次侧，一次侧至少包括一次绕组，二次侧至少包括第一二次绕组和第二二次绕组，两个绕组具有近似相同数量的线匝并且被定向为产生具有相同幅相的输出电压，并且具有第一绕组输出端和第二绕组输出端，其特征在于，第二绕组输出端连接在一起并且进一步连接到第一电容器和第二电容器，第一电容器连接到正极输出端并且第二电容器连接到负极输出端，第一绕组输出端的每一个通过正向的第一整流器独立连接到正极输出端，并且通过反向连接的第二整流器连接到负极输出端，并且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。
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。
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。
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，100kW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***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1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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
需更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。
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。
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。
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(131)和在二次侧的第一电容器(231)和第二电容器(232)组成。
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。
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(131)电容值的近似2倍，一次电容器(131)电容值具有所需要的总共振电容值的近似一半。
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。
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
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。
图1示出优选实施例。
图2示出第一电流图。
图3示出第二电流图。
图4示出具有寄生组件的电路图。
图5示出通过常规的二次绕组的横截面。
图6示出相邻绕组之间的寄生电容。
图7示出了优选实施例的方案。
图8示出了优选实施例的寄生电容和电压。
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
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。
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。
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1kHz到100kHz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。
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。从第二二次绕组212，电流从其第一绕组输出端215开始传播经由第二电流路径262，第二电流路径262通过整流器221到达正极输出端251并且经由电容器231返回到第二二次绕组212的第二绕组输出端216。
在图3中，第二简化电流图被示出，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的电压是负的。通过第一二次绕组211的电流从第二绕组输出端214经由电流路径263传播，电流路径263通过电容器232到达负极输出端252并且通过整流器224返回到第一绕组输出端213。通过第二二次绕组212的电流从第二绕组输出端216经由电流路径264传播，电流路径264通过电容器232到达负极输出端252并且通过整流器223到达第一绕组输出端215。在这些电流图中可以看出，通过两个二次绕组的电流通过以相同的方向定位的不同的整流器，同时流入相同的电容器。如此实施例所示，在正半波期间，电流可以为第一电容器231充电，并且在负半波期间，电流可以为第二电容器232充电。
在图4中，示出了具有寄生组件的电路图。除了先前示出的电路组件之外，第一二次绕组211的寄生串联电感311和第二二次绕组212的第二杂散电感312被示出。另外，第一二次绕组211的第一寄生电容321和第二二次绕组212的第二寄生电容322被示出。可以存在具有二次绕组的互感和寄生电容的并联谐振以及具有二次绕组的杂散电感和寄生电容的串联谐振。
在图5中，通过常规的二次绕组的横截面被示出。可以具有围绕线轴或者在磁芯内部卷绕若干次的一段导线。绕组可以具有多个层以使用可用的绕组空间。通常，绕组的线匝是分层卷绕的。此图示出了开始于第一线匝601并且结束于第十线匝610的绕组的示意图。线匝按顺序卷绕。每个线匝到其相邻线匝之间具有在后面将示出的寄生电容。由于具有十匝，因此在相同层的相邻线匝的开始之间的电压差是总电压的1/10。不同层的线匝之间的电压差由这些线匝中间电连接的线匝的数量确定。例如，在线匝605和606之间，电压仅仅是总电压的1/10。在绕组的第一线匝601和最后线匝610之间，电压是总电压的9/10。要注意的是，电压的最后1/10是在最后线匝610的开始和末尾之间。
在图6中，相邻线匝之间的寄生电容在先前附图的一部分的示意图中被示出。线匝608的开始与相邻的线匝607和609之间具有寄生电容611和612。它们之间的电压621和622是总电压的1/10。线匝608和603之间的寄生电容613与寄生电容621和622相同，但是线匝608和603之间的电压623是总电压的5/9，因为在线匝608和603之间具有四个其他线匝。因此，流过寄生电容613的电流是流过寄生电容611和612的电流的5倍大。因此寄生电容613对总的寄生电容的贡献显著高于电容611和612的贡献。
在图7中，示出了二次变压器绕组的优选实施例的示意性布置。可以具有包括线匝651到655的第一二次绕组，以及包括线匝661到665的第二二次绕组。在示意图中以点标记的线匝可以是线匝651和661。由于这些线匝以相同方向卷绕，因此在这些线匝处具有相同的电压，并且因此在可以在不同的层上的相邻线匝(比如线匝651和661)之间没有电压。这适用于也具有相同的电压的、以线匝655和665结束的所有连续的线匝。
在图8中，优选实施例的寄生电容和电压被示出。再次如前所示，在相邻绕组之间具有寄生电容671、672和673，其具有近似相同的电容值。线匝663和662之间以及线匝664和线匝663之间的电压682、681，与先前示例中所示的线匝609、608和607之间的电压大约相同。应该注意的是，在此实施例中绕组的总电压仅仅是用于驱动全桥整流器的先前示例中的总电压的一半。因此，五个线匝的电压差与前述实施例中十个线匝的电压差相同。由于第二二次绕组的线匝663具有与第一二次绕组的线匝653相同的电压，因此在这些绕组之间的电压683是零，因此没有电流流过寄生电容673。因此，这个寄生电容673对总的寄生电容没有贡献。因此，通过使用这个绕组布置，总的有效寄生电容(321、322)可以减小，这进一步导致共振电路中能量的减少，并且因此基本负载和虚负载可以进一步降低。
图9示意性地示出了CT(计算断层)扫描仪机架。静止部分被悬挂在巨大框架810内。机架的旋转部分809相对于静止部分被可旋转地安装，并且沿旋转方向808旋转。旋转部分可以是金属盘，其支撑X射线管801、检测器803以及另外的电子和机械组件。此盘可以限定第二地面。X射线管被用于产生X射线束802，X射线束802辐射穿过躺在台807上的患者804，并且其被检测器803截获并且被转换为电信号和成像数据。由检测器803获取的数据经由非接触的旋转接头(未示出)通过数据总线或者网络805的方式传输到评估单元806。来自静止供电单元811的电功率可以由感应功率耦合器800传输到旋转部分。比如行李扫描仪的其他扫描仪以类似的方式工作。
附图标记列表
100 一次侧
110 一次绕组
120 逆变器
131 一次共振电容器
200 二次侧
211、212 二次绕组
213-216 绕组输出端
221-224 整流器
231、232 电容器
233 滤波电容器
240 负载
251 正极输出端
252 负极输出端
261-264 电流路径
311、312 杂散电感
321、322 寄生电容
601-610 现有技术的二次绕组线匝
611-613 现有技术的寄生电容
621-623 现有技术的电压
651-655 第一二次绕组线匝
661-665 第二二次绕组线匝
671-673 现有技术的寄生电容
681-683 现有技术的电压
800 感应功率耦合器
801 X射线管
802 X射线束
803 X射线检测器
804 患者
805 网络
806 评估单元
807 病人台
808 旋转方向
809 旋转部分
810 框架
811 电源单元

Claims (8)

1.一种感应功率传送电路，至少包括感应旋转耦合器，所述感应旋转耦合器具有相对于二次侧(200)可旋转地布置的一次侧(100)，
一次侧至少包括一次绕组(110)，
二次侧(200)至少包括第一二次绕组(211)和第二二次绕组(212)，两个绕组具有近似相同数量的线匝并且被定向为产生具有相同幅相的输出电压，并且具有第一绕组输出端(213、215)和第二绕组输出端(214、216)，
其特征在于，第二绕组输出端(214、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)并且第二电容器(232)连接到负极输出端(252)，第一绕组输出端(213、215)的每一个通过正向的第一整流器独立连接到正极输出端，并且通过反向连接的第二整流器连接到负极输出端，并且
第一电容器(231)和第二电容器(232)被改变尺寸作为串联共振变换器的总共振电容的一部分。
2.根据权利要求1所述的感应功率传送电路，其特征在于
串联共振变换器的总共振电容由至少一个一次共振电容器(131)以及在二次侧上的第一电容器(231)和第二电容器(232)组成。
3.根据权利要求1或2所述的感应功率传送电路，其特征在于
串联共振变换器的总共振电容由在一次侧和二次侧之间均匀地分布的至少一个一次共振电容器(131)以及在二次侧上的第一电容器(231)和第二电容器(232)组成。
4.根据权利要求1或2所述的感应功率传送电路，其特征在于
所述一次绕组与所述第一二次绕组或第二二次绕组之间的绕组匝数比大约是2。
5.根据权利要求1或2所述的感应功率传送电路，其特征在于
所述一次绕组(110)连接到逆变器(120)以用于传递交流电压。
6.根据权利要求1或2所述的感应功率传送电路，其特征在于
第一二次绕组(211)和第二二次绕组(212)是用至少两个并联的线匝卷绕的。
7.根据权利要求1或2所述的感应功率传送电路，其特征在于
第一二次绕组(211)和第二二次绕组(212)是用在分离的层中的至少两个并联的线匝卷绕的。
8.根据权利要求1或2所述的感应功率传送电路，其特征在于
在正极输出端(251)、负极输出端(252)和负载(240)之间提供直流/直流变换器。
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EP14198916.0A EP3035350B1 (en) 2014-12-18 2014-12-18 Inductive rotary joint

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