DE102014214511A1 - Device with a gantry - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2), insbesondere einen Computertomographen (2), umfassend eine Gantry (4) mit einem Stator (6) und mit einem Rotor (10), der um eine sich in eine axiale Richtung (26) erstreckende Rotationsachse (40) rotierbar ist, wobei der Rotor (10) einen ringförmigen Träger (12) aufweist, wobei der Rotor (10) mit Hilfe einer Anzahl von Magneteinheiten (20) in einer radialen Richtung (30) sowie in axialer Richtung (26) magnetisch am Stator (6) gelagert ist und wobei der Träger (12) eine Lagerfläche (28) aufweist, deren Oberflächennormale gegen die radiale Richtung (30) sowie gegen die axiale Richtung (26) verkippt ist und der zumindest eine der Magneteinheiten (20) zugeordnet ist, so dass diese Magneteinheit (20) zur Lagerung des Trägers (12) sowohl in radialer Richtung (30) als auch in axialer Richtung (26) beiträgt.The invention relates to a device (2), in particular a computer tomograph (2), comprising a gantry (4) with a stator (6) and with a rotor (10) which rotates about an axis of rotation (Fig. 40) is rotatable, wherein the rotor (10) has an annular support (12), wherein the rotor (10) by means of a number of magnet units (20) in a radial direction (30) and in the axial direction (26) magnetically on Stator (6) is mounted and wherein the carrier (12) has a bearing surface (28) whose surface normal to the radial direction (30) and against the axial direction (26) is tilted and at least one of the magnet units (20) is associated in that this magnet unit (20) contributes to the mounting of the carrier (12) both in the radial direction (30) and in the axial direction (26).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere einen Computertomographen, umfassend eine Gantry mit einem Stator und mit einem Rotor, der um eine sich in eine axiale Richtung erstreckende Rotationsachse rotierbar ist, wobei der Rotor einen ringförmigen Träger aufweist und wobei der Rotor mit Hilfe einer Anzahl von Magneteinheiten in einer radialen Richtung sowie in axialer Richtung magnetisch am Stator gelagert ist. The invention relates to a device, in particular a computer tomograph, comprising a gantry with a stator and with a rotor which is rotatable about an axis of rotation extending in an axial direction, the rotor having an annular support and wherein the rotor by means of a number of Magnetic units is mounted in a radial direction and in the axial direction magnetically on the stator.
Aktuelle Ausführungen von Computertomographen umfassen typischerweise eine Gantry mit einem Stator und mit einem relativ zum Stator rotierbaren Rotor. Der Rotor weist dabei in der Regel eine Masse im Bereich 800 kg bis 1600 kg auf und rotiert im Betrieb mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von bis zu 240 U/min. Infolgedessen sind die Anforderungen an die Lagerung des Rotors am Stator recht hoch, so dass ein entsprechendes klassisches mechanisches Lager aufwendig und teuer in der Herstellung ist. Current computer tomographs typically include a gantry with a stator and a rotor rotatable relative to the stator. The rotor usually has a mass in the range 800 kg to 1600 kg and rotates in operation at a rotational speed of up to 240 U / min. As a result, the requirements for the storage of the rotor on the stator are quite high, so that a corresponding classical mechanical bearing is complicated and expensive to manufacture.
Eine Alternative zur klassischen mechanischen Lagerung stellt eine magnetische Lagerung dar und in der Druckschrift
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, bei der der Rotor einer Gantry vorteilhaft am Stator der Gantry gelagert ist. Proceeding from this, the object of the invention is to provide a device in which the rotor of a gantry is advantageously mounted on the stator of the gantry.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung. This object is achieved by a device having the features of claim 1. The dependent claims include in part advantageous and in part self-inventive developments of this invention.
Bei einer entsprechenden Vorrichtung handelt es sich insbesondere um einen Computertomographen und sie umfasst eine Gantry mit einem Stator und mit einem Rotor. Der Rotor wiederum weist einen ringförmigen Träger auf und ist um eine sich in eine axiale Richtung erstreckende Rotationsachse rotierbar, wobei der Rotor mit Hilfe einer Anzahl von Magneteinheiten in einer radialen Richtung sowie in einer axialen Richtung magnetisch am Stator gelagert ist. Hierzu weist der Träger eine Lagerfläche auf, deren Oberflächennormale gegen die radiale Richtung sowie gegen die axiale Richtung verkippt ist und der zumindest eine der Magneteinheiten zugeordnet ist, so dass die Magneteinheit zur Lagerung des Trägers sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung beiträgt. A corresponding device is in particular a computer tomograph and comprises a gantry with a stator and with a rotor. The rotor in turn has an annular support and is rotatable about an axis of rotation extending in an axial direction, wherein the rotor is magnetically supported on the stator by means of a number of magnet units in a radial direction and in an axial direction. For this purpose, the carrier has a bearing surface, the surface normal is tilted against the radial direction and against the axial direction and the at least one of the magnet units is assigned, so that the magnet unit contributes to the support of the carrier both in the radial direction and in the axial direction.
Während also die Magneteinheiten bei einem Magnetlager nach dem Stand der Technik entweder zur Lagerung in radialer Richtung oder aber zur Lagerung in axialer Richtung beitragen und dementsprechend mit diesen eine Kraftwirkung entweder in radialer Richtung oder aber in axialer Richtung erzielt wird, trägt jene Magneteinheit der hier vorgestellten Vorrichtung zur magnetischen Lagerung sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung bei und dementsprechend wird mit dieser Magneteinheit auch eine Kraftwirkung in radialer Richtung einerseits und in axialer Richtung andererseits realisiert. Thus, while the magnetic units contribute in a magnetic bearing according to the prior art either for storage in the radial direction or for storage in the axial direction and accordingly with these a force effect is achieved either in the radial direction or in the axial direction, carries that magnet unit of the presented here Device for magnetic bearing both in the axial direction and in the radial direction and, accordingly, with this magnet unit also a force in the radial direction on the one hand and in the axial direction on the other hand realized.
Dabei bestimmt die Ausrichtung der Oberflächennormalen der Lagerfläche relativ zur radialen Richtung einerseits und zur axialen Richtung andererseits das Verhältnis der Kräfte, die in axialer Richtung bzw. in radialer Richtung wirken, wobei die Summe der beiden Richtungsanteile der Gesamtkraftwirkung entspricht. Die Ausrichtung der Oberflächennormalen und damit das Verhältnis der Richtungsanteile ist weiter konstruktiv, also durch die Gestaltung des Trägers des Rotors, vorgegeben und wird typischerweise an die zu erwartenden auftretenden Lagerkräfte angepasst. On the other hand, the orientation of the surface normal of the bearing surface relative to the radial direction on the one hand and the axial direction on the other hand determines the ratio of the forces acting in the axial direction or in the radial direction, the sum of the two directional components corresponding to the total force action. The orientation of the surface normal and thus the ratio of the directional components is further constructive, so given by the design of the support of the rotor, and is typically adapted to the expected occurring bearing forces.
Da somit die axiale Lagerung und die radiale Lagerung nicht mehr durch separate Magneteinheiten und somit nicht mehr durch quasi zwei separate Magnetlager realisiert wird, ist die Anzahl der benötigten Komponenten, insbesondere die Anzahl der benötigten Magneteinheiten, hierbei handelt es sich um einen oder mehrere Permanentmagnete und/oder um einen oder mehrere Elektromagnete, bei der hier vorgestellten Vorrichtung im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Hierdurch lassen sich nicht nur Kosten einsparen, darüber hinaus wird für die Komponenten des Magnetlagers auch weniger Bauraum benötigt, so dass in der Folge ein größerer Nutzraum realisiert werden kann, also ein größerer Patientendurchmesser. Thus, since the axial bearing and the radial bearing is no longer realized by separate magnet units and thus no longer by quasi two separate magnetic bearings, the number of required components, in particular the number of required magnet units, this is one or more permanent magnets and / or reduced by one or more electromagnets, in the device presented here compared to the prior art. This not only saves costs, moreover, less space is required for the components of the magnetic bearing, so that as a result, a larger work space can be realized, so a larger diameter patient.
In vorteilhafter Weiterbildung sind am Träger zwei flankierende Lagerflächen gegeben, deren Oberflächenormale jeweils gegen die radiale Richtung sowie gegen die axiale Richtung verkippt ist und jeder Lagerfläche ist zumindest eine Magneteinheit zugeordnet, wobei jede dieser Magneteinheiten zur Lagerung des Trägers sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung beiträgt. Der Aufbau ist dabei zudem bevorzugt symmetrisch und dementsprechend ist für die beiden flankierenden Magneteinheiten sowie die dazugehörigen Lagerflächen ein im Wesentlichen identisches Verhältnis der Richtungsanteile für die jeweilige Kraftwirkung vorgegeben. Somit ist dann ist der Winkel zwischen der jeweiligen Oberflächennormale und der axialen Richtung bzw. der radialen Richtung im Wesentlichen identisch. In an advantageous embodiment, two flanking bearing surfaces are given on the carrier, the surface normal is tilted in each case against the radial direction and against the axial direction and each bearing surface is assigned at least one magnet unit, each of these magnet units for supporting the carrier both in the radial direction and in axial Direction contributes. The structure is also preferably symmetrical and accordingly, a substantially identical ratio of the directional components for the respective force effect is given for the two flanking magnet units and the associated bearing surfaces. Thus, then the angle between the respective surface normal and the axial direction and the radial direction is substantially identical.
Mit Hilfe einer derart symmetrisch aufgebauten Magnetlagerung lässt sich ein besonders ruhiger Lauf des Rotors realisieren, da in diesem Fall unter anderem typischerweise kein Kippmoment auftritt. Die Positionierung der Magneteinheiten im Bereich der Flanken des Trägers bedingt darüber hinaus eine günstigere Zugänglichkeit dieser Baugruppen, was sowohl die Herstellung als auch eine Wartung oder Reparatur erleichtert. Es handelt sich dabei außerdem um eine sehr stabile und vibrationsarme Konstruktion, bei der aufgrund der vorgegebenen Kraftangriffspunkte günstige Hebelverhältnisse gegeben sind. Die Lage der Magneteinheiten ist darüber hinaus auch günstig im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit, unter anderem, da die Magneteinheiten relativ weit entfernt von Elektronikkomponenten positioniert sind, die häufig im Rotor positioniert und am Träger befestigt sind. Dabei gilt es zu bedenken, dass der Träger typischerweise eine Art Grundgerüst darstellt, an dem zum Beispiel im Falle eines Computertomographen eine Röntgenstrahlungsquelle, ein Röntgendetektor und diverse Elektronikbausteine, zum Beispiel eine Steuerelektronik, befestigt sind. With the help of such a symmetrically constructed magnetic bearing can be a particularly smooth running of the rotor realize, since in this case, inter alia, typically no tilting moment occurs. The positioning of the magnet units in the region of the flanks of the carrier also requires a more favorable accessibility of these modules, which facilitates both the production and a maintenance or repair. It is also a very stable and low-vibration construction in which due to the predetermined force application points favorable leverage ratios are given. Moreover, the location of the magnet units is also favorable in terms of electromagnetic compatibility, among other things because the magnet units are positioned relatively far from electronic components which are often positioned in the rotor and secured to the carrier. It should be remembered that the carrier typically represents a kind of basic framework to which, for example, in the case of a computer tomograph, an X-ray source, an X-ray detector and various electronic components, for example an electronic control system, are attached.
Des Weiteren sind die Magneteinheiten bevorzugt paarweise angeordnet, so dass jeweils zwei Magneteinheiten in axialer Richtung voneinander beabstandet bei gleicher Winkelposition angeordnet sind. Zudem bevorzugt sind die Magneteinheiten bezüglich der Verteilung um die Rotationsachse nach Art einer Gleichteilung angeordnet, so dass eine gleichmäßige und symmetrische Verteilung der Magneteinheiten vorliegt, wodurch die Realisierung eines stabilen Magnetlagers vereinfacht wird. Furthermore, the magnet units are preferably arranged in pairs, so that in each case two magnet units are arranged spaced from each other in the axial direction at the same angular position. In addition, the magnet units are preferably arranged with respect to the distribution about the rotation axis in the manner of a common division, so that there is a uniform and symmetrical distribution of the magnet units, whereby the realization of a stable magnetic bearing is simplified.
Im einfachsten Fall sind hierbei lediglich drei Paare aus Magneteinheiten bezüglich der Verteilung um die Rotationsachse nach Art einer Gleichteilung angeordnet, so dass über den Umfang des Rotors hinweggesehen drei Angriffspunkte oder genauer drei Angriffsbereiche gegeben sind. In diesem Fall ist die Anzahl der benötigten Komponenten für die Magnetlagerung besonders gering. In the simplest case, only three pairs of magnet units are arranged with respect to the distribution about the axis of rotation in the manner of a common division, so that overlooked over the circumference of the rotor three attack points or more precisely three attack areas are given. In this case, the number of components required for the magnetic bearing is particularly low.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Magneteinheiten als steuerbare Magneteinheiten und insbesondere als aktiv geregelte Elektromagneten ausgebildet sind. Auf diese Weise lässt sich unter anderem nach der Fertigstellung der Vorrichtung und/oder nach erfolgten Wartungsarbeiten eine Kalibrierung des Magnetlagers vornehmen. Bevorzugt erfolgt jedoch zudem eine permanente aktive Regelung im Betrieb der Vorrichtung, also während der Rotation des Rotors, bei der typischerweise die relative Position und die relative Lage des Rotors zum Stator messtechnisch erfasst wird und bei der auf der Basis der so erfassten Messdaten eine Ansteuerung der Magneteinheiten, also insbesondere der Elektromagnete, erfolgt, so dass hierdurch unter anderem Vibrationen unterdrückt werden. It is also advantageous if the magnet units are designed as controllable magnet units and in particular as actively controlled electromagnets. In this way, a calibration of the magnetic bearing can be carried out, inter alia, after the completion of the device and / or after maintenance work. In addition, however, a permanent active control preferably takes place during operation of the device, ie during the rotation of the rotor, in which typically the relative position and the relative position of the rotor relative to the stator are detected by measurement and in the case of the measurement data acquired in this way Magnetic units, ie in particular the electromagnets, takes place, so that, inter alia, vibrations are suppressed.
Dabei dienen weiter bevorzugt die ansteuerbaren Magneteinheiten, also die Elektromagnete, lediglich zur Feinabstimmung der magnetischen Lagerung und zur Vorgabe eines Basismagnetfeldes werden passive Magneteinheiten, also Permanentmagnete eingesetzt. In diesem Fall übernehmen dann also in den Aufbau integrierte passive Permanentmagnete die Lagerung der Grundgewichtslast und des Grundkippmoments und die Elektromagnete dienen dann zum Ausgleich kleinerer Schwankungen während der Rotation des Rotors. Alternativ wird auf den Einsatz von passiven Magneteinheiten verzichtet, wobei dann auch die Lagerung der Grundgewichtslast und des Grundkippmoments von den ansteuerbaren Magneteinheiten übernommen wird. Diese müssen hierfür natürlich hinsichtlich ihrer Dimensionierung angepasst werden. In this case, further preferably serve the controllable magnet units, so the electromagnets, only for fine tuning of the magnetic bearing and to specify a basic magnetic field passive magnet units, so permanent magnets are used. In this case, so then integrated in the structure passive permanent magnets take over the storage of the base load and the Grundkippmoments and the electromagnets are then used to compensate for minor fluctuations during rotation of the rotor. Alternatively, the use of passive magnet units is dispensed with, in which case also the bearing of the basic weight load and the basic overturning moment is taken over by the activatable magnet units. Of course, these have to be adapted with regard to their dimensioning.
Zusätzlich weist die Vorrichtung vorteilhafterweise zumindest ein Fanglager auf, welches die Lagerung im Falle einer Störung der magnetischen Lagerung quasi provisorisch übernimmt. Dieses ist dabei typischerweise als einfaches mechanisches Wälzlager ausgestaltet. Im Normalbetrieb hingegen trägt das Fanglager zur Lagerung nicht bei. In addition, the device advantageously has at least one fishing camp, which takes over the storage in the event of a disturbance of the magnetic storage quasi provisionally. This is typically designed as a simple mechanical roller bearing. In normal operation, however, the safety bearing does not contribute to the storage.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist weiter der Träger mehrteilig aufgebaut und weist eine Basis sowie zumindest einen Lagerring auf, der die Basis in axialer Richtung flankiert und eine Lagerfläche ausbildet. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel unterschiedliche Teile des Trägers aus unterschiedlichen Materialien fertigen. According to an advantageous embodiment, the carrier is further constructed in several parts and has a base and at least one bearing ring, which flanks the base in the axial direction and forms a bearing surface. In this way, for example, different parts of the carrier made of different materials.
Der Lagerring ist dabei vorteilhafterweise aus Blechen aufgebaut, die in axialer Richtung aneinandergereiht sind und dementsprechend eine Art Blechpaket ausbilden. Die Bleche sind hierbei zum Beispiel als Ringsegmente oder als Ringe ausgebildet. Zudem sind die Bleche durch ein isolierendes Material, wie beispielsweise eine Harzschicht oder eine Lackbeschichtung, voneinander getrennt, so dass sich mit Hilfe dieses Aufbaus Wirbelstromverluste reduzieren lassen. In vorteilhafter Weiterbildung ist der Lagerring als Blech-Laminat ausgeführt und wird als vorgefertigtes Bauteil mit der Basis verschraubt oder verklebt. The bearing ring is advantageously constructed of sheets, which are lined up in the axial direction and accordingly form a kind of laminated core. The sheets are formed here, for example, as ring segments or as rings. In addition, the sheets are separated by an insulating material, such as a resin layer or a paint coating, from each other, so that can be reduced by means of this structure eddy current losses. In an advantageous embodiment of the bearing ring is designed as a sheet-metal laminate and is bolted or glued as a prefabricated component with the base.
Von Vorteil ist es zudem, wenn der Lagerring aus einem ferromagnetischen Material, also insbesondere aus ferromagnetischen Blechen, gefertigt ist, wohingegen die Basis bevorzugt zumindest weitestgehend aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff, wie zum Beispiel Aluminium oder andere Leichtmetalle, nichtmagnetische Edelstähle, Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe (CFK, GFK, ...), hergestellt ist. In diesem Fall ist die magnetische Wechselwirkung mit den Magneteinheiten auf den Lagerring beschränkt und durch Nutzung des nicht ferromagnetischen Werkstoffes, insbesondere Aluminium, lassen sich magnetische Emissionen minimieren. It is also advantageous if the bearing ring is made of a ferromagnetic material, ie in particular of ferromagnetic sheets, whereas the base is preferably at least largely made of a non-ferromagnetic material, such as aluminum or other light metals, non-magnetic stainless steels, plastics or composite materials ( CFK, GFK, ...). In this case, the magnetic interaction with the magnet units is on the bearing ring limited and by using the non-ferromagnetic material, in particular aluminum, magnetic emissions can be minimized.
Sind für den Träger zwei flankierende Lagerflächen vorgesehen, so ist es zweckdienlich, auch zwei Lagerringe vorzusehen, die dann die Basis beidseitig in axialer Richtung flankieren und im Wesentlichen gleichartig aufgebaut sind. Are two flanking bearing surfaces provided for the carrier, it is expedient to provide two bearing rings, which then flank the base on both sides in the axial direction and are constructed substantially the same.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a schematic drawing. Show:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Eine nachfolgend exemplarisch beschriebene und in
Sie umfasst eine Gantry
Die magnetische Lagerung des Rotors
Hierzu erfolgt auch eine permanente sensorische Überwachung der magnetischen Lagerung, auf deren Basis dann eine daran angepasste Ansteuerung der Elektromagnete vorgenommen wird, so dass zum Beispiel kleinere Unwuchten kompensiert werden und eine vibrationsarme Rotation des Rotors
Im Ausführungsbeispiel erfolgt die sensorische Überwachung der magnetischen Lagerung dabei durch eine Strom- oder Spannungsmessung an den Elektromagneten selbst, auf Basis derer dann auf den Abstand zwischen dem jeweiligen Elektromagneten und dem Rotor
Die Ansteuerung der Elektromagnete erfolgt im Ausführungsbeispiel zudem ausgehend von einer hinterlegten Basislinie oder einem hinterlegten Basissteuersignal in Abhängigkeit der Sensordaten, so dass im Rahmen der aktiven Regelung lediglich kleine Anpassungen des Basissteuersignal vorgenommen werden müssen, durch welche kleinere zeitlich variierende Schwankungen während der Rotation des Rotors
Für diese Kalibrierung weist der Computertomograph
Die Magneteinheiten
Jede Magneteinheit
Um die Anzahl der eingesetzten Magneteinheiten
Wie in
Jeder Lagerring
Zur Vermeidung größerer Schäden an der Gantry
Eine abgewandelte Ausführung der Gantry
Durch die Magneteinheiten
So werden zum Beispiel auch die Bauteile für einen elektrischen Rotationsantrieb, mit dessen Hilfe der Rotor
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. The invention is not limited to the embodiment described above. Rather, other variants of the invention can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all the individual features described in connection with the exemplary embodiment can also be combined with each other in other ways, without departing from the subject matter of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10201015061 A1 [0003] DE 10201015061 A1 [0003]
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