JP2010515407A - 非接触回転式電力伝達システム - Google Patents

Abstract

電力供給システムは、一次巻線と二次巻線とを有しており、固定側の固定結合素子と回転側の回転結合素子との間で電力を伝達するように構成された回転変圧器を含んでいる。上記回転結合素子は、上記固定結合素子と中心軸を共有しており、該固定結合素子に関して回転するように適合している。当該電力供給システムは、上記回転変圧器の一次巻線を駆動する絶縁変圧器と、出力が合計されかつ該回転変圧器に結合されるように適合した複数の電力インバータ段とを含んでいる。複数の出力電力コンバータは、上記回転変圧器から伝送される電力を受けている。上記回転側に配置された複数の制御素子は、これら出力電力コンバータの所望かつ実際の性能に関するフィードバック・ループを閉じるように、ならびに電力インバータ段を制御するように構成されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２００６年１２月２０日出願の「Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ｍｏｄｕｌａｒ，Ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ Ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｒｏｔａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ（絶縁モジュール式複数チャンネル多相非接触回転式電力伝達システム）」という名称の、本願の権利者が所有する同時係属の米国仮特許出願第６０／８７６，０５５号からの優先権の利益を主張する。

次世代の医療用コンピュータ断層撮影（ＣＴ）機器は、動作モダリティおよび患者線量低減に対する要求の高まりに対処しなければならないことがある。リアルタイム心臓撮像などのモダリティでは、より速い回転スピード、およびより高いピーク電力をもつ高電圧応答が必要となりうる。電力が増大すると、管冷却を高めるためのさらなるディスク空間、および従来の高電圧パワー・サプライのためのさらなる空間が必要となりうる。これらの難題に対して、ＣＴ設計に過度の制約を設けない解決策を提供することが望ましい。より高い回転スピードおよび電力での信頼性ある性能の必要性は、回転高電圧発電のための新しいアプローチを必要することがある。

電力供給システムは、一次巻線と二次巻線とを有する回転変圧器を含むことができる。この回転変圧器は、該回転変圧器の固定側に配置された１つまたは複数の固定結合素子と、該回転変圧器の回転側に配置された１つまたは複数の回転結合素子との間で電力を伝達するように構成されている。これら回転結合素子は、上記固定結合素子と中心軸を共有しており、この固定結合素子に関して回転するように適合している。

当該電力供給システムは、上記回転変圧器の上記一次巻線を駆動するように適合した絶縁変圧器と、複数の電力インバータ段とをさらに含むことができる。これら複数の電力インバータ段は、上記回転変圧器の上記一次巻線に入力電力を供給するように構成されている。これら電力インバータ段の出力は、合計されかつ上記絶縁変圧器に結合されるように適合している。

当該電力供給システムは複数の出力電力コンバータをさらに含むことができ、これら複数の出力電力コンバータは、上記回転変圧器から伝送される電力を受けるように、かつこの受けた電力を上記回転結合素子にとって所望の範囲に変換するように構成されている。

当該電力供給システムは、上記回転変圧器の上記回転側に配置された複数の制御素子をさらに含んでいる。これら複数の制御素子は、上記複数の出力電力コンバータの所望かつ実際の性能に関するフィードバック・ループを閉じるように、ならびに上記電力インバータ段を制御するための１つまたは複数のタイミング信号を上記回転変圧器の上記固定側に供給するように構成されている。

本開示の一実施形態による非接触電力伝達システムの図である。 回転変圧器の一次巻線への非絶縁インバータの接続の図である。 インバータ出力と回転電力変圧器の一次側との間で動作する絶縁変圧器のより詳細な図である。 ブースト・プリレギュレータを含み、ブリッジ・インバータおよび絶縁変圧器に結合された、分散型交流／交流モジュールの図である。 位相シフトのない、高電力でより低い周波数の共振電流波形の図である。 低電力を達成する、より高い周波数での位相シフトの図である。 直接ゲート駆動および双方向監視通信による、供給される電力の非接触制御の図である。 回転変圧器の巻線を遮蔽する静電遮蔽の図である。 空気との摩擦によって回転素子上に静電荷が蓄積するのを防止する低力ガルバニック接続の図である。 図１に示す非接触電力伝達システムのシステムレベル図である。 図１および１０に示す非接触電力伝達システムを利用するＣＴシステムのシステムレベル図である。

高電圧および補助のパワー・サプライの大きな電力インバータを固定フレームへ移動させることによって回転ガントリー上の利用可能な空間を増やしながら、物理的な接触（ブラシなど）なくハイ・スピード（たとえば、約３００ＲＰＭを超える）で回転システムに電力を供給するシステムおよび方法について説明する。特に、固定側と回転側との間で電力を結合する回転変圧器について説明する。メイン・パワー・サプライの絶縁および減結合は、多相構成における回転変圧器の一次巻線を駆動する絶縁合計変圧器によって実現している。本開示に記載の非接触電力供給システムを使用できる適用分野は、ＣＴ（コンピュータ断層撮影）システムを含むがこれに限定されるものではない。

図１は、本開示の一実施形態による非接触電力伝達システム１００を示している。図１に示す実施形態は、図１１に示すようにＣＴスキャナで使用することができるが、本開示の異なる実施形態では、システム１００は、ＣＴ以外の適用分野で、特に、１つまたは複数の固定素子と１つまたは複数の回転素子との間で誘導電力の伝達を必要とする任意の適用分野で、使用することができる。

詳細には、図１に示すシステム１００は、分割された（または間隙を空けた）回転変圧器１１０と、モジュール式電力インバータ段１０２のセット１０１と、平衡式の遮蔽された絶縁／合計変圧器１０３と、出力が補助出力レギュレータ１０６によって調整される補助変圧器１４６とを含んでいる。間隙を空けた回転変圧器は、一般にリングとも呼ばれている。本特許では、「回転変圧器」および「リング」という用語は同じ意味を有し、交互に使用される。図１に示す実施形態では、電力供給システム１００は、Ｘ線管１８５に電力を供給するように構成されている。他の実施形態において、本開示で論じる電力供給システムは、Ｘ線管以外の装置に電力を供給するように構成することができる。

回転変圧器１１０は、この回転変圧器の固定側１７０に位置する１つまたは複数の固定結合素子と、回転変圧器１１０の回転側１７１に位置する１つまたは複数の回転結合素子との間で、電力を伝達している。これら回転結合素子は、上記固定結合素子に関して回転するように適合し、該固定結合素子と共通の軸を共有している。回転変圧器１１０は、一次巻線（複数可）１３１と二次巻線（複数可）１３２とを有し、誘導電力を、二次巻線（複数可）１３２に接続された高電圧出力モジュール（複数可）１２５に伝達している。

図１に示す設計では、より低い電力のインバータ１０２の前述のセット１０１を含む高周波数大電力インバータ・システム１２０を利用している。電力は、電力施設からのパワー・ソースである電源入力１２７を通じて供給されている。絶縁変圧器１０３は、一次巻線（複数可）１１２と二次巻線（複数可）１１３とを有している。インバータ１０２の出力は、絶縁合計変圧器１０３の一次巻線１１２で合計されるように適合している。絶縁変圧器１０３の二次巻線１１３は、誘導電力を高電圧出力モジュール１２５に伝達する間隙を空けた回転変圧器１１０の一次側１３１を駆動している。

モジュール式電力インバータ１０２のセット１０１は、回転電力変圧器１１０の固定側１７０に位置している。複数の交流／交流高周波数インバータ・モジュール１０２はそれぞれ、一体型の電源入力整流器と、ブースト・プリレギュレータと、非直列共振トポロジで構成されたフル・ブリッジ・インバータとを含むことができる。このプリレギュレータは、図４に関連してより詳細に図示し説明するように、公称３８０−４８０のメイン・パワー・サプライに対する幅広い準拠を提供するようブースト段として構成することができ、後のインバータの効率を最適化する。

平衡式の遮蔽された絶縁／合計変圧器１０３は、フル・ブリッジ・インバータ出力１１２を合計し、出力１１２を回転変圧器１１０の一次巻線１３１から絶縁している。絶縁合計変圧器１０３は、メイン・パワー・サプライ１０１から回転変圧器１１０の一次巻線１３１までに二重の絶縁を提供している。

図示の実施形態では、絶縁変圧器１０３は、平衡式の遮蔽された高周波数の安全絶縁変圧器として働く二重絶縁体（ＤＩ）素子である。絶縁変圧器１０３は、複数の容量性の遮蔽を介して回転変圧器１１０の筐体内に通常誘導される漏れ電流を、実質的に低減させている。絶縁変圧器１０３はまた、回転変圧器１１０の一次巻線１３１を駆動する不平衡なコモン・モード電圧を除去する中心点を提供している。インバータ内に収容されると、絶縁変圧器１０３は、回転変圧器１１０の一次巻線１３１への低ノイズで非接地ベースの駆動信号を提供する。絶縁変圧器１０３はまた、安全規則によって必要とされる完全な電圧の絶縁を提供し、回転変圧器の一次巻線から二次巻線に機能的な絶縁体以上のものを提供することを要求しない。このようにして、回転結合素子への大きな故障電流を処理することが可能なＰＥ接地接続の必要がなくなる。

メイン・パワー・ソースは、それぞれ複数のモードで動作する複数のインバータ１０２から導出される。一実施形態では、可変周波数を利用して、動作周波数を共振周波数から離すことによって、共振構成で広い範囲の電力供給を維持することができる。高周波数での位相シフトは、出力レギュレーションを、下は出力電力のほとんど０％まで実質的に拡張する。低電力レベルでの効率を上げるために、複数のインバータの選択的な切離しを利用することもできる。前述の手法により、高電力状態でのスイッチング損失を低減させ、低電力モードでの共振回路内の循環電流を最小にすることによって、効率的な電力変換および電力レギュレーションが可能になる。電力伝達システム１００のトポロジはさらに、インバータ・ブリッジの位相シフト技法を使用する完全な出力電力制御を、絶縁変圧器１０３の一次側１１２に提供している。この位相シフト技法では、回転変圧器１１０の二次側の高い循環電流を低減させ、さらに効率を改善している。

図示の実施形態では、新しい画像および線量の管理プロトコルによって課される急速に時間変化する放出電流要件から生じる動的負荷を管理しながら効率を最大にするために、絶縁合計変圧器１０３で電力供給を加算または減算するように、複数のインバータを実行中に選択することができる。高電圧ＬＣ回路内の共振周波数に対するインバータ・システムの動作周波数の変動は、インピーダンスの不整合を与え、電力供給を変化させる。多相インバータの位相シフトが実質的に０％に近い出力を提供しながら、動作周波数の範囲にわたって約１：２０のダイナミック・レンジを達成することができる。
補助電力
補助電力は、回転変圧器１１０の固定側１７０に位置し、固定の周波数およびデューティ・サイクルで動作するインバータによって供給することができる。図１に示す実施形態において、補助電力は、補助リング翼１４６および別個の複数出力変圧器１５６からまた絶縁された追加のインバータ１４４を通じて供給され、インバータ１４４は、回転側１７１の複数の電圧出力に対する補助出力レギュレータ１０６からの負荷レギュレーションで連続して動作し、回転側１７１のこれら複数の電圧出力は、該回転側に位置する制御素子１０５によって直接管理される。

図１に示すように、高周波数搬送波でデータを変調することによって、双方向の低スピード監視通信経路をゲート駆動制御巻線１６６内にまた組み込んでいる。様々な出力のレギュレーションは、回転側１７１で実行され、固定側１７０へのフィードバックの必要をなくし、負荷変動への迅速な応答を提供している。回転変圧器１１０の補助巻線１４６の二次側に接続された複数タップの変圧器巻線１５６は、それぞれ回転側１７１の独自の調整回路で様々な出力電圧を実現している。この技法は、冷却システムおよび管駆動回路に供給される主補助電力の間の絶縁を、敏感なデータ収集回路の絶縁から提供している。複数タップ二次リング巻線の代替構造は、低減された空間で同等の機能を提供している。
フィードバックおよび制御
図１に示す実施形態では、主固定側インバータ１０２のフィードバックおよび制御は、回転側１７１で管理され、単純なタイミング信号１０４だけが、結合された制御巻線を通じて固定ベースのインバータ１０２に供給されている。このようにして、固定素子を制御するための超ハイ・スピードの非接触デジタル化伝送システムが不要になる。詳細には、供給される電力（高電圧に限定されるものではない）のすべての制御は、回転側に位置する１つまたは複数の制御素子１５０を介して実行される。高電圧出力で立上り速度を速くするのに必要な高忠実度のフィードバックは、デジタル化、符号化、および伝送をすることなく回転側のアナログ回路によって維持され、それによって高帯域幅データリンクの必要がなくなっている。図１に見られるように、電力伝達システム１００がＣＴシステムに使用される実施形態では、制御素子（複数可）１５０は、ＣＴシステムからの入力情報を受け取ることができる。

回転変圧器の回転側に配置された１つまたは複数の制御素子１５０は、出力電力コンバータの所望かつ実際の性能に関するフィードバック・ループを閉じるように、ならびに電力インバータ段を制御するための１つまたは複数のタイミング信号を回転変圧器の固定側に供給するように構成されている。

制御素子１５０は、出力電力コンバータの所望かつ実際の性能に関するフィードバック・ループを閉じるように構成された制御ループ回路を備えることができ、これら出力電力コンバータは、回転変圧器から伝送される電力を受け、この受けた電力を回転結合素子にとって所望の範囲に変換するものである。インバータのゲート駆動制御信号の位相およびパルス幅の必要なサブ・マイクロ秒のタイミングを決定する制御ループ回路は、アナログ表現のタイミング信号を介して維持され、提示される。これらタイミング信号は、固定側１７０に伝送されることになる。該タイミング信号はアナログであるため、これら信号は、さらなる処理を必要とすることなくリアルタイム情報を維持し、レイテンシまたは遅延なく即座に元の形で電力インバータ・ゲート駆動回路１０４に適用することができる。

回転変圧器の巻線はさらに、１つまたは複数の結合され高周波数変調された信号の重ね合わせによって双方向通信を可能にする二重の用途向けに適合している。この二重の用途は、電力信号またはタイミング信号が上記巻線を通じて伝送される第１の用途と、双方向通信を実現する第２の用途とを含むことができる。図１に示す実施形態では、双方向通信は、ゲート駆動回路１０４と固定監視回路１７５との間にあることができる。同じく、固定監視回路１７５は、診断／制御インターフェース１８０に接続することができる。
絶縁／遮蔽
図２は、回転変圧器２９０の一次巻線が電源入力から絶縁されていない設計における、回転変圧器２９０の一次巻線への従来のインバータ２８１の接続の図を示している。図２に示すように、回転変圧器２９０は、一次巻線２９１と、二次巻線２９２と、一次巻線２９１のための一次筐体２９３と、二次巻線２９２のための二次筐体２９４とを含んでいる。図２に示す図において、電源入力整流器２８５は、回転変圧器筐体２９３内の一次巻線２９１を駆動する高周波数インバータ２８１に給電しており、回転変圧器２９０内の寄生容量２８６（Ｃ１）、２８７（Ｃ２）、および２８８（Ｃ３）を通じて接地を基準とする電流の流れの源を提供している。一次巻線２９１と筐体２９３（接地されたシャーシ・フレームを基準とする）との間の静電容量は、電流ｉに対する経路を提供する。電流ｉは、
ｉ＝２・π・Ｖ・ｆ・Ｃ （１）
によって与えられる。

上の等式（１）では、
Ｖ＝印加電圧であり、またはフル・ブリッジ・インバータの場合、バス電圧から損失を引いたものである。

ｆ＝インバータの動作周波数である。

Ｃ＝巻線とフレームまたは筐体との間の静電容量である。

二次巻線１９２への前述の結合作用はまた、回転構造に充電するための電流源を提供することになり、二次側の単一の故障状態に対する接地への大電流ガルバニック経路を必要としており、「非接触」電力伝達の価値および概念をなくしている。

図３を参照すると、絶縁変圧器３０３のより詳細な図が提供されている。絶縁変圧器３０３は、インバータ出力と電力回転変圧器３１０の一次巻線との間で動作するものとして示している。図３に見られるように、回転変圧器３１０は、一次巻線３１１と、一次巻線３１１のための一次筐体３１３と、二次巻線３１２と、二次巻線３１２のための二次筐体３１４とを含んでいる。

図３に示すように、主電力入力と回転変圧器３１０の一次巻線３１１との間には、一次遮蔽３１５が設けられている。遮蔽３１５は、電源帰還路３１３を通じて、主電源入力に戻るように一次寄生容量３０１に対する帰還路を提供している。図３に示す、絶縁変圧器３０３の二次巻線上の接地された二次遮蔽３０２は、一次遮蔽３１５上に存在する３６０Ｈｚ成分をインバータのＰＥ接地点に戻すことによって、該成分が変圧器３０３の二次巻線に結合されないようにしている。

高周波数絶縁変圧器３０３は、それだけには限らないが、一次筐体３１３と一次巻線３１１との間の漏電、一次巻線３１１／二次巻線３１２の漏電、または一次筐体３１３および二次筐体３１４の一方又は双方との人間の接触を含む状況で、すべての漏れ電流を効果的に除去し、安全な状態を実現している。

図４は、図２に示す非絶縁構成とは異なり、絶縁変圧器４０３に結合された分散型交流／交流を示している。絶縁変圧器４０３は、一次巻線４１３と二次巻線４１４とを有している。また、間隙を空けた回転変圧器の一次巻線４０４および二次巻線４０５を示している。

図４は、メイン・パワー・サプライの整流入力のいずれか１つの脚部、または図４で参照番号４０６によって示すような中心電位のどちらかへの遮蔽接続を示している。そのような低周波数の点（たとえば、約３６０Ｈｚ）へ遮蔽接続されているとき、絶縁変圧器４０３の二次巻線４１４へ伝達されるエネルギー（漏れ）を低減させるように、漏れ電流には帰還路が提供されている。

図４に示すように、絶縁変圧器４０３は、この変圧器の一次側に複数の巻線を可能にしており、これら複数の巻線は、複数のインバータのうちの所望の１つに接続することができる。このようにして、これらインバータを直接ガルバニック接続するのではなく、該インバータの集合的な出力を合計して、単一の出力にすることができる。

ブースト・インバータ段の一実施形態を図４に示す。ブースト段４０１は、入力整流器４００と、ブースト・インダクタ４０７と、ブースト・スイッチ４０９と、ブースト・ダイオード４０８とからなっている。このブースト段の出力電圧は、このブースト・スイッチのＰＷＭを介して制御されている。インダクタの位置を電源整流器の交流側に移動させた代替構成を実施することができる。

共振の半周期の完了より前にスイッチング素子をターン・オフする直列共振インバータは、共振の上で動作しており、したがって「共振上インバータ」と呼ぶことにする。スイッチをターン・オフすると、電流は、相補スイッチの逆並列ダイオードを通って伝わるように誘導され、ゼロ電圧の下でターン・オンすることができる。電流の下でのターン・オフは、ターン・オフ損失を低減させるように速いスイッチ／ダイオード、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の特徴を必要とする。より高い電力レベルで、ＦＥＴの結果のオン抵抗は大きく、それは電力処理能力を制限している。ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）技術の最近の改善により、より低い電圧（＜１２００Ｖ）および電流（＜１００）でＩＧＢＴをうまく使用できるようになった。しかし、大電力装置（１２００Ｖ＠６００Ａ）におけるＩＧＢＴは、非常に高い電力（＞１００ｋＷ）に必要なタイプの制限された利用可能性を有しており、それらはまた、５０ｋＨｚを越えるスイッチング周波数において低損失で動作可能なものである。

共振上インバータは、共振から離れてより高い周波数に移ることによって電力レギュレーションを提供しており、このことは、回路のＱによって規定される共振インピーダンスに変化を与えることになる。安定性の実用上の制限および高電圧整流器のスピードは、直列共振システムに対する出力電力のダイナミック・レンジを著しく制限している。

直列共振回路に対する代替動作モードは、共振より下にある。そのようなシステムにおいて、これらスイッチは、共振のエネルギーがスイッチの逆並列ダイオードを通って循環する間、半周期が完了した後にターン・オフし、デバイスはゼロ電流の下でターン・オフすることができる。共振下インバータは、調整された出力に著しいリップルを導入することなく不連続な手法で動作するのが困難であるため、最小電力で制限を有している。

本開示の一実施形態によれば、可変の周波数／位相インバータは、電力回路（非直列共振）の変圧器インダクタンスと並列に設けられた負荷回路内の反射容量を利用して、近共振から共振上で動作する。この利点は、共振上動作（より低い電力）での循環電流の低減であり、インバータ周期の中間で（アーク制御のために）動作を中止させ、広い範囲の出力電力を提供し、主電力伝送と直列の大きな電流／電圧のコンデンサ素子を不要にすることが可能な正常に動作する電力段を提供する。

図５は、インバータ電圧源５０１の位相シフトのない、高電力でより低い周波数の共振電流波形（複数可）５００を示している。図５に示すように、最大電力は共振で導出され、周波数が高まるにつれて連続して低減する。

本開示に記載の電力伝達システムのダイナミック・レンジをさらに拡張するために、本開示の一実施形態では、多相巻線の位相制御を利用することができる。高電圧の二次巻線は、一次側に反射される高電圧出力段の巻線とともに、寄生容量を示すことがある。これらは、容量性素子を追加する必要性を減らし、さらにはなくす可能性がある。

図６は、インバータ駆動電圧６０２に位相シフトが存在する共振電流波形６０１を示している。図６に示すように、電流は低減されている。この共振の周波数の約２．５倍で、絶縁変圧器の一次側の多相インバータのフェージングが変更され、それによって、伝達される電力をさらに低減している。このようにして、上限動作周波数を制限しながら、ゼロ出力電力を達成することができる。さらに、位相シフトされた波形は、ＨＶ変圧器の一次側で取り消されるのとは対照的に、インバータ段または絶縁変圧器の一次側で取り消され、組み合わされ、または取り消されかつ組み合わされることが好ましく、それによって、変圧器巻線内で大きな循環電流が生成されるのを防止している。これらの循環電流は、熱を発生させ、効率を低減し、電力伝達システムのデューティ・サイクルを制限している。

図７は、直接ゲート駆動および双方向監視通信による、供給される電力の非接触制御を示している。先の図のように、図７は、固定側７３０と回転側７４０との間で誘導電力を伝達するように構成された回転変圧器７１０を示している。図７に示す実施形態において、クリティカルなリアルタイムのゲート駆動信号のタイミングは、制御ループ回路７０９によって生成され、回転変圧器巻線７２０（Ｔ_Ａ）、（Ｔ_Ｂ）をゲート駆動変圧器の一部として利用する駆動回路７０３、７０８に提示される。図示の実施形態において、これらは１：１の比を有する。異なる実施形態では、異なる比を使用することもできる。この技法において、両ゲート信号のタイミングは、パルス幅および相対位相に対するアナログ信号内に保持されている。図７には２つのタイミング・チャネル７２０（Ｔ_Ａ）、（Ｔ_Ｂ）を示しているが、タイミング・チャネルの数は２つに限定されるものではなく、本開示の他の実施形態では、任意の他の数のタイミング・チャネルを含むことができる。

図示の実施形態では、固定素子および回転素子間の双方向通信チャネルは、７２０のタイミング波形に超高周波数信号を重ね合わせることによって達成している。データは、変調器７０１を使用し復調器７０４を介してこのデータを抽出することによって、回転側７４０へ送られる。ゲート駆動信号に乗る上記超高周波数信号は、フィルタ７０２を介して除去され、複数のインバータ・モジュール７０５のゲート駆動回路に直接提示される。この処理は、変調器７０７および復調器７０６を使用して固定側７３０へデータを送るためにも同様に使用されている。

次いで、復調された信号は、それだけには限らないが、診断、状態、およびインターロックの特徴を含む、非リアルタイム制御機能を提供するように処理されている。

図示の実施形態において、リアルタイム・ゲート駆動制御信号および非リアルタイム・データは、回転変圧器素子７２０（Ｔ_Ａ、Ｔ_Ｂ）内に含まれる結合された巻線を介して送られる。電力供給システムの制御は、前述の技法に限定されるものではなく、本開示の異なる実施形態では、同じ目的で伝達機構を使用できることを理解されたい。

図８は、回転変圧器の巻線８０１を遮蔽する静電遮蔽８００を示している。変圧器の一次巻線および二次巻線の電界は、放射妨害波を生成する。回転変圧器の性質は、巻線が筐体によって遮蔽されるのを防止する間隙を必要としている。図８に示す実施形態に見られるように、巻線８０１の露出した表面上に、重ならない箔遮蔽８００が提供されている。この遮蔽は、導電箔および絶縁材料８０３から作られるか、これらを含むか、またはこれらから作られかつこれらを含んでいる。絶縁材料８０３の例は、それだけには限らないが、「短絡巻線」を防止するための２ミリメートルのカプトン層が含まれる。上記箔は、渦電流を最小限にするのに適切な材料からなっている。本開示の異なる実施形態では、異なるタイプの絶縁材料８０３を含むことができる。透磁性の高い磁心８０６で、巻線８０１を囲むことができる。前述の絶縁方法を使用するとき、遮蔽８００の片側は、回転変圧器（もしくはリング）フレーム８０２にまたは代替帰還路に接続され、放射性ノイズをさらに低減している。
静電放電
本開示に記載の電力伝達システム設計の様々な態様は、ハイ・スピードで保守不要の回転式電力伝達に対する効果的な解決策を提供している。電力伝達のための非接触配置は、既存の設計からブラシ摩耗をなくすための所望の特徴であるが、低力で無電力の信号に関係しないガルバニック接続の必要性が生じることがある。（エア・ベアリング構成など）ガルバニック経路がない場合、空気との摩擦により、回転素子上に静電荷の蓄積が生じる可能性がある。

図９は、空気との摩擦によって回転結合素子上に静電荷が蓄積するのを防止する、低力ガルバニック接続または他のタイプの静電放電器を示している。図９では、固定リング・フレーム９０２および回転リング・フレーム９０３を示しており、ここで、回転リング・フレーム９０３は、回転軸９１０を中心に固定リング・フレーム９０２について回転可能である。図９に示す接続９０１などの簡単な低力接続は、そのようなガルバニック経路または他のタイプの静電放電器を提供している。ドレイン素子（複数可）の向きは、軸９１０の周りの回転による求心力９１１が必要な接触力を提供するような向きである。この設計の追加の特徴は、従来のベアリングを使用するタイプのＣＴシステムにおけるベアリング寿命を、そうしないとこのベアリングの寿命時間を減らす可能性がある該ベアリングおよび軌道輪を通る微小放電をなくすことによって、延ばすことである。

電力供給システムの放電経路すなわち「ドレイン線」は、ガルバニック接続または前述の技法に限定されるものではなく、本開示の異なる実施形態では、同じ目的で異なる伝達機構を使用できることを理解されたい。一例にすぎないが、一実施形態では、静電放電器は、ガルバニック接続ではなく、イオン接続とすることができる。この実施形態では、電荷の蓄積を中和するために、イオン源を利用することができる。

図１０は、図１にも示す非接触電力伝達システム１０００のシステムレベル図を示している。非接触電力伝達システム１０００は、図４に関連して説明したタイプのプリレギュレータを有する複数のモジュール式インバータ１０１０を含んでいる。これらモジュール式インバータ１０１０の出力（一例として３つ示す）は、図１に関連して図示し説明したタイプの複数の遮蔽された絶縁変圧器１０２０によって合計される。これら絶縁変圧器１０２０は、回転変圧器１０３０を駆動するように構成されている。

レギュレータ１０４０は、様々な補助出力を絶縁し調整する。主インバータ・モジュール１０１０に関連する回転変圧器１０３０の二次巻線は、高電圧モジュール（複数可）１０７０に接続されている。非接触電力伝達システム１０００は、一体型リアルタイム・ゲート駆動および双方向通信とともに、前述の静電遮蔽および放電素子を含んでいる。

図示の実施形態において、非接触電力伝達システム１０００は、Ｘ線管１００５に電力を供給するように構成されている。ｋＶ、ｍＡ、およびフィラメント制御通信リンク１０６０を示す。ＣＴシステムに使用するものとして電力伝達システム１０００を示した図示の実施形態において、制御通信リンク１０６０は、ＣＴシステム内のＣＴ制御ユニット（複数可）と通信し、たとえばＣＴ制御情報を受け取り状態情報を生成する。リンク１０６０はまた、高電圧モジュール１０７０と通信し、回転変圧器１０３０の二次巻線に接続する。また、インバータ制御通信ユニット１０５０を示す。このユニットは、診断状態および制御の情報を受け、この受けた情報をインバータ１０１０へ通信する。

図１１は、図１に示す非接触電力供給システム１００を利用するＣＴシステム１１００のシステムレベル図を示している。図１および１０に関連して説明したように、電力供給システム１００は、固定側１１７０と回転側１１７１との間で電力を伝達する。絶縁変圧器１１４０は、固定側１１７０に位置している。

従来のＣＴシステムでは、Ｘ線源（典型的にはＸ線管）およびＸ線検出器配列（複数可）は典型的に、回転ガントリー上に取り付けられている。図１１に示すＣＴシステム１１００において、Ｘ線管１１０５およびデータ取得システム１１１０は、回転側１１７１に配置されている。データ取得システム１１１０は、Ｘ線管１１０５からのＸ線が対象物を横切った後、上記データ取得システム内のＸ線検出器アレイ（複数可）によって検出されたときに生成されるＸ線データを取得し、処理する。Ｘ線データは、トランスミッタ１１２０によって、レシーバ１１２５を介して、固定側１１７０に配置されたＣＴ画像再構成ユニット１１３０へ伝送される。ＣＴ画像再構成ユニット１１３０は、それだけには限らないが、補間および逆投影を含むことがある画像処理および再構成のアルゴリズムを使用して、回転側１１７１から上記固定側へ伝送されたＸ線データを用いて対象物の断層撮影画像を再構成する。

図１１に示すＣＴシステム１１００は、前述の非接触電力供給システムを使用できるシステムの一例を表すにすぎない。非接触電力供給システムは、固定側と回転側との間で電力の伝達を必要とする任意の適用分野で使用することができる。本開示に開示している複数の特徴は、電力供給システムで有用となりうる。これらの特徴について、以下に要約する。

電力インバータ・システムの１つまたは複数の出力を回転変圧器の一次巻線から絶縁するデバイスについて説明する。回転変圧器は、少なくとも１つの固定素子と少なくとも１つの回転素子との間で電力を結合するように適合している。電力インバータ・システムは、回転変圧器の一次巻線に入力電力を供給するように構成されている。当該デバイスは、電力インバータ・システムの１つまたは複数の出力の合計を受け取り上記回転変圧器の一次巻線を駆動するように構成された絶縁変圧器を含んでいる。

回転変圧器による電力の供給を制御する制御システムについて説明する。この回転変圧器は、一次巻線と二次巻線とを有し、固定側に配置された固定結合素子と回転側に配置された回転結合素子との間で電力を伝達するように構成されたものである。当該制御システムは、上記回転側に配置された１つまたは複数の制御素子を含んでいる。これらの制御素子は、上記回転変圧器の一次巻線に入力電力を供給する１つまたは複数の電力インバータ段を制御するために、タイミング信号を上記固定側に供給するように構成されている。

上記制御素子は、上記回転側に配置されており上記回転変圧器の二次巻線からの電力の供給を制御するように構成された少なくとも１つの制御ループ回路を含んでいる。この制御ループ回路は、１つまたは複数の出力電力コンバータの所望かつ実際の性能に関するフィードバック・ループを閉じるように構成されている。これら出力電力コンバータは、上記回転変圧器から伝送される電力を受け、この受けた電力を上記回転結合素子にとって所望の範囲に変換する。

当該制御システムはゲート駆動巻線をさらに含むことができ、このゲート駆動巻線は、上記制御ループ回路に結合されており、上記回転結合素子の少なくとも一部から上記電力インバータ段の少なくとも一部へリアルタイム・ゲート駆動波形を伝送するように構成されている。

非接触電力供給システムのための静電放電器について説明する。当該非接触電力供給システムは、１つまたは複数の固定結合素子と、これら固定結合素子に関して回転するように構成された１つまたは複数の回転結合素子との間で電力を伝達するものである。当該静電放電器は、上記回転結合素子の１つまたは複数に静電放電が蓄積するのを実質的に防ぐように構成されている。

一実施形態において、当該静電放電器は、上記回転結合素子と上記固定結合素子との間のガルバニック接続であることができる。

電力供給システム内で使用される回転変圧器について説明する。当該回転変圧器は、該変圧器の固定側の固定結合素子と、該変圧器の回転側の回転結合素子との間で電力を伝達する。当該回転変圧器は、一次巻線と二次巻線とを含んでいる。当該回転変圧器のこれら巻線は、１つまたは複数の結合され高周波数変調された信号を通じて双方向通信を可能にする二重の用途向けに構成されている。そのような二重の用途は、電力信号またはタイミング信号が上記巻線を通じて伝送される第１の用途と、上記固定側と上記回転側との間の双方向通信を実現する第２の用途とを含むことができる。

要約すると、絶縁された複数チャネルの非接触モジュール式回転式電力伝達システムを開示してきた。この絶縁された複数チャネルの非接触モジュール式回転式電力伝達システムは、１つまたは複数の固定素子を１つまたは複数の回転素子と結合する分割された回転変圧器を含んでいる。絶縁合計変圧器は、多相構成におけるこの回転変圧器の一次側を駆動し、負荷条件に応答して動的な手法で上記固定電力素子を合計する。上記回転変圧器の二次巻線は、選択された回転素子を駆動して、所望の範囲の調整された電力を生成する。電力段の可変の周波数および位相の制御を提供する回転ベースの制御、ならびに上記回転素子（複数可）の複数の巻き線は、上記固定側への高帯域幅デジタル化データ伝達をなくし、出力電力の広いダイナミック・レンジ、高い効率、および早い立上り時間を提供している。

電力伝達システムのいくつかの実施形態について説明してきたが、これらの実施形態で暗示される概念は、他の実施形態でも同様に使用できることを理解されたい。本出願の保護は、次に続く特許請求の範囲によってのみ限定される。

この特許請求の範囲では、単数形の要素への参照は、別段の言及がない限り、「１つだけ」を意味するものではなく、「１つまたは複数」を意味することを意図している。当業者に知られたまたは後に知られることとなる、本開示全体にわたって記載した様々な実施形態の要素に対する構造上および機能上の等価物はすべて、参照により明示的に本明細書に組み込まれ、特許請求の範囲によって包含されることを意図している。さらに、そのような開示が特許請求の範囲に明示的に言及されているかどうかにかかわらず、本明細書に開示したものは何であれ、公衆に供されていることを意図していない。特許請求の範囲のいかなる要素も、その要素が「手段」という語句を使用して明示的に記載されていない場合、または方法クレームの場合、その要素が「ステップ」という語句を使用して記載されていない場合、米国特許法（３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．）第１１２条第６段落の条項に基づいて解釈されるべきではない。

Claims (25)

1. ａ．一次巻線と二次巻線とを有する回転変圧器であって、前記回転変圧器の固定側に配置された１つまたは複数の固定結合素子と、前記回転変圧器の回転側に配置された１つまたは複数の回転結合素子との間で電力を伝達するように構成され、前記回転結合素子が、前記固定結合素子と中心軸を共有しており、前記固定結合素子に関して回転するように適合した、前記回転変圧器と、
   ｂ．前記回転変圧器の前記一次巻線を駆動するように適合した絶縁変圧器と、
   ｃ．前記回転変圧器の前記一次巻線に入力電力を供給するように構成された１つまたは複数の電力インバータ段であって、合計され前記絶縁変圧器に結合されるように適合した出力を有する、前記１つまたは複数の電力インバータ段と、
   ｄ．前記回転変圧器から伝送される電力を受け、受けた前記電力を前記回転結合素子にとって所望の範囲に変換するように構成された１つまたは複数の出力電力コンバータと、
   ｅ．前記回転変圧器の前記回転側に配置された１つまたは複数の制御素子であって、前記出力電力コンバータの所望かつ実際の性能に関するフィードバック・ループを閉じるように構成され、前記電力インバータ段を制御するための１つまたは複数のタイミング信号を前記回転変圧器の前記固定側に供給するようにさらに構成された、前記１つまたは複数の制御素子と
   を備えた電力供給システム。
2. 前記複数の電力インバータ段がモジュール式電力インバータ段を備えた、請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記絶縁変圧器が、多相構成における前記回転変圧器の前記一次巻線を駆動するように適合した、請求項１に記載の電力供給システム。
4. 前記複数の電力インバータ段が、前記回転変圧器の前記固定側に配置され、前記複数の出力電力コンバータが、前記回転変圧器の前記回転側に配置された、請求項１に記載の電力供給システム。
5. 前記回転変圧器の前記一次巻線が、一次筐体内に収容された複数の巻線を備え、前記回転変圧器の前記二次巻線が、二次筐体内に収容された別の複数の巻線を備え、
   前記一次筐体および前記二次筐体が、１つまたは複数の透磁性の磁心を備えた、請求項１に記載の電力供給システム。
6. 前記一次筐体および前記二次筐体の少なくとも１つを遮蔽するように構成された静電遮蔽をさらに備えた、請求項５に記載の電力供給システム。
7. 前記複数の電力インバータ段が、前記回転変圧器への入力電力の高周波数駆動および整流を独立して提供するように構成された複数の交流／交流変換モジュールを備えた、請求項１に記載の電力供給システム。
8. 前記複数の交流／交流モジュールが、磁気素子への前記複数の交流／交流モジュールのそれぞれの出力を合計するように構成され、前記磁気素子が、電圧が集中されかつ電圧が絶縁された出力を前記回転変圧器の前記一次巻線に供給するように構成された、請求項７に記載の電力供給システム。
9. 前記制御素子が、
   前記回転変圧器の前記二次巻線からの電力の供給を制御するように構成された制御ループ回路であって、前記回転変圧器の前記回転側に配置された、前記制御ループ回路と、
   前記制御ループ回路に結合されており、前記回転結合素子の少なくとも一部から前記電力インバータ段の少なくとも一部へリアルタイム・ゲート駆動波形を伝送するように構成されたゲート駆動巻線と
   を備えた、請求項１に記載の電力供給システム。
10. 前記回転巻線が、１つまたは複数の高周波数信号の重ね合わせによって、前記回転結合素子と前記固定結合素子との間の双方向通信を可能にするように構成された、請求項１に記載の電力供給システム。
11. 前記回転変圧器の前記固定側に配置された補助インバータであって、前記補助インバータの固定の動作によって前記回転変圧器への補助電力を供給するように構成された前記補助インバータをさらに備えた、請求項１に記載の電力供給システム。
12. 複数タップの巻線を有する補助変圧器と、
    前記回転変圧器の前記回転側に配置されており、前記補助変圧器の巻線からの出力を調整するように構成された補助出力レギュレータと
    をさらに備えた、請求項１１に記載の電力供給システム。
13. 複数の電圧出力を供給するためのリング変圧器内の独立した補助巻線と、
    前記回転変圧器の前記回転側に配置されており、前記補助巻線からの出力を調整するように構成された補助出力レギュレータと
    をさらに備えた、請求項１に記載の電力供給システム。
14. 前記回転結合素子の１つまたは複数に静電放電が蓄積するのを実質的に防ぐように構成された静電放電器をさらに備えた、請求項１に記載の電力供給システム。
15. 前記静電放電が、
    前記固定側と前記回転側との間のガルバニック接続、および
    前記固定側と前記回転側との間のイオン接続
    のうちの少なくとも１つを備えた、請求項１４に記載の電力供給システム。
16. 前記回転変圧器の前記巻線が、１つまたは複数の結合され高周波数変調された信号の重ね合わせを通じて双方向通信を可能にする二重の用途向けに構成され、
    前記二重の用途が、電力信号またはタイミング信号が前記巻線を通じて伝送される第１の用途と、前記固定側と前記回転側との間の双方向通信を提供する第２の用途とを含む、請求項１に記載の電力供給システム。
17. 前記電力供給システムが、ＣＴ（コンピュータ断層撮影）システムの一部である、請求項１に記載の電力供給システム。
18. 前記電力供給システムが、Ｘ線管に電力を供給するように構成された、請求項１に記載の電力供給システム。
19. 少なくとも１つの固定素子と少なくとも１つの回転素子との間で電力を結合するように適合した回転変圧器の一次巻線から、電力インバータ・システムの１つまたは複数の出力を絶縁するためのデバイスであって、前記電力インバータ・システムは、前記回転変圧器の前記一次巻線に入力電力を供給するように構成され、前記デバイスは、
    前記電力インバータ・システムの前記１つまたは複数の出力の合計を受け、前記回転変圧器の前記一次巻線を駆動するように構成された絶縁変圧器を備えた、デバイス。
20. 固定フレームに配置された少なくとも１つの固定素子と、回転フレームに配置されており前記固定素子について回転するように構成された少なくとも１つの回転素子との間で電力を結合する方法であって、
    前記固定フレームに配置された複数の電力インバータ段のそれぞれの出力を合計するステップと、
    合計された前記出力を回転変圧器の一次巻線から絶縁し遮蔽するステップと、
    絶縁変圧器を回転変圧器の一次巻線に結合するステップと、
    前記絶縁変圧器を動作させるステップであって、前記電力インバータ段からの電力を受け、かつ誘導電力を前記回転素子へ伝送するように構成された分割された回転変圧器の一次巻線を、前記絶縁変圧器が駆動する、ステップと
    を含む、方法。
21. ａ．一次巻線と二次巻線とを有する回転変圧器であって、前記回転変圧器は、前記回転変圧器の固定側に配置された１つまたは複数の固定結合素子と、前記回転変圧器の回転側に配置された１つまたは複数の回転結合素子との間で電力を伝達するように構成され、前記回転結合素子が、前記固定結合素子と中心軸を共有しており、前記固定結合素子に関して回転するように適合した、前記回転変圧器と、
    ｂ．前記回転変圧器の前記一次巻線を駆動するように適合した絶縁変圧器と、
    ｃ．前記回転変圧器の前記一次巻線に入力電力を供給するように構成された１つまたは複数の電力インバータ段であって、前記複数の電力インバータ段が、合計され前記絶縁変圧器に結合されるように適合した出力を有し、
    前記複数の電力インバータ段が、前記回転変圧器への入力電力の高周波数駆動および整流を独立して提供するように構成された複数の交流／交流変換モジュールを備え、
    前記複数の交流／交流モジュールが、磁気素子への前記複数の交流／交流モジュールのそれぞれの出力を合計するように構成され、前記磁気素子が、電圧が集中されかつ電圧が絶縁された出力を前記回転変圧器の前記一次巻線に供給するように構成された、前記１つまたは複数の電力インバータ段と、
    ｄ．前記回転変圧器から伝送される電力を受け、受けた前記電力を前記回転結合素子にとって所望の範囲に変換するように構成された、１つまたは複数の出力電力コンバータと
    を備えた電力供給システム。
22. 回転変圧器による電力の供給を制御するための制御システムであって、回転システムが、一次巻線と二次巻線とを有しており、固定側に配置された固定結合素子と回転側に配置された回転結合素子との間で電力を伝達するように構成され、前記制御システムが、
    前記回転側に配置された１つまたは複数の制御素子であって、前記制御素子が、前記一次巻線に入力電力を供給する１つまたは複数の電力インバータ段を制御するために、タイミング信号を前記固定側に供給するように構成され、前記制御素子が、前記回転変圧器の前記二次巻線からの電力の供給を制御するように構成された少なくとも１つの制御ループ回路を備え、前記制御ループ回路が、出力電力コンバータの所望かつ実際の性能に関するフィードバック・ループを閉じるようにさらに構成され、前記出力電力コンバータは、前記回転変圧器から伝送される電力を受け、受けた前記電力を前記回転結合素子にとって所望の範囲に変換する、前記回転側に配置された前記１つまたは複数の制御素子と、
    前記制御ループ回路に結合されており、前記回転結合素子の少なくとも一部から前記電力インバータ段の少なくとも一部へリアルタイム・ゲート駆動波形を伝送するように構成されたゲート駆動巻線とを備えた、制御システム。
23. １つまたは複数の固定結合素子と、前記固定結合素子に関して回転するように構成された１つまたは複数の回転結合素子との間で電力を伝達するように構成された非接触電力供給システムのための静電放電器であって、
    前記回転結合素子の１つまたは複数に静電放電が蓄積するのを実質的に防ぐように構成された、静電放電器。
24. 前記静電放電器が、
    前記回転結合素子と前記固定結合素子との間のガルバニック接続、および
    前記回転結合素子と前記固定結合素子との間のイオン接続
    のうちの少なくとも１つを備えた、
    請求項２３に記載の静電放電器。
25. 固定側の固定結合素子と回転側の回転結合素子との間で電力を伝達する電力供給システムにおける回転変圧器であって、前記回転変圧器が一次巻線と二次巻線とを備え、
    前記回転変圧器の前記巻線が、１つまたは複数の結合され高周波数変調された信号を通じて双方向通信を可能にする二重の用途向けに構成され、
    前記二重の用途が、電力信号またはタイミング信号が前記巻線を通じて伝送される第１の用途と、前記固定側と前記回転側との間の双方向通信を提供する第２の用途とを含む、回転変圧器。

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