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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Computertomografen mit berührungsloser Energieübertragung.
Hierbei erfolgt die Übertragung
der von der Röntgenröhre benötigten Energie
berührungslos
zwischen einer stationären
Stromversorgung und der drehend angeordneten Röntgenröhre. Gleichzeitig können weitere Verbraucher
wie Detektoren oder Datenerfassungssysteme auf dem drehenden Teil
mit versorgt werden.
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Bei
konventionellen Computertomografen erfolgt die Übertragung elektrischer Energie
zwischen der stationär
angeordneten Stromversorgung und dem rotierenden Teil mittels mechanischer Schleifringsysteme.
Hierbei schleift eine Bürste,
vorzugsweise aus Kohlematerial auf einer Schleifbahn, beispielsweise
aus Messing. Nachteilig an dieser Anordnung ist die geringe Lebensdauer,
die regelmäßigen Wartungsintervalle,
in denen die Bürsten
ausgetauscht werden müssen
und die durch den Kohleabrieb verursachte Verschmutzung.
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Eine
Verbesserung ist beispielsweise in der
US 491 2735 offenbart. Darin wird
das Computertomografensystem wie ein rotierender Übertrager
ausgebildet. Auf der stationären
Seite ist eine Primärwicklung,
die von einer primär
angeordneten Wechselstromquelle gespeist wird, angeordnet. Dieser
gegenüberliegend
ist auf der rotieren den Seite eine Sekundärwicklung angebracht. Zur besseren
Verkoppelung zwischen Primärwicklung
und Sekundärwicklung
sind diese von rotationssymmetrischen Kernen aus weichmagnetischen
Materialien umgeben. Diese Vorrichtung ist allerdings nicht zur Übertragung
hoher Leistungen im Bereich von 100 Kilowatt, wie sie zur Speisung
moderner Röntgenröhren benötigt werden, geeignet.
Dies liegt daran, dass der Übertrager
aufgrund der unvermeidlichen Luftspalte zwischen der stationären und
der rotierenden Seite eine hohe Streuinduktivität aufweist. Diese verhält sich
elektrisch wie eine Serieninduktivität und stellt somit eine hohe
Serienimpedanz für
den zu übertragenen
Strom dar, welche die übertragbare
Leistung begrenzt.
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Eine
weitere Verbesserung ist in der
US 5608771 offenbart.
Hier wird die Streuinduktivität
des Übertragers
mittels einer weiteren Induktivität und einer Kapazität zu einem
Resonanzkreis ergänzt. Gleichzeitig
wird der Hochspannungsübertrager
unmittelbar an die Sekundärwicklung
des rotierenden Teiles angeschlossen. Bei dieser Anordnung kann nun
eine gewisse Streuinduktivität
toleriert werden. Allerdings ist ein sehr hoher Koppelfaktor des
Drehübertragers
notwendig, da sonst ein zu hoher Stromanteil als Blindstrom durch
die Primärwicklung
des Übertragers
fließen
würde.
Zudem wäre
bei hoher Streuinduktivität
kaum eine vernünftige
Anpassung an den Hochspannungsübertrager
möglich.
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Nachteilig
an den beiden zitierten Anordnungen ist der hohe Materialeinsatz
an teuren, hochpermeablen ferromagnetischen Materialien. So wären bei
einer typischen Dimensionierung einige 100 Kilogramm an Eisen bzw.
Ferritmaterial notwendig. Diese würden auch das Gesamtgewicht
des Computertomografen wesentlich erhöhen. Besonders störend ist
die große
Masse an dem rotierenden Teil, da hier auch die Lagerung entsprechend
tragfähiger
ausgestaltet werden muss. Ein weiterer Nachteil ergibt sich in den
hohen Anforderungen an die mechanischen Toleranzen in der Drehung
zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil. So sollte der Luftspalt zwischen
der Primärseite
im stationären
Teil und der Sekundärseite
im rotierenden Teil idealerweise im Bereich einiger Zehntel Millimeter
sein. Die typischen, bei Computertomografen realisierbaren Toleranzen
liegen jedoch um fast eine Größenordnung höher. Besonders
kritisch ist hier der Betrieb bei einem gegenüber der Horizontalachse geneigten
rotierenden Teil, da sich hier der rotierende Teil gegenüber dem
stationären
Teil aus seiner Normallage verkippt.
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In
der
US 6 433 631 B2 ist
ein Computertomographensystem offenbart, welches ein kontaktloses
Datenübertragungssystem
aufweist. Hochfrequente Signale werden zur Übertragung von Daten kapazitiv
zwischen Rotor und Stator übertragen.
Die Bandbreite eines derartigen Systems ist sehr hoch, aber die übertragbare
Leistung relativ niedrig.
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Die
DE 100 37 294 A1 offenbart
eine Röntgeneinrichtung,
welche eine kontaktlose Datenübertragung
sowie eine kontaktlose Energieübertragung aufweist.
Hierzu sind zwei Koppelspulen vorgesehen, wobei deren Funktion so wie
die Funktion der kontaktlosen Energieübertragung nicht weiter erläutert wird.
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Die
DE 4412958 A1 offenbart
eine Anordnung zur kontaktlosen Übertragung
von Daten. Auch diese Vorrichtung ist zur breitbandigen Übertragung kleiner
Leistungen ausgelegt.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung
elektrischer Energie zwischen dem stationären und dem rotierenden Teil
eines Computertomografen gegenüber
dem Stand der Technik kostengünstiger
zu gestalten und weiterhin derart auszubilden, dass die Masse der
gesamten Anordnung reduziert wird und weiterhin größere mechanische
Toleranzen zwischen dem rotierenden Teil und dem stationären Teil
zulässig
sind.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist in den unabhängigen
Patentansprüchen
angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst einen Computertomografen mit einem rotierenden Teil und
einem stationären
Teil. Das stationäre
Teil umfasst ein Lager zur drehbaren Lagerung des rotierenden Teils.
Weiterhin ist an dem stationären
Teil wenigstens ein Wechselrichter (Inverter) zur Erzeugung eines
Wechselstroms vorgesehen. Dieser Wechselstrom weist wenigstens die
Grundwelle einer ersten Frequenz auf. Ferner ist eine Lei teranordnung vorhanden,
welche von dem Wechselstrom eines oder mehrerer Wechselrichter gespeist
wird. Diese Leiteranordnung ist zumindest entlang eines Teils einer
Kreisbahn an dem stationären
Teil angeordnet. Eine erfindungsgemäße Leiteranordnung besteht
zu wesentlichen Teilen aus elektrischen Leitern, welche auf einem
Träger
oder auf Stützen
gelagert sind. Eine solche Leiteranordnung ist wesentlich einfacher
zu realisieren, als die aus dem Stand der Technik bekannten rotierenden
Transformatoren, bei denen an Stelle der einfachen Leiteranordnung
primärseitig
bereits eine vollständig
ausgebildete Primärseite
eines Transformators notwendig ist. Diese umfasst neben der Entwicklung
und Isolation auch Eisen- bzw. Ferritkerne, welche mit geringen
mechanischen Toleranzen zur Ausbildung eines möglichst geringen Luftspalts
zwischen Primärseite
(stationär)
und Sekundärseite
(rotierend) gefertigt werden müssen.
Zur Auskopplung des elektrischen Stromes aus der Leiteranordnung
ist ein induktiver Koppler an dem rotierenden Teil angebracht. Dieser
induktive Koppler weist eine Länge
auf, welche kurz gegenüber
der Länge
der Leiteranordnung ist und wird durch die Bewegung des rotierenden
Teils gegenüber
dem stationären
Teil längs
der Leiteranordnung bewegt. Der von dem induktiven Koppler ausgekoppelte
Strom kann nun zur Speisung von Verbrauchern wie der Röntgenröhre oder
auch eine Detektoranordnung auf dem rotierenden Teil verwendet werden.
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In
dieser Darstellung wird der Begriff "Strom" im Sinne eines allgemeinen Begriffes
für elektrische Energie
verwendet. Ebenso könnte
stattdessen auch auf die Begriffe Spannung bzw. Energie Bezug genommen
werden.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Vorrichtung ist ähnlich der
oben beschriebenen Vorrichtung ausgebildet. Es sind allerdings Leiteranordnung
und Koppler miteinander vertauscht. So ist der Koppler dem stationären Teil
zugeordnet und wird von dem Wechselrichter mit Wechselstrom gespeist.
Gegenüber
dem Koppler beweglich ist die Leiteranordnung auf dem rotierenden
Teil angeordnet. Entsprechend kann nun der von der Leiteranordnung
ausgekoppelte Strom zur Speisung von Verbrauchern wie der Röntgenröhre oder
auch der Detektoranordnung auf dem rotierenden Teil verwendet werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Leiteranordnung vorgesehen, welche 1, 2 oder auch 3 parallel geführte elektrische
Leiter umfasst. Weiterhin werden diese Leiter derart von Strömen durchflossen,
dass die Summe der Ströme
durch alle Leiter an jeder Winkelposition der Leiteranordnung gleich
Null ist. Wird die Leiteranordnung beispielsweise durch einen radialen Schnitt
an einer beliebigen Stelle durchtrennt und die an dieser Stelle
laufenden Ströme
gemessen, so ergibt die Summe der Ströme Null. Dies kann beispielsweise
dadurch realisiert werden, dass bei einem Zweileitersystem durch
einen Leiter der Strom in einer ersten Richtung und durch den zweiten
Leiter der Strom mit gleicher Größe in entgegengesetzter
Richtung fließt.
Bei einem Dreileitersystem könnten
die Ströme
der drei Leiter bei gleicher Amplitude um jeweils 120 Grad phasenverschoben
sein. Durch eine solche Ausgestaltung kann die elektromagnetische Emission
der Anordnung wesentlich reduziert werden. Da die Summe der Ströme an jedem
Stück der Leiteranordnung
gleich Null ist, ist auch das äußere Magnetfeld
gleich Null. Um eine gute Symmetrierung zu erreichen kann beispielsweise
ein Symmetrierübertrager
oder ein Gleichtaktfilter eingesetzt werden. Zur Ansteuerung bei
mehreren Leitern eignet sich besonders eine Phase – Shift – Brücke im Wechselrichter.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Leiteranordnung in Umfangsrichtung mehrere Segmente auf. Durch eine
solche Segmentierung lassen sich unterschiedliche Arten elektrischer
Energie, wie beispielsweise die hohe Leistung zur Speisung der Röntgenröhre und
die elektrische Hilfsversorgung, durch getrennte Segmente übertragen.
Ebenso kann durch Parallelschaltung mehrerer Segmente die gesamte übertragene Leistung
erhöht
werden. Selbstverständlich
können auch
mehrere Leiteranordnungen parallel zueinander d. h. beispielsweise
in axialer Richtung nebeneinander oder in radialer Richtung ineinander
mit entsprechenden Kopplern angeordnet sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
mehrere Koppler vorgesehen sind, wobei zu jedem Zeitpunkt wenigstens
ein Koppler im Eingriff mit der Leiteranordnung ist. Der Begriff
des Zeitpunkts bezieht sich hier auf eine Drehbewegung des rotierenden
Teils gegenüber
dem stationären
Teil. Anders formuliert bedeutet dies, dass an jeder Position des
rotierenden Teils wenigstens ein Koppler im Eingriff mit der Leiteranordnung
steht. Damit ist zu jedem Zeitpunkt der Bewegung bzw. zu jedem Ort
eine Energieübertragung
möglich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens
ein Abgriff weichmagnetisches Material zur Konzentration des magnetischen
Flusses auf. So kann der Abgriff beispielsweise mit Eisenmaterial,
vorzugsweise in Form von Eisenblechen oder auch Ferritmaterialien
versehen sein. Besonders vorteilhaft ist hier der Einsatz von Eisen-
bzw. Ferritmaterialien besonders Pulver, welches durch Kunststoff
gebunden ist. Wahlweise bzw. zusätzlich
kann auch weichmagnetisches Material an der Leiteranordnung vorgesehen
sein, um die Verkoppelung zu verbessern.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
mehrere Wechselrichter vorgesehen sind, wobei jeweils ein Wechselrichter wahlweise
einen Leiter und/oder ein Segment der Leiteranordnung speist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens
ein Wechselrichter zur Speisung eines Leiters und/oder eines Segments
der Leiteranordnung auf oder nahe der jeweiligen Resonanzfrequenz
ausgebildet.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden wahlweise
die Leiteranordnung und/oder wenigstens ein Abgriff durch wenigstens
eine Kapazität
sowie wahlweise eine oder mehrere zusätzliche Induktivitäten zu einem
resonanzfähigen
Gebilde auf einer vorgegebenen Resonanzfrequenz ergänzt. Besonders
günstig ist
es, wenn die Anordnung zur Ausbildung einer Serienresonanz durch
hinzufügen
einer Serienkapazität
sowie einer optionalen Serieninduktivität ergänzt wird, falls die Induktivitäten der
Leiteranordnung bzw. des Abgriffs nicht hinreichend groß sind.
Alternativ hierzu kann die Anordnung auch zur Ausbildung von Parallelresonanzen
durch hinzufügen
wenigstens einer Parallelkapazität
parallel zur Leiteranordnung oder zum Abgriff ausgebildet sein.
Der Betrieb des Wechselrichters kann nun an die unterschiedlichen
Resonanzbedingungen angepasst werden. Beispielsweise kann eine Regelung
der abgegebenen Leistung durch Frequenzvariation des Wechselrichters
erfolgen. So wird bei einer Abgabe eines Aus- gangsstroms des Wechselrichters
auf der Resonanzfrequenz sicherlich die maximale Leistung übertragen,
während
abhängig von
der Güte
des Resonanzkreises bei Frequenzabweichungen eine geringere Leistung übertragen
wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es, bei niedrigen Lastimpedanzen den Wechselrichter
auf eine Serienresonanz zu regeln, da diese eine mit sinkender Lastimpedanz
steigende Güte
aufweist. Bei hohen Lastimpedanzen hingegen ist es vorteilhaft,
auf eine Parallelresonanz zu regeln, da bei Parallelresonanzen die
Güte mit
der Lastimpedanz ansteigt. Zweckmäßigerweise ist eine Umschalteinrichtung
vorgesehen, welche zunächst
die Lastimpedanz, beispielsweise aus dem Verhältnis von Ausgangspannung zu
Ausgangstrom des Wechselrichters ermittelt und entsprechend die
Frequenzregelung des Wechselrichters auf Parallelresonanz bzw. Serienresonanz
konfiguriert.
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Grundsätzlich kann
ein System aus Wechselrichter, Leiteranordnung sowie Abgriff wahlweise zur
Leistungsübertragung
und gleichzeitig zur Steuerung bzw. Regelung der übertragenen
Leistung oder aber ausschließlich
zur reinen Leistungsübertragung eingesetzt
werden. Wird die übertragene
Leistung durch das System gesteuert bzw. geregelt, so ist beispielsweise
eine Pulsbreitenmodulation in Pulspaketen des Ausgangssignals oder
aber eine Verschiebung der Frequenz abseits der Resonanzfrequenz notwendig.
Grundsätzlich
verringert sich bei einer Frequenzverschiebung der Wirkungsgrad
des Wechselrichters. Ebenso nehmen dabei auch die Emissionen hochfrequenter
Signalanteile zu. Alternativ hierzu kann der Wechselrichter immer
in einem Betriebspunkt des optimalen Wirkungsgrades bei der Resonanzfrequenz
betrieben werden. Um nun die abgegebene Ausgangsgröße zu steuern,
ist beispielsweise primärseitig
ein weiteres Schaltnetzteil oder eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung
mit einem in weiten Grenzen einstellbaren Ausgangsbereich notwendig.
Wird der Wechselrichter auf der Resonanzfrequenz betrieben, so ist
sein Wirkungsgrad sehr hoch, so dass zur Messung des übertragenen
Stromes nicht der hochfrequente Ausgangstrom gemessen werden muss.
Vielmehr kann hierzu die Gleichstromaufnahme des Wechselrichters
herangezogen werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest
ein Wechselrichter zur Erkennung von unterschiedlichen Lastzuständen ausgebildet,
so dass dieser erkennen kann falls das diesem zugeordnete Segment
der Leiteranordnung nicht im Eingriff mit wenigstens einem Abgriff
steht. Entsprechend dieser Er kennung wird nun der Wechselrichter
sein Ausgangssignal abschalten bzw. auf eine Leerlauffrequenz steuern.
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Weiterhin
ist wenigstens ein Wechselrichter zur Abgabe eines Signals auf wenigstens
einer zweiten Frequenz ausgebildet. Weiterhin ist auf dem rotierenden
Teil wenigstens ein frequenzselektives Mittel zur Selektion dieser
zweiten Frequenz ausgebildet, so dass dieses nun vorzugsweise die
mit der zweiten Frequenz übertragene
Energie auskoppelt und hiermit wenigstens einen weiteren Verbraucher, wie
beispielsweise einen Steuerrechner oder auch die Detektoranordnung
speist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Wechselrichter derart ausgebildet, dass das Tastverhältnis seines
Ausgangstromes durch eine Steuereinheit gezielt verändert werden kann.
Hierbei wird vorteilhafterweise die Ausgangsfrequenz nicht beeinflusst.
Durch die Änderung
des Tastverhältnisses ändert sich
die spektrale Verteilung des Ausgangstromes. So geht bei einem Tastverhältnis von
50 Prozent, entsprechend einem symmetrischen Ausgangssignal, der
Anteil an geradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz f0, also 2*f0,
4*f0, 6*f0 etc. im Idealfall gegen Null. Wird das Tastverhältnis zu
unsymmetrischen Ausgangsströmen,
beispielsweise auch nur geringfügig
auf 49 und 48 Prozent oder in größerem Maßstab auf
40 oder 30 Prozent geändert,
so steigt die Amplitude der geradzahligen Vielfachen an. Durch selektive
Filterung der geradzahligen Vielfachen am rotierenden Teil kann
nun selektiv ein bestimmter Anteil der übertragenen Leistung, beispielsweise
zur Versorgung kleinerer Verbraucher wie einen Steuerrechner oder
der Detektoranordnung ausgekoppelt werden. Vorteilhafterweise ist
noch eine Hilfsversorgung vorzusehen, welche für den Fall, dass der zur Abgabe
großer
Leistung konfigurierte Wechselrichter nicht aktiv ist, weil beispielsweise
die Röntgenröhre nicht
versorgt werden muss, die Versorgung der kleineren Verbraucher übernimmt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht wenigstens
einen Wechselrichter zur Abgabe eines frequenzmodulierten Ausgangstromes vor.
Durch die Modulation der Ausgangsfrequenz verbreitern sich die einzelnen
Spektrallinien des Ausgangssignals, wobei sich gleichzeitig ihre
Amplitude verringert. Dadurch ergeben sich verbesserte EMV – Eigenschaften
des Systems. Die Modulationsfrequenz ist größer oder gleich 100 Hz zu wählen, so dass
diese größer als
ein Messintervall der gängigen EMV – Normen
ist. Weiterhin sollte der Modulationshub, also die Frequenzvariation
nur so gering gewählt
werden, dass sich keine nennenswerten Schwankungen des Stromes auf
der rotierenden Seite ergeben.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in perspektivischer Ansicht.
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2 zeigt
in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie in 1 dargestellt,
im Schnitt.
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3 zeigt
einen Ausschnitt des oberen Bereichs aus 2 einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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4 zeigt
ein elektrisches Blockschaltbild einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 5 ist
eine Anordnung mit einem einzelnen Leiter dargestellt.
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6 zeigt
eine Anordnung mit zwei elektrischen Leitern.
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7 zeigt
eine Anordnung mit drei elektrischen Leitern.
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8 zeigt
einen Träger 41 mit
darauf angebrachten Platten aus weichmagnetischem Material 44.
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9 zeigt
eine Anordnung mit drei parallel geführten Leitern.
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10 zeigt
eine Anordnung mit segmentierten Leitern.
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1 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in perspektivischer Ansicht. Der Computertomograf (CT-Scanner) besteht
aus zwei mechanischen Hauptbestandteilen. Ein stationäres Teil 2 dient
als Basis und Träger
des ganzen Gerätes, in
denen sich das rotierende Teil 1 dreht. Der Patient wird
auf einer Liege in der Öffnung
des rotierenden Teils positioniert. Zur Lagerung des rotierenden
Teils 1 dient das Lager 3, welches von dem Hohlprofil 15 des
stationären
Teils 2 gehalten wird. Dieses Lager ist in der beispielhaften
Ausgestaltung als Kugellager ausgeführt. Selbstverständlich sind
auch verschiedene andere Lagertypen hierfür einsetzbar. Zur Abtastung
des Patienten mittels Röntgenstrahlen
sind eine Röntgenröhre 4 sowie
ein diesem gegenüberliegend angeordneter
Detektor 5 vorgesehen. Röntgenröhre 4 und Detektor 5 sind
auf dem rotierenden Teil 1 drehbar angeordnet. Zum Antrieb
des rotierenden Teiles ist ein Motor 20 vorgesehen. Ein
Schleifring 16, welcher an dem rotierenden Teil 1 angebracht
ist, dient zusammen mit dem Schleifringabgriff 21, der am
stationären
Teil 2 befestigt ist, zur Übertragung von Hilfs- und Steuersignalen.
So können
beispielsweise Sicherheitssignale wie zur Freigabe der Röntgenstrahlung
noch über
mechanische Schleifkontakte übertragen
werden, wie dies derzeit noch von den Sicherheitsstandards gefordert
wird. Alternativ hierzu könnte
das Aktivierungssignal für
die Röntgenröhre auch
kontaktlos übertragen
werden. Um den Sicherheitsstan dards zu genügen, müsste dieses Signal in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt
werden. Wird das Signal von dem rotierenden Teil nicht in diesen
Zeitabständen
empfangen, so wird die Röntgenröhre deaktiviert.
Die in der mechanischen Konfiguration noch notwendigen zwei Schleifkontakte
sind aufgrund der niedrigen Strombelastung nahezu wartungsfrei und
verursachen einen wesentlich geringeren Abrieb und somit eine geringere
Verschmutzung als die bisher zur Energieübertragung eingesetzten Kontakte.
Parallel dazu können
mit dieser Anordnung beispielsweise auf kontaktlosem Wege die Bilddaten der
Detektoranordnung 5 zum stationären Teil 2 übertragen
werden. Zur Energieübertragung,
d. h. insbesondere zur Übertragung
derjenigen hohen Energie, welche von der Röntgenröhre benötigt wird, ist an dem stationären Teil 2 eine
Leiteranordnung 7 vorgesehen, welche von dem Wechselrichter
(Inverter) 6 gespeist wird. Der Abgriff der Signale von
dieser Leiteranordnung 7 erfolgt mittels eines Kopplers 8 am rotierenden
Teil 1. Zur Sicherstellung der Funktion ist wenigstens
ein Koppler 8 vorzusehen. Selbstverständlich können auch mehrere Koppler 8 vorgesehen
sein. Diese können
wahlweise parallel geschaltet sein oder auch zum individuellen Abgriff
der Versorgungsenergie für
die Röntgenröhre 4,
die Detektoranordnung 5 oder andere elektronische Komponenten
ausgelegt sein.
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2 zeigt
in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie in 1 dargestellt,
im Schnitt. Darin sind die in 1 dargestellten Teile
mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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3 zeigt
einen Ausschnitt des oberen Bereichs aus 2 einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In dieser Darstellung sind die meisten der zuvor beschriebenen Teile
deutlicher zu erkennen. Weiterhin geht der funktionale Zusammenhang
der Teile deutlicher hervor. Das stationäre Teil 2 ist in dem
dargestellten Bereich zur Erhöhung
der Stabilität
als Hohlprofil 15 ausgebildet. An diesem ist mittels eines Lagers 3 das
rotierende Teil 1 drehbar gelagert. Das Kugellager 3 weist
einen äußeren, feststehenden (stationären) Lagerring 3a auf,
welcher mittels mehrerer Schrauben 14 an dem stationären Teil 2 befestigt
ist. Gegenüber
diesem ist mittels der Kugeln 3b der innere Lagerring 3c drehbar
gelagert. An diesem ist mittels mehrerer Befestigungsbolzen 13 an
einer Seite (im Schnitt rechts dargestellt) ein Zylinder 11 und
auf der anderen Seite eine Scheibe 12 befestigt. Die Scheibe 12 trägt die meisten
der am rotierenden Teil 1 angebrachten Teile, wie insbesondere
die Röntgenröhre 4 sowie
die Detektoranordnung 5. Der Zylinder 11 trägt einen
Schleifring 16, welcher mittels der Schrauben 17 am
Zylinder 11 befestigt ist. An diesem Schleifring ist hier
beispielhaft ein Koppler 8, angebracht, auf einem Trägerelement 18,
welches mittels der Schrauben 19 am Schleifring 16 befestigt
ist. Dieser Koppler 8 besitzt hier beispielsweise einen U-förmig ausgebildeten Kern aus
weichmagnetischem Material, wie beispielsweise Eisen- oder Ferritmaterial.
Zur Energieübertragung
steht der Koppler 8 im Eingriff mit der Leiteranordnung 7.
Die hier dargestellte Leiteranordnung 7 weist beispielhaft
zwei parallele Leiter 9a und 9b auf. Diese Leiter
sind mittels der Stützen 23a und 23b an
dem stationären
Teil 2 befestigt. Zur saube ren Positionierung und einfachen
Montage der Leiteranordnung 7 ist weiterhin eine Trägerplatte 22,
welche vorteilhafterweise aus weichmagnetischem Material besteht,
vorgesehen.
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In 4 ist
ein elektrisches Blockschaltbild einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Die Versorgung der gesamten Anordnung erfolgt vorteilhafterweise über ein
3-Phasen-Netz mit der gängigen
Netzfrequenz, hier beispielhaft 50 Hz. Selbstverständlich ist
auch eine zweiphasige oder Gleichstrom-Speisung möglich. Die Eingangsbeschaltung 30 weist
die üblichen
Filter sowie eine Gleichrichterschaltung, vorzugsweise mit Leistungsfaktorkorrektur
(PFC) auf. Der gleichgerichtete Strom am Ausgang 31 wird
mittels eines Wechselrichters (Inverter) 32, welcher typischerweise
2, 4 oder mehr Halbleiter-Leistungsschalter aufweist in einen hochfrequenten
Wechselstrom umgesetzt. Diese Halbleiter-Leistungsschalter können beispielsweise in
den bekannten Halbbrücken-
oder Vollbrückenschaltungen
konfiguriert sein. Als Halbleiterschalter sind bevorzugt IGBTs oder
MOSFETs geeignet. Der bevorzugte Frequenzbereich liegt oberhalb
der menschlichen Hörschwelle
d. h. 20 kHz und reicht bis zu einer oberen Frequenz von ca. einem
MHz, bis zu dem moderne Halbleiterschalter für hohe Leistungen wirtschaftlich
einsetzbar sind. Der hochfrequente Wechselstrom wird am Ausgang 33 abgegeben
und mittels einer Serieninduktivität 34 sowie einer Serienkapazität 35 in
die Leiteranordnung 7 eingespeist. Die Resonanzfrequenz
der Anordnung ergibt sich aus der Induktivität 34 sowie der Induktivität der Leiteranordnung 7 zusammen
mit der Kapazität 35.
Ist die Induktivität
der Leiteranordnung 7 hinreichend groß, so kann auch die Induktivität 34 entfallen.
Die Induktivität
der Leiteranordnung 7 setzt sich zusammen aus einer Induktivität des Leiters
selbst sowie der transformierten Induktivität 36 des Kopplers 8 sowie
dem Koppelfaktor zwischen der Leiteranordnung 7 und dem
Koppler 8. Der von dem Koppler 8 abgegriffene
Ausgangstrom kann nun dem Hochspannungsgenerator 38, welcher
eine Hochspannung 39 zur Speisung der Röntgenröhre 4 erzeugt zugeführt werden.
Parallel zum Hochspannungsgenerator 38 können auch
weitere Verbraucher 40 gespeist werden. Der Anschluss an
den Koppler 8 kann wahlweise unmittelbar bzw. unter Zwischenschaltung
einer Serien-Kapazität
erfolgen. Dadurch ergibt sich ein zweiter sekundärseitiger Resonanzkreis. Der
Betrieb des Inverters erfolgt zweckmäßigerweise auf bzw. in der
Nähe der
Resonanzfrequenz des Systems. Eine Steuerung der übertragenen
Leistung kann beispielsweise durch Steuerung der Arbeitsfrequenz
des Inverters erfolgen, so dass bei einem niedrigeren Leistungsbedarf
eine Frequenz abseits der Resonanzfrequenz gewählt wird. Ebenso könnte aber
auch eine Steuerung der Leistung durch die Eingangsbeschaltung erfolgen,
welche entsprechend dem Leistungsbedarf ihre Gleichspannung 31 einstellt.
In diesem Falle kann der nachfolgende Inverter mit optimalem Wirkungsgrad
auf der Resonanzfrequenz des Kreises betrieben werden.
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Zur
Anpassung der Impedanzverhältnisse kann
es notwendig sein, an verschiedenen Stellen der Anordnung Übertrager
(Transformator) zu schalten. Dies kann insbesondere zwischen dem
Wechselrichter 6 und der Leiteranordnung 7, sowie
zwischen dem Koppler 8 und der Last notwendig sein. Wird
der Wechselrichter zur Speisung des Kopplers 8 eingesetzt,
so ist ein Übertrager
zwischen Wechselrichter und Koppler bzw. zwischen Leiteranordnung
und Last vorzusehen. Ebenso ist es sinnvoll, insbesondere hinter
dem Wechselrichter bzw. an der Leiteranordnung einen Symmetrierübertrager
(mit einem weichmagnetischen Kern hoher Güte) bzw. eine Gleichtaktdrossel
(Common mode filter) mit einem verlustbehafteten weichmagnetischen
Kern einzusetzen.
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Zusätzlich kann
auf der Lastseite noch eine Regelung der abgegebenen Spannung bzw.
des abgegebenen Stromes, wie beispielsweise durch ein Schaltnetzteil
vorgesehen sein. So wird sicherlich der Hochspannungsgenerator 38 ebenso
wie die Hilfsversorgung 40 eine Regelung der Ausgangspannung aufweisen.
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In 5 ist
eine Anordnung mit einem einzelnen Leiter dargestellt. Ein Träger der
gesamten Leiteranordnung 41, welcher beispielsweise aus
Metall zur Abschirmung oder aber auch aus einem isolierenden Material
besteht, trägt
einen elektrischen Leiter 9 mittels einer Stütze 23.
Zum Abgriff des Stromes läuft
entlang des Leiters ein Koppler umfassend einen Kern aus weichmagnetischem
Material 42 sowie eine Wicklung 43 zur Auskopplung
des elektrischen Stroms.
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6 zeigt
eine Anordnung mit zwei elektrischen Leitern. Die Leiteranordnung
umfasst hier einen Träger 41 sowie
ein darauf befindliches weichmagnetisches Material 44 zur
Führung
des Magnetfeldes. Die parallelen elektrischen Leiter 9a und 9b werden
mittels der Stützen 23a und 23b gelagert.
Der Koppler weist hier einen U-förmig ausgestalteten Kern 42 aus
weichmagnetischem Material mit wenigstens einer Wicklung 43 auf.
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In 7 ist
eine entsprechende Anordnung mit drei Leitern dargestellt. Die Leiter 9a, 9b, 9c sind mittels
der Stützen 23a, 23b, 23c auf
dem Träger
befestigt. Der Koppler weist hier auf dem Kern 42 drei Wicklungen 43a, 43b, 43c auf.
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8 zeigt
einen Träger 41 mit
darauf angebrachten Platten aus weichmagnetischem Material 44.
Durch eine solche Anordnung kann eine einfache Belegung des Trägers mit
vorgefertigten Plattenstücken,
welche wahlweise rechteckig oder der Rundung angepasst sind, erfolgen.
Zweckmäßigerweise wird
nicht nur so wie der Einfachheit halber in der Zeichnung dargestellt
ein Teil des Kreisumfangs, sondern der gesamte Kreisumfang mit Plattenstücken belegt.
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In 9 ist
eine Ausgestaltung der Erfindung mit drei parallel geführten Leitern 9a, 9b, 9c dargestellt.
Diese sind auf dem Träger 41 angeordnet.
Die offenen Enden werden vom Wechselrichter gespeist. Beispielhaft
sind die drei Leiter hier an einem Ende miteinander verbunden. Die
Speiseströme
vom Wechselrichter sind zweckmäßigerweise
jeweils um 120 Grad gegeneinander phasenverschoben. Selbstverständlich ist
neben der hier gezeigten Anordnung mit drei Leitern jede andere
Anzahl von Leitern einsetzbar.
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10 zeigt
eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Leiter in Leitersegmente 10a, 10b, 10c unterteilt
sind. Statt dieser beispielhaft drei Leitersegmente können aber
auch nur zwei oder mehr als drei Leitersegmente eingesetzt werden.
Die Leitersegmente können
jedes für
sich aus einem oder auch aus mehreren parallel geführten Leitern
bestehen. Die Speisung erfolgt mit einem gemeinsamen Wechselrichter
oder individuellen Wechselrichtern für einzelne Leitersegmente oder
für Gruppen
aus Leitersegmenten. Neben einem Frequenzmultiplex ist hier auch
ein Ortsmultiplex in der Übertragung
möglich.
Hierzu werden zweckmäfligerweise
mehrere Koppler 8 eingesetzt. Damit können gleichzeitig mehrere Versorgungsströme, beispielsweise
für die
Röntgenröhre sowie
für die
Detektoranordnung oder andere Verbraucher getrennt voneinander übertragen werden.
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- 1
- rotierendes
Teil
- 2
- stationäres Teil
- 3
- Lager
- 4
- Röntgenröhre
- 5
- Detektoranordnung
- 6
- Wechselrichter
- 7
- Leiteranordnung
- 8
- Koppler
- 9
- elektrischer
Leiter
- 10
- Leitersegmente
- 11
- Zylinder
- 12
- Scheibe
- 13
- Befestigungsbolzen
- 14
- Schraube
zur Lagerbefestigung
- 15
- Hohlprofil
- 16
- Schleifring
- 17
- Schraube
zur Schleifringbefestigung
- 18
- Träger des
Kopplers
- 19
- Schraube
zur Trägerbefestigung
- 20
- Motor
- 21
- Schleifringabgriff
- 23
- Stützen
- 30
- Eingangsbeschaltung
- 31
- Ausgang
für Gleichstrom
- 32
- Inverter
- 33
- Ausgang
für HF-Wechselstrom
- 34
- Serien-Induktivität, stationäres Teil
- 35
- Serien-Kapazität, stationäres Teil
- 36
- Induktivität des Kopplers 8
- 37
- Serienkapazität, rotierendes
Teil
- 38
- Hochspannungsgenerator
- 39
- Ausgang
für Hochspannung
- 40
- Hilfsversorgung
- 41
- Träger der
Leiteranordnung
- 42
- Kern
aus weichmagnetischem Material
- 43
- Wicklung
des Kopplers
- 44
- weichmagnetisches
Material