[發明專利]具有U形鐵氧體芯的感應旋轉接頭

有效

• 申請號: 201511035793.1
• 申請日: 2015-12-17
• 公開（公告）號: CN105719821B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: U·赫爾曼
• 申請（專利權）人: 史萊福靈有限公司
• 主分類號: H01F38/18
• 分類號: H01F38/18;H01F27/26;H01F27/36;A61B6/00;A61B6/03
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李曉芳

技術領域

本發明涉及專門用于高水平的電功率的傳輸的非接觸式旋轉接頭，也稱為旋轉電力變壓器。這樣的非接觸式旋轉接頭可以用在CT掃描儀。

背景技術

一種包括感應功率耦合器的非接觸式旋轉接頭在美國專利US7197113B1中被公開。這樣的旋轉接頭能夠將超過一百千瓦的功率從靜止部分傳輸到旋轉部分。這樣的旋轉接頭具有重的鐵或鐵氧體芯以用于引導磁場。例如，在CT掃描儀中需要大于一米的自由口徑。因此這樣的旋轉接頭的內徑可以大于1米，其需要大并且厚重的機械支撐結構。

歐洲專利公告EP1481407B1公開了一種具有由保持在U形環內的多個成形部分制成的繞組的旋轉變壓器。

具有U形鐵氧體芯的感應旋轉接頭在US5608771中被進一步公開。

發明內容

本發明要解決的問題是通過簡化機械設計、增加魯棒性、提高承受大的離心力的能力和增大可靠性、同時減少重量，從而改進旋轉電力變壓器。

這個問題的解決方案在獨立權利要求中被描述。從屬權利要求涉及本發明的進一步的改進。

旋轉電力變壓器具有靜止部分和旋轉部分。在本文中這樣的部分的基本結構和功能被示出。通常優選的是，旋轉變壓器是對稱的，具有基本相同的靜止部分和旋轉部分。當然，這些部分可以不同，以滿足如用于固定到機器的裝置中靜止部分或旋轉部分的特定需要。靜止部分和旋轉部分中的至少一個，優選地兩者均基于優選為環狀的機體。機體可以具有盤或鼓的形狀。機體的主要功能是給予旋轉電力變壓器的電氣和磁性組件穩定的支撐。機體可以進一步由如CT掃描儀的機器的部分支撐，電力變壓器被集成到此機器中。機體可以由如鋁的金屬或由塑料材料制成，其優選地被進一步增強。優選的是，由電絕緣和非磁性的材料制造機體。機體優選地具有圓形形狀。它也可以具有適于機器的不同形狀。

旋轉電力變壓器還具有一次側和二次側。一次側可以是在靜止側或在旋轉側，而二次側是在另一側。一次側具有至少一個一次繞組，其包括至少一個一次線匝。二次側包括至少一個二次繞組，其具有至少一個二次線匝。為了引導一次側和二次側之間的磁場，提供了優選為軟磁性材料的磁性材料。最優選的是，磁性材料是鐵氧體材料。在替代實施例中，可以使用鐵粉材料。而鐵氧體材料優選用于較高的頻率，鐵粉材料在較低頻率時提供較高的Q。這兩種材料均提供高的機械強度并且可以被機器精確地加工成所需的尺寸。最優選地，鐵氧體由于其高硬度和低熱膨脹而被使用。鐵氧體材料可以通過研磨而被精確地機加工，這允許對旋轉部分之間的氣隙的精確限定。

在比如CT掃描儀的大型設備中，旋轉電力變壓器具有大約0.5米到1.5米的直徑，不可能建立一片磁芯。替代地，用于耦合磁場的磁芯由多個小的分段組裝而成。

正如本領域已知的那樣，磁芯被設計以使得磁性橫截面沿磁路近似恒定，引起通過芯的恒定的磁通密度。在非恒定橫截面的情況下，具有最小橫截面的磁芯的截面將會首先在高通量密度下飽和。這將導致磁芯中減小的電感和散熱。因此，理想的是具有恒定的磁性橫截面以獲得具有最小化的鐵氧體材料要求的最寬的操作范圍。因此，標準的U形鐵氧體芯具有鐵氧體材料的相同橫截面的一對腿和基底。

用大量磁性材料和鐵氧體芯以及磁模擬和計算的測試示出，用于旋轉電力變壓器的磁芯應該被不同地設計。與現有技術相比，腿具有比基底顯著較大的橫截面。優選地，假定恒定的厚度，每個腿的寬度在基底高度的1.5倍至5倍之間。最優選地，各腿的寬度是基底高度的2倍至3倍之間。在最優選的實施例中，每個腿的寬度是基底高度的大約2.5倍。

當設計比如用于靜止變壓器的正常磁芯時，空氣間隙必須不被考慮，因為這是可忽略的。在旋轉電力變壓器中，至少有0.1mm的最小空氣間隙，空氣間隙可以高達3mm。測試示出，此空氣間隙不是恒定的。由于安裝不對稱，它隨著旋轉而變化。此外，由于在CT掃描儀中旋轉部分重量較大，重力有不可忽略的影響，進一步使部分變形并且造成非恒定尺寸的空氣間隙。大電功率下的測試示出，當操作具有高磁通的旋轉變壓器時還具有顯著的磁力，這還導致空氣間隙的幾何結構的進一步變化。通過使用顯著較寬的腿，磁耦合得到改善。磁通分布在較大腿的較大區域。這導致較好的耦合，變壓器較大的主感應率，還導致驅動變壓器的逆變器的較小的損失。由于腿較寬，腿之間的區域之外的雜散磁通也顯著減小。因此，由于滲入繞組的磁場減小，對外部組件的影響被最小化，并且也減少了旋轉電力變壓器的繞組的損失。寬腿的另一個益處是對一次鐵芯和二次鐵芯的腿之間的位移的公差提高。