[发明专利]具有U形铁氧体芯的感应旋转接头

说明书

技术领域

本发明涉及专门用于高水平的电功率的传输的非接触式旋转接头，也称为旋转电力变压器。这样的非接触式旋转接头可以用在CT扫描仪。

背景技术

一种包括感应功率耦合器的非接触式旋转接头在美国专利US7197113B1中被公开。这样的旋转接头能够将超过一百千瓦的功率从静止部分传输到旋转部分。这样的旋转接头具有重的铁或铁氧体芯以用于引导磁场。例如，在CT扫描仪中需要大于一米的自由口径。因此这样的旋转接头的内径可以大于1米，其需要大并且厚重的机械支撑结构。

欧洲专利公告EP1481407B1公开了一种具有由保持在U形环内的多个成形部分制成的绕组的旋转变压器。

具有U形铁氧体芯的感应旋转接头在US5608771中被进一步公开。

发明内容

本发明要解决的问题是通过简化机械设计、增加鲁棒性、提高承受大的离心力的能力和增大可靠性、同时减少重量，从而改进旋转电力变压器。

这个问题的解决方案在独立权利要求中被描述。从属权利要求涉及本发明的进一步的改进。

旋转电力变压器具有静止部分和旋转部分。在本文中这样的部分的基本结构和功能被示出。通常优选的是，旋转变压器是对称的，具有基本相同的静止部分和旋转部分。当然，这些部分可以不同，以满足如用于固定到机器的装置中静止部分或旋转部分的特定需要。静止部分和旋转部分中的至少一个，优选地两者均基于优选为环状的机体。机体可以具有盘或鼓的形状。机体的主要功能是给予旋转电力变压器的电气和磁性组件稳定的支撑。机体可以进一步由如CT扫描仪的机器的部分支撑，电力变压器被集成到此机器中。机体可以由如铝的金属或由塑料材料制成，其优选地被进一步增强。优选的是，由电绝缘和非磁性的材料制造机体。机体优选地具有圆形形状。它也可以具有适于机器的不同形状。

旋转电力变压器还具有一次侧和二次侧。一次侧可以是在静止侧或在旋转侧，而二次侧是在另一侧。一次侧具有至少一个一次绕组，其包括至少一个一次线匝。二次侧包括至少一个二次绕组，其具有至少一个二次线匝。为了引导一次侧和二次侧之间的磁场，提供了优选为软磁性材料的磁性材料。最优选的是，磁性材料是铁氧体材料。在替代实施例中，可以使用铁粉材料。而铁氧体材料优选用于较高的频率，铁粉材料在较低频率时提供较高的Q。这两种材料均提供高的机械强度并且可以被机器精确地加工成所需的尺寸。最优选地，铁氧体由于其高硬度和低热膨胀而被使用。铁氧体材料可以通过研磨而被精确地机加工，这允许对旋转部分之间的气隙的精确限定。

在比如CT扫描仪的大型设备中，旋转电力变压器具有大约0.5米到1.5米的直径，不可能建立一片磁芯。替代地，用于耦合磁场的磁芯由多个小的分段组装而成。

正如本领域已知的那样，磁芯被设计以使得磁性横截面沿磁路近似恒定，引起通过芯的恒定的磁通密度。在非恒定横截面的情况下，具有最小横截面的磁芯的截面将会首先在高通量密度下饱和。这将导致磁芯中减小的电感和散热。因此，理想的是具有恒定的磁性横截面以获得具有最小化的铁氧体材料要求的最宽的操作范围。因此，标准的U形铁氧体芯具有铁氧体材料的相同横截面的一对腿和基底。

用大量磁性材料和铁氧体芯以及磁模拟和计算的测试示出，用于旋转电力变压器的磁芯应该被不同地设计。与现有技术相比，腿具有比基底显著较大的横截面。优选地，假定恒定的厚度，每个腿的宽度在基底高度的1.5倍至5倍之间。最优选地，各腿的宽度是基底高度的2倍至3倍之间。在最优选的实施例中，每个腿的宽度是基底高度的大约2.5倍。

当设计比如用于静止变压器的正常磁芯时，空气间隙必须不被考虑，因为这是可忽略的。在旋转电力变压器中，至少有0.1mm的最小空气间隙，空气间隙可以高达3mm。测试示出，此空气间隙不是恒定的。由于安装不对称，它随着旋转而变化。此外，由于在CT扫描仪中旋转部分重量较大，重力有不可忽略的影响，进一步使部分变形并且造成非恒定尺寸的空气间隙。大电功率下的测试示出，当操作具有高磁通的旋转变压器时还具有显著的磁力，这还导致空气间隙的几何结构的进一步变化。通过使用显著较宽的腿，磁耦合得到改善。磁通分布在较大腿的较大区域。这导致较好的耦合，变压器较大的主感应率，还导致驱动变压器的逆变器的较小的损失。由于腿较宽，腿之间的区域之外的杂散磁通也显著减小。因此，由于渗入绕组的磁场减小，对外部组件的影响被最小化，并且也减少了旋转电力变压器的绕组的损失。宽腿的另一个益处是对一次铁芯和二次铁芯的腿之间的位移的公差提高。