CN101515731B - 初级部件和具有推力波动补偿的直线电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直线电动机(1，10，20)的一种初级部件(2)，其中初级部件(2)具有：用于产生第一磁场的第一装置；用于产生第二磁场的第二装置，其中，第一装置和第二装置设置成能够使得第一磁场与第二磁场重叠，其中，在初级部件(2)的一个和/或两个端面上设置了用于减小推力波动的导磁元件。

Description

初级部件和具有推力波动补偿的直线电动机
技术领域
本发明涉及直线电动机的一种初级部件，其中，该初级部件具有用于产生第一磁场的第一装置和用于产生第二磁场的第二装置，其中第一装置和第二装置设置成能够使得第一磁场与第二磁场重叠。此外，本发明还涉及一种具有这种初级部件的直线电动机。
背景技术
直线电动机具有初级部件和次级部件，其中，初级部件和次级部件彼此相对地放置，并通过气隙彼此间隔开。该初级部件预设为用于电流馈电。
存在这样的可能性，即不仅初级部件而且次级部件都具有用于产生磁场的有源装置。在这种情况下，例如初级部件具有可馈电的绕组并且次级部件具有永磁体。
此外，还存在这样的可能性，即初级部件具有多个用于产生磁场的有源装置，并且次级部件不具有这样的装置。
由DE 10 2004 045 992 A1已知了一种电动机，其中，初级部件具有该电机的所有磁源。例如，该初级部件具有一个可馈电的绕组以及永磁体，然而次级部件仅仅例如设计为齿状的铁反应轨。
与旋转工作的电机不同的是，直线电动机自然地具有末端区域，电机的电磁部分终止在该区域中。如果直线电动机例如以短定子结构形式来设计，也就是说，该初级部件相对于较长的次级部件设计为较短的部件，对于初级部件来说则产生两个末端区域，后者位于次级部件的影响区域中。初级部件的末端与次级部件这样来相互作用，即其对有源的推力波动和无源的推力波动，也称为定位力(Rastkraft)，产生决定性的影响。
寄生的定位力称为无源的推力波动，其由于在初级部件和次级部件之间的磁性的相互作用而出现。后果就是振动、不平静的运转以及在加工过程中的滞后误差。
此外，感应电压，也就是说电动势(EMK)在初级部件的端面上的起始线圈和末端线圈中由于缺少磁轭一般来说与在中间的线圈中相比更少地呈现出来。这造成电机不具有对称的感应电压，并且除了力损失之外，出现了附加的、依赖于电流的推力波动，这种推力波动称为有源的推力波动。
由DE 10 2005 004380 A1已知了一种具有推力波动补偿的直线电动机。为了在直线电动机中获得推力波动补偿，该电动机配备了具有可预设的宽度的推力波动补偿齿，该齿通过附加的气隙与正常的气隙间隔开并且相对于叠片组的相邻的齿具有另一间隔，就像叠片组的其余的齿彼此之间的情况一样。
发明内容
本发明的目的在于，改进一种具有多个用于产生磁场的有源装置的初级部件，以及改进一种具有这种初级部件的直线电动机，它们具有减小的有源的和无源的推力波动，也就是说减小的定位力。
该目的通过权利要求1的特征来实现。从属权利要求给出了有利的改进方案。
该初级部件具有用于产生第一磁场的第一装置以及用于产生第二磁场的第二装置，其中，第一装置和第二装置设置成能够使得第一磁场与第二磁场重叠。
根据本发明，初级部件在其一个和/或两个端面上具有用于减小推力波动的导磁元件。有利的是，在初级部件的两个端面上都设置了导磁元件。该导磁元件设计为具有用于产生磁场的装置，其中该装置与初级部件的用于产生磁场的第一或第二装置相对应。
通过安装导磁元件可以减小有源的以及特别是无源的推力波动，也就是说减小定位力。在初级部件的支撑绕组的端齿中的感应电压被提高，其中在这里的目的是实现初级部件的绕组的尽可能统一的电动势(EMK)。
有利的是，用于产生第一磁场的第一装置设计为单相的或者多相的绕组。特别地，初级部件具有以用于连接至三相电网的齿绕线圈形式的三相绕组。用于产生第二磁场的第二装置设计为永磁材料，特别是设计为一体的或者多部分构成的永磁体。
在本发明的一个有利的设计方案中，初级部件可以借助于可预设数量的齿模块来形成，其中每个齿模块都具有至少一个永磁体以及一个齿绕线圈。借助于单个的齿模块，可以根据所期望的结构形式和长度模块化地来装配初级部件。所期望数量的齿模块例如借助于夹子相应地组合在一起。每个齿模块特别通过电工钢片形成为用于减小初级部件中涡电流的叠片组。
位于初级部件的端面上的、用于减小推力波动的导磁元件设计为端齿模块并且具有至少一个永磁体。因此该端齿模块在其结构形式上与初级部件的其余的齿模块相对应。它们的区别仅在于，端齿模块并不承载绕组，也就是说其不具有齿绕线圈。
本发明的目的通过位于初级部件的两个末端上的两个附加的齿模块、端齿模块来实现。这些端齿模块具有与初级部件的承载绕组或者说承载线圈的齿模块相同的基本几何形状，并且它们作为有源的初级部件区域的延续部分设置在两个末端上。
在端齿模块中的永磁材料或者说永磁体的几何形状和/或磁化强度尤其对于定位力的补偿来说是决定性的。
在用于补偿推力波动的第一个变体中，初级部件的永磁体具有可预设的磁化强度或者说磁场强度，其中，齿模块的永磁体和端齿模块的永磁体具有相同的磁化强度。然而与齿模块相比，端齿模块具有较小体积的永磁体。这就是说，端齿模块中的永磁体设计得较小，或者说在端齿模块中设置了较少的永磁材料。例如，相对于在齿模块中的永磁体，在端齿模块中的永磁体减小了2到4个系数，由此可最优化地减小定位力。此外，在端齿模块中的永磁体的减小程度取决于直线电动机的轨距。
在用于补偿推力波动的第二个变体中，初级部件的永磁体具有可预设的磁化强度，其中，齿模块的永磁体相对于在端齿模块中的永磁体具有较高的磁化强度。这就是说，在齿模块和端齿模块中的永磁体具有相同的几何尺寸或者说相同的体积，然而它们的磁化强度不同，也就是说，相对于齿模块，在端齿模块中设置了不同的磁性材料。已知应用的磁性材料例如有钕-铁-硼-磁铁，钐-钴-磁铁或者铁氧体磁铁。这些不同的磁性材料具有不同的磁化强度，这例如通过磁性参数，如剩余磁感应或者矫顽磁场强度来表征。例如，与没有改变端齿模块的电机的定位力相比，减少至大约25％的剩余磁感应得出减少了4到5个系数的电机定位力。
本发明尤其涉及一种多相的直线电动机，其具有在初级部件中的永磁体励磁以及无源的、例如成齿状铁结构的次级部件。如在所有直线电动机或者说直线电机中那样，在两个初级部件的末端上的电磁的不连续性产生了干扰电动机运行的定位力。
根据本发明的直线电动机具有根据本发明的初级部件以及次级部件，后者不具有用于产生磁场的装置。有利的是次级部件设计为具有多个齿和槽的齿状铁反应部件。有利地，次级部件由钢片制成，也就是说通过多个单个的电工钢片来形成，从而避免涡电流损失。然而，可替换地，次级部件也可以设计为大的、齿状的铁反应轨。直线电动机尤其设计为同步直线电动机。
电机的这种构造的优点在于，电机的次级部件不具有用于产生磁场的有源装置。次级部件仅具有用于对磁场进行导向的装置，并且因此可以简单且价廉地制造。
借助于相对于其余的齿模块具有修改的永磁材料的端齿模块来减小定位力，产生多个优点：
-改善了电机、特别是直线电动机在运行中的特性，例如，更好的同步性、更高的标称功率、更高的驱动动力，以及没有由于定位力造成的停止的电动机的“幽灵运动”(Geisterbewegung)；
-改善了在传动***中的特性(例如西门子Sinamics传动***)，例如，通过直线电动机的减小的电磁不对称性(末端效应)获得更准确的极位置识别(Pollageidentifikation)。
附图说明
在下面的说明中，参考附图借助实施例对本发明的其它特征和细节进行进一步描述。同时，在单独的变体中描述的特征和内在联系基本上可被应用于所有的实施例。附图示出了：
图1是根据现有技术的直线电动机；
图2是在第一个设计方案中的根据本发明的直线电动机；
图3是在第二个设计方案中的根据本发明的直线电动机；
图4是在第三个设计方案中的根据本发明的直线电动机；
图5是在不同的直线电动机中定位力曲线的图示。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的不包含用于减小推力波动的导磁元件的直线电动机1。该直线电动机1具有初级部件2和次级部件3。该初级部件2通过齿模块4形成。根据图1，该初级部件2由六个齿模块4形成，其中每个齿模块4借助于铁制叠片组5来实现。
每个齿模块4都具有一个永磁体6，后者集成在齿模块4中。然而，该永磁体6也可能例如在齿模块4外部在初级部件2的朝向气隙δ的面上设置在齿模块4上。永磁体6例如具有剩余磁感应BR＝1.2T。
此外，每个齿模块4具有齿绕线圈7，其中六个齿绕线圈7形成了初级部件2的绕组。该绕组设计为具有u，v，w三相，从而对应于每个相位u，v，w设计有两个齿绕线圈7。齿绕线圈7位于初级部件2的槽9中。
图2示出在根据本发明的第一个设计方案中的直线电动机10。除了六个齿模块4外，初级部件2还具有两个附加的端齿模块11，其中分别在初级部件2的端面上设置有一个端齿模块11。
每个端齿模块11具有相对于永磁体6修改了的永磁体12，然而其不具有齿绕线圈。所有永磁体6和12由同样的磁性材料制成，并且例如具有剩余磁感应BR＝1.2T。然而相对于永磁体6，永磁体12具有较小的体积，也就是说它被设计得较小，以最优化地减小定位力。例如，对一个具体的直线电动机布置来说，通过将永磁体12的高度减小至永磁体6的正常高度的大约40％可以非常显著地减小电动机齿槽定位力(例如，减小5个系数)。如在其余的齿模块4中的永磁体6一样，永磁体12同样地与各自的端齿模块11的底边齐平地布置。所有永磁体6和12与气隙δ之间的间隔相等。
此外，齿模块4与端齿模块11的结构相同。像齿模块4彼此之间一样，端齿模块11相对于齿模块4具有相同的齿距τZ。
图3示出在根据本发明的第二个设计方案中的直线电动机10。该直线电动机10在其结构上基本上与根据图2的电机10相对应。永磁体6和12由同样的磁性材料制成，然而在端齿模块11中的永磁体12具有较小的体积，也就是说它设计得较小。
然而，相对于图2所示，永磁体12并不与端齿模块11的底边齐平地闭合，而是偏移地设置。特别地，将永磁体12收入到端齿模块11中。它们向上，也就是说远离气隙δ偏移地设置。
永磁体12具有高度hPM且以高度h0移位。对于h0来说特别适用的是：0≤h0≤10δ，由此可以达到推力波动补偿效应的精确调整。因此具有相同几何尺寸，特别是相同高度hPM的永磁体12能够应用于不同结构尺寸的直线电动机或者也能够应用于不同轨距的直线电动机，并且能够通过分别调整高度h0来相应地调整推力波动补偿效应。
图4示出在根据本发明的第三个设计方案中的直线电动机10。除了六个齿模块4外，初级部件2还具有两个附加的端齿模块11，其中分别在初级部件2的端面上设置有端齿模块11。
每个端齿模块11具有相对于永磁体6而修改了的永磁体13，然而其不具有齿绕线圈。永磁体6和13具有相同的几何尺寸，然而具有不同的磁化强度。例如永磁体6具有剩余磁感应BR＝1.2T，与之相对，永磁体13具有剩余磁感应BR＝0.3T。与根据图1的、不包含端齿模块的电机1的定位力相比，一个这样的减小至约25％的剩余磁感应BR使直线电动机20获得了减小了4-5个系数的定位力。
图5示出了不同的直线电动机的定位力曲线。标号14示出了根据图1的电动机1，也就是说不包含用于减小推力波动的导磁元件的电动机的定位力的振幅。与此相对地，标号15示出了根据图2的具有端齿模块11的电机10的定位力的振幅。从图4中可以明显看出，即当设置了用于减小定位力的相应的元件时，只产生很小的定位力。

Claims (13)

1.直线电动机(1，10，20)的一种初级部件(2)，其中，所述初级部件(2)具有：
-用于产生第一磁场的第一装置，
-用于产生第二磁场的第二装置，
-其中，所述第一装置和所述第二装置设置成能够使得所述第一磁场与所述第二磁场重叠，
其特征在于，在所述初级部件(2)的一个或两个端面上设置有一个用于减小推力波动的导磁元件，其中，用于减小推力波动的所述导磁元件设计为端齿模块(11)并且具有至少一个永磁体(12，13)，
所述初级部件(2)可以借助于可预设数量的齿模块(4)来形成，其中，每个所述齿模块(4)都具有至少一个永磁体(6)和一个齿绕线圈(7)，
设计为所述端齿模块(11)的所述导磁元件具有与所述齿模块(4)相同的基础几何形状。
2.根据权利要求1所述的初级部件(2)，其特征在于，用于产生所述第一磁场的所述第一装置设计为单相的或者多相的绕组。
3.根据权利要求1或2所述的初级部件(2)，其特征在于，用于产生所述第二磁场的所述第二装置设计为永磁材料。
4.根据权利要求1或2所述的初级部件(2)，其特征在于，用于减小推力波动的所述导磁元件具有用于产生磁场的所述第一装置。
5.根据权利要求1或2所述的初级部件(2)，其特征在于，所述初级部件(2)的所述永磁体(6，12)具有可预定的磁化强度，其中，所述齿模块(4)的和所述端齿模块(11)的所述永磁体(6，12)具有相同的磁化强度。
6.根据权利要求1或2所述的初级部件(2)，其特征在于，所述初级部件(2)的所述永磁体(6，12)具有剩余磁感应，其中，所述齿模块(4)的和所述端齿模块(11)的所述永磁体(6，12)具有相同的磁化强度。
7.根据权利要求5所述的初级部件(2)，其特征在于，与所述齿模块(4)相比，所述端齿模块(11)具有体积较小的永磁体(12)。
8.根据权利要求6所述的初级部件(2)，其特征在于，与所述齿模块(4)相比，所述端齿模块(11)具有体积较小的永磁体(12)。
9.根据权利要求1或2所述的初级部件(2)，其特征在于，所述初级部件(2)的所述永磁体(6，13)具有可预定的磁化强度，其中，相对于在所述端齿模块(11)中的所述永磁体(13)，所述齿模块(4)的所述永磁体(6)具有较高的磁化强度。
10.根据权利要求1或2所述的初级部件(2)，其特征在于，所述初级部件(2)的所述永磁体(6，13)具有剩余磁感应，其中，相对于在所述端齿模块(11)中的所述永磁体(13)，所述齿模块(4)的所述永磁体(6)具有较高的磁化强度。
11.一种直线电动机(10，20)，具有根据权利要求1至10中的任一项设计的初级部件(2)以及具有次级部件(3)，所述次级部件不具有用于产生磁场的装置。
12.根据权利要求10所述的直线电动机(10，20)，其特征在于，所述次级部件(3)具有齿状的铁结构，所述铁结构具有多个齿和槽。
13.根据权利要求11或12所述的直线电动机(10，20)，其特征在于，所述电机(10，20)设计为同步直线电动机。
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