专利名称：电动线性直接传动装置及其线圈系统的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种电动线性直接传动装置及其含有多个同轴依次排列的励磁线圈的线圈系统的一种制造方法。
电动线性直接传动装置一般称为线性电动机，这种传动装置通常配有一个可按节拍加一个励磁电压的线圈系统和一个可相对于该线圈系统运动的、含有多个同轴依次排列的永久磁铁的磁系统。该磁系统是一个相对于该线圈系统可在其纵向内运动的从动部分的组成部分。通过该线圈系统的激励可引起该磁系统及其整个从动部分产生线性运动。
具有多个同轴依次排列的励磁线圈的这个线圈系统迄今为止一般都装在一个通常用塑料制成的线圈架上，线圈架具有用隔板轴向相互隔开的绕线槽，励磁线圈绕在这些绕线槽中。然后将该线圈系统与该线圈架一起安装在一个可对该磁系统进行磁导的磁导装置上。
为了获得尽可能高的功率密度和能量密度，在该线圈系统中，应当只产生很小的空气隙。因而对制造该线圈系统的制造过程的要求是相当高的，并由此而对制造费用产生不利的影响。
本发明的目的在于提出一种电动的线性直接传动装置及其线圈系统，并用较少的费用就可达到较高的功率密度。
为了实现这个目的，所用的电动线性直接传动装置包括一个含有多个同轴依次排列的励磁线圈的线圈系统，该线圈系统可加一个有节拍的励磁电压；一个布置在该线圈系统内腔中或外圆周上的、含有多个轴向依次排列的永久磁铁的磁系统，该磁系统作为一个可相对于该线圈系统在其纵向内运动的从动部分的组成部分构成；一个在该磁系统对面设置在该线圈系统内部或外部的磁导装置，其中该线圈系统的轴向相邻的励磁线圈相互紧贴而无间隙。
这样就取消了在先有技术中在该线圈系统相邻励磁线圈之间的线圈架的隔板，而且相邻的励磁线圈相互紧密贴合。所以，先有技术中被隔板占据的容积可用励磁线圈的铜材填充，从而达到一个较高的铜填充度和明显高的能量密度。这种填充密度高的线圈结构可实现高的调整力。
这种电动线性直接传动装置的各种有利的改进方案可从各项从属权利要求中得知。
本发明的线性直接传动装置可取消该线圈系统的线圈架。特别是，该线圈系统也可直接地或必要时中间连接只是一层薄的绝缘层的情况下紧贴在磁导装置上，所以在该处也不会产生明显的间隙。
在本发明解决方案的基础上，可实现不同的方案。例如可把磁导装置做成管形，并把该线圈系统布置在该磁导装置内。这样该线圈系统就被该磁导装置从外部同轴包围。此外，该磁导装置可做成棒形并放置在由该线圈系统界定的内腔中，所以它被该线圈系统同轴包围。
该线圈系统最好由至少两个例如由两个或三个分别连续接线的部分线圈系统组成，这些部分线圈系统分别含有多个同轴相隔一定距离布置的励磁线圈，这些部分线圈系统的励磁线圈交替地依次排列。在一个相关的部分线圈系统的轴向相邻的励磁线圈之间，该部分线圈系统的绕组线最好延伸一段跨接该轴向间隙的跨接段。这个跨接段延伸到相应的部分线圈系统的外圆周的高度并通过在该外圆周范围内的至少另一个部分线圈系统的至少一个布置在该间隙内的励磁线圈。
依此方式，避免了一个相关的部分线圈系统的绕组线的跨接段在另一个部分线圈系统的相邻励磁线圈的线圈底部延伸，从而保证了制造全部励磁线圈的最佳线圈形状。所以，另一个部分线圈系统的整个相邻的励磁线圈的绕组线的走向是无关紧要的，而且不影响相邻的励磁线圈的绕线或填充度。
单个的部分线圈系统最好分别构成一个具有同轴励磁线圈的、形状稳定的自承式结构。这些单个的线圈系统可做成梳形并垂直于它们的纵轴相互插入。形状稳定性可通过使用一种所谓的漆包线作为绕组线来实现，其中用铜制成的绕组线被一层通过热作用熔化的层包覆，所以相邻的线段相互烧结。
此外，上述目的是通过一种电动线性直接传动装置的一个含有多个同轴依次排列的励磁线圈的线圈系统的制造方法来实现的，其中至少两个连续接线的部分线圈系统单独进行制作，这两个线圈系统分别含有相隔一定距离布置的多个同轴励磁线圈，在这些励磁线圈之间，连续的绕组线的一个跨接段延伸到外圆周的高度，这样就构成了一个梳形的结构，而且这些梳形结构的部分线圈系统垂直于它们的纵向相互插入，所以整个励磁线圈相互同轴布置，而且绕组线的跨接段通过在外圆周上的至少另一个部分线圈系统插入被跨接的间隙内的至少一个励磁线圈。
所以这些部分线圈系统可单独制作，而且组装很简单，即把它们的梳形结构从纵侧交错插接即可，其中在这个或另一个或一些部分线圈系统的相邻励磁线圈之间的间隙中嵌入各一个部分线圈系统的励磁线圈。
如果单个部分线圈系统在绕制后进行烧结，从而构成形状稳定的自承式结构时，这种处理是特别简单的。
部分线圈系统最好在一个绕线工具上进行绕制，该工具具有轴向相隔一定距离的、环形槽状的绕线槽，制作励磁线圈用的绕组线卷绕在其中。
在用绕线工具时，这些绕线槽最好设置在工具外圆周上，该外圆周由多个圆周扇形段组成，这些扇形段以一定距离分布在纵向延伸的工具芯的外圆周上。并在事先拉出工具芯后，这些环形绕线槽可径向向里移入部分线圈系统的内腔中，以便进行自承的部分线圈系统的“脱模”。
下面结合附图来详细说明本发明。附图表示
图1至6一种电动线性直接传动装置的一个线圈系统的制作方法的不同阶段；图7装有图1至6制成的线圈系统的电动线性直接传动装置的示意图；图8在图7所示线性直接传动装置中由线圈系统和磁导装置组成的单元的部分剖开的图示；图9装有本发明线圈系统的电动线性直接传动装置的另一种结构型式。
图7和9分别表示一个电动线性直接传动装置1的示意透视图。
在两种结构形式中都有一个线圈系统2，该线圈系统具有多个同轴依次排列的励磁线圈3。
在两种结构型式中，该线圈系统2由多个部分线圈系统4a、4b组成，这种部分线圈系统单独示于图5和6中。每个部分线圈系统4a、4b都具有多个同轴和轴向依次排列的励磁线圈3，这些励磁线圈附加地用参考号3a或3b表示，以示区别。
在图2实施例中，共有两个部分线圈系统4a、4b。图9所示的线性直接传动装置配有三个这样的部分线圈系统，其中第三个部分线圈系统的励磁线圈3附加地用参考号3c表示。
在一个相应的线圈系统2中，部分线圈系统4a、4b最好这样布置，使励磁线圈3a、3b或3a、3b、3c交替地依次排列。
用未详细示出的激励装置可对线圈系统2施加一个节拍励磁电压，其中，部分线圈系统按一定的时间间隔周期性地进行电激励。这样就在线圈系统2的纵轴5的方向内产生一个移动磁场。
此外，每个线性直接传动装置1都配有一个永磁性的磁系统6，该磁系统在图7中只用虚线示出。磁系统6具有多个轴向依次排列的永久磁铁7，它们在所示实施例中做成环形，这些永久磁铁7最好存在一个径向的极化作用，且相邻的永久磁铁7是反向极化的。
在图7的实施例中，磁系统6布置在线圈系统2的外圆周上，并同轴地包围该线圈系统。而在图9的实施例中，磁系统6则位于线圈系统2的内腔中并被该线圈系统包围。
磁系统6作为一个相对于线圈系统2在其纵向内运动的从动部分8的组成部分构成。从动部分8的可能的线性运动在图7和9中用一个双箭头12来表示。
在图7的实施例中，磁系统6同轴地装在一个管形磁性载体13的内表面上，该磁性载体配有未详细示出的用来固定被移动物体的装置。在图9的实施例中，磁性载体13做成棒形并在一端上从空心圆筒形线圈系统2中伸出。该磁性载体在其伸出的端部设置有用来固定被移动物体的固定装置14。
在两种线性直接传动装置中，线圈系统2起定子作用，而磁系统6则起着相对于它进行线性运动的转子作用。线圈系统2的就地固定可用一个磁导装置15来实现，该磁导装置有利于磁场的磁导。磁导装置15放在磁系统6对面的线圈系统2的内侧或外侧，并在图7的实施例时位于线圈系统2的内腔中，而在图9的实施例时，则位于线圈系统2的外圆周上。
磁导装置15由一种铁磁体组成，在图7实施例中，该铁磁体呈棒形并被线圈系统2同轴包围。在图9实施例中，磁导装置15呈管形并从外部同轴包围线圈系统2。
线圈系统2和磁导装置15在纵向内不产生相对运动。在图9实施例中，磁导装置15用一根套管16罩住，该套管实际上构成线性直接传动装置1的外壳，在图7实施例中，磁导装置15在背面以未详细示出的方式固定在一个支承结构上。
如果按一定的节拍对线圈系统2施加一个励磁电压，则电磁场与磁系统6的永磁性磁场共同作用并引起磁系统6或其配置的从动部分8相对于固定的线圈系统2和磁导装置15进行线性运动。这种线性运动可用来例如推动一个物体。这方面的使用可能性例如在自动化技术领域的有关生产和装配作业中。
这种线性直接传动装置可作用高的调整力。其原因主要是线圈系统2的高能量密度所致。高的能量密度归因于极小的空气隙，尤其是归因于这样的事实，即线圈系统2的轴向相隔一定距离的励磁线圈3是没有间隙地相互紧贴在一起的，这些接触区在图中用参考号17来表示。
常规的线性电动机具有一个线圈系统，其励磁线圈卷绕在一个单独的、通常用塑料制成的和形状稳定的线圈架上，而图示的线性直接传动装置则不需要这样的线圈架。从而取消了在这种线圈架时通常在相邻的励磁线圈3之间的隔板，其结果是，这些励磁线圈可以相互接触，而不存在或至少只存在很小的空气隙。
此外，由于取消了单独的线圈架，图示的实施例就可实现励磁线圈3紧贴在对应的磁导装置15上。所以在励磁线圈3和磁导装置15之间的、在图中用参考号18标出的过渡区内也不存在间隙。当然，如果认为必要，也可在其间嵌入一层很薄的绝缘层，但该绝缘层可做成薄膜状或薄片状，因为它无需承载功能，所以也不需要自身的刚度。
相邻励磁线圈3之间的无间隙接触区17以及励磁线圈3和磁导装置15之间的无间隙的过渡区18可从图8的部分剖视图中特别清楚地看出。该图表示一个放在一个棒形磁导装置15上的线圈系统2的单独图示，该线圈系统例如用在图7所示的线性直接传动装置。
这类线性直接传动装置的有利结构的其他的详细情况也可从图1至6中看出，这些图表示线圈系统2的一种特别有利的制造方法及其与一个磁导装置15的配套。该制造方法涉及一个两相线圈系统即具有两个部分线圈系统4a、4b的一个线圈系统2的制造方法，这个线圈系统例如用于图7所示的线性直接传动装置。
这个制造方法的一个重要方面在于，组成该线圈系统2的部分线圈系统4a、4b是单独制成后才组装在一起的。图5表示两个单独制成的、仍处于分离状态的部分线圈系统4a、4b，而图6则表示组装成的线圈系统2。
部分线圈系统4a、4b的特征是，它们的励磁线圈3、3a或3、3b以一定的轴向距离相互排列，所以在一个相应的部分线圈系统4a、4b的轴向相邻的励磁线圈3、3a或3、3b之间存在一个轴向的间隙22a、22b。在一个相应的部分线圈系统4a、4b内，励磁线圈3a、3b仍然是相互电接线的，即它们作为一根连续的绕组线23a、23b的组成部分构成。在一个相应的部分线圈系统4a、4b内，相邻的、相隔一定距离的励磁线圈3a、3b之间的过渡是通过相应绕组线23a、23b的跨接段24来实现的。这些跨接段24的特征是，它们在相应部分线圈系统4a、4b的外圆周的径向高度内延伸，即大致以等于由绕组线23a、23b绕成的励磁线圈3a、3b的外圆周到部分线圈系统4a、4b的中心的相同距离延伸。
为了制造一个相应的部分线圈系统4a、4b，最好用一个在图1至4示出的绕线工具25。这个绕线工具25在准备好用绕组线进行绕制的图1所示状态中具有一个长棒形并在外圆周的范围内配有轴向相隔一定距离的环形槽状的绕线槽26，在对应的部分线圈系统内，这些绕线槽的间距相当于励磁线圈3的要求的间距。为了绕制励磁线圈3，绕组线围绕该绕线工具25缠绕并同时卷入绕线槽26中，这些绕线槽26相继被填满，这样就形成了励磁线圈3。图2表示一个在绕线工具25上绕制成的部分线圈系统4a的状态，其中励磁线圈3填满了绕线槽26，绕组线的跨接段24沿两个相邻的绕线槽26之间绕线工具25的留下的隔板27外面延伸。
由于只在一个相应励磁线圈3的线圈始端进行绕组线朝相应绕线槽26的底部径向向里卷绕和跨接段24径向向外设置，所以励磁线圈3可进行最佳地卷绕，从而保证了一个高的铜填充度。为了绕制好的部分线圈系统4a—同样适用于以相同方式绕制成的部分线圈系统4b—顺利地从绕线工具25取下，该绕线工具由几部分组成。在一种特别有利的示例性结构型式中，绕线工具25具有一个长的工具芯28和一个在准备运转状态内设置在工具芯28外圆周上的工具套32。
工具套32界定绕线槽26并由多段组成。在实施例中由多个—在这里由三个—外套扇形体33组成。这些扇形体33装配在工具芯28的外圆周上并在工具芯28的圆周方向内相隔一定的距离。在它们之间存在的缝隙状的、径向延伸的间隙用参考号34表示。
为了外套扇形体33按要求的距离定位在工具芯28上，该工具芯在外圆周上最好配置与外套扇形体33的数目一致的纵肋35的数目或别的间隔装置，其中外套扇形体33可嵌入工具芯28圆周上的相邻纵肋35之间存在的间隙36中并实现形状连接。
纵肋35的径向延伸小于工具外套32的径向壁厚，所以，这些纵肋以到工具外套32外圆周的径向距离终止在绕线槽26内。特别是，终止在外套扇形体33的外圆周上的弧形槽38的槽底37的相同高度上，这些外套扇形体33在装配到工具芯28的状态内配齐到绕线槽26。
所以，为了制作部分线圈系统4a，应首先将绕线工具25按图1组装成运转准备状态，然后将连续的绕组线23a围绕工具外套32卷绕。从而产生图2所示的结构。在这个阶段，部分线圈系统4a绕线已经完成。
接着进行“烧结过程”，此时，整个装置进行加热，所以，绕组线23a的包皮熔化，绕组线相邻的区段牢固粘接或烧结，绕组线本身也被加固。为此，绕组线最好用带有通过热作用可熔化的外皮的铜线。这种铜线一般叫做漆包线。
通过这种烧结，还装在工具外套32上的部分线圈系统4a、4b获得了具有一个自承式结构的高的形状稳定性。
下一步把制成的部分线圈系统4a从绕线工具25取下。为此，首先按图3将工具芯28沿箭头43轴向从工具外套32拉出，然后把此时已不再保持其原来位置内的外套扇形体33单个地并相互径向向里移动，于是这些外套扇形体的弧形槽38便与制成的励磁线圈3脱开。脱开后即可把外套扇形体33沿箭头44轴向从部分线圈系统4a的内腔拉出(图3)。
其结果是图4所示的工具芯28、外套扇形体33和脱离了绕线工具25的部分线圈系统4a形式的分解零件。
制成的部分线圈系统4a也形成一个自承式的单元而没有附加的线圈架。相邻励磁线圈3的相对位置通过在烧结过程引起的绕组线的跨接段24的加固获得了稳定。
在两个部分线圈系统4a、4b按这种方式制成后，这两个部分线圈系统4a、4b按图5所示的方式纵侧相互靠拢摆放，这样，每个励磁线圈3a或3b都位于另一个部分线圈系统的一个间隙22b或22a的相同轴向高度。然后，根据这种配置将梳状结构的部分线圈系统按图6所示方式通过垂直于其纵向进行的交错插入而实现了相互的齿形啮合。在一个相应的部分线圈系统4a、4b内，跨接段24实际上表示梳子背，而励磁线圈3则表示一个梳状结构的梳子齿，在交替啮合的状态内，整个部分线圈系统4a、4b的励磁线圈3a、3b是相互同轴的，且每一个部分线圈系统4a、4b的跨接段24在外圆周上都通过另一个部分线圈系统的嵌入对应间隙22a、22b中的励磁线圈。
如果要制造的线圈系统多于两个部分线圈系统，可按相似的方法进行处理。此时在一个相应的部分线圈系统内，相邻励磁线圈之间的间隙选择这样大，使其他的部分线圈系统的各自的至少一个励磁线圈通过其间。
在这种状态内，可将棒形的磁导装置15插入已制成的线圈系统2中。另一种办法是，结合图9所示的一个线性直接传动装置可将制成的线圈系统2插入一个管状的磁导装置中。
上述制造方法的一个优点还在于，在绕线时有许多自由度，因为例如填充高度或绕过的绕线槽26的数目都可根据需要进行选择。所以用同一个绕线工具25可实现不同外直径和不同长度的部分线圈系统。在部分线圈系统通过绕组线烧结获得所需的形状稳定性后，工具芯可轻易地脱模。
所以用唯一的一个绕线工具即可实现不同的线圈系统。其结果是线圈系统的工装费用和制造费用都可减少。
权利要求
1.电动线性直接传动装置，包括一个含有多个同轴依次排列的励磁线圈(3)的线圈系统(2)，该线圈系统可加一个有节拍的励磁电压；一个布置在线圈系统(2)的内腔中或外圆周上的、含有多个轴向依次排列的永久磁铁(7)的磁系统(6)，该磁系统实施为一个可相对于线圈系统(2)在其纵向(5)内运动的从动部分(8)的组成部分；一个在磁系统(6)对面设置在线圈系统(2)内部或外部的磁导装置(15)，其中，线圈系统(2)的轴向相邻的励磁线圈(3)相互紧贴而无间隙。
2.按权利要求1的线性直接传动装置，其特征为，励磁线圈(3)可直接地或必要时中间连接只是一层薄的绝缘层的情况下紧贴在磁导装置(15)上。
3.按权利要求1或2的线性直接传动装置，其特征为，磁导装置(15)呈管形并从外部同轴地包围线圈系统(2)。
4.按权利要求1或2的线性直接传动装置，其特征为，磁导装置(15)呈棒形并被线圈系统(2)同轴包围。
5.按权利要求1至4任一项的线性直接传动装置，其特征为，永久磁铁(7)呈环形。
6.按权利要求1至5任一项的线性直接传动装置，其特征为，线圈系统(2)由至少两个分别连续接线的部分线圈系统(4a、4b)组成，这些部分线圈系统分别含有多个同轴相隔一定距离布置的励磁线圈(3a、3b)，而且部分线圈系统(4a、4b)的励磁线圈(3a、3b)交替地依次排列。
7.按权利要求6的线性直接传动装置，其特征为，在一个相关的部分线圈系统(4a、4b)的轴向相邻的励磁线圈(3a、3b)之间，绕组线(23a、23b)的一个跨接段(24)在相应部分线圈系统(4a、4b)的外圆周高度上跨接轴向间隙(22a、22b)，该跨接段在外圆周上通过至少另一个部分线圈系统(4a、4b)的、布置在间隙(22a、22b)内的至少一个励磁线圈。
8.按权利要求6或7的线性直接传动装置，其特征为，部分线圈系统(4a、4b)分别做成梳形结构并垂直于它们的纵轴相互啮合。
9.按权利要求6至8任一项的线性直接传动装置，其特征为，部分线圈系统(4a、4b)本身单独地看，分别构成一个具有相互同轴排列的励磁线圈(3a、3b)的自承式的、形状稳定的结构。
10.一种电动线性直接传动装置(1)的一个含有多个同轴依次排列的励磁线圈(3、3a、3b)的线圈系统(2)的制造方法，其中至少两个连续接线的部分线圈系统(4a、4b)相互单独进行制造，这些部分线圈系统分别含有多个同轴相隔一定距离排列的励磁线圈(3a、3b)，在这些励磁线圈之间，在外圆周的高度上，有一段连续的绕组线(23a、23b)的跨接段(24)，这样就形成了一个梳形的结构，而且这些梳形结构的部分线圈系统(4a、4b)垂直于其纵向交替插接，所以整个励磁线圈(3a、3b)相互同轴排列，而且绕组线(23a、23b)的跨接段(24)在外圆周上通过至少另一个部分线圈系统(4a、4b)的插入已跨接的间隙(22a、22b)中的至少一个励磁线圈(3a、3b)。
11.按权利要求10的方法，其特征为，线圈系统(2)在部分线圈系统(4a、4b)侧向交错插接后插到一个棒形的磁导装置(15)上或插入一个管形的磁导装置(15)中。
12.按权利要求10或11的方法，其特征为，单个的部分线圈系统(4a、4b)在绕制后进行烧结，从而形成一个自承式的、形状稳定的结构。
13.按权利要求10至12任一项的方法，其特征为，部分线圈系统(4a、4b)的绕制在一个绕线工具(25)上进行，该绕线工具具有轴向相隔一定距离的环形槽状的绕线槽(26)，以便绕制励磁线圈(3a、3b)。
14.按权利要求13的方法，其特征为，所用的绕线工具(25)具有一个长的工具芯(28)和一个位于工具芯(28)外圆周上的、界定绕线槽(26)的工具外套(32)，其中工具外套(32)由多个相隔一定距离布置在工具芯(28)的圆周方向内的外套扇形体(33)组成，在取掉工具芯(28)后，这些外套扇形体径向向里移动，以便取下绕制好的部分线圈系统(4a、4b)，
15.按权利要求14的方法，其特征为，所用的工具芯(28)具有分布在其圆周上的纵肋(35)，外套扇形体(33)嵌入相邻纵肋(35)之间存在的间隙(36)中。
全文摘要
本发明涉及一种电动的线性直接传动装置(1)，该线性直接传动装置具有一个同轴依次排列的多个励磁线圈(3)的线圈系统(2)。在线圈系统(2)的内腔中或在其外圆周上，设置了一个磁系统(6)，该磁系统作为一个可相对于线圈系统(2)进行运动的从动部分(8)的组成部分构成。在磁系统(6)的对面一侧上，在线圈系统(2)的内部或外部设置了一个磁导装置(15)。为了获得高的能量密度，轴向相邻的励磁线圈(3)紧密贴合。此外，本发明涉及线圈系统(2)的一种制造方法。
文档编号H02K41/03GK1476660SQ02803141
公开日2004年2月18日 申请日期2002年7月19日 优先权日2001年8月7日
发明者M·芬克贝纳, R·哈特拉姆夫, M 芬克贝纳, 乩 贩 申请人:费斯托合资公司