线性电动机及其操作方法与流程

本发明涉及一种线性电动机(linearmotor)，其具有定子和相对于定子可轴向运动的转子，其中所述转子由沿其纵向轴线具有第一周期长度的周期性的转子磁场永久激励，其中所述线性电动机具有位置检测装置，该位置检测装置被设计成检测转子相对于定子的位置。

本发明还涉及一种用于操作这样的线性电动机的方法。

背景技术：

具有由永磁体激励的转子的常规线性电动机通常具有沿着转子的纵向轴线布置的多个永磁体，如果需要的话，在它们之间布置有间隔件以在相邻的永磁体之间产生可预先确定的距离。依据永磁体彼此间的距离和磁化，可能发生的是，借助于磁场传感器可检测的并且表征转子的位置的信号具有非线性失真。特别是当转子中的磁体布置是针对最大的可能功率密度而优化、而不是针对例如磁场传感器的尽可能正弦形的传感器信号而优化时，就会出现这种情况。非线性失真限制了用于确定转子位置的精度。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是：以减轻或甚至避免先前提到的缺点的方式来改进前述类型的线性电动机和用于线性电动机的操作方法。

对于前述类型的线性电动机，该目的通过以下方式来实现：位置检测装置具有至少一个第一磁场传感器和第二磁场传感器，其中所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器沿着转子的纵向轴线以第一距离彼此间隔开地布置在定子上，其中所述第一距离至少约为第一周期长度的六分之一的奇数倍。这能够精确地确定转子的位置，其中尤其是可以有效地补偿前述的非线性失真。根据申请人进行的测试，所提出的第一距离尤其可以补偿三次谐波干扰效应。例如为周期性转子磁场的周期长度的六分之一的第一距离与三次谐波的180°的相移相对应，从而可以通过考虑第一和第二磁场传感器的输出信号来补偿该180°的相移。

在一些实施例中，例如，所述第一周期长度是约1cm到约15cm。

在优选实施例中，所述第一距离至少约为第一周期长度的六分之一(这意味着相对于所述周期长度的最大约百分之20的偏差是可允许的)。在其他优选实施例中，所述第一距离优选准确地为第一周期长度的六分之一(这意味着相对于周期长度的最大约百分之5的偏差是可允许的)。

在其他实施例中，所述第一距离还可以是第一周期长度的不同奇数倍，例如六分之五(5/6)或六分之七(7/6)等，而不是第一周期长度的六分之一(1/6)。

在另外的实施例中，至少设置第三磁场传感器，其中所述第一磁场传感器和第三磁场传感器沿着转子的纵向轴线以第二距离彼此间隔开地布置在定子上，其中所述第二距离至少是第一周期长度的四分之一的某一奇数倍。这允许更加准确地确定转子的位置。优选地，所述第二距离尽可能地接近第一周期长度的四分之一的奇数倍，例如相对于第一周期长度具有约百分之5的最大偏差。

在其他实施例中，所述位置检测装置具有多组磁场传感器。

在其他实施例中，所述多组磁场传感器优选地以沿着转子环周方向均匀分布的方式来布置。

其他实施例设置三组磁场传感器，其中所述三组磁场传感器分别以约120度的角度而彼此间隔开。

在其他实施例中，所述三组中的每组具有至少一个第一磁场传感器和第二磁场传感器，其中第一磁场传感器和第二磁场传感器沿着转子的纵向轴线以第一距离间彼此隔开地布置在定子上，其中所述第一距离是第一周期长度的六分之一的至少某一奇数倍，其中特别地所述第一距离是第一周期长度的六分之一。

在其他实施例中，所述多组中的每组被布置在相对于定子的相同纵向坐标上。

在其他实施例中，所述位置检测装置被设计成：根据所述第一磁场传感器的输出信号并且根据所述第二磁场传感器的输出信号来形成表征转子的位置的位置信号。

在其他实施例中，所述位置检测装置被设计成将所述第一磁场传感器的输出信号和所述第二磁场传感器的输出信号组合到一起，特别是相加在一起。

在其他实施例中，所述磁场传感器中的至少一个是霍尔传感器。

在其他实施例中，所述线性电动机被设计成使用串行数据传输协议来将表征转子的位置的位置信号或所述位置信号输出到外部单元。

另外的实施例涉及一种操作线性电动机的方法，所述线性电动机具有定子和相对于该定子可轴向运动的转子，其中所述转子由沿其纵向轴线具有第一周期长度的周期性的转子磁场永久激励，其中所述线性电动机具有位置检测装置，所述位置检测装置被设计成检测转子相对于定子的位置，其中所述位置检测装置至少具有第一磁场传感器和第二磁场传感器，其中所述第一磁场场传感器和所述第二磁场传感器沿着转子的纵向轴线以第一距离彼此间隔开地布置在定子上，其中所述第一距离至少约为第一周期长度的六分之一的奇数倍，其中所述位置检测装置根据所述第一磁场传感器的输出信号并且根据所述第二磁场传感器的输出信号来形成表征所述转子的位置的位置信号。

其他实施例规定：所述位置检测装置将所述第一磁场传感器的输出信号和所述第二磁场传感器的输出信号组合在一起，特别是相加在一起。

要理解，根据实施例的原理也可以被应用于下面这样的线性电动机，其转子不是如上所述由永磁体激励，而是具有例如电流可以通过其的转子绕组。在这种情况下，可以例如在定子中提供永磁体。

附图说明

从对本发明的在附图中描绘的实施例的以下描述中得出本发明的附加特征、应用可能性和优点。所有描述或描绘的特征通过它们自身或以任何组合来由此形成本发明的主题，而不管它们在权利要求中的组合或它们的参考，并且与它们在说明书或附图中的措辞或表示无关。

在图中：

图1以局部横截面示意性地描绘了根据第一实施例的线性电动机的侧视图；

图2示意性地描绘了根据一个实施例的用于线性电动机的转子；

图3示意性地描绘了根据其他实施例的线性电动机的操作变量；

图4示意性地描绘了根据其他实施例的位置检测装置的磁传感器；

图5示意性地描绘了根据其他实施例的位置检测装置；

图6a示意性地描绘了根据另外的实施例的用于线性电动机的转子的侧视图；

图6b示意性地描绘了根据图6a的转子的前视图；

图7示意性地描绘了根据本发明的操作方法的实施例的简化流程图；以及

图8示意性地描绘了根据实施例的信号的组合。

具体实施方式

图1以局部横截面示意性地描绘了根据第一实施例的线性电动机100的侧视图。线性电动机100具有基本上中空的圆柱形定子110和同轴地布置在定子110内部的转子120。转子120可以相对于定子110轴向运动，这由图1中的双箭头a1来表示。转子120的纵向轴线在图1中用附图标记122来标记。

在目前情况下，定子110具有一个或多个绕线组112，其包括可以以本身已知的方式使电流流过它们的磁绕组，以便与(目前由永磁体激励的)转子120进行磁相互作用，并且在图1中的水平运动a1的意义之内对它进行驱动。为了清楚起见，目前没有示出一个或多个绕线组112的电连接或细节。

在目前情况下，转子120具有沿其纵向轴线122(换句话说，沿图1中的水平线)的周期性转子磁场，其具有第一周期长度。通常，第一周期长度(在英语中也称为“polepitch(极距)”)小于转子120的总长度，因此转子120的总长度与第一周期长度的倍数(不一定是整数倍)相对应。

此外，线性电动机100具有位置检测装置130，其被设计成检测转子120相对于定子110的位置。位置信息可以被用于例如确定转子120从定子110伸出了多远，和/或控制线性电动机100的运行。

根据本发明，提供了位置检测装置130，该位置检测装置130至少具有第一磁场传感器s1和第二磁场传感器s2，其中第一磁场传感器s1和第二磁场传感器s2沿着转子120的纵向轴线122以第一距离(图1中未示出)彼此间隔开地布置在定子110上，其中该第一距离至少约为第一周期长度的六分之一的奇数倍。这允许精确地确定转子120的位置，其中，特别是可以有效地补偿先前提到的非线性失真。

根据申请人进行的测试，所提出的第一距离尤其可以补偿三次谐波干扰效应，该三次谐波干扰效应是由磁场强度沿着转子120的纵向轴线122的非纯正弦形或非纯余弦形的轮廓产生的。为此，图2示意性地示出了根据一个实施例的用于线性电动机100(图1)的转子120a的截面图。例如，转子120a的各个永磁体124a、124b、124c、124d、124e可以根据它们产生的磁场来设计，并且借助于间隔件126a、126b、126c、126d以下面这样的方式间隔开：磁场强度的非纯正弦形轮廓沿着转子120a的纵向轴线122(也参见图2中的与其平行的坐标轴x)产生。转子120a的第一周期长度在图2中用双箭头pp来标记，并且各个永磁体124a、124b、124c、124d、124e的磁极(北极、南极)在这里用字母“n”、“s”来标记。此外，图2象征性地示出了之前已经提到的位置检测装置130的两个磁场传感器s1、s2，它们彼此之间相距第一距离d1，且例如被布置在定子110(图1)上，优选径向地在转子120、120a的外表面附近内侧。

这里为了说明目的而描述的磁场强度沿着转子120a的纵向轴线122或坐标轴x的非纯正弦形轮廓在图3的示意图中用曲线k1来描绘。曲线k2示出了与借助于磁传感器s1、s2的位置确定有关的最佳纯正弦形轮廓，所述磁传感器评估转子120a的磁场(图2)。如果转子磁场具有根据图3的纯正弦形轮廓k2，则在转子120a相对于定子110(并且因此相对于布置在定子110上的传感器)运动的情况下，在磁场传感器中将产生也基本上纯的正弦形信号，这允许特别精确地确定转子120a的位置。

然而，在优选实施例中，例如用于通过选择和布置永磁体124a、...、124e(图2)来优化线性电动机100的功率密度的转子磁场(沿着转子的纵向轴线122考虑)可以被特意设计成偏离纯正弦形状，例如对应于根据图3的曲线k1，其基本上可以被认为是纯正弦形基波(参见曲线k2)与三次谐波(参见曲线k3)的叠加。在这种情况下，在磁场传感器s1、s2中，在转子120a相对于定子110以及因此而相对于布置在定子110上的传感器s1、s2运动的情况下，将产生与曲线k1的轮廓基本上相对应的信号，其因此不受谐波影响，并且在这种情况下除了基波之外尤其是还具有三次谐波的部分。这将导致在确定转子120a的位置的过程中精度受限。同样，曲线k1例如还涉及周期性转子磁场。

通过关于第一磁场传感器s1和第二磁场传感器s2之间的第一距离d1(图2)的创造性的规定，可以有利地补偿先前描述的不期望的效果。例如为周期性转子磁场的第一周期长度pp的六分之一的第一距离d1与三次谐波k3(图3)的180°(度)的相移相对应，使得其可以通过考虑第一和第二磁场传感器s1、s2(图2)的输出信号而得到补偿。

在优选实施例中，第一距离d1至少约(相对于第一周期长度pp的最大约百分之二十的偏差是可允许的)为周期长度pp的六分之一。在其他优选实施例中，第一距离d1优选准确地(相对于第一周期长度pp的最大约百分之五的偏差是可允许的)为第一周期长度pp的六分之一。

在其他实施例中，第一距离d1还可以是第一周期长度pp的不同奇数倍(特别地，5、7、......)，例如六分之五(5/6)或六分之七(7/6)等等，而不是第一周期长度pp的六分之一(1/6)。

在位置检测装置的其他实施例130a(参见图4)中，至少设置有第三磁场传感器s3，其中第一磁场传感器s1和第三磁场传感器s3沿着转子120a(图2)的纵向轴线x以第二距离d2彼此间隔开地布置在定子110(图1)上，其中第二距离d2至少是第一周期长度pp(图2)的四分之一的某一奇数倍。由此可以更加精确地确定转子120a的位置。优选地，第二距离d2尽可能地接近第一周期长度pp的四分之一的奇数倍，例如具有相对于第一周期长度pp的约百分之5的最大偏差。

其他实施例可以设置第四磁场传感器s4，其被布置在距磁场传感器s3的距离d1'处，该距离d1'与磁场传感器s1、s2之间的第一距离d1类似。以这种方式，对于磁场传感器s3、s4的信号，可以补偿三次谐波的不期望的谐波。

图5示意性地描绘了根据另外的实施例的位置检测装置130b。评估装置132(其例如可以是硬件电路或者硬件和软件的组合)接收至少第一磁场传感器s1和第二磁场传感器s2的输出信号a1、a2。这两个输出信号a1、a2在组合单元134中被组合，特别是被相加。包含在输出信号a1、a2中的三次谐波部分(参见图3中的曲线k3)因此而相互补偿，因为磁场传感器s1、s2按照本发明沿着转子120a的纵向轴线122(图2)彼此具有第一距离d1。位置检测装置130b可以将加法器134的输出信号以位置信号pos(图5)的形式输出至外部单元200，该位置信号pos表征转子120a(图2)的位置。

可选地，位置检测装置130b还可以接收其他磁场传感器s3和s4的输出信号a3、a4，并且以类似的方式来处理这些输出信号a3、a4，例如通过使用加法器134将它们相加在一起。在该实施例中，可以将从输出信号a1、a2获得的和信号例如地作为第一位置信号(“正弦信号”)而输出、并且可以将从输出信号a3、a4获得的和信号例如地作为第二位置(“余弦信号”)输出到外部单元。

在一些实施例中，分压器(未描绘，参见图8)可以被有利地用作组合单元以对相关的输出信号a1、a2或a3、a4进行组合。

在其他实施例中，位置检测装置130c具有围绕转子120b的多组磁场传感器g1、g2、g3，参见图6a。为了清楚起见，在图6a中没有单独地标记各个磁场传感器，也没有描绘定子。在这里，例如在根据图4的配置中，每个组g1、g2、g3包括例如四个磁场传感器。

在其他实施例中，磁场传感器的多个组g1、g2、g3优选地被布置成沿着转子120b的环周方向均匀分布，如在图6b中的这种情况中可以看到的。由此可以例如通过在不同组的相应输出信号之间取平均来有利地补偿转子120b的永磁体124a、...、124e(图2)的与环周有关的缺陷和/或径向缺陷。

其他实施例设置三组磁场传感器g1、g2、g3，其中所述三组磁场传感器分别以约120度的角度间隔开。

在其他实施例中，三组g1、g2、g3中的每组具有至少一个第一磁场传感器s1(图2)和第二磁场传感器s2，其中所述第一磁场传感器s1和第二磁场传感器s2沿着转子120a、120b的纵向轴线122以第一距离d1(图2)彼此间隔开地布置在定子110(图1)上，其中第一距离d1至少约为第一周期长度pp(图2)的六分之一的奇数倍，其中特别地第一距离d1是第一周期长度pp的六分之一。

在其他实施例中，多组g1、g2、g3(图6a)中的每组被布置在相对于定子110(图1)的相同纵向坐标上。

在其他实施例中，位置检测装置130、130a、130b被设计成根据第一磁场传感器s1的输出信号a1并且根据第二磁场传感器s2的输出信号a2来形成表征转子120、120a、120b的位置的位置信号pos。

在其他实施例中，位置检测装置130b被设计成将第一磁场传感器s1的输出信号a1和第二磁场传感器s2的输出信号a2组合，特别是相加。

在其他实施例中，磁场传感器s1、s2、s3、s4中的至少一个是霍尔传感器。优选地，所有的磁场传感器被相同地设计成霍尔传感器。

在其他实施例中，线性电动机100(图1)被设计成使用串行数据传输协议来将位置信号pos(图5)输出到外部单元200，该位置信号pos表征例如转子120、120a、120b的位置。

另外的实施例涉及一种用于操作线性电动机100的方法，该线性电动机100具有定子110(图1)和相对于定子110可轴向运动的转子120，其中转子120由沿着其纵向轴线122具有第一周期长度pp的周期性转子磁场永久激励，其中线性电动机100包括位置检测装置130，其被设计成检测转子120相对于定子110的位置，其中位置检测装置130至少包括第一磁场传感器s1和第二磁场传感器s2，其中第一磁场传感器s1和第二磁场传感器s2沿着转子120a的纵向轴线122以第一距离d1(图2)彼此间隔开地布置在定子110上，其中第一距离d1至少约为第一周期长度pp的六分之一的奇数倍，其中位置检测装置130根据第一磁场传感器s1的输出信号a1并且根据第二磁场传感器s2的输出信号a2来形成表征转子120a的位置的位置信号pos(图5)。

在这方面，图7示出了简化的流程图。在步骤300中，位置检测装置130b(图5)接收来自第一磁场传感器s1的输出信号a1和来自第二磁场传感器s2的输出信号a2。在步骤310中，位置检测装置130b根据输出信号a1、a2形成表征转子120a的位置的位置信号pos，例如通过将它们组合或相加。

图8示意性地描绘了根据一个实施例借助于电阻电路来对磁场传感器s1、s2的输出信号a1、a2进行组合，该电阻电路包括第一电阻器r1、第二电阻器r2和可选的第三电阻器r3，在这里针对参考电位(特别是接地电位gnd)来切换该第三电阻器r3。电阻电路根据优选实施例执行输出信号a1、a2的相加，并提供三次谐波补偿的信号sig，所述信号以与先前参考图7描述的信号pos类似的方式来表征转子120a的位置。优选地，第一电阻器r1和第二电阻器r2具有相同的电阻值。可选地设置的第三电阻器优选地也可以具有与两个电阻器r1、r2相同的电阻值，或者在其他实施例中它也可以省略。

要理解，根据实施例的原理还可以被应用于以下的线性电动机，例如，其转子不是由永磁体激励、而是包括可以使电流流过它们的转子绕组。在这种情况下，永磁体可以被设置在例如线性电动机的定子中。

根据实施例的原理允许去除或补偿来自线性电动机100的磁场传感器s1、s2、s3、s4的输出信号a1、a2、a3、a4的谐波失真，由此而特别精确地确定线性电动机100的转子120、120a、120b的位置。