专利名称：直线电动机线圈组和直线电动机的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于直线电动机(linear motor)的线圈组和使用这种线圈组的直线电动机。
背景技术：
直线电动机主要用于自动化系统和光刻台中。它们可以分为两类铁芯电动机和无铁电动机。对于无铁电动机而言，主要部件是磁轨(magnet track)和多个绕组，磁轨具有至少一排有着周期性变化磁场的永磁铁，向绕组施加电流，于是诱发出洛伦兹力，使得两个部件彼此相对运动。根据直线电动机的设计，磁轨可以是静止的，多个绕组运动，或者反之。大多数无铁直线电动机所具有的磁轨具有平行的两排静止的交替的永磁铁，而多个绕组在这两排磁铁之间运动。常常将多个绕组的总成称为施力件(forcer)。无铁直线电动机优于铁芯直线电动机之处在于实现了单位动子重量更强的力以及无齿槽效应地输出力(cogging free output force)。在高精度应用中后者是关键性的。
在可买得到的现有无铁直线电动机中，在施力件中采用了两种绕组结构。一种绕组结构使用了以非重叠方式彼此相邻放置的绕组。图1a中示出了一例。线圈11a-11c彼此相邻地设置，且浸渍或模制到某些增加硬度的材料12，例如环氧树脂中，以被包封于外壳中。这一点也在图1b中有所示出，图1b是沿图1a中的线B-B截取的。所得的线圈组1也被称为平板施力件(flat forcer)，因为其形状是平板形的(参见图1b和1d)。通常，用玻璃纤维对模制材料进行加强。
另一种绕组结构具有重叠的绕组。由于在这种绕组结构中，线圈21a、b、c的端部绕组彼此交叉，线圈组20在端部变厚，且端部绕组指向许多不同方向，如图2所示。这种绕组结构在产生更多的力和更低的谐波失真方面是有利的，但不像不重叠结构那么容易组装。
在无铁直线电动机2(参见图2)中，磁铁23被设置在平行的排中，具有交替的磁场，且在支承件上相互之间具有空气隙，以形成磁轨22。支承件通常由磁性材料制成，以为永久磁铁跨空气系提供通量回路。将重叠绕组制成的施力件20引入磁铁23之间的间隙G中，使得绕组的中部被放在磁铁23之间，端部绕组在上下侧都在间隙G之外。线圈21a-c相对于彼此以及相对于磁铁23的间距具有不同的位置，且串联和/或并联以获得电动机的相位，其可以是单相或多相，最常见的是三相。端部绕组指向很多方向导致施力件20的端部比磁铁23之间的中部具有更大的端部。
图1a、1b的线圈11a-c为密集多匝线圈(concentrated multi-turncoils)，即由导线，优选为铜线制成的线圈。对于不重叠的线圈而言，他们常常是正交圆属性。用线圈中的匝数(例如5到50)来表征它们，相继的匝彼此相邻且彼此堆叠，如图1c所示，图1c为图1b中圆圈部分中的放大的细节。密集多匝线圈被看作与分布式绕组相反，其中，属于同一相位的电流的相继匝的位置相对于彼此偏移，或者换言之，将具有另一位置的匝串联或并联在一个相位中。分布式线圈通常布置于沿平直方向延伸的平面内，有时被称为直线绕组。还不要将密集多匝线圈与具有多匝但仅在一个平面内(即单层的彼此相邻的导线)的绕组相混淆。
近年来已经在改进这些基本无铁直线电动机方面作了很多工作。在美国专利6160327中X.T.Wang描述了一种尝试。他使用分布式绕组，尤其是印刷电路型的绕组作为可动线圈。他调节垂直于线性运动的方向的分布绕组的直线部分的长度，使之可与线性空气隙和绕组的外部尺寸相比，从而优化了电动机的参数。
发明内容
本发明的目的在于为无铁直线电动机提供一种具有大的力且容易组装的线圈组。
在本发明的第一方面中，提供了一种直线电动机线圈组，其可以与相关的磁轨一起工作，该线圈组包括多个密集多匝线圈，其中所述线圈的端部绕组基本是圆的(rounded)，所述端部绕组之间的线圈部分为直线，且所述线圈以重叠的方式布置，其中所述端部绕组被压在一起。
与分布式绕组和非密集多匝线圈相比，使用密集多匝线圈能够独立于线圈组自身而生产线圈。密集多匝线圈通常已经用了几十年，而且容易制造。可以以相对较低的生产成本在市场上买到它们。此外，与其它类型的绕组相比，它们受损伤的可能小得多且更容易取放。
密集多匝线圈的端部绕组的基本为圆形的形状允许以重叠方式布置线圈，而且因为对端部绕组施压，端部绕组基本指向一个方向，同时与重叠绕组的其它区域相比还使得重叠绕组的端部区域的厚度最小化。线圈组整体具有比常规重叠线圈组更扁平的形状。于是，可以容易地将整个线圈组放在磁轨的磁铁之间。因此，不仅可以将线圈的中间直线部分用于产生线性运动，而且还可以利用端部绕组。这进一步增大了通过重叠分布已经取得的高的单位损耗的力。
在优选实施例中，直线电动机线圈组的密集多匝线圈以重叠方式布置，使得所述线圈组的直线部分中的空间填充系数为大约45％或更大，且/或将密集多匝线圈封装于扁平外壳中，虽然线圈组不是理想的扁平。空间填充系数给出了线圈组每单位体积的导电材料的量，例如铜的量。将线圈放在扁平外壳中提供了一种能够容易取放且容易放在直线电动机的磁轨的磁铁之间的施力件。
优选地，密集多匝线圈具有有着圆形边缘的O形或六边形形状，以提供与使用该线圈组的直线电动机所产生的力同样好的扁平度。另一种优选的线圈形状是具有圆形边缘的矩形。
在本发明的另一方面中，提供了一种直线电动机，其包括磁轨；以及线圈组，与所述磁轨一起工作，该线圈组具有多个密集多匝线圈，其中所述线圈的端部绕组基本是圆的，所述端部绕组之间的线圈部分为直线，且所述线圈以重叠的方式布置，其中所述端部绕组被压在一起。
在本发明的优选实施例中，直线电动机线圈组的密集多匝线圈以重叠方式布置，使得所述线圈组的直线部分中的空间填充系数为大约45％或更大，且/或将密集多匝线圈封装于扁平外壳中。
优选地，磁轨的磁铁的高度至少为所述密集多匝线圈的高度的80％或更高，于是也有效地利用了端部绕组。
有利地，密集多匝线圈的端部绕组至少部分地位于磁轨的磁铁之间。
根据本发明的直线电动机具有几个优点。线圈组容易组装，其具有扁平形状，能够容易地从顶部放入磁轨中。由于线圈组的扁平形状，获得了相对高的陡度值(陡度＝力2/损失)，特别是与使用不具有重叠绕组的施力件的电动机相比。
参考以下描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显见且得到阐明。
图1a、1b、1c和1d示出了根据现有技术用于直线电动机的第一种线圈组；图2示出了根据现有技术的具有第二种线圈组的直线电动机；图3a、3b和3c示出了根据本发明的线圈组的原理，该线圈组具有六边形的密集多匝线圈；图4示出了根据本发明的线圈组的原理，该线圈组具有O形的密集多匝线圈；图5a和5d示出了根据本发明的线圈组；图5b和5c示出了根据本发明的直线电动机；图6a和6b示出了单层和多层构造的原理。
具体实施例方式
用于线圈组的密集多匝线圈是单独缠绕的，然后沿着施力件的长度放置。优选地，线圈形成多相结构。重叠的布置可以是单层或多层的构造。然后将所有层压到一起，在正交于磁铁的方向上获得尽可能由导线填充的材料，优选空间填充系数在50％左右或更高。然后将组装好的线圈放入扁平地形成的模腔中，其将被压成最终的形状并被增加硬度的模制材料包封。例如，环氧树脂是通用材料的一个例子。还可能用玻璃纤维或其他非磁性纤维对增加硬度的模制材料进行加强。
图3a和3b示出了基本为六边形的密集多匝线圈31a-c、31d-f的两种可能的重叠布置。线圈31a-c、31d-f具有缠绕于六边形的底角和顶角之间的端部绕组部分31E和平行于磁铁的直线部分31S。要指出的是，如结合图1c所描述的，密集多匝线圈31a-c、31d-f由彼此相邻且相互堆叠在一起的连续的多匝构成。优选地，线圈由铜线或其他导电材料，例如铝线制成。
图3a所示的布置封装紧密，相当大的区域中不同的线圈彼此重叠，从而为线圈组整体赋予了扁平的形状。致密堆积也在平行于无铁直线电动机的磁轨的磁铁的直线部分31S的区域中导致了高填充系数。对已布置的线圈施压(尤其是将端部绕组压在一起)主要是为了在对它们封装之前固定最终的形状。
相反，图3b所示的布置将线圈彼此间隔一定距离(在附图中放大了距离与宽度之间的关系以便于更好地理解)放置，然后通过加压使线圈沿图3b的箭头的方向分散开，从而获得线圈组总体上的扁平形状。这在整体上使线圈组扁平化，并获得了更高的空间填充系数。
图3c部分地示出了具有优选线圈距的重叠的密集多匝线圈31g-j，其中，在每个线圈中都有用于两个相邻的线圈的边(例如在线圈31h中间的线圈31g的一边和线圈31i的一边)的空间。宽度P等于三个线圈边的宽度，这与电动机节距是同样的宽度，或换言之，与磁轨的磁间距是相同的。
图4示出了使用O形密集多匝线圈41a-d的线圈布置。如在图3c中那样，线圈距是这样的，使得线圈的中间间隙恰好为两个相邻的线圈的两个边提供空间，例如在线圈41b的中间间隙中的线圈41a和41b的边，或者在线圈41c的中间间隙中的线圈41b和41d的边。箭头表示在线圈41a-d中流动的电流的方向。同样地，同样极性的三个相邻边相当于电动机节距，即，磁轨的磁间距，也如图6a中所示。
图6a是图4的线圈的截面图，其中相位A，-A对应于线圈41a、41d，相位B，-B对应于线圈41b，而相位C，-C对应于线圈41c。ABC(或-A-B-C)的长度P相当于电动机节距。
图6a示出了单层构造，而图6b示出了多层构造，更具体而言是一种双层构造，其中使两层发生偏移，使得每层的同样相位并置。箭头还是表示电流。除了两层之外，还可以使用三层、四层或更多层线圈。
图5a示出了根据本发明的线圈组50的截面，其线圈布置原理示于图5d中，重叠的密集多匝线圈51a-k在外壳52中。如果将它与图1a-d所示的平板施力件1比较，会发现图5的线圈组50与平板施力件1一样扁平，且表现出端部绕组被压到一起，从而它们基本朝向相同的方向。于是，可以与现有技术的平板施力件同样容易地将根据本发明的线圈组50放入两行交替的永久磁铁之间的磁轨53中(参见图5b和5c)，并同样在平板施力件50和磁铁54之间获得了最小的残余空气隙。但是其还具有其他优点，即，由于空间填充系数更高，产生了更大的力。尤其是端部绕组可以部分地(如图5b所示)或全部地置于根据本发明的无铁直线电动机5的磁轨53的磁铁53之间。优选地，磁铁的高度IM至少是线圈高度IC的高度的80％或更大。
本领域的技术人员要注意，直线电动机的各种实施例都是可能的。一种可能是，具有单个线圈组和有着单排磁铁的磁轨，其中线圈组运动而磁轨静止，反之亦然。另一种可能是，具有两排磁铁之间的线圈组，且或者线圈组运动或者磁轨运动。再一种可能是，具有放置于两个线圈组之间的磁轨。同样地，或者线圈组运动，或者磁轨运动。还可以有与线圈组相邻的额外的钢板。
本领域的技术人员还要注意，或者是线圈组或者是磁轨可以具有冷却装置。优选是冷却通道，尤其是陶瓷或铝通道以允许液体或空气冷却。
本领域的技术人员还要注意，各相位的线圈组可以利用电刷或电子整流(electronic commutation)(即，不用电刷)加电。就电子整流而言，优选使用嵌入到线圈组中的霍尔传感器。
此外，本领域的技术人员要注意，线圈距的宽度可以相对于磁轨的磁间距有所变化，从而导致间距过大或间距过小。
已经测量了四个根据本发明的直线电动机的每单位体积的陡度(steepness)并与市场上可买得到的四个直线电动机进行了比较。陡度被定义为线圈力的平方与电动机功率损耗之比。可以从测得的通量计算连续的力。为了测量通量，将各相位连接到通量计，并随后在力非常慢地移动时沿着整个电动机长度针对两个相位记录通量-位置数据。
表1表1中的根据本发明的电动机1、2、5、6具有平板施力件，该施力件具有单层构造的基本为六边形的重叠的密集多匝线圈。在与磁铁正交的方向中的空间填充系数为51％左右。磁铁的高度超过施力件的密集多匝线圈的高度的80％和85％之间，于是也利用了端部绕组的一部分。
对比电动机3、4、7、8是如图1a-c所示的具有不重叠的线圈的电动机。
根据本发明的电动机1和2具有与对比电动机3和4大约相同的尺度，即，截面约为30mm×105mm。根据本发明的电动机5和6具有与对比电动机7和8大约相同的尺度，即，截面约为40mm×125mm。电动机1和2与5和6不同之处在于，电动机1和5比电动机2和6更长。
为了独立于它们的尺度比较电动机，计算每单位体积的陡度。从表1可以看出，在每单位体积的优良陡度的数字方面，根据本发明的电动机大致比市场上可买到的电动机好1.6倍，这实际表示在生成等量的功率损耗时，从一定体积可以获得更多的多少力。根据本发明的电动机具有较高陡度的主要原因在于在根据本发明的施力件中使用了平板重叠绕组结构。由于扁平和容易安装，因此能够利用端部绕组。重叠的布置允许有更高的力的潜力。
必须要指出的是，不仅根据本发明的电动机的每单位体积的陡度优于对比电动机的对应数字，而且力的起伏也小了相当多。
注意，这里出于示范的目的详细描述的线圈组和直线电动机的优选实施例当然可以在结构、设计、应用和方法中做很多变化。因为在本文所教导的发明构思的范围内可以作出很多有变化的不同实施例，而且因为在这里详述的实施例中可以作出很多修改，因此还要理解的是，这里的细节应被理解为示例性的而非限制性的。例如，在不背离本发明的范围的情况下，可以将以下从属权利要求的特征与独立权利要求的特征进行各种组合。此外，权利要求中的任何附图标记都不应被理解为对范围的限制。
附图标记列表1 施力件11a-c 不重叠绕组12 增加硬度的材料13 导线2 直线电动机20 线圈组21a-c 重叠绕组22 磁轨23 磁铁G 间隙
IEW端部绕组长度31a-j密集多匝线圈31E端部绕组部分31S直线部分P间距宽度41a-d密集多匝线圈5直线电动机50 线圈组51a-k密集多匝线圈52 外壳53 磁轨54 磁铁IC线圈长度IM磁铁长度
权利要求
1.一种直线电动机线圈组，可以与相关的磁轨(53)一起工作，该线圈组包括多个密集多匝线圈(31a-f，41a-d，51a-k)，其中所述线圈(31a-f，41a-d，51a-k)的端部绕组(31E)幽佑幽本是圆的，所述端部绕组(31E)之间的线圈部分(31S)为直线，且所述线圈(31a-f，41a-d，51a-k)以重叠的方式布置，其中所述端部绕组(31E)被压在一起。
2.根据权利要求1所述的直线电动机线圈组，其中所述线圈(31a-f，41a-d，51a-k)以重叠的方式布置，使得在所述线圈组的所述直线部分(31S)中的空间填充系数为大约45％或更大。
3.根据权利要求1或2所述的直线电动机线圈组，其中所述线圈(31a-f，41a-d，51a-k)被封装在扁平的外壳(52)中。
4.根据权利要求1、2或3所述的直线电动机线圈组，其中所述密集多匝线圈(31a-f，41a-d，51a-k)以重叠的方式被布置成单层或多层构造。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的直线电动机线圈组，其中所述密集多匝线圈(31a-f，41a-d，51a-k)具有带有圆形边缘的0形或六边形。
6.一种直线电动机，包括磁轨(53)；以及线圈组(50)，与所述磁轨(53)一起工作，该线圈组具有多个密集多匝线圈(31a-f，41a-d，51a-k)，其中所述线圈(31a-f，41a-d，51a-k)的端部绕组(31E)基本是圆的，所述端部绕组(31E)之间的线圈部分(31S)为直线，且所述线圈(31a-f，41a-d，51a-k)以重叠的方式布置，其中所述端部绕组(31E)被压在一起。
7.根据权利要求6所述的直线电动机，其中所述线圈(31a-f，41a-d，51a-k)以重叠的方式布置，使得在所述线圈组的所述直线部分(31S)中的空间填充系数为大约45％或更大。
8.根据权利要求6或7所述的直线电动机，其中所述线圈(31a-f，41a-d，51a-k)被封装在扁平的外壳(52)中。
9.根据权利要求6、7或8的任一项所述的直线电动机，其中所述磁轨(53)的磁铁(54)的高度(IM)至少为所述密集多匝线圈(31a-f，41a-d，51a-k)的高度(IC)的80％或更大。
10.根据权利要求6到9中的任一项所述的直线电动机，其中所述密集多匝线圈(31a-f，41a-d，51a-k)的端部绕组(31E)至少部分地位于所述磁轨(53)的磁铁(54)之间。
11.根据权利要求6到10中的任一项所述的直线电动机，其中所述密集多匝线圈(31a-f，41a-d，51a-k)以重叠的方式被布置成单层或多层构造。
12.根据权利要求6到11中的任一项所述的直线电动机，其中所述密集多匝线圈(31a-f，41a-d，51a-k)具有带有圆形边缘的O形或六边形。
全文摘要
提供了一种无铁直线电动机(5)，包括磁轨(53)；以及线圈组(50)，与所述磁轨(53)一起工作，该线圈组具有多个密集多匝线圈(31a－f，41a－d，51a－k)，其中所述线圈(31a－f，41a－d，51a－k)的端部绕组(3文档编号H02K41/03GK101048928SQ200580036772
公开日2007年10月3日 申请日期2005年10月20日 优先权日2004年10月28日
发明者丰达·沙欣·诺马莱尔, 约翰·C.·康普特, 埃德·博斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司