直线电机系统的制作方法

本发明涉及一种直线电机系统，其带有多个定子元件和至少一个转子，所述定子元件分别包括电磁线圈，所述转子具有磁体元件，所述磁体元件与定子元件的电磁线圈形成相互作用，并且所述转子能够借助至少一个合适的定子元件的激活沿运动方向相对于定子元件移动。

背景技术：

由传统的电机衍生出已知的直线电机系统，所述电机具有带有永磁体的转子，所述永磁体布置在分别带有电磁线圈的定子元件的内部。通过对相应的电磁线圈的激活、也即通过流经电磁线圈的电流，使这种电机的转子旋转。

在已知的直线电机系统中，传统的电机的定子元件可以说被展开并且线性地依次布置。在直线电机系统中能够沿预定运动轨迹移动的转子相当于传统电机的转子。沿转子的运动轨迹布置所需数量的定子元件。在已知的直线电机系统中，定子元件由此形成了传统电机的定子元件的周期性重复。

具有在定子元件中的电磁线圈的直线电机系统具有杂散磁场和高电感的弊端，其中定子元件之间的距离明显大于转子的长度。因此在此情况下，当多个定子元件为覆盖转子的整个运动轨迹而依次布置时，难以为转子的运动而激活多个定子元件。

鉴于转子与定子元件之间的相对运动，可以在直线电机中-就传统电机而言-将转子和定子相互交替并且使转子元件周期性地重复。直线电机的这种结构形式能够例如由带有外极转子的常规电机的“展开”形成。

此外，在已知的直线电机系统中，定子元件的磁通沿纵向延伸，也即定子元件的磁场线在平面中延伸，所述平面与转子的运动方向或与转子的运动轨迹上的切线平行。这导致的后果在于，至少两个定子元件或两个定子元件的电磁线圈始终(尤其磁性)耦连，并且该耦连在为使转子运动而激活定子元件时考虑。因此如果直线电机系统具有多个转子，当所述转子应该相互独立地运动时，不能低于转子之间的最小间距。

在带有纵向磁通的定子中，鉴于至少两个定子元件的激活必须使不同的定子元件的电磁线圈相互对准，以便使磁通整体上沿期望的方向延伸。因此在布置多个具有纵向磁通的定子元件时的灵活性受到限制，由此限制了转子的期望的运动轨迹的设计并且对制造的准确性提出更高要求。

此外，具有横向磁通的电机是已知的，所述电机即使在直线电机系统中也能使用。然而其中转子不具有永磁体，而具有电磁线圈。

技术实现要素：

因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种直线电机系统，所述直线电机系统允许用于转子的运动轨迹的灵活设计和转子的灵活运动。

该技术问题通过带有权利要求1的技术特征的直线电机系统和尤其通过带有多个定子元件和至少一个转子的直线电机系统解决，其中，磁通在至少一个定子元件中基于转子的运动方向至少局部地横向延伸。根据本发明的直线电机系统因此是带有横向磁通的直线电机系统。直线电机系统优选构造用于，将定子元件的电磁线圈单独和相互独立地激活。

直线电机系统的每个定子元件包括各一个电磁线圈，然而可选地也可以包括多个电磁线圈，所述电磁线圈共同形成在各个定子元件中的磁通。转子具有至少一个磁体元件，所述磁体元件与定子元件的电磁线圈形成相互作用，并且能够借助对至少一个合适的定子元件(或多个合适的定子元件)的激活沿运动方向相对于定子元件移动。对定子元件进行激活的方式在此是，定子元件的相应电磁线圈通过使电流流经电磁线圈或加载进电磁线圈而被激活。

至少一个定子元件的磁通基于转子的运动方向的横向走向被定义为，通过各个电磁线圈形成的磁场的磁力线分别在平面中延伸，所述平面相对于转子的运动方向垂直地定向。换言之，定子元件的磁场的磁力线所在的平面的法向矢量构成在转子的运动轨迹上的切向矢量。

在定子元件的区域中的闭合磁路分别通过各独定子元件本身和尤其转子的磁体元件实现。由电磁线圈生成的磁通也就首先在定子元件内部延伸，并且随后在例如两个过渡点上首先进入环境空气并且随后进入转子，其中，转子建立闭合磁路。在根据本发明具有横向磁通的直线电机系统中，过渡点优选位于与运动方向垂直或横向于运动方向延伸的直线上。

因为直线电机系统可以优选构造用于将定子元件的电磁线圈单独且相互独立地激活，所以直线电机系统的每个定子元件优选能够单独且相对于其他定子元件独立地激活。这具有的优点在于，这种直线电机系统中的多个转子能够单独且相互无关地运动。转子可以相互运动或者说相向运动直至达到相邻定子元件之间的间距。由此能够实现在同一直线电机系统内部的多个转子的极其灵活的控制和应用。

通过多个定子元件的单独和独立的可激活性，所述定子元件可以根据至少一个转子的预定运动轨迹灵活地布置。运动轨迹在此通过多个定子元件(沿运动轨迹)先后依次的空间布置构成。运动轨迹又定义了转子的可能的运动方向。由于直线电机包括沿运动方向的多个定子元件，该运动方向也被称为直线电机的延伸方向。

此外，转子鉴于多个定子元件的独立的可激活性而不具有沿运动方向的最小长度。转子沿运动方向的长度由此可以等于两个定子元件之间的间距或甚至小于该间距。这尤其还适用于无铁芯的定子元件，利用无铁芯的定子元件能够使极小的转子在定子元件的电磁线圈的磁场中运动。然而在具有铁芯的定子元件中也需要转子的最小长度，所述最小长度在至少例如三个定子元件上延伸，因为在此情况下出现止动力、也即未通电的定子元件与转子之间的力。

本发明的有利的实施方式在各从属权利要求中以及在说明书中和附图中给出。

根据一种实施方式，直线电机系统构造用于激活定子元件，从而仅激活与转子的磁体元件形成直接磁性相互作用的定子元件的电磁线圈。因为因此仅激活少量电磁线圈，该电磁线圈的磁通横向于转子的运动方向延伸，所以减少了由于定子元件的杂散磁场造成的作用和干扰。由此还形成了待激活的定子元件的较低电感，该较低电感允许直线电机系统的高动态运行。

直线电机系统优选构造为，通过对唯一定子元件的合适的电磁线圈的动态激活使转子运动。换言之，单独的电磁线圈足以促使转子运动。鉴于对唯一的定子元件的电磁线圈的激活，能够进一步降低由杂散磁场造成的干扰影响。

根据另一种实施方式，至少一个定子元件包括多个沿垂直于运动方向的方向依次堆叠的导磁元件。堆叠的导磁元件的延伸方向同样垂直于运动方向(也即沿横向磁通)延伸。导磁元件强化了垂直于或横向于转子的运动方向的磁通。通过导磁元件的堆叠布置简化了定子元件的制造。这尤其当导磁元件借助堆叠式层压构成时是适用的。因此，定子元件可以包括导磁材料(例如铁合金、铁硅合金和/或铁磁钢)的多个层。

优选地，至少一个定子元件包括导磁轭，所述导磁轭具有u形、e形、l形或i形。强化定子元件内部磁通的导磁轭由此可以鉴于不同的形状灵活地匹配于用于布置定子元件而存在的结构空间。转子的形状可以根据定子元件的形状调整，并且尤其可以与定子元件互补。

根据另一种实施方式，多个定子元件沿转子的运动方向分别通过连接元件耦连。转子的预设的运动轨迹由此可以借助多个定子元件并且借助连接元件构成并且成型，所述连接元件使定子元件相互耦连。在此，连接元件尤其成型为，使得运动轨迹并因此运动方向具有弯曲部。

作为备选或补充，连接元件可以直线状地构造，也即相邻的定子元件通过连接元件相互耦连，从而使定子元件的各个磁通在多个平行的平面中延伸。由此借助连接元件的不同形状可以模块化地仿照或者组成转子的预设运动轨迹的任意形状。在此，其间布置有连接元件的全部定子元件都可以是结构相同的，或者至少部分定子元件是结构相同的。此外，连接元件也可以一部分相同地构造，然而这取决于转子的运动轨迹的个性化形状。当连接元件根据运动轨迹的弯曲部被调整时，相邻定子元件的磁通并不相互平行延伸。换言之，相邻定子元件的磁通所在的各个平面则并非相互平行地定向。

连接元件优选由非磁性和/或非导磁的材料成形。由此可以避免穿过连接元件在定子元件之间的闭合磁路。此外，这种连接元件还可以由成本低廉的材料并且以简单方式制造。例如连接元件由塑料且尤其借助注塑方法制造。

定子元件和连接元件可以分别相互独立地制造。随后，定子元件和连接元件可以按照模块方式任意组合，以便实现相应必要的运动轨迹。

优选地，至少一个连接元件包括用于控制至少一个电磁线圈的控制电子元件。由此可以充分利用连接元件的区域中的结构空间，所述区域并非必须用于形成转子的运动轨迹，并且位于例如连接元件下方、旁边和/或连接元件中。由此可以总体上减少为直线电机系统所需的结构空间的尺寸。与之相应地，控制电子元件可以布置在连接元件内部和/或运动轨迹下方和/或旁边。直线电机系统可以包括多个控制电子元件，所述控制电子元件分别控制单独的定子元件或多个定子元件的电磁线圈。控制电子元件可以通过共同的供电装置供应电能。

优选地，至少一个连接元件中的控制电子元件控制与该连接元件间隔布置(也即并非直接相邻)的定子元件的电磁线圈。例如控制电子元件可以控制再下一个定子元件的相应的电磁线圈。由此总体上形成了经由直线电机系统的更好的热量分布，因为在第一位置上被控制的电磁线圈和在与第一位置相间隔的第二位置上的控制电子元件受热。控制电子元件此外还可以使用针对电磁线圈的非正弦控制信号。

作为备选，还可以将连接元件集成在定子元件的承载板中。在此情况下例如借助螺栓和在承载板中相应的孔以及借助在定子元件中匹配的螺丝建立定子元件之间的连接。

转子的磁体元件有利地是永磁体。在此，永磁体布置在转子的表面上，其中，磁体的磁北极和磁南极尤其沿垂直于运动方向和垂直于由运动轨迹构成的表面依次布置。

两个永磁体之间的间距在此可以被称为极距，而相邻定子元件之间的间距可以被称为线槽节距。极距相对于线槽节距的比例优选可以取任意数值并且例如并不局限于整数数值。

根据一种备选的实施方式，转子的磁体元件嵌合在转子中。这具有的优点在于，例如可以使用成本低廉的alnico磁体。磁体元件的磁北极和磁南极则横向于/垂直于运动方向并且平行于由运动轨迹构成的表面依次布置。

优选实现在转子中的磁并联。磁并联可以通过由导磁材料构成的磁并联元件在转子上的安装而实现。转子的磁体元件内部的磁路在此延伸，从而使磁力线在转子内部闭合。通过磁并联能够更简单地安装转子的磁体元件，因为磁体元件的吸引力减小。然而在直线电机系统的运行过程中去除磁并联，从而主要使由定子元件形成的磁通在转子内部闭合。

转子的磁体元件的磁通优选相对于转子的运动方向横向(如上规定)延伸。作为备选，还可以实现针对转子的磁体元件的磁通的纵向构造。

优选地，未激活的定子元件用于转子的位置检测。概念“未激活”在此是指定子元件的一种状态，在此状态下，定子元件的电磁线圈没有或最多略微通电，从而当转子处于与未激活的定子元件相邻的定子元件的区域中时，尚未实现转子的移动。因此当需要检测转子的位置时，使较低的电流流经“未激活的”定子元件。

为进行转子的位置检测，可以向至少一个未激活的定子元件的电磁线圈通入电流或变化的电流，其中，根据电流检测相应未激活的定子元件的电感。然后由电感可以推断出转子存在与否或转子的位置。转子为此目的可以尤其在其沿运动方向观察的端部上包括磁性材料、例如金属或铁。

如上所述，在转子的静态或缓慢运动时，转子的位置检测因此通过测量电磁线圈的电感改变的测量而实现。为实现转子的位置检测，转子的载体或转子本身还在形状和/或材料方面构造为，使得相邻的、未激活的电磁线圈的电感与位置相关地改变。

转子的位置可以在运动时通过测量由转子感应到电磁线圈中的电压或者甚至在静止时测量相应的电流或由此推导出的电感改变来测算，因为多个定子元件的电磁线圈为被激活而分别被单独且相互独立地控制，并且鉴于横向磁通而不一定必须存在通电的相邻线圈。由此可以利用简单的措施实现对转子在直线电机系统中的位置的追踪，由此可以实现对分别处于转子位置的区域中的线圈的正确控制。

根据另一种实施方式，在直线电机系统中设置多个转子，并且直线电机系统构造用于使转子相互独立地运动。有利地，在多个转子相互独立运动时使转子的间距基于电磁线圈的单独且相互独立的激活而最小化。

此外，本发明还涉及一种用于运行直线电机系统的方法，例如尤其如上所述，并且直线电机系统包括多个定子元件和至少一个转子，所述定子元件分别具有用于在各个定子元件中形成磁通的电磁线圈，所述转子具有至少一个磁体元件，所述磁体元件与定子元件的电磁线圈形成相互作用。根据所述方法，定子元件的电磁线圈被单独且相互独立地激活，并且转子由此沿运动方向相对于定子元件移动。

此外，本发明还涉及一种定子元件，所述定子元件包括至少一个电磁线圈，所述电磁线圈在定子元件中形成磁通，并且定子元件能够被激活以便使转子沿运动方向相对于定子元件移动。在定子元件中的磁通基于转子的运动方向至少部分横向地延伸。

关于根据本发明的直线电机系统的实施方式还适用于根据本发明的方法和根据本发明的定子元件，尤其在优点和优选实施方式方面适用。

附图说明

以下纯粹示例性地结合附图根据本发明的可能的构造方式阐述本发明。在附图中：

图1示出根据现有技术的电机和直线电机系统，

图2a和2b示出根据本发明的直线电机系统，其具有带有纵向磁通的转子，

图3a和3b示出根据本发明的直线电机系统，其具有带有横向磁通的转子，

图4a、4b和4c示出根据本发明的直线电机系统的定子元件，在所述定子元件之间布置有连接元件，

图5a、5b和5c示出两个电子元件和布置在所述电子元件之间的连接元件的细节图，和

图6a、6b和6c示出根据本发明的直线电机系统的转子的多种实施方式。

具体实施方式

图1在左侧示出两个传统的电机11，所述电机分别包括带有各自电磁线圈15的四个或三个定子元件13和带有永磁体19的转子17。在电机11中的磁通由电磁线圈15在电流流经该电磁线圈时形成。磁通与转子17的永磁体19相互作用并且由此促使转子17旋转。

在图1的右侧，传统的电机12分别成型为根据现有技术的直线电机系统12。直线电机系统12的定子元件13’相当于电机11的定子元件13，而直线电机系统12的具有两个永磁体19’的转子17’分别相当于电机11的带有永磁体19的转子17。电机11的定子元件13由此在一定程度上沿直线方向展开，并且多个电机11的定子元件13周期性地先后依次布置，以便直线电机系统12’的定子元件13’沿转子17’的预设的运动轨迹延伸。

鉴于直线电机系统12的定子元件13’的布置，定子元件13’的磁通φs根据现有技术分别基于转子17’的运动方向或运动轨迹纵向延伸。在此情况下“纵向”是指，由定子元件13’形成的磁通φs的磁力线分别在与转子17’的运动方向或运动轨迹平行定向的平面内延伸。

转子17’的永磁体19’与定子元件13’的磁通φs相互作用，从而使转子17在其运动方向上沿定子元件13’移动。在如图1右侧所示，直线电机系统12能够为使转子17’移动而例如给四个电磁线圈15’通电，而在以下示出的直线电机系统12中为使转子17’移动而给三个电磁线圈15’通电。鉴于磁通φs的纵向定向，在根据现有技术的直线电机系统12中至少两个相邻的定子元件13’被同时激活，以便使转子17’移动。

图2a和图2b示出根据本发明的直线电机系统31的第一实施方式，所述直线电机系统包括多个带有各自电磁线圈35的定子元件33和转子37。转子37布置在定子元件33下方并且具有两个永磁体39，所述两个永磁体39布置在转子37的基体41上。定子元件33的电磁线圈35分别绕各个定子元件33的磁轭43卷绕。磁轭43分别由导磁材料制成并且在图2a的设计方式中具有u形形状，而它在图2b的设计方式中则具有l形形状。转子37的基体41在图2a的设计方式中相当地具有平坦的形状，而转子37的基体在图2b的设计方式中则具有l形形状。

各个定子元件33的磁轭43和转子37的基体41由此具有互补的形状，以便使得由定子元件33的相应电磁线圈35形成的磁通φs的磁力线在导磁磁轭43内部和在基体41内部和在转子37的相应永磁体39内部闭合，除了转子37与相应的磁轭43之间的狭小空气间隙外。永磁体39的间距45在图2中相当于两个相邻定子元件33之间的间距。

为使转子37在运动方向47上沿定子元件33运动，将至少一个或恰好一个合适的电磁线圈35激活，也即电流流经该电磁线圈35。鉴于转子37的至少一个永磁体39与由被激活的电磁线圈35形成的磁通φs的相互作用，将力沿运动方向47作用在转子上，从而转子37沿该方向移动。借助未示出的导引部，通过相邻的定子元件33的各个电磁线圈35的先后依次激活使转子37沿预设的运动轨迹49移动。

由转子37的磁体元件或永磁体39形成的磁通φm(未示出)在图2a和2b所示的实施方式中沿纵向、也即分别在一个与转子的运动方向47平行定向的平面中延伸。转子37的磁通φm由此垂直于定子元件的磁通φs，定子元件的磁通基于转子37的运动方向47横向定向。定子元件33的横向磁通φs的磁力线在此则在与运动方向47垂直的平面中延伸。换言之，定子元件的磁通φs的磁力线所在的平面的法向矢量构成用于转子37的运动轨迹49的切向矢量。

在图3a和3b中所示的根据本发明的直线电机系统31的第二实施方式与在图2a和2b中所示的第一实施方式的区别一方面在于，转子37分别具有四个而不是两个永磁体39，所述永磁体分别布置在转子37的基体41上。此外，各个永磁体39还在各个定子元件33的磁轭43的各端部处相对置。

在图3中所示的第二实施方式相对于图2所示的第一实施方式的另一区别在于，定子元件33并未分别相互连接。每个定子元件33因此在图3的第二实施方式中分别具有各自的磁轭43。由此直线电机系统31的各个定子元件33相互磁性绝缘并且由此提供模块化的单元。鉴于相邻定子元件33的磁轭43的分隔，由转子37的永磁体39形成的磁通φm相对于转子37的运动方向47基本上横向延伸。定子元件33的磁通φs在与转子38的运动方向47垂直定向的平面中延伸。

无论是直线电机系统31在图2a和2b中所示的第一实施方式还是在图3a和3b中所示的第二实施方式，定子元件33的磁轭43分别通过堆叠式层压装置51构成，也即通过扁平的导磁元件构成，所述导磁元件垂直于转子37的运动方向47相互堆叠并且例如借助粘合剂相互安设。鉴于堆叠，能够以简单的方式制造各个磁轭43，从而能够简化并且成本低廉地完成定子元件33的制造。

在图3a和3b中所示的相互分隔的定子元件33是模块化的单元，然而所述单元在图4a所示的第三实施方式中通过连接元件53相互耦连。连接元件53在此由非导磁和/或不导磁的材料制成，以便进一步避免相邻定子元件33之间的闭合磁通。连接元件53在本实施方式中相应于转子37的预定的运动轨迹49成型。

在图4a中所示的设计方式包括相同的、正方形的连接元件53。连接元件53由此连同定子元件33一起构成转子37的运动轨迹49，所述运动轨迹在此呈现直线的形状。

然而还可以实现的是，连接元件53的几何形状设计为，转子37的运动方向47或运动轨迹49具有弯曲部，如图4a和4c所示。连接元件53在该设计方式中在几何形状方面成型为，该连接元件53连同定子元件33一起构成转子37的运动轨迹49的曲线。定子元件33在此是分别相同的，从而使运动轨迹49的曲线的形状仅由连接元件53的形状构成。

定子元件33和连接元件53在图4b和4c中所示的布置的区别仅在于磁轭43或电磁线圈35相对于磁轭43的布置。在图4b中相邻的定子元件33鉴于布置在相邻定子元件之间的连接元件53的几何形状沿轴向方向相互移动。与此不同，在图4c中具有电磁线圈35的定子元件33沿径向相互布置。在这两种情况下，各个定子元件33的磁通φs分别平行于与转子37的运动方向47或转子的运动轨迹49垂直的平面延伸。然而相邻定子元件33的平面在图4b和4c的中的设计方式中并不相互平行地布置。

相邻定子元件33借助连接元件53的耦连在图5a、5b和5c中更具体地示出。如图5a所示，正方形的、笔直的连接元件53被其他具有特殊几何形状的连接元件53替代，以便形成转子37的运动轨迹49的弯曲部。在图5b的设计方式中，相邻定子元件33的电磁线圈35相对移动，并且具体而言使得电磁线圈处于u形磁轭43的不同的臂上。利用这种设计方式还在不同的轨迹曲线中实现更高的功率密度。

图5c的设计方式在两个相邻定子元件33之间的间隙中具有用于电磁线圈35的控制电子元件55，而且连接元件53也处于所述间隙中。由此可以最佳地充分利用定子元件33之间的自由空间，所述自由空间未被连接元件53填充。

在图6a、6b和6c中示出转子37的两种不同的设计方式。图6a的设计方式相当于在图2a和2b以及在图3a和3b中所示的设计方式并且当存在两个永磁体39时布置在转子37的基体41上。

然而在图6b中所示的设计方式中，永磁体39嵌合在转子37的基体41中。嵌合的永磁体39例如是alnico磁体。

通过嵌合的磁体使磁通集中在转子37内部。此外，还形成了借助嵌合的永磁体39在转子37内部构成磁分路的可能性。鉴于磁通在转子37内部的磁分路和集中，简化了转子37组合时的操作。如图6c所示，转子的载体57简单地套插在带有嵌合的永磁体39的基体41上，而不会出现鉴于所使用的永磁体39的强大吸引力而形成凹缺或损伤的风险。

附图标记清单

11电机

12直线电机系统

13、13’定子元件

15、15’电磁线圈

17转子

17’转子

19、19’永磁体

φs定子元件的磁通

31直线电机系统

33定子元件

35电磁线圈

37转子

39永磁体

41转子的基体

43磁轭

45永磁体的间距

47转子的运动方向

49转子的运动轨迹

51层压装置

53连接元件

55控制电子元件

57转子的载体