电动机的制作方法

本发明涉及一种电动机，所述电动机具有磁道和线圈布置系统，所述磁道具有多个沿纵向排列的磁元件，特别是按海尔贝克阵列配置排列的磁元件，所述线圈布置系统包围相对于定子-磁道基本上不导电且不导磁的载体，所述载体构造成，使得所述线圈布置系统能够相对于定子-磁道进行受引导的运动，并且所述线圈布置系统包围至少一个由三个导电的扁平线圈组成的组。

背景技术：

数十年以来，直线驱动装置就在各种不同的工业应用中获得不断增长的重要性。因此，这种直线驱动装置是众多开发工作的主题，其中，很大一部分开发工作的目的在于，在确保高性能的同时实现尽可能高效并由此经济的制造。

直线电机通常包括多个线圈或线圈组和多个以其n极和s极交替地沿磁道设置的磁体，这些线圈或线圈组彼此相邻地设置。通过由电流逐步地激励所述线圈实现了，使得线圈布置系统可以相对于磁体布置系统运动，即沿磁道运动。

所提及的线圈通常由缠绕的金属线构成，而近几年来为了实现较为简单的制造而希望所作出的努力获得了所谓扁平线圈的形式。这种开发工作的背景特别是对较小的直至微型化的直线电机的需求，在这种直线电机中，随着尺寸的减小，用传统方式制造线圈变得越来越不经济并且最终可能构成使用直线驱动装置的限制因素。

具有这种新式结构的直线电机例如记载在us6,664,664b2中。这里，在一个伸长的、不导电的载体上并排设置多个扁平线圈，这些扁平线圈连接在多相电源的不同相上。这个文件还教导了每个扁平线圈的多层构造，这种多层构造通过在多层电路板的多个导体层中相叠设置基本上相同的导体分布路线来形成。这种扁平线圈的几何构型是矩形的构型，并且分别在所述矩形结构之外设置接线区，所述接线区包括穿过所述多层电路板的镀通孔。

多层的扁平线圈布置结构还由申请人的wo2017/080859a1已知，并且已知是平面定位装置或定位台的组成部分。这里，为了在技术上实现也采用了多层电路板，其中，多个配套的扁平线圈在其路线的大部分上设计成多层电路板的第一导体层面的导体线路并且这些扁平线圈的交叉区域基本上在多层电路板的第二导体层面中延伸。

技术实现要素：

本发明的目的在于，给出一种改进的电动机，所述电动机的突出之处主要在于，在具有紧凑的尺寸的同时，具有提高的效率，并且所述电动机能高效且经济地制造。

所述目的通过具有权利要求1的特征的电动机来实现。本发明构思适宜的改进方案是从属权利要求的主题。

本发明包括这样的构思，为了最佳地利用不导电的载体上的第一和第二导体层面的可供使用的导体面积，将多个(在实践中具体为三个)扁平线圈嵌套/交错(verschachtelt)设置，在这些扁平线圈中分别有一个扁平线圈连接在多相电源(具体而言是交流电网)的各个相上。这必然会使得，所述多个扁平线圈的确定的导体部段相互重叠或交叉。考虑到两个可供使用的导体层面，在几何上这样确定所述嵌套设置，使得在每个点处，所述三个扁平线圈中的最多两个扁平线圈的导体线路彼此相叠。在下面称为交叉区域的这些区域中，两个扁平线圈中的一个扁平线圈的导体线路仅在两个导体层面中的一个导体层面中形成，而另一个扁平线圈的(交叉或重叠的)导体线路在两个导体层面中的另一个导体层面中延伸。相反，在相互嵌套的扁平线圈的两个线圈的导体线路不发生交叉的所有部段中，两个导体层面用于三个扁平线圈中的一个扁平线圈的相叠的导体线路。

在多相供电线路图内部配套的扁平线圈的相互嵌套的设计(不是并排排列)以及利用绝缘的中间层上方和下方的两个导体层面的大的区域以构成各一个所述扁平线圈的导体线路使得，一方面明显更好地利用可供使用的导体面积，并且所述设计方案此外还提供了扁平线圈组作为整体以及由此必要时还有直线电机总体上明显更为紧凑的构成方案。

此外，相互嵌套地设置线圈使得沿载体纵向的力常数(kraftkonstant)更为均匀，并且这样的设置使得可以使用更好的磁体布置系统，这种磁体布置系统可以在没有磁回路(rückschluss)的情况下工作并且由此可以设计得更轻和更紧凑，特别是可以使用所述的海尔贝克布置形式。

在本发明的一个实施形式中，带有排列的磁元件的磁道和线圈布置系统的扁平线圈的尺寸相互协调地设计成，使得扁平线圈的交叉区域至少大部分都位于磁元件在线圈布置系统上的投影之外。由于线圈感应产生的磁场在交叉区域中的不均匀性由此保持基本上处于与磁体相互作用的区域之外，由此基本上避免了出现对力常数的干扰。

在一个实用上重要的实施形式中，磁道配设给直线电机的定子，而线圈布置系统配设给直线电机的动子，并且所述定子基本上具有伸长的u形型材的造型，而所述动子与u形型材的造型相适配地设计成板形或带形的，使得所述动子能在内部沿所述u形型材运动。这是直线电机常见的实施形式；但要指出的是，磁体和线圈布置系统与定子和动子的对应关系也可以是相反的。但不是绝对必要的是，定子具有u形型材的造型，而动子具有板形或带形形状。相反，也可以采用其他的几何配置，例如带有t形型材或工字形型材的几何配置。在共同形成磁道并在其间容纳作为动子的线圈布置系统的两个磁体布置系统之间精确地保持必要的间距也可以通过端侧的间距保持件来确保。这种定子在纵向横截面中具有伸长的矩形的形状，两个磁体布置系统设置在所述矩形的长边上。

在本发明的另一个实施形式中，所述线圈布置系统包括两个或三个分别由三个扁平线圈构成的组，所述扁平线圈分别与三相电源的一相连接，并且(特别是作为动子的)线圈布置系统和(特别是作为定子的)磁道的尺寸设计与具体的使用目的以及与其边界条件和参数、特别是所需的位移长度、要通过电机施加的力、可供使用的结构空间等相适配地进行。

在一个技术上以及由此在经济上特别有利的实现方案中，所述载体构造成多层电路板。多层电路板的恰好每两个相邻的导体层面(“第一”和“第二”导体层面)是结构化的，用以形成三个配套的重叠的扁平线圈。使多层电路板结构化的工艺以及用于通过镀通孔(导通孔(vias))利用将导通孔选择性地连接在各个导体层面中的相应导体线路上来建立不同的导体层面之间的连接的技术是现有的、可靠的且经济的技术，这些技术可以毫无问题地用于制造根据本发明的线圈布置系统。也存在相关的设计方法可供使用。

作为重要的优点可以举出以下各项：

-通过适当的软件接口并且由于设计元素的可多次使用性和组件的高度可重复性使得新电机结构尺寸的开发时间最小化，

-制造简单，

-供货时间短，

-制造耗费低并且特别是在件数大时成本降低明显。

具体的磁体布置系统与本发明相关联的可能的使用(特别是在伸长的定子中的使用)主要带来以下另外的优点：

-相对于线圈组使得能够实现单侧的磁体布置，这又使得能够实现特别扁平的结构形式。

-由于可能省去磁回路，可以由轻质的、不导磁的材料制造磁载体。

-可以降低杂散磁场。

-与传统的具有交替的n/s极定向的磁体布置系统相比，能够实现更高的磁场强度。

在上一个实施形式的一个设计方案中，载体设计成具有2m个导体层面(m>2)的多层电路板，在所述多层电路板中，一组的三个配套的重叠的扁平线圈中的每个扁平线圈包括2至m个串联的基本上相同的导体线路，其中串联的导体线路之间的连接通过穿过所述多层电路板的竖直的镀通孔构成。

在本发明的另一个实施形式中，每个扁平线圈都具有小的接线及镀通区域，所述接线及镀通区域直接设置在相应扁平线圈的外侧上。在所述接线及镀通区域中不仅设置外部的接头，而且还设置用于连接相叠设置的、串联的导体线路以及用于扁平线圈的外部连接的镀通孔。要指出的是，扁平线圈的外边缘上的所述接线及镀通区域通常不是包括全部镀通孔，而是仅包括所有镀通孔的一部分。根据本发明上面提及的特征，在交叉区域上设置其他镀通孔是必要的。在一个设计方案中，小的接线区分别靠近基本上矩形的扁平线圈构型的角部定位，并且所述接线区域包括钩形的导体段。

在本发明的另一个实施形式中，通过多层电路板的每两个导体面的结构形成的配套的扁平线圈基本上构造成矩形的并且嵌套或重叠设置，使得矩形导体构型的长边分别相互平行地在第一和第二导体层面中延伸并且在三个扁平线圈中的一个扁平线圈的矩形结构的内部分别设置另外两个扁平线圈的各一个长边的导体分布路线的大部分。

与此相关联的是这样一个方面，即，三个扁平线圈的全部导体在矩形导体构型的长边上分别具有彼此间相同的间距，并且在配套的三个扁平线圈的内部不存在间距较大的区域。在另一个设计方案中，相邻的导体线路之间的间距小于其宽度，特别是小于其宽度的一半。

特别是利用前面所述的各个方面，实现了上面提及的、通过配设给各个丝线的扁平线圈的嵌套的或重叠的设置实现的对线圈布置系统的载体上或中的导体面积的高效利用。与在前面提及的现有技术中不同，在配套的线圈组的内部实际上没有剩下扁平线圈的导体线路在物理上没有有效利用的导体面积。

一个用于实现根据本发明的嵌套或重叠结构的几何上合理的配置方案设定，在扁平线圈的基本上矩形的导体分布路线中，所述矩形的(实际的)角部分别通过相对于短边和长边倾斜延伸的导体段替代。在设计中，这特别是这样构成的，使得三个配套的重叠的扁平线圈的倾斜延伸的导体段相互邻接并相互嵌套地在第一和第二导体层面中延伸，并且朝相应矩形的中心逐渐变短。

在本发明的另一个设计方案中，导体分布路线的至少一部分至少在交叉区域的一部分中加宽。由于通过加宽减小的电流负载，导体线路的加宽部段用作相应扁平线圈的散热部。由此可以吸收导体线路其他部段中的温度升高，所述其他部段由于设计上的限制不能加宽地构成并且因此由于电流负载升高会发生较大的升温。

附图说明

本发明其他的优点和合理性由下面参考附图对实施例或实施方面的说明得出。其中：

图1示出根据本发明的类型的直线电机的示意性透视图；

图2a至2c示出根据本发明的类型的另一个直线电机的示意性透视图；

图3示出在图1或2中所示类型的直线电机的磁道中的磁极定向的示意图；

示出三个配套的扁平线圈组成的扁平线圈组的导体分布路线的图示，所述扁平线圈根据本发明相互嵌套或重叠地设置在载体中或载体上；

图5示出载体的第一和第二导体层面中的相关导体线路的图示；

图6示出具有三个相互嵌套或相互重叠的扁平线圈的线圈组的图示；

图7示出图6中所示结构的多个在载体上排列的并且在多个载体层中实现的扁平线圈的示意图；

图8示出多层电路板的示意图，在所述多层电路板中实现根据图7的线圈布置系统；

图9示出图7中的线圈布置系统的与如图1或2所示的直线电机的磁道相配设的示意图；以及

图10示出根据本发明的类型的另一个直线电机的示意性透视图。

具体实施方式

图1示意性示出直线电机1的主要部件，即，由紧密排列的杆状永磁体31组成的伸长的带状布置系统3和板状的线圈布置系统5，所述线圈布置系统包括扁平线圈51的沿与永磁体相同的方向排列的布置系统。在正常情况下，磁体布置系统3连同相配的支承结构构成直线电机的定子，而线圈布置系统5构成直线电机的动子。如已经由这个示意图能看出的那样，定子/动子的功能也在运动学上可以是反转的，因此，下面以及在权利要求中，磁体布置系统也称为“磁道”，而扁平线圈排列的布置系统也称为“线圈布置系统”。通过顺序地激励连接在多相电源的不同相上的扁平线圈(见下面)和顺序建立相应的磁场，使得动子沿定子运动。

图2a至2c示出直线电机改动的实施形式，这些实施形式在其余结构相同的情况下包括由两个相互叠置的带状磁体布置系统3a'和3b'组成的磁道3'。图2b示出一种结构上的实施形式，在该实施形式中，磁体布置系统3a'和3b'固定在磁体载体33a”或33b”上，并且所述磁体载体通过不含铁的u形型材部件35”连接成直线电机1”的定子3”。u形型材部件35”保持磁体排3a'和3b'处于恒定的间距并且确保沿定子3”的纵向对线圈布置系统(动子)5的相对运动提供精确的直线引导。图2c示出直线电机的另一种配置，其中，前面提及的功能这样来实现，即，使用两个伸长的并且在纵向剖视图中为u形的磁体载体33a”和33b”，所述磁体载体以其相互朝向的敞开的侧面放置在彼此之上并且由此形成直线电机1”'的在纵向剖视图中为矩形的定子3”'。

图3用图1中的磁道3的正视图示意性示出各个永磁体31的极性的示例性排列顺序。这里涉及一种所谓的海尔贝克配置，在这种海尔贝克配置中，相邻的永磁体的磁化方向分别相对于彼此沿磁道纵轴线的方向偏转90度，并且在这种海尔贝克配置中，由于所述磁道，磁通量在磁道的一侧(在直线电机中设置线圈布置系统的位置)增强，但在另一侧降低到接近为零。这种特殊的磁道配置可以在没有铁回路装置的情况下工作并且有利地与下面描述的类型的线圈布置系统组成高效的且构成紧凑的直线电机。

图4示出三个扁平线圈51、53和55的导体分布路线，这些扁平线圈一起形成根据本发明的直线电机的线圈布置系统的线圈组，其方式是，在这些扁平线圈中每个扁平线圈分别连接在三相交流电网(交流电网)的三相的一相上。为了区分各个线圈的导体线路，在下面的图示中，在线圈51中，导体线路用虚线示出，在线圈53中，导体线路用实线示出，而在线圈55中，导体线路用点划线示出。分别用开口的圆形标注接线点或扭转点，其功能和实际的实现方式下面将详细说明。扁平线圈的导体线路分别作为设有导电层的、电和磁绝缘的载体的一个或两个导体层面中的线路实现，这同样在下面详细说明。

如在图中可以看到的那样，所有三个扁平线圈51、53、55的导体分布路线的基本形状大致是矩形的，这里，矩形的各原本的角部被取消，并通过相对于两个相邻的边缘倾斜的导体段“跨接”所述角部。在每个扁平线圈中，靠近矩形的一个角部设有外部的、小的接线区域51a、53a、55a。

根据本发明的一个方面，利用载体的两个导体层面形成三个扁平线圈51、53、55中的每个扁平线圈，使得所有三个扁平线圈相互嵌套或相互重叠地定位，并且在每个扁平线圈的相应导体分布路线的主要部分中，导体线路仍存在于两个导体层中，由此可以高效地利用两个导体层。

对比观察图5和6对此可以如下理解：图5示出每个扁平线圈51、53、55的分别位于一个(未示出的)载体的第一和第二导体层面中的导体线路，图6用一种俯视图示出，这三个线圈如何相互嵌套。

所述嵌套或重叠由此实现了，在所述三个扁平线圈中的每个扁平线圈的导体分布路线的部分区段中(下面称为“交叉区域”)只利用了两个可供使用的导体层面中的一个导体层面，而所述三个线圈中的另一个线圈交叉的导体线路在第二导体层面中延伸。所述导体分布路线设计成，三个线圈中最多两个线圈发生交叉，但所有三个线圈在任何位置都不发生交叉。由此，尽管存在三个线圈，但利用两个导体层面即可。图5示出扁平线圈51在第一或第二导体层面中的相应导体线路51.1、51.2，第二扁平线圈在第一或第二导体层面中的导体线路53.1或53.2，以及第三扁平线圈在第一或第二导体层面中的导体线路55.1或55.2。

这里还示意性示出，在仅在两个导体层面中的一个导体层面中实现的导体部段的一部分中设有加宽部；见部段51b；53b、53c和53d，以及55b和55c。由此，各导体线路的比电流负载以及由此还有导体线路中的电阻升温降低，并且加宽的导体线路甚至可以用作用于相应扁平线圈的散热结构。

在扁平线圈实际的在多层电路板的两个(或更多)导体层面中的实现方案中，第一和第二导体层面(以及必要时其他导体层面)中的导体分布路线之间的过渡部通过竖直的镀通孔(所谓的“导通孔(vias)”)来实现，就是说通过这样的孔来实现，所述孔填充成导电的或者其壁部覆盖成导电的并且要与相应另外的平面(或者多个另外的平面；见下面的说明)连接的导体线路引向所述孔。在多层电路板中实现镀通孔的技术也是本领域技术人员已知的，为了形成导体线路而对这种电路板的导体层进行的结构化同样是本领域技术人员已知的，从而这里可以省去相应的说明。

图7示意性示出在图6中示出的结构的各六个并排排列的线圈组50的排列或堆叠布置形式，利用所述排列和堆叠结构总体上可以根据图1或2的线圈布置系统或动子5的实施形式。这里示例性地示出多层电路板的四个(分别在两侧设有导电涂层的)的载体层，其中，在每个载体层中实现一个组合式的导体分布路线，如在图5中示出的导体分布路线。此外，所述四个层以这样的方式通过镀通孔相互连接，使得相应导体线路变为四倍。要注意到的是，载体层的数量这里仅是示例性的；在实践中可以使用具有多达20个(或更多)导体层面的多层电路板。

图8用线圈布置系统的示意性纵向剖视图示出，由于每个线圈组相互嵌套的线圈和各个导体组紧密排列成具有紧密相互邻接的导体线路的总线圈布置系统，每个导体层面都得到利用。实际上，不存在各个导体层没有被用于扁平线圈的导体线路的较大区域，从而利用所提出的配置可以实现直线电机的紧密排列的并且能以高电流强度运行的线圈布置系统。

参考用一种俯视图连同磁道3一起示出图7中的多层线圈布置系统5的图9，要指出的是，磁道优选明显比线圈布置系统更窄。所述磁道的宽度特别是这样设计尺寸，使得所述磁道仅覆盖线圈布置系统的扁平线圈的直线地相互平行延伸的导体段，但不会覆盖相对于磁道倾斜或平行延伸的部段和交叉部段。选择这种配置有利于使力传递流均匀化并且避免在线圈布置系统的作用于磁道的磁场中出现干扰性的不均匀性。

图10用示意性的透视图作为可以使用本发明的电机的另一个实施形式示出旋转的驱动装置101。所述驱动装置包括圆环形的定子103和同样环形闭合的动子5，所述定子由以对应的环形相互排列的基本上杆状的永磁体131组成，所述动子具有上面描述类型的线圈布置系统。如在上面说明的实施形式中已经提及的那样，定子/动子的配合关系在运动学上也可以是相反的。定子和动子不是必须是圆形的，所述定子和动子也不是必须是环形闭合的，而是也可以具有圆弧段的形式。

在图1至2c示出的直线电机与在图10中示出的旋转驱动装置之间，在本发明的范围还可以实现“中间等级”，就是说，是具有任意弧形弯曲的、本身不是闭合的定子和动子的电机。可以看到，在非直线的布置形式中，相应磁体布置系统的磁元件以及相应线圈布置系统的线圈可以具有与上述杆状或矩形不同的造型。在磁元件中，通常存在朝一个端部的变窄结构，并且线圈基本上变成梯形的，或者在具有根据本发明的结构的基本上矩形的线圈之间，向线圈布置系统中插入梯形或三角形的线圈。对于这种线圈的设计方案，上面对本发明各个方面的说明和各方面实际的实现方案，基本上类似地适用。

对于其余的情况，本发明的实施并仅限于在附图中示出并在上面描述的示例性实施形式，对各个配置和特征进行多种改动和组合，这些改动和组合也处于后附权利要求的保护范围中。