CN109660103B - 用于无铁芯直线电机的次级部件和无铁芯直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种次级部件(10)，其限定出用于直线电机(100)的初级部件(20)的磁路，并且包括：间隔构件(11)，两个形成支腿、设计成固定在间隔构件(11)上的轭板(12)，以使轭板彼此相对置地垂直于磁路延伸，并且其中两个轭板(12)设计成，在其各自内侧处容纳多个永磁体(13)，在其各自外侧处具有加强结构部(121)，加强结构部通过板厚度的、在磁路的方向上周期性的变化形成。间隔构件(11)具有多个在应用中设计用于固定次级部件的安装位置(111)，其中加强结构部(121)的局部最小部(1212)沿着磁路的方向与安装位置(111)重叠。

Description

用于无铁芯直线电机的次级部件和无铁芯直线电机

技术领域

本发明涉及用于直线电机的次级部件的设计方案，特别涉及用于无铁芯直线电机的次级部件的设计方案，以及无铁芯直线电机的设计方案。

背景技术

从US 2006/0175907 A1、US 4749921和EP 2 884 638 A1中已知了用于无铁芯直线电机(其特别是无芯直线电机)的实例。另外，申请号为EP17178938.1的欧洲专利申请描述了无铁芯直线电机方面，特别描述了无铁芯直线电机的初级部件。

直线电机例如用于物体的高精度的和必要时快速的定位，例如用于机床的机器部件。在此，直线电机的初级部件能够通过合适的接口直接与待移动的机器部件或其他物体连接。也就是说，与传统的旋转电机不同，在此通常不需要连接在直线电机和待驱动物体之间的传动装置。

对于需要特别精确定位的应用，所谓的无铁芯直线电机是特别合适的，其中设置在初级部件处的至少一个线圈不配置芯、例如铁芯。由此能够避免干扰的制动力。然而需要相应更大的线圈电流，以便即使没有磁芯也能在直线电机的初级部件处产生足够大的力。线圈例如以预先制成的单线圈的形式提供。也就是说，用于形成线圈的、例如具有绝缘层的导线不直接缠绕在芯上，而是例如在无芯情况下缠绕并且然后安装形成电机。在此，能够在集成在电机内的铁芯上进行无芯的单线圈的放置。但是，也能提出将单线圈作为电机中所谓的“空心线圈”来运行，而没有相关的芯。

尤其当直线电机要用于高精度且必要时也快速地定位物体、例如机床的机器部件时，小的重量是有利的。如上所述，在此提出的要求是，例如在无铁芯情况下不仅提供初级部件。

此外，直线电机的次级部件应该例如在重量方面进行优化。例如，这尤其适用于次级部件与初级部件一起、即整个电机连接到另一个电机的初级部件上，例如用于实现XY(轴)驱动。

然而，次级部件必须同时满足有关稳定性的要求。

在这种情况下的问题是，配备有永磁体并且形成初级部件的磁路的轭板由于永磁体的磁场而承受持续的力，这能导致磁路的弯曲以及变形。

次级部件的过度弯曲或变形可能导致初级部件接触次级部件，并且在此损坏非常敏感的磁体。必须要避免这种接触和/或损坏。

一种可行性方案是增大气隙(在变形时更大的公差)，然而这会与性能损失相关联。因此，应加强次级部件。

这方面例如由文献US 7989993 B1和US 2007/0052303 A1公开，在轭板的外侧处设有加强结构部，其抵制所述弯曲的产生。

发明内容

本发明的目的是提出一种技术方案，根据其使这种加强结构部的布置和形成能够以有利的方式与次级部件的其他部件对齐。

由此出发，当前根据本发明提出了一种用于直线电机的次级部件。

根据第一方面，次级部件限定出用于直线电机的初级部件的磁路。次级部件包括：间隔构件，两个形成支腿的轭板，轭板设计成固定在间隔构件处，以使轭板彼此相对置地垂直于磁路延伸。两个轭板设计成，在其各自的内侧处容纳多个永磁体。在轭板各自的外侧处，两个轭板各自具有加强结构部，加强结构部通过板厚度的、在磁路的方向上周期性的变化形成。间隔构件具有多个安装位置，安装位置在应用中设计用于固定次级部件，其中加强结构部的局部最小部沿着磁路的方向与安装位置重叠。

第二方面涉及一种具有根据第一方面的次级部件的无铁芯直线电机。

在下文中，将参考上述两个方面。

直线电机例如是无铁芯(即无芯)直线电机，其中初级部件的线圈在无芯情况下形成。

例如，次级部件作为具有比如U形横截面的基本造型装置存在，其基本上由间隔构件、两个轭板和永磁体构成。当然，诸如紧固件等的其他部件也能够是基本造型装置的一部分。同样，能够设置多个例如在次级部件的纵向方向上并排布置的间隔构件，并且相应设置多个轭板。

在一个设计方案中，间隔构件设计用于沿着磁路引导初级部件。

例如，间隔构件的凹槽状凹部形成磁路的基部，初级部件部分地嵌入到该凹部中。轭板形成例如U形横截面的两个支腿。轭板固定在间隔构件处并且从该处出发延伸至一定的高度，即垂直于凹槽状凹部的纵向延伸，也就是垂直于磁路方向延伸。

轭板例如由铁制成。轭板设计成在其各自的内侧处容纳永磁体。永磁体在次级部件的纵向方向上以极性交替的方式布置(“北-南-北-南-北-南......”)，其中该序列在另一个次级部件侧、即在相对置的轭板处是互补的(“南-北-南-北-南-北......”)，由此确保北极和南极始终彼此相对。永磁体例如设计为磁板并且彼此间隔很小的距离，例如1mm至3mm。磁板的沿着次级部件的纵向延展的宽度例如是大约一厘米或几厘米。

例如，间隔构件也由铁制成。

作为铁的替代物，为间隔构件和轭板考虑具有高磁导率的其他材料。

当轭板装配有永磁体并且固定在间隔构件处时，永磁体例如与间隔构件的支腿对齐，支腿例如定义出凹槽状凹部。

为了在应用中固定次级部件，例如为了固定在机器部件处，间隔构件包括多个安装位置，其例如以安装凹部的形式存在。例如，安装位置分别以具有螺纹的孔的形式构造。例如，然后借助嵌入到安装凹部中的螺钉将次级部件固定在机器部件处。在一个设计方案中提出，轭板在应用中与次级部件的固定无关。例如，用于固定的螺钉仅接触间隔构件而不接触轭板。

在轭板的外侧处相应安装有加强结构部。加强结构部能够整体地集成在相应的轭板中，其中轭板例如经受铣削过程等，或者加强结构部作为单独的元件安装在轭板处，例如粘接或以其他方式固定。因此，在一个设计方案中，较厚的板被铣削过程等结构化，并且在厚度方面局部地减小，而在另一个设计方案中，最初较薄的板具有单独制造的加强结构部。

独立于上述两个设计方案中的一个地，通过在磁路的方向上周期性地改变板厚度而形成的加强结构部设计成，使得加强结构部的局部最小部沿着磁路的方向与间隔构件的安装位置重叠。磁路例如平行于次级部件的纵向延展地延伸。

因此，安装位置沿次级部件的纵向方向以规则间距布置在间隔构件中。在纵向方向或磁路方向上，安装位置与加强结构部的局部最小部重叠。

在一个设计方案中，两个轭板中的一个的加强结构部的每个局部最小部恰好对应于一个安装位置。两个轭板的加强结构部例如彼此无错位地布置。因此能够看出，如果安装位置形成为通常的凹部，则每个安装位置也对应于两个最小部。

由于加强结构部，相应的轭板的厚度在纵向方向上是不恒定的。例如，在纵向方向上，厚度有规律地从小值变为大值，其中差值能够在2至4mm的范围内。例如在轭板的下部区域中，轭板的基部厚度为6mm。例如，对于加强结构部的每个周期部，值从小值变为大值一次，并且从大值变回为小值一次。

在一个设计方案中，加强结构部设计成，使得路段随着轭板的高度的增加而减小，每个周期部的轭板的厚度沿着该路段具有较高的值。相反，在该设计方案中，加强结构部设计成，使得在其最低水平处的路段是最小的，每个周期部的轭板的厚度沿着该路段具有小值。根据加强结构部的设计方案，该路段也能够(为此立即)几乎实施成点状的。

在加强结构部的每个周期部的轭板厚度具有较小值的路段为最小时，根据该描述的说明存在加强结构部的局部最小部。在这些位置处，由加强结构部引起的轭板加强部展现其最小效果(以避免上述弯曲)。

在加强结构部的每个周期部的轭板厚度具有较大值的路段为最小时，根据该描述的说明存在加强结构部的局部最大部。在这些位置上，由加强结构部引起的轭板加强部展现其最大效果(以避免上述弯曲)。

在纵向方向上，在次级部件的一个实施例中，两个轭板在两端处以加强结构部的相应的局部最大部终止。

例如，为加强结构部的每个周期部在次级部件的纵向方向上设置两个磁周期部。每个磁周期部在两个轭板中的每一个处由两个永磁体构成，如上所述，这两个永磁体极性交替地并排布置并且极性交替地相对布置。就加强结构部的宽度而言，加强结构部的一个周期部因此大致对应于彼此相邻布置的四个永磁体的宽度。在此，局部最大部能够布置成除了沿着和相反于纵向方向之外还分别存在两个永磁体。

加强结构部的每个周期部能够具有加强元件，加强元件的宽度沿着(由相应的轭板形成的)相应的支腿的高度减小，例如减小至少50％，和/或线性地减小。加强结构部的加强元件能够彼此无缝地合并。因此产生上述的局部最小部和局部最大部、即延伸部截面的最小部和最大部，厚度沿着延伸部截面的最小部或最大部具有较小或较大的值。

另外，在次级部件的一个设计方案中提出，每个加强元件至少在上部子区域中具有沿着相应的支腿的高度减小的厚度。因此，加强元件能够各自具有棱角部。以这种方式，次级部件的重量进一步减小。例如，棱角部沿着相应的加强元件的总高度的至少10％延伸。

在一个设计方案中，加强结构部的加强元件各自具有梯形或三角形的形状，这还将参照附图中所示的实施例更详细地解释。局部最小部、即轭板厚度具有较小值的延伸部截面最小部例如由在两个相邻的加强元件之间的过渡部形成，其中该过渡部能够是“无缝的”。

在另一个设计方案中，轭板具有紧固容纳部，该紧固容纳部设计用于在间隔构件处的固定目的。为此目的，例如紧固装置被引导穿过轭板的紧固容纳部并固定在间隔构件处。在磁路的方向上，这些紧固容纳部与加强结构部的局部最大部重叠，即与轭板厚度具有较大值的路段为最小时的部段(也能够是近似点状)重叠。以这种方式进一步实现了稳定性改进。

此外，在本发明的范围内，轭板设计成不与接合到安装位置处的紧固件接触。为此目的，轭板例如具有暴露出间隔构件的安装位置的切口。

因此，轭板固定在间隔构件上的位置与加强结构部的局部最大部重叠，并且次级部件在应用中通过间隔构件固定在例如机器部件上的位置与加强结构部的局部最小部重叠。

另外，为了进一步减轻重量，间隔构件能够具有多个保持开放的凹部。

第二方面的无铁芯直线电机例如在其机电功能方面进行设计，如DE 10 2015 222265 A1和EP 2 884 638 A1中的描述。

附图说明

参考附图，本发明的另外的细节和优点在实施例的以下描述中变得清楚。

在图中：

图1A-1B分别示例性和示意性地示出了根据一个或多个实施方案的次级部件的立体图的一部分；

图2示例性和示意性地示出了根据一个或多个实施方案的次级部件的立体示意图的一部分；

图3A-3C示例性和示意性地示出了根据一个或多个实施方案的轭板的平面图、立体图和截面图的相应部分；

图4A-4B示例性和示意性地示出了根据一个或多个实施方案的次级部件的平面图和截面图的相应部分；

图5示例性和示意性地示出了根据一个或多个实施方案的间隔构件的立体图的一部分；以及

图6示例性和示意性地示出了根据一个或多个实施方案的直线电机的立体图的一部分。

具体实施方式

图1A和1B分别示例性和示意性地示出了次级部件10的立体图。次级部件10限定出用于直线电机的初级部件的磁路。示例性的初级部件在图6中被示意性地示出并且在那里由附图标记20标识。磁路沿着图6中所示的双箭头表示的方向延伸，并且因此沿纵向方向延伸到次级部件10。

直线电机100例如设计为无铁芯直线电机，其中初级部件20的线圈不具有芯。初级部件20能够以欧洲专利申请EP17178938.1中描述的方式构造。初级部件20的线圈经由电源装置21加载电流。通过电缆线22来读取一个或多个测量信号，比如温度，例如在初级部件20的一个线圈处的温度。

直线电机100的次级部件10例如根据图1A-图5的实施例之一设计。

次级部件10由此包括间隔构件11。在一个设计方案中，间隔构件11设计用于沿着磁路引导初级部件20。

例如，在间隔构件11中设置凹槽状凹部115，初级部件20部分地嵌入该凹部中，如图6所示。

间隔构件11还具有多个安装位置111，安装位置在应用中设计用于固定次级部件。关于也在图2、图4A-图6中示出的安装位置111，次级部件10例如固定在机器部件处。安装位置111例如设计为在其中插入(这里未示出的)紧固螺栓的螺纹孔。

在次级部件10的每个侧101和102上设置至少一个轭板12。轭板12通过彼此相对置地垂直于磁路延伸的方式形成支腿。以这种方式形成具有U形横截面的基本造型。

例如，轭板12具有紧固容纳部123，紧固容纳部设计用于在间隔构件11处的、容纳紧固装置19的固定目的。紧固装置19例如形成为螺栓，其穿过紧固容纳部123引导并且啮合在间隔构件11的螺纹112中。

在此，轭板12进一步设计成不与接合到间隔构件11的安装位置111处的紧固件接触。为此目的，轭板12例如具有切口122，切口暴露出间隔构件11的安装位置111。安装位置111和啮合到其中的紧固装置并不强制性地帮助稳定次级部件10。因此，次级部件10在应用中如下地安装，即将必要的紧固装置连接到间隔构件的安装位置111处，而不接触轭板12。切口122有助于减轻重量。

在内侧处，两个轭板12具有多个永磁体13。永磁体13在次级部件10的纵向方向上以极性交替的方式布置(“北-南-北-南-北-南......”)，其中该顺序在另一个次级部件侧、即在相对置的轭板处是互补的(“南-北-南-北-南-北......”)，由此确保北极和南极始终相对。永磁体13例如设计为磁板并且彼此以很小的距离、例如1mm至3mm的间距间隔布置。

如在图4B的横截面图中示意性地示出的那样，永磁体13与间隔构件11的支腿对齐，支腿形成用于引导初级部件20的凹槽状凹部115。

在外侧处，两个轭板12各自具有加强结构部121。加强结构部121用于抵消由于磁力引起的弯曲或变形。

在每一侧，加强结构部121通过板厚度的、在磁路的方向上(即在次级部件10的纵向方向上)周期性的变化形成。加强结构部121在初级部件10的两侧101、102处能够彼此相同地构造并且也能够彼此对齐，即在纵向方向上彼此不偏移。下面总是提到“加强结构部121”，其表示在两侧101、102处的加强结构部121。

加强结构部121具有多个局部最大部1211和局部最小部1212。在加强结构部121的每个周期部的轭板12的厚度具有较小值的路段为最小时，根据该描述的说明存在加强结构部121的局部最小部1212。在位置1212处，由加强结构部121引起的轭板加强部因此展现其最小效果(以避免上述弯曲)。

在加强结构部121的每个周期部的轭板12的厚度具有较大值的路段为最小时，根据该描述的说明存在加强结构部121的局部最大部1211。在这些位置上，由加强结构部121引起的轭板加强部因此展现其最大效果。

在图1A-图5所示的实施例中，提供了四个局部最大部1211、以及位于其间的三个局部最小部1212。

在所示的实施例中，加强结构部121由多个相邻连接的加强元件1215形成。为加强结构部121的每个周期部设置一个加强元件1215。每个加强元件1215的宽度沿着相应的支腿的高度减小，例如减小至少50％。因此，对于三角形加强元件，宽度减小为约100％。加强元件例如被设定尺寸，以便沿高度以线性方式进行宽度减小。通过宽度减小产生局部最小部1212(即在那里两个加强元件1215彼此相邻)和局部最大部1211，局部最大部例如位于各个周期部中间。

对于加强结构部121的每个周期部，例如在次级部件10的纵向方向上设置恰好两个磁周期部。在该实施例中，每个加强元件1215的宽度对应于四个纵向并置的永磁体13的宽度。

根据以上作为示例给出的尺寸，磁周期部具有例如几厘米的长度，例如32mm。例如，永磁体13的宽度约为14mm，并且在16mm的范围中排列，即在各个永磁体13之间的距离(“间隙”)为2mm。因此，在该示例中的磁周期部为32mm长。

在所示的实施例中，每个加强元件1215是梯形的。在另一个实施例中，加强元件1215构造为三角形。其他形式也是可行的，例如正弦曲线等。然而，就制造技术而言，如图中所示的直线式延伸的加强元件1215能够是有利的。

例如，加强结构部121被铣削到轭板12中。在另一个实施方案中，加强结构部121被单独制造并且然后固定到轭板12处。

在此，进一步提出在加强结构部121与安装位置111以及紧固容纳部123之间的确定的指向。

例如，为加强结构部121的每个周期部设置恰好一个安装位置111和恰好一个紧固容纳部。

加强结构部121设置在轭板12上，以使局部最小部1212沿着磁路的方向与安装位置111重叠。因此，每个安装位置111恰好对应于一个轭板12的加强结构部121的一个局部最小部1212。安装位置111也能够设计为通常的凹部，例如为通常的螺纹孔，以使每个安装位置111对应于轭板12的两个加强结构部121的两个相对置的局部最小部1212。

在所示的实施例中，加强结构部121还设置用于，使得轭板12在其纵向方向上的两个端部处分别以局部最大部1211终止。因此，到端部的两个最接近的安装位置111位于加强结构部121的远离端部的半个周期部，恰如以下两个最小部1211那样。

安装位置111位于与加强结构部121的整个周期部对应的范围中的布置还具有以下优点，即该布置允许在对应于该范围的应用中安装次级部件10。尤其在顺序布置多个次级部件以形成用于初级部件20的较长磁路的情况下，这能是有利的。顺序布置的次级部件10例如沿着直线“无缝地”连接在一起，以使在应用中用于顺序布置的次级部件10的安装位置111的全部连接位置(即对应位置)能够以所述的范围尺寸(并且特别地独立于顺序布置的次级部件10之间的过渡部的位置)提供。

另外，在所示的实施例中，加强结构部121布置成使得局部最大部1211在纵向方向上与紧固容纳部123重叠。如上所述，通过紧固容纳部123实现轭板12在间隔构件11处的固定。在一方面的局部最大部1211与另一方面的紧固容纳部123之间的重叠具有以下优点：轭板12在存在轭板12的最大刚度的位置处利用间隔构件11固定。在一个实施例中，在次级部件10的两个端部处，不形成或仅部分地形成在局部最大部1211与紧固容纳部123之间的相应重叠，两个(或四个)紧固容纳部123在那里例如由于空间尺寸要求而略微朝次级部件10的中心方向偏移。

参考其余附图阐述次级部件10的其他可选的特性。在一个实施方案中，间隔构件11为了进一步减轻重量而具有多个通常的、例如圆柱形的凹部113，如在图2和图5中示意性所示。例如，没有紧固件或类似物插入到该通常的凹部113中；相反，凹部是保持开放的。如下地选择通常的凹部113的数量和相应的直径，即使得与通常的凹部113相关的重量减轻不损害次级部件10的稳定性。

如图3B、图3C和图4B所示，例如在一些实施例中提出，每个加强元件1115至少在上部子区域中具有沿着相应的支腿的高度减小的厚度。以这种方式进一步实现重量减轻。厚度的相应减小例如由棱角部实现，该棱角部安装在相关的加强元件1215的上部子区域中，例如安装在线条1216处，该线条位于加强元件1215的上方的三分之一部分中。棱角部延续到加强元件1215的结束处为止，例如在结束处使厚度持续过渡到轭板12的基板厚度中，例如图3C和图4B所示。

在一个实施方案中，轭板12还具有例如圆柱形的另外的凹部129，另外的凹部在组装期间能够用于将次级部件10的两侧101、102对准设置到间隔构件11上。例如，(未在图中示出的)定位销为此引导穿过凹部129并保持在那里，直到实现了轭板经由部件19和123的连接。此后，将固定销选择性地移除或保留在凹部129中。

Claims (14)

1.一种次级部件(10)，所述次级部件限定出用于直线电机(100)的初级部件(20)的磁路，并且所述次级部件包括：

间隔构件(11)，

两个形成支腿的轭板(12)，所述轭板设计成固定在所述间隔构件(11)处，以使所述轭板彼此相对置地垂直于所述磁路延伸，并且其中两个所述轭板(12)设计成，

在所述轭板各自的内侧处容纳多个永磁体(13)，

在所述轭板各自的外侧处具有加强结构部(121)，所述加强结构部通过板厚度的、在所述磁路的方向上周期性的变化形成；

其特征在于，

所述间隔构件(11)具有多个安装位置(111)，所述安装位置在应用中设计用于固定所述次级部件，其中所述加强结构部(121)的局部最小部(1212)沿着所述磁路的方向与所述安装位置(111)重叠，在所述局部最小部的位置处由所述加强结构部引起的轭板加强部展现最小效果，所述加强结构部(121)的每个周期部具有加强元件(1215)，所述加强元件的宽度沿着相应的所述支腿的高度减小。

2.根据权利要求1所述的次级部件(10)，其中，所述轭板(12)在纵向方向上在两端处以所述加强结构部的相应的局部最大部(1211)终止，在所述局部最大部的位置处由所述加强结构部引起的轭板加强部展现最大效果。

3.根据权利要求1或2所述的次级部件(10)，其中，为所述加强结构部(121)的每个周期部在所述次级部件(10)的纵向方向上设置两个磁周期部。

4.根据权利要求3所述的次级部件(10)，其中，一个磁周期部在两个所述轭板(12)中的每一个处由两个永磁体(13)构成，所述永磁体极性交替地并排布置并且极性交替地相对布置。

5.根据权利要求1或2所述的次级部件(10)，其中，所述宽度减小至少50％，和/或其中所述宽度线性地减小。

6.根据权利要求1或2所述的次级部件(10)，其中，每个加强元件(1215)至少在上部子区域中具有沿着相应的所述支腿的高度减小的厚度。

7.根据权利要求6所述的次级部件(10)，其中，所述厚度的相应减小由沿着相应的所述加强元件(1215)的总高度的至少10％延伸的棱角部(1216)实现。

8.根据权利要求5所述的次级部件(10)，其中，每个加强元件(1215)具有梯形或三角形的形状。

9.根据权利要求5所述的次级部件(10)，其中，所述加强结构部(121)的局部最小部由在两个相邻的加强元件(1215)之间的过渡部形成。

10.根据权利要求2所述的次级部件(10)，其中，所述轭板(12)具有紧固容纳部(123)，所述紧固容纳部设计用于在所述间隔构件(11)处的、容纳紧固装置(19)的固定目的，其中所述加强结构部(121)的局部最大部(1211)在所述磁路的方向上与所述紧固容纳部(123)重叠。

11.根据权利要求1或2所述的次级部件(10)，其中，所述轭板(12)设计成不与接合到所述安装位置(111)处的紧固件接触。

12.根据权利要求1或2所述的次级部件(10)，其中，所述轭板(12)具有切口(122)，所述切口暴露出所述间隔构件(11)的所述安装位置(111)。

13.根据权利要求1或2所述的次级部件(10)，其中，为减轻重量，所述间隔构件(11)具有多个保持开放的凹部(113)。

14.一种无铁芯直线电机(100)，其中，所述无铁芯直线电机(100)具有根据权利要求1至13中任一项所述的次级部件(10)。

Images