CN117242683A - 线性驱动器 - Google Patents

Abstract

在根据本发明的线性驱动器(1)中，该线性驱动器具有初级部分(5)和磁性主动连接至初级部分的次级部分(3)，初级部分(5)形成为反作用轨道(5)，并且次级部分(3)包括多个磁体(4)。次级部分(3)具有至少一个第一磁性轮(3a)，其中，所述多个磁体(4)布置在该第一磁性轮(3a)中，其中，反作用轨道(5)磁性主动连接至所述多个磁体(4)，并且其中，次级部分(3)机械连接至旋转驱动器(2)。

Description

线性驱动器

技术领域

本发明属于用于陆地运输或铁路车辆的轨道导向式装置的电驱动器的技术领域；本发明主要涉及根据权利要求1的前序部分的用于车辆沿着路线的一部段进行操作的线性驱动器。

背景技术

线性驱动器或线性马达是电驱动机器，与已知的旋转机器相比，在电驱动机器中，被驱动的物体不会在旋转运动中移位，而是沿着直线路径或弯曲路径平移。因此，在线性驱动器中，我们不谈论旋转运动，而是平移运动。

这样的线性驱动器的已知应用已经在过山车中存在了几十年；通常，在这种情况下，过山车列车通过由钢管制成的轨道样式上的电磁线性驱动器而以两分钟的间隔弹射，其中，这种成吨重的过山车列车使用成对安装的大约100个线性感应马达——也已知为LIM——在大约50米长的弹射路线上获得该过山车列车的初始能量。因此，这种LIM过去和现在都是非接触式加速系统的必然的进一步发展，其目的是广泛减少机械维护。此外，LIM还在比方说例如在超市中的门系统的机械驱动器中使用，或者用于机场处的乘客传送带和行李带。

其他电磁功能原理也对过山车有利，并且在这种情况下，线性感应马达实际上被线性同步马达——也已知为LSM——代替，该LSM的效率相对高于LIM。在这种情况下，过山车的领先供应商通常采用高突破性的LSM加速轨道，这些LSM加速轨道达到每小时180千米左右的峰值速度。

线性感应马达的工作原理是从交流马达承继而来的。在线性感应马达中唯一的并且也是最明显的区别是产生了平移运动而不是旋转运动。在交流马达中以圆形样式布置的定子线圈此处放置在平面线性路径上。在交流马达中旋转的“转子”在线性同步马达中在直线路径上移动。如果电流通过铜线传导，则围绕铜线产生磁场。该磁场的磁场强度取决于施加的电流。为了使产生的磁场最大化并控制该磁场在几何方面的传播方向，铜线围绕长形的铁芯——铁氧体芯——缠绕，其中，显然也可以设想无铁的实施方式。产生下述线圈：该线圈在施加电流时具有与永磁体相同的特性。在铁氧体芯的相应端部上，产生了北极和南极。在线性马达中，一排中的许多这样的线圈串联连接。在此处，沿着轨道，具有三相线圈的马达模块——定子——布置在整个加速部段或弹射部段上，这些马达模块被分组成具有20毫米宽的线性气隙。因此，该马达具有约为一米的长度。在列车上定位有铜或铝轨道作为反作用轨道、即所谓的转子，该反作用轨道通过LIM马达非接触地拉动通过间隙。因此，驱动器的操作原理遵循感应定律。施加的交流电压在线性马达的线圈中产生极性在北极与南极之间不断变化的不稳定磁场。不稳定磁场沿着弹射路线移动，该不稳定磁场的前进速度由施加的电流频率决定。施加在定子中的不稳定磁场在“转子介质”中感应出电压，这使反作用轨道中的自由电子运动。该电子流又产生磁场。两个磁场相互作用，异极吸引且同极排斥。通过两个磁场的相互作用，出现了在不稳定磁场的方向上的力分量，该力分量使过山车列车运动。平移驱动力主要取决于列车与不稳定磁场之间的相对速度Δv。如果列车和不稳定磁场速度相同，则不会产生反向磁场并且加速度等于零。

在加速阶段期间，列车的速度以及因此转子的速度总是小于驱动定子磁场的速度。因此，转子中产生的磁场在反作用轨道上移动，并且甚至通过相邻的反作用轨道从一辆车跳跃至另一辆车。如果定子磁场的速度与列车的速度相等，则转子中将不会感应出电压，并且驱动列车的力不再保持。如果列车的速度甚至大于定子磁场的速度，则力的方向就会旋转，并且列车会制动。已知这种相互关系是由物理感应定律引起的。

文献EP 3 107 195A1公开了一种已知的线性驱动器；该线性驱动器涉及用于在路线上的加速部段内加速车辆的线性马达驱动系统。该线性马达驱动系统包括定子，该定子具有沿着路线布置的至少两个定子元件，其中，定子元件组合成定子组。此外，线性马达驱动系统包括紧固至车辆的转子。因此，每个定子组通过其自身的能量转换器永久地连接至能量源，该能量转换器可以被单独地致动。定子组中的至少两个定子组布置成使得转子可以同时与这两个定子组相互作用。在该案中呈现的线性马达驱动系统适于在娱乐设施比方说例如过山车中用于运输乘客的车辆的加速。文献EP 2 269 289B1描述了一种基于涡流驱动器的运输装置。该装置包括轨道和平行布置的两个旋转盘，由电动马达驱动。围绕旋转盘的周边设置有磁体。例如，该驱动器是为轨道导向的车辆提供的。此外，文献US 2003/205163A1描述了一种车辆被提升并且可以被加速所用的系统。文献WO 2015/191935A1描述了用于车辆的磁悬浮的一种驱动器和一种控制系统。悬浮驱动器具有用于此目的的旋转盘，这些旋转盘设置有磁体并在基部中感应涡流。文献JP H09 261805A公开了一种磁悬浮驱动器，在该磁悬浮驱动器中，旋转磁性盘布置成与导体轨道相对并且使车辆悬浮且使车辆沿着轨道线性地驱动。

发明内容

本发明的任务是以下述方式开发一种线性驱动器：能够实现该线性驱动器的更简单和更高效的系统结构，与常规的线性驱动器相比，该线性驱动器体现了节省空间的整个系统安装。

本发明的用于线性驱动器的基本任务通过权利要求1的特征来解决；体现本发明概念的特征是从属权利要求2至1的目的。

可以看出的是，本发明的核心在于，线性驱动器包括初级部分和次级部分，该次级部分以磁性主动连接方式固定至该初级部分，其中，初级部分形成为至少一个第一反作用轨道，并且次级部分包括多个磁体，其中，次级部分包括至少一个第一磁性轮和布置在所述至少一个第一磁性轮上的多个磁体，并且其中，所述至少一个第一磁性轮磁性主动连接至所述至少一个反作用轨道，并且次级部分机械连接至旋转驱动器。

总之，可以理解的是，来自在次级部分的周边上交替排列的磁体的磁场由于旋转驱动器朝向初级部分的旋转而处于运动中，使得在设计为反作用轨道的初级部分中形成涡流I，这些涡流I又与这些交替排列的磁场相互作用，使得因此提供了所需的机械力；因此，借助旋转的次级部分在初级部分上存在“在相同长度上的模拟的几乎连续的延伸”。因此，作为相对于次级部分的子系统安装部的磁性轮在紧凑的单元中基本上包括驱动这些磁性轮的旋转驱动器，该紧凑的单元可以集中布置在车辆的区域中，并且还可以在整个路线上使用，且在布置有初级部分的路线上每个位置处与初级部分相互作用并且实际上(积极地)加速和制动。显然，对于每个车辆，还可以安装这些磁性轮系统中的几个磁性轮系统，利用这些磁性轮系统可以增加整个系统动力并且/或者可以在预限定的整个系统动力的情况下将几个驱动单元设计得更小。

对此特别有利的是，通过本发明，对于已知车辆，在长度上可以有比常规的次级部分明显短的次级部分，常规的次级部分也经常大致沿着整个车辆长度布置。

推进力的大小可以借助旋转驱动器的可控制旋转速度来调节；与车辆的行驶方向有关的正向旋转方向或反向旋转方向决定了在速度增加或速度降低的意义上的加速度类型。

形成为用于形成必要涡流I的反作用轨道的初级部分由导电材料制成；例如，反作用轨道可以由铜或导电性相对较差的铝制成，铝具有明显更轻并且也更便宜的优点；也可以使用其他导电材料。

相对于初级部分的子系统安装部的本简单设计——换言之，作为简单的反作用轨道——则允许常规乘坐的整个路线配备有这种反作用轨道，利用该反作用轨道，车辆速度是永久可控制的。

与现有技术相比，本发明现在首次提供了一种线性驱动器，该线性驱动器的整个系统安装明显更易于实现，并且在该线性驱动器的操作中，能量消耗不再仅仅集中在常规的单个加速轨道部段上，而是可以分布在整个路线上。

在本发明的有利实施方式中，提供的是次级部分包括第一磁性轮和平行于第一磁性轮布置的第二磁性轮，其中，至少一个第一反作用轨道布置在第一磁性轮与第二磁性轮之间并且磁主动地连接至两个轮。

在本发明的实施方式中，提供的是磁体布置在第一磁性轮或第二磁性轮的面向反作用轨道的侧部上，或者磁体布置在第一磁性轮和第二磁性轮的面向反作用轨道的多个侧部中的一个侧部上。因此，提供的是在第一轮和第二轮上相互相对的磁体具有不同的极性，并且在相关轮上的相邻磁体也具有不同的极性。

在本发明的另一实施方式中，提供的是初级部分布置成固定就位并且次级部分移动。此外，在另一实施方式中，可以提供的是次级部分固定就位并且初级部分移动。有利地，在另一实施方式中，磁体形成为永磁体，或者磁体形成为单独激励式电磁体。

为了增加磁效应的目的，还可以提供的是形成为单独激励式电磁体的磁体包括铁氧体芯。

有利实施方式提供的是次级部分和旋转驱动器布置在驱动平台上，通过该驱动平台可以提供尽可能紧凑的单元。

有利地，在实施方式中，线性驱动器具有在初级部分与次级部分之间的作为异步耦合的磁性主动连接，其中，在初级部分中能够感应出多个涡流I。

在本发明的另一有利实施方式中，提供的是初级部分包括至少一个反作用轨道和与至少一个反作用轨道平行的至少一个第二反作用轨道，这些反作用轨道磁性主动连接至次级部分，其中，次级部分包括第一磁性轮和第二磁性轮并且还有至少一个第三磁性轮；通过两个或可能更多个反作用轨道的该平行布置，整个系统的性能可以在集中的结构中提高。

此外，在根据本发明的线性驱动器的另一实施方式中，可以提供的是形成作为电动机器或作为液压机器或作为气动机器的旋转驱动器，或者旋转驱动器能够形成为来自电动机器、液压机器或气动机器的组的组合式驱动器。

根据本发明的线性驱动器的其他说明性示例及它们的相关优点是详细描述和附图的目的。

附图说明

在下文中，本发明作为示例使用附图进行解释。原则上，相同的物体在附图中设置有相同的附图标记。在这里，要指出的是，附图对本发明的当前目的没有限制作用，而是示出了本发明的概念的仅说明性示例——如权利要求中所表示的。

仅示意性地，

图la、图lb和图lc示出了根据本发明的线性驱动器，该线性驱动器具有形成为反作用轨道的初级部分和包括在图lc中详细表示的磁性轮或第一磁性轮和第二磁性轮的次级部分；

图2a至图2示出了根据本发明的根据图1a的线性驱动器的说明性示例，线性驱动器具有不同方式配装的磁性支承轮；

图3示出了根据图1a的线性驱动器的进一步说明性示例，其中，该线性驱动器布置在未更详细示出的车辆的驱动平台上，以及

图4a、图4b和图4c示出了根据图1a的线性驱动器的更进一步的说明性示例，其中，该线性驱动器的磁性支承轮主要水平地布置。

具体实施方式

图1a以立体平面图示出了根据本发明的线性驱动器1。该线性驱动器1基本上包括：至少一个初级部分5，初级部分5形成为具有止推板5c的反作用轨道5a；此外有次级部分3，次级部分3形成为至少一个第一磁性轮3a和旋转驱动器2，旋转驱动器2机械连接至所述至少一个第一磁性轮3a。所述至少一个第一磁性轮3a配装有磁体4，并且实际上使得这些磁体4产生穿透反作用轨道5a的磁场并且在该反作用轨道5a中感应出多个涡流I 8，这些涡流与磁场相互作用，其中，磁场以公知的方式在初级部分5的止推板5c上闭合。

在图1b中，根据本发明的线性驱动器1在说明性示例中除了第一磁性轮3a之外还配备有次级部分3的至少一个第二磁性轮3b，其中，第一磁性轮3a和第二磁性轮3b相互平行地布置在旋转驱动器2的共同轴15上，并且其中，第一磁性轮3a与第二磁性轮3b在该轴15上相互间隔开，使得至少一个第一反作用轨道5可以布置成磁性主动连接在第一磁性轮与第二磁性轮之间。

第一磁性轮3a和/或第二磁性轮3b配装有磁体4，使得这些磁体4在该第一磁性轮3a与该第二磁性轮3b之间产生磁场B 6，该磁场B 6也穿透反作用轨道5a并且因此与该反作用轨道5a相互作用。图lc还示出了磁体4在第一磁性轮3a与第二磁性轮3b上的可能的布置。主要地，在图lc中，在第一磁性轮3a和第二磁性轮3b上以平面图示出次级部分3，其中，在两个磁性轮中的一个磁性轮上，磁体4a形成为永磁体4a，并且在另一个磁性轮上形成为电磁体4b，还具有相关的铁氧体芯4c。在根据本发明的线性驱动器1的布置中，要确定的是使用哪种类型的磁体4、即永磁体4a以及/或者具有或不具有铁氧体芯4c的电磁体4b。在该背景下，查看图2a至图2e也很有帮助：因此，换句话说，在图2a中，次级部分3以侧视图被简化图示，其中，在该示例中，使用相互面对的永磁体4a，在图2b中，使用相互面对的电磁体4b，在图2c中，使用相互面对的永磁体4a与电磁体4b，并且在图2d和图2e中，使用分别仅在一个侧部处布置的永磁体4a或电磁体4b。众所周知的是，为了图1b中的期望磁场B 6，在相应的第一磁性轮3a或第二磁性轮3b上分别相邻的磁体4具有不同的极性，并且因此首先在第一磁性轮3a上并且其次在第二磁性轮3b上示出相互相对的磁体4作为示例，只要第一磁性轮3a和第二磁性轮3b两者都配备有磁体4，如在图2a至图2c中。图1b使用示例示出了磁场B 6，该磁场B 6由具有极性“N”或“S”的两个相关磁体4在第一轮3a与第二轮3b之间产生。在第一磁性轮3a和第二磁性轮3b的周向方向上，磁场B 6的方向改变成相应的相邻磁体4的方向，其中，主要出于简单起见，这没有被明确示出；然而，这样的磁体布置在电机的技术领域中是充分已知的，使得即使没有详细的说明性表示，也可以从现有附图中直接且明确地预见到这样的磁体布置。

当使根据本发明的线性驱动器1操作时，通过旋转驱动器2，次级部分3沿旋转方向7b以旋转运动移位，由此磁体4周期性地转动到反作用轨道5a的区域中并且再次转出。因此，在反作用轨道5a中产生涡流8，涡流的流动方向来源于相关的磁场B 6的方向；每个感应的涡流8排列成使得由此感应的涡流磁场试图抵消磁场B 6，其中，随着力7a的方向产生排斥力，并且次级部分3朝向初级部分5被平移地驱动。在这种情况下，图1a中的坐标系17再次阐明了涡流I 8的与磁场B 6和产生的力F 7a对准成相互垂直的流动方向，这提供了平移驱动。此处没有更详细地示出用于旋转驱动器2的必要的能量源；对于旋转驱动器2的该能量源，可以提供电源、液压装置或气动装置或者甚至是上述能量源选项中的两者或三者的组合。图3示出了可能的能量源选项的多个示例。这示出了根据本发明的线性驱动器1的次级部分3与旋转驱动器2布置在此处未详细示出的车辆的驱动平台10的支承框架11上，其中，通过电轨道9上的多个电流收集器16，可以在驱动平台10上形成线性驱动器1的能量源12、12b。其他示例的能量源12a或12c在此处也被象征性地指示，就本领域技术人员的知识而言，对能量源12a或12c的进一步解释是不必要的。

在这一点上要清楚地指出的是，在不脱离本发明的概念的情况下，可选地可以实现固定就位的初级部分5或次级部分3，并且相应的其他部分移动。显然，在行驶操作中，还可以设想的是通过改变旋转驱动器2的旋转方向来引入制动，并且——在电磁铁4b布置在次级部分3的情况下——进行对制动能量的至少部分回收。

图4a和图4b示出了根据本发明的线性驱动器1的另外两个说明性示例，这两个示例与上述线性驱动器1的区别主要可以在次级部分3或第一磁性轮3a和第二磁性轮3b的水平布置中看出。例如，在图4a中，L型轮廓梁14a的腿部作为反作用轨道，并且在图4b中，H型轮廓梁14b的腿部作为反作用轨道。除了使用图1a在力F 7a的方向上讨论的用于平移驱动的功能——也参见图1a——之外，另一力导致操作，即具有升力方向13的升力，如此处所示，这意味着对于第一磁性轮3a和第二磁性轮3b，与固定就位的H型轮廓梁14b相比，从固定就位的L型轮廓梁14a悬浮。因此，在对应的尺寸和构型中，可以设想车辆的悬浮，通过该悬浮不仅可以减少运行操作的能量需求，而且可以减少磨损、特别是在车辆速度高的区域中的磨损。仅为了提供信息，必须注意的是，利用根据本发明的线性驱动器，可以实现显著在每小时200千米以上的车辆速度。

图4c示出了本发明的另一有利的说明性示例，与图4b的说明性示例相比，在该示例中，示出了平行于第一反作用轨道5a布置的另一第二反作用轨道5b，第二反作用轨道5b与另一磁性轮3c处于主动连接。

附图列表

1 线性驱动器

2 旋转驱动器

3，3a，3b，3c 次级部分；第一磁性轮、第二磁性轮、第三磁性轮

4、4a、4b 磁体、永磁体、电磁体，其中N＝北极且S＝南极

4c 用于电磁体的铁氧体芯

5、5a、5b、5c 初级部分、第一反作用轨道、或第二反作用轨道、止推板

6 磁场B，其中N＝北极且S＝南极

7a 3的力(F)的方向，平移的

7b 3的旋转方向

8 5中的涡流I

9 用于2的供给的电轨道

10 驱动平台(用于车辆)

11 支承框架

12、12a、12b、12c 能量源

13 升力(悬浮)方向

14a 用于5的L型轮廓梁

14b 用于5的H型轮廓梁

15 轴

16 9上的电流收集器

17 坐标系

Claims (12)

1.一种线性驱动器(1)，所述线性驱动器(1)包括初级部分(5)和次级部分(3)，所述次级部分(3)以磁性主动连接的方式固定至所述初级部分(5)，其中，所述初级部分(5)包括至少一个第一反作用轨道(5a)，并且所述次级部分(3)包括多个磁体(4)，其特征在于，所述次级部分(3)包括至少一个第一磁性轮(3a)，并且所述多个磁体(4)布置在所述至少一个第一磁性轮(3a)上，其中，所述至少一个第一磁性轮(3a)磁性主动连接至所述至少一个反作用轨道(5a)，并且其中，所述次级部分(3)机械连接至旋转驱动器(2)。

2.根据权利要求1所述的线性驱动器(1)，其特征在于，所述次级部分(3)以及所述至少一个第一磁性轮(3a)包括平行于所述至少一个第一磁性轮(3a)布置的至少一个第二磁性轮(3b)，其中，所述至少一个第一反作用轨道(5a)布置在所述第一磁性轮(3a)与所述第二磁性轮(3b)之间并且磁性主动连接至所述第二磁性轮(3b)。

3.根据权利要求2所述的线性驱动器(1)，其特征在于，所述初级部分(5)还具有所述至少一个第一反作用轨道(5a)以及与所述至少一个第一反作用轨道(5a)平行的至少一个第二反作用轨道(5b)，并且所述次级部分(3)以及所述至少一个第一磁性轮(3a)和所述至少一个第二磁性轮(3b)包括平行于所述第一磁性轮(3a)和所述第二磁性轮(3b)两者布置的第三磁性轮(3c)，其中，所述至少一个第二反作用轨道(5b)布置在所述第二磁性轮(3b)与所述第三磁性轮(3c)之间并且磁性主动连接至所述第三磁性轮(3c)。

4.根据权利要求3所述的线性驱动器(1)，其特征在于，在所述至少一个第二磁性轮(3b)上和/或在所述第三磁性轮(3c)上布置有多个磁体(4)。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的线性驱动器(1)，其特征在于，所述初级部分(5)布置成固定就位，并且所述次级部分(3)移动。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的线性驱动器(1)，其特征在于，所述次级部分(3)布置成固定就位，并且所述初级部分(5)移动。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的线性驱动器(1)，其特征在于，所述磁体(4)形成为永磁体。

8.根据前述权利要求1至6中的任一项所述的线性驱动器(1)，其特征在于，所述磁体(4)形成为单独激励式电磁体。

9.根据权利要求8所述的线性驱动器(1)，其特征在于，形成为单独激励式电磁体的所述磁体(4)包括铁氧体芯(4c)。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的线性驱动器(1)，其特征在于，所述次级部分(3)和所述旋转驱动器(2)布置在驱动平台(10)上。

11.根据前述权利要求1至9中的任一项所述的线性驱动器(1)，其特征在于，所述初级部分(5)与所述次级部分(3a、3b)之间的所述磁性主动连接形成为异步耦合，其中，在所述初级部分(5)中能够感应出多个涡流I(8)。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的线性驱动器(1)，其特征在于，所述旋转驱动器(2)形成为电动机器或为液压机器或为气动机器，或者所述旋转驱动器(2)形成为来自电动机器、液压机器或气动机器的组的组合式驱动器。