CN1278964A - 直线电磁电机 - Google Patents

Abstract

一种用于产生作用在沿轴可相对运动的两个部件之间的力的直线电磁电机,其一个部件能产生磁场,至少其部分磁场方向基本沿所述轴的径向延伸,以及其另一个部件包括或包含一个导体,通常是线圈的形式,其中电流基本上垂直于磁场流过,从而在基本上平行于所述轴的所述两个部件之间产生一个力。径向磁场由沿其轴向磁化方向取向的永磁体产生,极靴用于集中磁通以沿径向路径通过线圈。

Description

直线电磁电机

本发明一般涉及直线电磁电机，特别涉及(尽管不是唯一地)用于产生直线运动的设备。

虽然这种电机常常被称为“直线致动器”，但是本发明也可理解为一种虽能运动但适于在变化力的作用下也能保持固定位置的电机。

直线电磁致动器(有时称为直线电动机)的一些设计是公知的。先前公知电机的各种结构在WO93／01646中有描述，其涉及具有轴对称性并形成为气缸中的动子式电机的直线电磁装置。这种结构形式的本质优点在于定子磁元件和电枢磁元件之间强大的吸力平衡于中轴线，从而电机轴承无需承受所产生的合成磁力，这就是具有单侧的所谓直线电机的情况。

轴对称结构的另一个优点在于电机中的磁场被包含在外壳(是钢或其他合适铁磁材料)内并且其被布置为高效地横切电机的电线圈。而且，在圆柱状的轴对称结构中，运动部件或电枢可方便并可行地在其和致动器的固定件或定子之间承载一个滑动密封，从而能至少在电枢一侧包含大量流体，其用作附加流体致动器或阻尼器。

由于许多原因这种电机的最适合的结构是使用永磁体电枢和装有通电线圈的周围定子。最好可通过一个电子控制系统来控制电流的幅值和方向。这种结构允许绕组中产生的热量易于散发到外部环境中，并且其简化了到控制系统的电气连接。这种电机的主要设计参数是电枢和定子的磁场结构，以及对于给定的冲击和推力额定值的电机最合适直径的选择。

由电磁电机产生的推力可表示为：

T=B^*I^*L

其中T为推力，其单位为牛顿，B为磁通密度，其单位为特斯拉，I为导线中的电流，其单位为安培，以及L为导线长度，其单位为米。下面给出必须与磁通横切的铜线的体积关系式：

V=T／(B^*d)

其中V为体积其单位为立方米，以及d为导线中的电流密度其单位为安培／平方米。当电机静止时，产生此推力所需的电功率可表示为：

W=T^*r^*d／B

其中W为功率其单位为瓦特，以及r为电阻率其单位为欧姆米。

因此，可以理解，通过保证磁通尽可能多地集中在横切线圈的区域能改善致动器的性能。

因此，根据本发明的一个方面，提供一种用于产生作用在沿轴可相对运动的两个部件之间的力的直线电磁电机，其一个部件能产生磁场，至少其部分磁场方向基本沿所述轴的径向延伸，以及其另一个部件包括或包含一个导体，其中电流相对于所述磁场基本垂直流过所述磁场的部分路径，从而在基本上平行于所述轴的所述两个部件之间产生一个力，其特征在于：用于产生径向磁场的所述装置包括磁化方向取向基本与所述轴平行的一个永磁体，所述轴与其北极和南极的极靴有关，通常径向磁场从极靴的圆周表面延伸出来。

直线电磁电机的早期结构是“无铁心“型。也就是说，铜线绕组直接位于磁路的气隙中。从而气隙很大以在可接受的长度中容纳产生所需推力所必要的最小铜线体积。为了使得磁通穿过这样大的气隙，每个相关永磁体的磁长度也很大，从而永磁材料的体积、重量和成本是很大的。在本发明的实施例中，优选极靴的轴向长度尽可能的短以使得磁通密度最大化。然而，由于以下更明显的原因，磁铁的轴向长度将优选为小于，并在任何情况下，基本上不大于极靴的轴向长度。然而，在使得极靴的轴向长度最小化的尝试中，加上了这样的条件约束，即，气隙的径向厚度(包括无铁心电机中的铜线)必须接近磁铁长度的一半以最大效率操作。该径向“厚度”被限定为使得能减少线圈，并且这必须与最小化极靴的轴向长度的要求相平衡。当该磁铁或每个磁铁的轴向长度、每个极靴的轴向长度以及气隙的径向“厚度”都基本相同时，完成具体的有效折中。

在本发明的一个实施例中，直线电磁电机的定子围绕电枢，并在铁磁定子主体的周围槽中装有导体线圈。铁磁定子主体的环电阻，即，相对于感应电流的周围电阻，通过至少一个轴向延伸的沟道而增加，该沟道的深度小于定子主体材料的厚度。优选周围槽沿轴向方向具有对称的环状外形以保持恒定的径向磁阻。电枢优选为邻近定子安装并装有合适的轴承。

另一方面，本发明提供一种根据任何在先权利要求的直线电磁电机，其特征在于：定子沿径向位于电枢中以及所述铁磁套筒位于电枢的径向外表面上。

线圈的轴向间距、电气连接和阻抗适于允许通过适合的电子驱动单元来控制电机，在下文将更详细地描述这样的电子驱动单元。用于产生径向磁场的装置包括沿垂直于其平面方向永久磁化的磁性材料的平盘或环。这些环沿电机的中轴串联安装以及具有互相面对并具有插入的铁磁极靴的相似极，从而从相反的磁铁集中磁通并沿理想径向方向导向该磁通到电气线圈。径向磁化的磁性材料套筒位于磁环和极靴的与径向反方向的外缘，从而阻止沿不希望的方向导向磁通，安装到其侧面的所述径向磁化材料上的铁磁套筒距离所述环和极靴较远。

另一方面，本发明提供一种根据任何在先权利要求的直线电磁电机，其特征在于：线圈沿圆弧线或直线的轴向弯曲路径圆周形布置在所述轴的周围。

因此，如果电磁致动器包括用于提供代表电枢和定子相对位置信号的位置传感器或与其相关，可以将定子的电线圈连接到用于控制线圈中电流的幅值和方向的电子驱动单元上，以在电枢和定子之间产生的理想轴向力。

优选电枢和定子具有圆形断面并装有允许装置被加压以在需要时形成气体弹簧部分的合适的气密封。

优选电子驱动单元布置为可产生代表提供到致动器上的电流的信号，这样的信号整体用于调节某些应用中的所述气体弹簧的压力。

直线电磁电机的最通用的结构是形成具有周围环绕线圈的定子作为圆筒，并形成具有圆柱形外表面以在定子的内圆柱表面中沿轴向滑动的电枢。这种结构还提供一种恒定磁阻圆柱形定子。

通常的错误认为是：动子移动是由于线圈作用在电枢上所产生的吸引或排斥的磁作用的存在所产生的，正如螺线管或电磁铁那样。但这不是实际情况。力存在于每个线圈中，是电流和磁通密度的矢量积，从而在它们之间会产生与全部线圈力的矢量和相等的反作用力。

由于环形电流被布置为与径向磁通垂直，所以产生轴向力而不是旋转的力。可以认为，这种电机在电气上等效于一个两极无刷的旋转交流伺服电动机，从而可以通过一个很类似的驱动系统来控制。

要将这里所述的直线电磁电机连接到这样的控制器上，其主要困难是：在直线位移的限定中仅重复几次状态循环。这与等效旋转电机相矛盾，这是因为在等效旋转电机中相应于电动机轴旋转的循环可以重复无限次的。这种困难与传感器的输出信号有关，该传感器必须是并不常具有旋转当量的直线装置。直线位置信号必须转换为具有适当偏差的循环相指令以产生最佳推力。

本发明也可以理解为一种适于在三相电源中应用的直线电磁电机，其包括具有沿公共轴排列的多个线圈的定子，具有用于产生沿所述轴的径向延伸的磁场的电枢，以及用于给线圈提供电流的控制装置，该电流的幅值和方向导致基本上与所述轴平行的电枢和定子之间产生力，其特征在于：由电枢产生的磁场包括用于限定磁场周期的至少两个相反极性的区域，以及每个线圈的轴向尺寸基本上是电枢磁周期的六分之一。

因此本发明实施例的特征可总结如下：

电枢由轴向交替次序的永磁体组成，永磁体产生轴向交变极性的径向磁通。

电枢上的相似孔心之间的轴向距离被称为电机的磁周期。

定子线圈被层叠为一组相同的单元，每个单元的轴向尺寸等于磁周期的六分之一。

定子线圈被绕为三个电绝缘相。

相被构造为将轴向序列中的每三个线圈分配为相同相并串联连接相同相的全部线圈，但电流方向交替相反。

在每组三个相邻线圈中的第二个线圈以与其相邻线圈相反的方向被连接。

三个相在距输入端子一定距离的端部被连接到一个星点上。

控制装置输出级的功能是对于电枢的任意位置产生三个准直流驱动电流，其不是三个连续交变的电流。

根据等效于相位彼此相差120度的三个正弦信号的电流的关系，驱动电流被布置为使得其和总是为零。

驱动电流的绝对相基准随外部的控制而变化。

电枢的位置并不锁定到线圈电流的绝对相。也就是说，动子的位置不跟随恒定驱动电流幅值的相指令信号。

在电枢相对于线圈叠层的任意位置上存在一个产生最大推力的线圈电流最佳绝对相位。该最佳相位是动子位置的线性函数，以及其对于电枢的每一过渡重复经过一个磁周期。

线圈电流的绝对相位改变180度可使得电枢产生的相反方向推力。

动子的实际位置确定电流驱动相位，而不是其他方式。

任意时间的驱动电流值可表示为：

I(1)=A^*sin(x+offset)

I(2)=A^*sin(x+offset+2π／3)

I(3)=A^*sin(x+offset+4π／3)

其中A为电流驱动信号，

x为相应于基准位置的动子之间位移的绝对(循环)相位指令，offset是与基准本身相关的预置定相位参数。

驱动电流指令信号值是电枢位置的指令值和实际值之间的偏差、整个偏差的时间积分，以及偏差派生出的时间的函数，由伺服控制器模件计算。

柱塞线圈被设计为用于具体的母线电压。也就是说，考虑到所需的最大速度(即，反向电磁力的值)，线圈阻抗由用于产生设计峰值推力所需电流来确定。一般地用于以最大速度操作的柱塞在静止条件下能在高峰值电流下操作，以及需要一个具有较大功率额定值的功率模件。(高速柱塞比低速柱塞的功率输出大。)

应该注意的是：柱塞的功能通常是产生推力，而不是维持预置位置或运动的预置速度，尽管在特殊环境下可获得后者。必要时也可允许电机“惯性滑行”，即保持其运动而无任何加速或制动推力。由于其在定位惯性负载时节约大量的能量，所以这种装置是重要的。

可以理解，常规的PWM控制将可变标记(空间比)的恒频波形用于负载中，从而出现可变电压的低阻抗源。但是，如果由于永磁体电枢是运动的，反向电磁力由负载线圈产生，那么电流输出将减少(当电枢沿力的方向运动时)或增加(当力的方向和移动方向相反时)。直接与柱塞的电枢耦合的惯量可能很大，以及在制动条件下传输到线圈驱动器模件中的功率是相当大的。

因此，驱动电路必须是高阻抗电流驱动器，其可用两种方法布置。在第一种布置方法中，脉冲宽度调制器是常规型但在快速控制回路中包括一个电流传感元件。通过这种方法，调制器的电压输出跟随线圈的反向电磁力，当电流驱动指令为零时其并不作为驱动或制动元件出现。

在第二种布置中，桥路的两部分分别脉动。也就是说，对于正电流驱动器，仅桥路的上半部分脉动而其下半部分保持关断，反之亦然。对于零电流，桥路的两部分都被关断，以及当电枢运动时没有寄生电流。这种系统是内部高阻抗电流驱动，其也可布置为包括控制回路中的一个电流传感元件，虽然电流传感器不必象响应的电压驱动系统中的那样快。

应该注意的是：对照流体功率柱塞，形成为柱塞的直线电磁电机能够冲击地移动一个惯性负载，且仅需要加速和减速的功率。在某些情况中，许多减速能量甚至被输送回直流母线。通过下面简单描述的以及在申请人的共同待审申请PCT／GB98／02823．．中详细描述的气体弹力控制的使用，可进一步提高运动惯性负载的柱塞效率。

如果直线电磁电机被连接到另一个电机上，由电枢定位的电机元件可安装有任意合适形式的传感器。尽管如此，在柱塞本身具有安装在柱塞中或沿柱塞安装的传感器的布置中存在许多有优点。

柱塞的一个本质优点是具有极高地定位准确性，这是由于其没有后冲和控制传输滞后。而电机的总体冲程可以用米的量级，定位可以用微米的量级；分辨率为20位。这甚至可能是在最好的模拟装置的噪声中，从而对于任何精密应用，都需要来自传感器的数字输出信号。

对于较不精密的机构，例如用于娱乐或训练目的的运动基地，定位准确性仅需要以毫米的量级(也许为12位)，可能模拟传感器的性能已是足够。直线电位计通常设计为工作时被侵没在油中。然而电磁柱塞是干的，因此优选一种不同的非接触型传感器。

可以理解定子的线圈组件只能安装在外圆柱中，从而其必须从一端装于圆柱中或圆柱必须分开，然后其两部分固定在线圈组件的外侧上。在其中任一种情况中，可以理解：在圆柱内表面和用于安装开槽定子的钢外表面之间任意处，要保证可靠的金属对金属接触是非常困难的。

有必要通过周围线圈上的压力从线圈传输大的轴向力到外部钢圆柱中。要实现这一点整个线圈组件通常用环氧类树脂铸成，然而任一线圈中的错误都可导致整个组件成为废品。

理想的是提供在定子中磁通路径的径向铁磁元件和轴向铁磁元件之间可靠的金属对金属接触并在需要时允许每个线圈模件可单独制造、单独检查以及单独使用。

在这个实施例中，具有开槽钢线圈组件的电磁柱塞的定子是用具有圆柱对称的叠片模件构造而成的，并使得每个模件包括沿轴向与内径近似等于垫圈的内径的线圈邻接的铁磁垫圈或环，同时围绕线圈的铁磁隔环沿轴向与垫圈邻接，该线圈的外径等于铁磁垫圈的外径且可准确地确定其轴向尺寸为近似等于线圈的轴向尺寸。

优选通过柱塞定子组件的端件之间的柱塞外侧的拉杆，形成定子的堆叠线圈模件沿轴向被固定到一起。

优选垫圈是单个或重复的倾斜形以对于径向电枢的磁路表现恒磁阻。

优选垫圈沿径向被开槽以允许最里面的线圈接到定子组件的外表面。

优选隔环被开槽以允许最外面的线圈层的端部被接到定子组件的外表面。

优选环和垫圈在其外表面具有一个稳定装置或对准装置从而便于线圈叠层模件的正确装配。

现在，参考表示6层线圈模件的图9，线圈1在垫圈52之间层叠布置并且通过隔环53被围绕在其外表面上。模件被布置为对于在垫圈52中运动的永磁体电枢产生的径向磁场表现为恒磁阻，以及从而通过所示的一个线圈的轴向长度使得该模件被斜扭。可以理解，为了便于这种模件的生产，垫圈可由两个或更多个层叠材料层来装配，以及需要时线圈和隔环也可以沿轴向方向细分。

为了更易于理解本发明，通过例子参考如下附图来更详细地描述其各种实施例，其中：

图1是现有技术的直线电磁电机的示意性轴向断面图；

图2是根据本发明形成的电机的轴向断面图；

图3是本发明第二实施例的轴向断面图；

图4是表示图3的实施例的改形的示意图；

图5是用于三相伺服驱动而形成电机的轴向断面示意图；

图6是具有环形磁铁的可替换实施例的部分的轴向示意图；

图7是具有环形磁铁和相反构造的磁铁和线圈的另一个可替换实施例的轴向断面示意图；

图8是表示示范性控制结构的示意图；以及

图9是表示定子结构的轴向示意图。

现在来看图1，是表示现有技术的结构，其中所示为圆柱形的电枢具有磁性材料条1，其沿长度方向布置且用非磁性材料隔片2分隔。磁性材料沿径向磁化为具有交变的极性，以及每对极的磁路包括以一个方向在外部钢壳3中的轴向横越和以相反方向在钢电枢铁心4中的第二轴向横越。每件磁铁的径向厚度(磁长度)必须与相关气隙的厚度近似同样大，其包括定子线圈的铜绕组5。另外，每个隔片2的轴向长度必须大于气隙径向长度的两倍，从而使得磁性材料的两个相反磁化表面之间的轴向漏磁通最小。该漏磁通沿非径向穿过或横切铜线，从而极大地影响柱塞的特性。虽未示出，但动子拉杆或类似物被安装在电枢上从而将力或运动传输到负载上。

线圈中的磁通密度小于离开磁性材料表面的磁通密度，这是由于磁通是径向向外的。为了实现铜绕组中极大的磁通密度，一个甚至更大的磁通密度必须在磁铁表面出现，其使得电机使用昂贵的、高性能的磁性材料。不幸的是，具有最佳特性的磁性材料常有脆性。任意大径向“厚度”的弯形将具有基本上大于内表面区的外表面区，该厚度是指内外圆柱或部分圆柱表面之间的尺寸，以致磁化材料的任何尝试都将在径向取向的磁畴之间产生高应力从而促使裂缝的产生。这样就阻止了最好的磁性材料的使用，除非其被分散在塑料或含树脂的介质中。可以预料，这种分散技术降低了材料的性能同时增加了其成本。

由于离开径向磁化材料外表面的总磁通不超过以限定的磁通密度再进入内表面上的材料的总磁通，所以在任何情况下径向磁化处理由于大曲度和厚度形状而通常效率很低。

图2中所示的本发明实施例通过利用磁性材料1的平盘来克服这种缺点。该平盘沿轴向被磁化并装有铁盘极靴10。如图所示，磁极以相反对布置。因此，沿轴向离开每个磁铁的磁通被迫沿径向离开电枢组件，并且被迫在横越外部钢壳3及返回线圈以进入每个盘磁铁的相反的极靴之前横切线圈5。由于一个磁铁驱动的磁通两次穿过气隙，所以优选磁铁盘的轴向厚度(磁长度)应该近似等于气隙径向尺寸的两倍。

这种结构使得可能使用低成本(低工作磁通密度)的磁性材料，但同样能在线圈体积中产生高磁通密度。这是因为极靴的磁通密度不再被限定为磁铁本身的磁通密度，沿轴向离开磁铁盘整个区域的磁通沿径向离开极靴圆柱外缘并布置后者的区域可能小于前者。

因为磁性材料本身在此是平面件，所以需要时以电磁致动器的形式使用高性能磁铁是可能的。实际中，由于用于生产烧结磁性材料的压力被限定在合理使用的总力中，所以可在商业上制造的单件盘的最大直径被限定为大约100毫米。较大直径的盘可通过较小区域预制的和预磁化的形状的组件来构成，但是这不认为是实用或经济的处理。这里不存在与使用低性能磁性材料相关的相应问题，以及常用材料能用于大推力柱塞的构造中。所需推力和最小铜体积之间的关系是指延伸电枢长度或增加其内径，或者既延伸电枢长度又增加其内径，是必要的，从而工作铜(在线圈中)的体积相应地增加。

图3是表示铜线5被嵌入由径向散热肋5分隔的钢定子主体3的槽中的实施例的示意图。尽管径向磁通经过钢磁通导体肋11，但是系统表现为线圈好象侵没在磁通中，该磁通穿过线圈的圆柱断面和在一起的钢均匀地分布。由于钢可以布置为其轴向尺寸小于铜线槽，所以线圈中的有效磁通密度是钢中磁通密度的成比例部分。线圈槽径向尺寸和其轴向尺寸的比可以是2．5∶1，以及槽可以是锥形和圆形的，从而在装配中使得对于线圈绝缘的破坏是最小的。

定子主体3被布置为具有高电气回路电阻，从而其不作为与任何嵌入的线圈5耦合的短路线圈。为了实现电机适宜的最高伺服特性，定子线圈中的电流要响应电子驱动控制器而迅速地被调制；由于定子钢中的感应电流其响应是缓慢的。因此通过沿定子总长的轴向方向切去一些槽(未示)来增加回路电阻。槽并不穿透定子钢的整个深度，而是使得中心区未被破坏。这允许定子内表面被精确量度以及被加固和磨光，从而容纳电枢的轴承环。

定子3和电枢之间的气隙不包括线圈5的铜线(如图2的实施例中)，从而能被减小到低水平(典型地是1．5毫米或更小)。应该注意的是对照旋转电动机中的一般情况，固定电枢通常不需要除去定子金属以及其可以装在压住定子内表面的滑动轴承上。轴对称使得无最终的轴承负载。

为了使得大的吸引力不具有轴向分量，定子钢可布置为相对于电枢盘极靴具有有效恒磁阻。这通过，例如，使得每个定子槽的路径以正弦或锯齿方式沿轴向变化来实现，如图4中示意性所示。系统的磁阻是最接近定子上的钢的电枢上的钢的总面积的函数。很清楚的是由于电枢轴向位置的任何引起穿过极靴的一个对角的互磁阻减小的改变，穿过垂直对角的互磁阻就相应地增加。因此，极靴不受净轴向吸引，也不受任何旋转力矩和任何扭力作用。

在这些实施例中，由于气隙很小，电枢磁铁没必要具有极大的轴向(磁性的)长度。这减少了磁铁材料的数量，从而降低了致动器的材料成本。还应该注意磁铁轴向厚度的减小使得系统的磁周期减小。

在这些实施例中，当电机需要通过可广泛使用的普通型三相伺服电动机驱动单元来控制时，定子线圈周期的轴向长度被布置为等于电枢磁周期的六分之一。

图5表示具有两个磁性周期的电枢。示出了定子的三分之二和三分之一磁周期，虽然可以理解通过实际电机的轴向长度可能会有更多。在图5中示出了与定子相关定位的电枢，如果相A是正最大值的87％，相B是负最大值的87％，而相C为零时，将产生推力。仔细研究这种布置将表明：随着曲度的运动以及电枢和定子相对位置的变化，正弦驱动的最佳相位平滑地改变而没有任何间断。

其结果是可以高精度地控制致动器。另外，有关电枢定位精度的控制精度是磁周期长度的函数，从而允许磁周期轴向长度减小的那些特性同样增强了电机的定位精度。通过切去极靴的重量和减少沿轴向方向通过磁通所需的外部钢壳的厚度，磁周期轴向长度的减小也减小了电机的重量。由于磁极的轴向厚度和外部钢圆柱的径向厚度由每种情况中的总磁通确定，所以其也较小，减少了重量。

图6表示一个具有环形磁铁和极靴的实施例。当柱塞的直径增加时其有助于限制总磁通的增加。电枢的铁心20是中空的，是弱场区。然而，如果简单略去磁盘的中心区，离开磁铁表面的大部分磁通将取近道径向向内穿过每一气隙，跨过中心铁心20的磁盘厚度，而不是径向向外穿过定子3和线圈5。因此，致动器的中心部分将不是低场体积。沿径向方向向内的磁通通过插入磁铁件21的内铁心来限定，其具有与盘磁铁1相同磁长度但沿合适方向径向磁化，从而阻止漏磁通穿过中心孔。也设有内部钢圆柱件22，其功能是提供连接径向磁材料21的相反磁极的低磁阻路径，从而增强材料的活性以及屏蔽柱塞的中心部分与寄生磁场隔开。

这允许电枢的中心部分封闭对这样的磁场敏感的部件，例如位置传感器。

在图7所示的可替换实施例中，一排永磁体被装在定子上以及一组线圈被装在运动电枢中。当要求致动器的冲程大于电枢轴向长度的许多倍(如竖直升降装置或滑动门的水平运动)时，其优点在于仅提供功率到电机的工作部分，而不是提供到装置的整个电气长度上。在这样的情况中，电功率将会提供到部分运动电枢(也许通过直线换向器)上而不是提供到定子上。这对于磁性材料将会在外侧上的小致动器的几个设计而言同样是一个优点。

在图7中，一组平面的、轴向磁化的环形磁铁1产生轴向交变磁通，该磁通通过极靴29沿径向向内集中，然后通过内装线圈5的开槽电枢组件30。在通过线圈向外回到轴向磁化环的相反侧之前，磁通通过内部钢套筒31完成其路径。为了使得外部环境与定子磁场屏蔽，以及为了阻止漏磁通沿径向向外，具有与环磁铁1相同的磁长度的径向磁化材料21的屏蔽以与漏磁相反的方式被布置在定子的外表面上。一个薄的外部钢屏蔽32完成径向磁化材料21的轴向交替磁极的磁路。

现在参考图8，示出了适于控制图3至7任何一个中所示的直线电磁电机的控制系统，其具有定位指令。

示意性示出了电枢40(或动子)沿定子41可移位(再一次示意性示出)，其具有可以是图2至7中所示的线圈系统的任何一个的线圈系统42。示意性示出了位于定子42旁边的位置传感器43，尽管可以理解位置传感器43可被定位到电枢或动子40上或者任何其他位置中，以使得产生代表电枢或动子40位置的输出信号。其输出信号是模拟或数字形式，并被提供到信号转换器44上。

信号转换器可以是软件模件，尽管快速更新率是必要的并可较好地在硬件中执行普通操作。

如果输出信号是一个模拟信号，其首先被转换为一个具有适当比例和偏移参数的数值，从而其代表与电机相关的电枢的真实位置，柱塞是该电机的一部分。如果传感器产生增量(两相)数字信号，其通过在柱塞的自重或校准位置上复位为零的计数器处理。然后将电枢位置值传输到伺服控制器45中，在那里与所希望的位置相比较以产生上述的电流幅值指令。该值也被缓冲并被传输到整个电机控制和监控系统中以用于许多其他所需目的。

然后比较电枢位置和限定循环相控制系统的起始点的偏移值。该偏移值可手动预设定或自动确定为起始BITE操作的一部分，起始BITE操作测量在恒电流下系统的加速度，作为沿向上序列改变偏移的函数。如上所述，由于循环的线性周期是由动子尺寸所限定的固定值，所以柱塞任意位置的最佳相角能被传输到功率驱动模件中。

为了完全利用了直线电磁电机或柱塞的固有带宽，在许多工业应用中，柱塞控制器要具有非常短的循环时间。例如，在虚拟凸轮系统中，电机要在0．5米每秒的速度下保持100微米内的轨迹。这意味着控制回路将在错误周期(200微秒)内至少有两次迭代，控制回路包括全部位置传感器处理、全部模拟—数字和数字—模拟处理，以及伺服控制器计算。

作为另一个例子，需要在以3米／秒的速度进行高速横越，并保持位置锁定在100微米内。如果位置锁定相对于静止目标被保持时，要求约15微秒的回路循环时间以及响应命令的功率控制频率为1000千赫兹量级。幸运地，目标通常以相对速度运动，200微秒的循环就已足够。

对于移动基准，而速度一般小于0．5米／秒以及位置误差是1毫米的量级，所以更加放松了限定。因此，200微秒的循环时间(应该注意其包括位置传感器的更新时间)是令人满意的。

其优点在于：在与气体弹力有关的控制系统中使用驱动电流指令值(以及在某些工业应用中，瞬时柱塞位置值)，本申请人的PCT申请PCT／GB98／02823中描述了该控制系统，在此结合该PCT申请所公开的相关内容以作为参考。

Claims (21)

1．一种用于产生作用在沿轴可相对运动的两个部件之间的力的直线电磁电机，其一个部件能产生磁场，至少其部分磁场方向基本沿所述轴的径向延伸，以及其另一个部件包括或包含其中电流相对于至少其部分路径上的磁场基本上垂直流过的一个导体，从而在基本上平行于所述轴的所述两个部件之间产生一个力，其特征在于：用于产生径向磁场的所述装置包括磁化方向取向基本与所述轴平行的一个永磁体，所述轴与其北极和南极的极靴有关，通常径向磁场从极靴的圆周表面延伸。

2．如权利要求1所述的直线电磁电机，其中电枢包括多个磁铁，每个磁铁具有各自的极靴，以及相邻磁铁的取向使其极性相互相反。

3．如权利要求1或2所述的直线电磁电机，其特征在于：磁铁或多个磁铁是盘形，以及电枢和定子相对于所述轴圆周对称。

4．如权利要求1至3中任一项所述的直线电磁电机，其特征在于：定子基本上为圆柱形，以及电枢可轴向运动并位于其中。

5．如权利要求4所述的直线电磁电机，其特征在于：所述导体是导电材料的线圈，以及整个磁铁的轴向长度基本上等于每个极靴的轴向长度并且等于每个线圈径向厚度的两倍。

6．如权利要求1或2所述的直线电磁电机，其特征在于：磁铁或多个磁铁是环形磁铁，以及相关铁磁套筒与磁铁或多个磁铁的圆柱形径向内部或径向外部表面连接，铁磁套筒封闭磁铁或每个磁铁相对极靴之间的磁路径。

7．如任意在先权利要求所述的直线电磁电机，其特征在于：定子径向位于电枢中，以及所述铁磁套筒位于电枢的径向外部表面上。

8．一种用于产生作用在沿轴可相对运动的两个部件之间的力的直线电磁电机，其一个部件能产生磁场，磁场方向基本沿所述轴的径向延伸，以及其另一个部件包括或包含其中电流沿横越所述基本上为径向的磁场和所述轴的方向流过的一个导体，从而在基本上平行于所述轴的所述两个部件之间产生一个力，其特征在于：所述一个部件产生具有相反极性的不同区域的磁场，而所述另一个部件具有致使电流流过的多个导体，所述另一个部件的相邻所述导体的轴向分隔近似为所述一个部件的相反极性的相邻场区的轴向分隔的三分之一。

9．如权利要求8所述的直线电磁电机，其特征在于：所述一个部件是具有多个磁铁的电枢，以及所述另一个部件是具有多个线圈的定子。

10．如权利要求8或9所述的直线电磁电机，其特征在于：线圈被容纳在铁磁定子主体中的槽中。

11．如权利要求8至10中任一项所述的直线电磁电机，其特征在于槽具有对称的循环外形。

12．如权利要求8至11中任一项所述的直线电磁电机，其特征在于槽具有恒定的径向磁阻。

13．如任一在先权利要求所述的直线电磁电机，其特征在于：所述铁磁定子主体具有通过其长度延伸的轴向分隔，从而增加其周围电阻。

14．如任一在先权利要求所述的直线电磁电机，其特征在于：其还提供用于确定电枢和定子相对位置的装置，从而确定提供到线圈上的电流的幅值和方向。

15．如任一在先权利要求所述的直线电磁电机，其特征在于：至少部分定子形成为气密外壳，以及至少部分电枢密封地可滑动地连接在所述的部分定子中，可压缩的流体被装在这样限定的腔内。

16．如任一在先权利要求所述的直线电磁电机，其中线圈轴以恒定角度相对于所述轴倾斜。

17．如任一在先权利要求所述的直线电磁电机，其特征在于线圈沿圆弧线或直线轴向曲线路径圆周形布置在所述轴的周围。

18．一种直线电磁电机，包括一个具有多个轴向对准并轴向取向的线圈的定子、一个用于产生径向磁场的电枢以及用于控制所述线圈中电流的幅值和方向以在电枢和定子之间产生一个力的控制装置，其特征在于：电枢具有与之相关的用于在至少一个位置确定速度或加速度一个传感器，以及所述控制装置提供到任一线圈上的电流的幅值和方向由所述传感器的输出确定。

19．如权利要求18所述的直线电磁电机，其特征在于每个线圈的轴向尺寸是电枢磁周期的六分之一，以及控制装置适于将三相电流提供到每组六个线圈上，每对线圈由以相反方向接收相同相的两个其他线圈分隔。

20．如权利要求18或19所述的直线电磁电机，其特征在于被提供给定相的线圈以交替磁极串联连接。

21．一种适于使用三相供电的直线电磁电机，包括：一个具有沿公共轴对准的多个线圈的定子、一个具有产生沿所述轴径向延伸磁场的装置的电枢和用于将电流提供到线圈上的控制装置，该电流的幅值和方向导致在基本上平行于所述轴的定子和电枢之间产生一个力，其特征在于电枢产生的磁场包括限定磁场周期的相反极性的至少两个区域，以及每个线圈的轴向尺寸基本上是电枢磁周期的六分之一。

Images