用于长行程线性永磁电机的位置传感器的制作方法

本发明涉及一种线性永磁电机，更具体地涉及一种长行程线性永磁电机，其装备有用于检测或确定动子相对于定子的位置的位置传感器。

背景技术：

kr10-2015-0145407描述了一种能够测量移动单元(称为动子)的绝对位置的线性电机。定子单元上设有多个霍尔传感器。在配备有永磁体的动子上安装有基准部分，该基准部分由与永磁体相比不同的材料形成，因此在基准部分附近提供改变的磁场。霍尔传感器被定位为使得可以感测改变的磁场。

因此，霍尔传感器可以检测动子的基准部分何时经过，并且可以确定绝对位置。然而，一个缺点是动子必须装备这样的参考部分，该参考部分由具有不同于相邻永磁体的磁性的材料制成。因此，该基准部分劣化了电机的性能。另一个缺点是霍尔传感器在永磁体沿其运动时位于永磁体的主磁场内，从而导致传感器在模拟测量时饱和。在不增加太多传感器的情况下，需要模拟测量以获得更高分辨率的位置传感器。又另一个缺点是霍尔传感器安装在线圈之间和/或邻近线圈，线圈在工作期间容易发热，从而使霍尔传感器的温度升高。由于霍尔传感器的灵敏度与温度有关，这可能使可靠的测量变得困难。

技术实现要素：

本发明各方面的目的是克服以上缺点。特别地，其目的是在线性永磁电机中提供更可靠、然而更简单且因此更具成本效益且不影响线性电机的性能的定位能力。

本发明各方面的目的是提供一种线性永磁电机，其在定位能力上更精确，而不需要使用比如线性编码器等昂贵部件。其目的是提供这样的线性永磁电机，允许在长行程上准确定位。

根据本发明，提供了一种如所附权利要求中所述的线性(即，具有线性行程)永磁电机。该电机包括至少一个、有利地多个定子单元和一个或多个动子。每个定子单元包括用于产生磁场的至少一个线圈。动子包括与定子单元间隔开的永磁体阵列。在永磁体阵列和定子单元之间插入有气隙。该阵列的永磁体的电磁场和由该至少一个线圈产生的电磁场在气隙中相互作用，以在动子上产生相对于定子单元的牵引力。动子被布置为沿运动方向移动。阵列中的永磁体有利地彼此间隔开、沿运动方向具有限定的间距。永磁体阵列有利地具有暴露于气隙的表面。该表面有利地是平面的且平行于运动方向。该电机进一步包括位置感测装置，该位置感测装置可操作以确定该动子相对于(相应的)定子单元的位置。

该位置感测装置包括可操作以感测动子(即永磁体阵列)的磁场的感测元件。感测元件固定在定子单元上。

根据本文描述的第一方面，当永磁体阵列沿着运动方向与感测元件相对应地定位时，感测元件被定位为使得其位于永磁体阵列的漏磁场内。漏磁场是动子所产生的磁场中的不与定子单元相关联的部分。换句话说，当永磁体阵列经过时，漏磁场由不与定子单元的线圈连接的磁力线形成。

根据本文描述的第二方面，其可与上述第一方面组合或独立地提供，该感测元件被定位为使得感测元件的在平行于永磁体阵列的暴露表面的气隙中间平面上的正交投影落在由永磁体阵列(的周界)沿着运动方向移动时、在中间平面上的正交投影形成的带之外。有利地，当感测元件定位在永磁体阵列的漏磁场内时，其位置在气隙的中间平面上的正交投影落在由永磁体阵列沿着运动方向移动时、在中间平面上的正交投影形成的带之外。

通过如根据以上第一方面或第二方面所指示布置感测元件，感测元件被定位在当动子通过时、永磁体阵列的磁场强度大大降低的位置，从而避免了感测元件的饱和。因此，感测元件可以提供与所感测磁场强度连续成比例的输出，从而允许准确地确定动子相对于定子单元的位置，从而可以仅基于感测元件(多个)来确定动子的准确且有利的绝对位置、而无需依赖昂贵的编码器。这允许使用感测元件进行精确的位置感测，从而消除了对线性编码器的需求。

由于在这些位置的漏磁场比主磁场弱得多，因此，比如霍尔传感器或磁阻传感器等感测元件饱和的风险较小。因此，更适合执行模拟测量，从而在不添加更多感测元件的情况下获得更高的位置测量分辨率。

此外，在距离永磁体如此远的位置处，与现有技术相比，感测元件可以安装在距离线圈更远的位置，使得由于线圈产生热量而导致传感器升温的风险更小。

另外，可以在永磁体上方或下方的位置(如在正交投影中所看到的)，这使得定子单元的线圈可以布置得更靠近彼此，从而使电机具有更高力密度。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明的方面，其中相同的附图标记展示了相同的特征，并且在附图中：

图1表示了根据本发明各方面的永磁线性电机的示意性平面视图；

图2表示了图1的永磁线性电机沿剖面线a-a的截面图；

图3表示了图1的视图，其中示出磁轭的磁场最高的带；

图4表示了带有如图3所示的带的图2的视图；

图5表示了如图2中的永磁线性电机的截面图，其中磁场传感器的位置改变；

图6表示了用于定子单元的驱动的工作方案，具有用于传感器的线圈磁场补偿；

图7表示了如由三个霍尔效应传感器所感应的接近的磁轭的波形图，这些霍尔效应传感器彼此以τp/3的距离等距定位。

具体实施方式

参考图1和图2，根据本发明各方面的线性电机10包括被布置成保持静态的至少一个、但典型地多个定子单元11，以及被布置成相对于定子单元移动的至少一个动子12。在图1的示例中，描绘了两个动子12，其被布置成沿定子单元11的阵列移动。所描绘的系统可以被证明是有用的，例如在比如用于电梯、输送线、磁悬浮列车等运输系统中。

动子包括磁轭13。磁轭13典型地包括多个永磁体131，该多个永磁体典型地布置在一个或多个阵列中，并且被定向其方式为在运动方向101上创建交变磁场图案(pattern)，该图案朝向安装在定子单元11中的线圈14。如图2所示，磁体131可以安装在背板121上，该背板可选地由铁制成，以便为磁通量创建低磁阻返回路径。

仍参考图2，动子12可以包括门形结构(portalstructure)122，该门形结构具有布置在定子单元11上的实质性倒u形。永磁体131布置在两个阵列中，在u形的每个支腿处各一个，并且定子单元11的线圈14插入在它们之间。将方便地注意到，门形结构只是动子结构的一个可能示例，并且可以使用其他结构，例如，仅在线圈14的一侧布置有单个永磁体阵列的动子、或者具有双定子单元阵列的双门形结构。

定子单元11和动子12/磁轭13由气隙18隔开。永磁体131的电磁场和线圈14产生的电磁场在气隙18中相互作用，从而在动子12上产生相对于定子单元11的牵引力。

每个定子单元11典型地包括耦合到驱动单元15的多个线圈14。参考图1，线性电机10可以包括多个定子单元11(111,...,11n)，每个定子单元具有其自己的/独立的驱动单元15(151,152,153,...,15n)。定子单元11的各线圈14被分组成多相(通常为三相)。驱动单元15控制通过线圈14的电流，以产生与磁轭13产生的磁场相互作用的相移交变磁场。每相的电流由驱动单元15调节，以获得几乎恒定的、与位置无关的推力。当动子12相对于定子单元11以恒定速度移动时，由于磁轭13的交变磁场而在线圈中感应出正弦电压。如果对每个相位施加与该感应电压同相的正弦电流，则获得变幅的正向力。如果相数至少为3，且每一相在运动方向上都存在n2τp/p的物理位移，则可以获得几乎恒定的而不受位置影响(τp是磁铁南北极距离，称为磁极间距，p是相位数，n是除了p的倍数以外的整数)的力。控制这些电流以获得接近恒定的、与位置无关的力，这被称为整流。电流的振幅调节着力的总的大小。

对于典型应用，行进距离远长于磁轭13的长度，这要求定子单元11远长于磁轭长度。由于不与磁轭重叠的线圈只会散热而不产生力，因此线圈被分割成多个较小的定子单元11，随着磁轭的接近，这些定子单元被接通电流。还在考虑多个动子的情况下，由于动子相对于定子单元的位置不同，因此定子单元11被单独地控制，有利地，每个定子单元由单独的驱动单元15控制。

为了知道何时激活特定定子单元11的线圈14，必须确定正在接近的动子12的位置。整流(根据线圈和磁轭(多个)之间的相对位置控制多相电流)和磁轭(多个)的位置控制均需要位置感测。对于上文所述的典型动磁式应用，以下要求通常适用：精度约为0.1mm，气隙变化较大(约为1mm或更高)。

为此，根据本发明的多个方面，每个定子单元11包括位置感测装置16，该位置感测装置可操作以感测动子12相对于定子单元11的位置。位置感测装置16被配置为通过使用磁场传感器161感测磁轭的磁场来确定磁轭位置。合适的传感器的具体示例是霍尔效应传感器和磁阻(mr)传感器。传感器161有利地沿运动方向101布置在定子单元11的端部。通过这样做，可以在动子12接近相应的定子单元时检测到该动子。有利地，每个位置感测装置16可以包括多个传感器(例如三个)，每个传感器可操作以测量相同方向或不同正交方向(例如，如图1所示的x、y、z)上的磁场。

根据本发明的多方面，传感器161布置在当动子12经过时、磁轭13的磁场强度较低的位置。具体地，传感器161布置在与磁轭13(永磁体131)的漏磁场相对应的位置。通过这样做，可以避免或大大降低传感器161的饱和，这提高了测量精度和分辨率。

参考图3，通过磁轭13(的周界)在xz平面上的正交投影沿运动方向101平移而获得的阴影带132表示了永磁体131和线圈14之间的磁相互作用最高的区域。在定子单元11上平行于y轴延伸该带132，标记了当永磁体131通过时该定子单元的经受永磁体的最高磁场强度的部分。该部分由图4中的阴影带132表示。结合图3和图4中的阴影带，获得磁相互作用高的体积。因此，任何传感器161都应定位在该体积之外。从图4可以看出，将传感器161布置在带132所指示的体积之外但仍然使得传感器感测经过的磁轭13，有利地使传感器感测永磁体131的漏磁场134。在本发明的多方面，传感器161被定位成在动子12沿着相应的定子单元11通过时感测磁轭13/永磁体131的漏磁场134而不是主磁场。

可以通过将带132和传感器161均投影并且通过检查它们是否重叠来可能确定传感器161是否定位在带132之外。参考图2，白色箭头指示永磁体131的南北磁轴的方向。气隙18中的磁力线将基本上平行于y轴延伸，然后在定子单元11中偏转。xz平面基本上对应于与气隙18中的磁力线垂直的平面。进一步地，xz平面平行于运动方向101。因此，可以限定与xz平面平行的气隙18的中间平面181。中间平面181位于一方面磁轭13的暴露于气隙18且面向定子单元11的表面133和另一方面定子单元11(例如暴露于气隙的定子单元11的表面123)之间的中间处。一方面通过将带132、另一方面通过将传感器161正交投影在中间平面181上，或者替代性地在平行于xz平面的任何其他平面上，可以确定两者之间是否存在任何重叠。

有利地，传感器161布置在这样的位置，其中磁轭13的磁场强度是带132内的气隙18中的(平均)磁场的20％或更小，有利地为15％或更小，有利地为10％或更小。

在带132之外存在用于定位传感器161的多个有利位置。如图1所示，传感器161被(直接)布置在线圈14的下方(或者替代性地(直接)布置在线圈的上方)。即，传感器161沿运动方向101(即沿x轴)定位在与线圈14基本相同的位置。与传感器将沿运动方向101布置在线圈14之前或之后的情况相比，位于下方或上方的位置具有以下优点，即定子单元11(因此线圈14)可以布置得更靠近彼此，这增加了线性电机的力密度，因为可用体积的使用效率更高。

参考图2，传感器161可以布置在与永磁体131相同的y轴位置，即，在永磁体的正下方(或上方)。更普遍地，传感器161可以布置在与动子12的相同的y轴位置。替代性地，如图5所示，传感器161可以布置在与线圈14相同的y轴位置，即，在线圈的正下方(或上方)。更普遍地，传感器161可以布置在与定子单元11的相同的y轴位置。然而替代性地，传感器161可以布置在与气隙18的相同的y轴位置。在上述带132外的任何位置，线圈14所产生的磁场较弱，使得传感器信号受线圈磁场的影响较小。另外，在这些位置处，传感器布置在距离线性电机的热区的较远位置，典型地对应于线圈14的区域。因此，传感器不太可能因流过线圈的电流所产生的热量而发热。

位置感测装置16可以包括印刷电路板(pcb)162并且可以包括对应的电子器件，传感器161布置在印刷电路板上。pcb162有利地固定到定子单元11，而电子器件可以集成在定子单元中(在pcb162上)或作为附加模块。有利地，定子单元包括支撑体111，并且传感器161嵌入该支撑体中。支撑体111可以由比如铝等非磁性材料制成。支撑体111有利地落在带132之外。

有利地，每个位置感测装置16包括至少两个传感器161，该至少两个传感器沿运动方向101以τp/n的距离等距定位，其中，τp是磁轭13的磁极间距，n是传感器161的数量。这样的布置允许获得比如图7所示的多个位移波形，从而不仅允许确定动子12的位置，而且允许确定动子的运动方向。传感器信号的振幅取决于传感器161相对于磁轭13的位置、以及磁轭的尺寸、永磁体尺寸和材料。传感器信号的频率取决于速度和磁极间距τp。

参考图6，驱动单元15可以包括实现位置传感器算法的计算单元154，该位置传感器算法被配置为基于来自传感器161的测量的磁场来确定磁轭13的位置。基于从传感器161测量的磁场bm,1,…,bm,n来计算磁轭13的位置的算法可以导出如下。最初，定子单元上方没有磁轭13，测不到磁场并且因此确定不了位置。磁轭被称为“超出范围”，r＝0。

只有磁轭13引起的磁场是值得关注的，因此应当对线圈14所产生的磁场进行补偿。为此，计算单元154包括线圈磁场补偿单元155，该线圈磁场补偿单元可以操作如下。线圈14的磁场可以通过测量通过线圈的驱动电流并且乘以补偿增益矩阵来补偿，根据以下公式：

bc,i＝bm,i-ci

其中，bm,i是包含传感器161的磁场测量值的向量，i是线圈的测量相电流的向量，c是补偿矩阵。测量的磁场与电流水平近似成线性关系，因此，补偿磁场测量可以完整地写成：

其中，n为传感器161的数量，p为相数。在c中，每个元素描述了每个相电流和每个传感器161的耦合系数，例如以特斯拉/安培为单位。补偿矩阵c可通过以下获得：

-在不存在磁轭的情况下测量磁场，同时通过各相施加电流，

-分析推导，和/或

-有限元分析。

如果线圈单元彼此安装得非常近，则相邻驱动器的电流测量值可以彼此共享，并且在补偿矩阵中加以考虑，以便在必要时进一步提高精度。

磁轭13(动子12)的存在可以通过一种或多种不同方法的组合来检测。合适的方法有：

-验证单个传感器信号的振幅是否高于预定阈值，

-验证单个传感器信号的总和是否高于预定阈值，以及

-验证单个传感器信号的平方和是否高于预定阈值。

根据方法和阈值，可以更早地检测磁轭，以较低的精度为代价，因为磁场较小且不足以提取准确的位置信息。

计算单元154进一步包括“范围内”检测和计数器单元156。当磁轭在传感器范围内时，如果磁轭从右侧进入，计数器k将重置为零；如果磁轭从左侧进入，计数器将设置为np/2-1(np是磁轭的极数)。或者可以通过以下方式做出这种区分：

-检查传感器161的各个信号并进行比较；和/或

-使用两个传感器组(左和右)，如，例如还在图1中所绘制的，n＝3。在这种情况下，可以使用窗口功能来合并两个传感器组的位置信息。

以下描述假设使用传感器161的单个组。当检测到磁轭13时，可以从传感器测量值bc,i中扣除相位信息，如下所示：

其中，atan2是两个参数的反正切函数，它考虑了适当的象限。系数ksi和kci由下式给出：

此公式仅提供0…2π范围内的唯一值，因此，包括计数器k，其在磁轭检测时刻复位，并且从2π到0计数磁轭的跃迁次数θ，反之亦然。因此，获得绝对位置信息如下：

其中，xcu是线圈单元相对于基准点的整体位置。

通过使用atan2函数，该方法的精度变得独立于图7所示波形的振幅，因此，不显著地依赖于y和z方向的横向位移。y和z方向的横向位移对图7所示波形的谐波含量仍有较小的影响。为了最小化这种影响，可以考虑双面测量，如图2所指示。两组传感器161相对于线圈阵列对称地布置在相同的y轴位置。替代性地，两组传感器161、161’可以相对于磁轭13对称地布置。双面测量为y方向的横向位移提供了更好的稳健性，这两个测量结合在一起：

bm,i＝bml,i+bmr,i

其中，bml,i是左传感器161’感测的信号，bmr,i是右传感器161感测的信号。这在气隙18变化较大的情况下特别有用。

参考图7，由于磁轭的有限长度，传感器161能够感测接近或离开磁轭13的端部效应。相应的信号被表示在区域71和72中。这些端部效应允许检测磁轭进入感测区域的时间点，因此允许提供绝对位置测量。在区域70中，磁轭在范围内，并且可以如上所指示的执行相对测量。因此，如上所述的传感器允许将绝对位置感测和相对位置感测两者集成在同一个感测元件中。

只有当传感器161在饱和水平以下连续工作时，上述测量程序才可能实现，这通过将传感器161放置在如上所指示的位置而有利地实现。有利地，当传感器161被放置在如上所指示的位置时，传感器161感测的磁场水平为100mt或更小，有利地为90mt或更小。在没有任何饱和的情况下，传感器161捕获的信号将是正弦的，如图7所示，从而允许轭位置的纯模拟测量。这消除了对线性编码器的需要，使得根据本发明的线性永磁电机可以更经济。

再次参考图6，驱动单元15因此被配置为读取传感器161的输出h1,...,hn(与经过的磁轭13的磁场有关)，并且基于传感器161的输出来确定施加到定子线圈14的相电流i1,i2,...,ip的幅度。为此，来自检测和计数器单元156输出的、指示是否检测到磁轭的“范围内”位置的二进制指示符r(例如，如果磁轭在范围内则r＝1，如果超出范围则为0)和来自计算单元154的绝对位置信息xmy被馈送到运动控制器单元157，该运动控制器单元被耦合到换向单元158并且进一步耦合到传送相电流i1,i2,...,ip的端级159。