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CN110336446A - 电动直线电机 - Google Patents

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CN110336446A
CN110336446A CN201910236845.3A CN201910236845A CN110336446A CN 110336446 A CN110336446 A CN 110336446A CN 201910236845 A CN201910236845 A CN 201910236845A CN 110336446 A CN110336446 A CN 110336446A
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S.萨拉卡拉
M.索科洛夫
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Abstract

本发明涉及一种电动直线电机，控制装置，运输系统和方法。电动直线电机包括纵向定子梁(1)；至少一个动子(24,26)，其至少部分地围绕定子梁(1)并适于沿定子梁(24,26)移动；所述定子梁包括位于定子梁(1)的相对侧的至少两个侧面(6A，6B；6C，6D)，每个侧面(6A，6B；6C，6D)承载以节距(8')间隔开的铁磁极(8)，并且所述动子包括面向定子梁(1)的相应侧面(6A，6B；6C，6D)的至少两个配合面(7A，7B；7C，7D)。动子在至少一个所述配合面(7A，7B；7C，7D)中具有转子单元(2,3,4,5)，转子单元(2,3,4,5)具有布置成与定子梁(1)的相应侧面(6A，6B；6C，6D)的铁磁极(8)共同作用的至少一个绕组(74,76)和至少一个永磁体(71)。定子梁(1)的铁磁定子极(8)和动子(24,26)的转子单元用于产生推进力，以沿着定子梁(1)驱动动子(24,26)，并且用于产生吸引力，以在驱动的同时使动子(24,26)围绕定子梁(1)悬浮。

Description

电动直线电机
技术领域
本发明涉及一种具有带铁磁极的线性纵向定子的电动直线电机。电机具有动子，该动子包括电动机的转子部件，例如在本发明的情况下的绕组和永磁体。因此，动子与载荷接收部件一起行进以沿着直线定子移动形成直线电机。在现有技术的直线电机中，定子通常包括电机绕组和/或永磁体。这些电机的缺点是由于包括绕组和/或永磁体的直线定子非常昂贵，特别是如果考虑更长的轨道，例如更高的电梯竖井，其长度例如为50米或以上。此外，当已经用于中提升电梯时，这种直线定子的重量相当大。此外，轴中驱动所述直线电机所需的功率电子器件可能是复杂且昂贵的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电动直线电机，其制造相对便宜并且还适用于长移动路径。因此，还提供了一种用于控制电机的解决方案，以减少定子和动子之间的摩擦，而无需额外的部件。这意味着还提供了更有效(例如，由于减少的摩擦损失)，简单且可靠的直线电机和/或直线电机控制装置。
该目的通过根据权利要求1的电动直线电机，根据权利要求9的控制装置，根据权利要求11的运输系统和根据权利要求12的方法解决。本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。在说明书和附图中还示出了本发明的实施例。本发明的内容也可以由若干单独的发明组成，特别是如果根据明确或隐含的子任务或者就所实现的优点来考虑本发明。在这种情况下，从单独的发明构思的观点来看，以下权利要求中包含的一些属性可能是多余的。本发明的不同实施例的特征可以结合基本发明构思范围内的其他实施例来应用。
本发明的第一方面是一种电动直线电机，包括纵向定子梁和适于沿定子梁移动的至少一个动子。定子梁包括位于定子梁的相对侧的至少两个侧面，每个侧面承载以节距间隔开的铁磁极。动子包括面向定子梁的相应侧面的至少两个配合面。动子在至少一个所述配合面中具有至少一个转子单元，转子单元具有布置成与定子梁的相应侧面的铁磁极共同作用的至少一个绕组和至少一个永磁体。
根据优选实施例，动子在每个所述配合面中具有至少一个转子单元，转子单元具有布置成与定子梁的相应侧面的铁磁极共同作用的至少一个绕组和至少一个永磁体。根据实施例，动子在另一个配合面中具有永磁铁，但没有绕组。仅具有永磁体的配合面不被视为“转子单元”，因为在动子的行进方向上不会产生推进力。
术语“转子单元”意味着可独立控制的转子实体。因此，所述转子单元的绕组配置为通过诸如逆变器的单独的可控驱动单元来供电，使得可以独立地控制绕组的电流。直线电机根据本发明构造，以使得能够利用转子单元的绕组将气隙控制与行进方向上的运动控制互联，使得动子可以在沿着定子梁行进的同时围绕定子梁悬浮。
“位于定子梁的相对侧的至少两个侧面”的特征可以意味着所述至少两个侧面的表面法线都具有矢量分量，使得所述矢量分量在相反的方向上。因此，可以在至少两个转子单元和定子梁的相应侧面的铁磁极之间产生相反方向的吸引力分量，以实现动子相对于定子梁的气隙控制。
根据本发明，至少一个转子单元包括至少一个绕组和至少一个永磁体。优选地，至少一个转子单元包括永磁体和三相绕组。附加地或替代地，至少一个转子单元可包括单相绕组。根据一个实施例，每个转子单元包括至少一个永磁体和至少一个绕组。在优选实施例中，每个转子单元包括永磁体和电机绕组，最优选地是三相电机绕组。承载定子梁的铁磁极的侧面不具有任何永磁体，并且没有绕组。
因此，关于控制d轴和q轴电流分量，可以独立地控制每个所述转子单元。
这种类型的电机可以是定子安装的永磁(SMPM)电机，其中永磁体和绕组安装在动子上。一种合适的电机类型是磁通切换永磁(FSPM)电机。其他合适的电机类型可以是例如双凸极永磁(DSPM)电机和磁通反转永磁(FRPM)电机。
在替代实施例中，电机可以是混合励磁(HE)同步电机。
本发明的第二方面是根据本发明的第一方面的电动直线电机的控制装置。控制装置包括至少一个驱动单元，驱动单元配置为向动子的相应的至少一个转子单元供应电力。
根据优选实施例，控制装置包括驱动单元，驱动单元配置为分别向动子的相应转子单元供应电力，使得每个转子单元由单独的(至少一个)驱动单元供电。这可以意味着可以在定子梁的相对侧向转子单元的绕组提供可独立调节的控制电流，从而实现电机的气隙控制。根据一个实施例，驱动单元可以具有共同DC链路，以在转子单元之间共享再生功率(例如，制动功率)。
本发明的第三方面是一种运输系统，包括根据本发明的第一方面的电动直线电机和根据本发明的第二方面的控制装置。运输系统还包括移动负载接收部件，其联接到动子并且布置成借助于动子的推进力沿着由定子梁限定的轨迹行进。
运输系统可以是电梯系统，在这种情况下，负载接收部件可以是电梯轿厢，电梯轿厢吊索或相应的东西。负载接收部件可以配置成转移乘客和/或货物。替代地，运输系统可以是自动扶梯，在这种情况下，负载接收部件可以是自动扶梯梯级带或梯级带的一部分。替代地，运输系统可以是移动步道，在这种情况下，负载接收部件可以是移动带或移动带的一部分。替代地，运输系统可以是带式输送机，在这种情况下，负载接收部件可以是带式输送机的带。替代地，运输系统可以是车辆或火车，在这种情况下，负载接收部件可以是移动体或编组。
本发明的第四方面是一种利用根据本发明的第二方面的控制装置控制根据本发明的第一方面的电动直线电机的方法。该方法包括：获得铁磁极和面向所述铁磁极的至少一个转子单元的相互位置的位置信息(Xact)，所述位置信息在转子单元的行进方向(x)上获得；通过位置信息(Xact)表示所述至少一个转子单元的d，q坐标系，使得所述转子单元的d轴在铁磁极面向转子单元的方向上，并且q轴垂直于d轴；获得铁磁极与面向所述铁磁极的至少一个转子单元之间的气隙长度信息(Yact)；以及借助于至少一个驱动单元将d轴电流分量提供给至少一个转子单元的至少一个绕组，以将气隙的长度朝向给定的参考值(Yref)调节，其中基于气隙参考值(Yref)和获得的气隙长度信息(Yact)之间的差值建立d轴电流分量。
在优选实施例中，至少一个转子单元具有绕组和永磁铁。该方法包括借助于至少一个驱动单元将d轴电流分量提供给至少一个转子单元的绕组，以将气隙的长度朝向给定的参考值(Yref)调节。
根据优选实施例，该方法包括：获得铁磁极和面向所述铁磁极的转子单元的相互位置的位置信息，所述位置信息在转子单元的行进方向上获得；通过位置信息表示所述转子单元的d，q坐标系，使得每个转子单元的d轴在铁磁极面向转子单元的方向上，并且q轴垂直于d轴(即电机的电角度为90度)；获得铁磁极与面向铁磁极的转子单元之间的气隙长度信息；以及借助于驱动单元将单独的d轴电流分量提供给在定子梁的相对侧处的转子单元，以将气隙的长度朝向给定的参考值调节，其中基于气隙参考值和获得的气隙长度信息之间的差值建立单独的d轴电流分量。
短语“获得铁磁极和面向所述铁磁极的转子单元的相互位置的位置信息”意味着可以用合适的传感器测量所述位置，或者，替代地或另外地，可以例如从转子单元的绕组的电流和电压估计所述位置，以获得铁磁极相对于绕组的位置。
短语“在相应的转子单元的行进方向上的铁磁极和面对的转子单元之间的相互位置”表示在转子单元的预期行进方向上，即在其中转子单元的配合面沿定子梁的侧面行进的纵向上测量的相互位置。
根据一个实施例，动子在至少一个配合面中具有在行进方向上连续布置的至少两个转子单元，每个所述转子单元具有布置成与面向所述转子单元的侧面的铁磁极共同作用的至少一个绕组和至少一个永磁体。
根据一种改进，在定子梁的相对侧处的铁磁极以及转子单元在定子梁的横向方向上对称地布置在相同的水平处，使得转子单元和定子梁之间的吸引力分量在定子梁的横向方向上存在于同一水平上。
根据一个实施例，定子梁包括两个两个地位于定子梁的相对侧处的至少四个侧面，使得四个侧面基本上覆盖定子梁的周边，每个侧面承载以节距间隔开的铁磁极。动子包括面向定子梁的相应侧面的至少四个配合面。动子在每个所述配合面中具有至少一个优选至少两个转子单元，转子单元具有布置成与定子梁的相应侧面的铁磁极共同作用的至少一个绕组和至少一个永磁体。这可以意味着在利用直线电机悬浮的同时可以提供增大的推进力。
根据一个实施例，铁磁极是设置在铁磁定子杆的侧面上的齿，这些齿通过齿隙间隔开。承载定子梁的铁磁极的侧面不具有任何永磁体，并且没有绕组。因此定子便宜且易于制造，安装和维护。
根据一个实施例，动子在至少一个，优选地在每个所述配合面中具有在行进方向上连续布置的至少两个转子单元，每个所述转子单元具有布置成与定子梁的相应侧面的铁磁极共同作用的至少一个绕组和至少一个永磁体。这可以意味着借助于转子单元可以在不同位置处提供至少两个单独的力分量，使得当用直线电机同时悬浮和驱动时，可以拉直气隙的倾斜以保持定子梁和动子分离。
根据一个实施例，至少一个所述转子单元包含至少两个转子，转子具有串联或并联连接的绕组。这可以意味着，在转子单元内，可以在气隙方向(用于动子的悬浮控制的吸引力)和行进方向(用于动子的速度控制的推进力)上提供更均匀的力分布。在一个改进中，每个所述转子单元包含至少两个转子，转子具有串联或并联连接的绕组，以提供甚至更均匀的力分布。
根据一个实施例，电动直线电机包括适于沿同一定子梁移动的至少两个动子，并且运输系统包括至少两个可独立移动的负载接收部件，每个部件联接到不同的动子。这可以意味着多个可独立移动的负载接收部件可以沿着相同的轨迹移动，例如多轿厢电梯系统的多个轿厢。
根据一个实施例，运输系统包括两个平行的定子梁和适于沿不同的定子梁移动的至少两个动子，并且其中每个负载接收部件联接到所述至少两个动子。因此，可以增加运输系统的推进力，并且也可以增加负载接收部件的负载能力。
根据一个实施例，相同定子梁的至少两个动子联接到相同的负载接收部件。这也可以意味着可以增加负载接收部件的推进力/负载能力并因此增加运输系统的推进力/负载能力。当将该实施例与前一实施例组合时，可以进一步增加推进力和/或负载能力。
根据一个实施例，动子在每个所述配合面中具有在行进方向上连续布置的至少两个转子单元，每个所述转子单元具有布置成与定子梁的相应侧面的铁磁极共同作用的至少一个绕组和至少一个永磁体。控制装置包括驱动单元，其配置成分别向相同的配合面的相应转子单元供电，该方法包括：借助于驱动单元将单独的d轴电流分量提供给相同的配合面的转子单元，以拉直气隙的倾斜，基于气隙参考值和气隙长度信息之间的差值建立单独的d轴电流分量。这可以意味着借助于转子单元可以在定子梁的相同侧上的不同位置处提供至少两个单独的吸引力分量，使得当用直线电机悬浮并同时驱动时，可以拉直气隙的倾斜以保持定子梁和动子分离。
根据一个实施例，该方法包括：获得动子的行进位置信息和/或行进速度信息，并且基于行进位置参考和获得的行进位置信息之间和/或行进速度参考和获得的行进速度信息之间的差值，利用一个或多个驱动单元向一个或多个转子单元的一个或多个绕组供给q轴电流分量，以调节行进位置和/或朝向所述位置的速度和/或速度参考。术语“动子的行进位置信息”是指动子行进方向上的位置信息，在该行进方向上动子沿定子梁行进。因此，术语“动子的行进速度信息”是指动子的行进方向上的速度信息，在该行进方向上动子沿着定子梁行进。与其中基于共同电流参考的共同q轴电流分量已被用于调节推进力/速度的现有技术的控制系统相反，通过对根据实施例的单独驱动单元使用单独的q轴电流分量/电流参考，可以更好地适应单独驱动单元的不同物理条件(例如不同的气隙长度)，以在不同的驱动单元之间保持更均匀的推进力，从而更准确和舒适地控制动子的速度。
根据一个实施例，该方法包括基于动子的行进位置参考和行进位置之间的差值来计算行进速度参考。
根据一种改进，该方法包括：当响应于气隙长度信息，行进位置信息和行进速度信息的变化，改变转子单元的d轴电流分量和q轴电流分量中的至少一个时，同时向d轴电流分量和q轴电流分量中的另一个提供校正项，以补偿变化对动子的吸引力和/或推进力的影响。
根据一种改进，该方法包括：基于动子的行进位置参考与获得的行进位置信息之间的和/或行进速度参考与获得的行进速度信息之间的差值来计算推进力参考值；至少基于气隙参考值和气隙长度信息之间的差值来计算吸引力参考值；以及响应于转子单元的气隙长度信息，推进力参考值和吸引力参考值中的至少一个的变化，改变转子单元的d轴电流分量和q轴电流分量中的至少一个。
本发明的电机，装置和控制方法具有由于优化的电流消耗而减少损耗以及由于悬浮而使摩擦最小化的优点。由于减小了推进力波动，进一步的优点是提高了乘坐舒适性。因此，直线电机非常适合于高电梯，特别是用于高度50米以上，优选100米以上的电梯。因此，这种直线电机概念适用于任何高层应用，因为该解决方案不需要任何电梯绳索或配重，由于相关的重量，这些电梯绳索或配重是高层电梯设计的障碍。当然，直线电机也可用于具有长运动轨迹的其他应用，例如，自动扶梯，移动人行道，移动坡道，火车和倾斜电梯。
优选地，动子还具有电源，例如电池或蓄电池，其优选地也被配置为用于动子的备用电源。备用功率优选地设计用于与动子连接的电机的电磁功率元件，例如绕组或永久磁铁。因此，利用该电源，可以供给动子的所有电负载。在电梯轿厢的情况下，这些负载也是照明，通风，门驱动以及电梯轿厢的任何IO设备，例如汽车显示板，扬声器，显示器等。此外，与任何类型的输送机控制的无线数据连接的功率可以用电源提供。根据一个实施例，电池/蓄电池可以连接到与相同的负载接收部件(例如电梯轿厢)相关联的所有驱动单元的共同DC链路。电池可以直接或通过电源中断开关联接到DC链路，和/或电池和DC链路之间可以存在电压转换器以实现电池/DC链路之间的电压差。
优选地，从轴到动子的电源供应通过耦合线圈原理无线地实现，其中初级线圈安装到环境或定子梁，而次级线圈与轿厢一起移动。当动子到达某个位置时，初级和次级耦合，并且功率从初级到次级馈送到安装到动子的电池。初级线圈可以位于每个停靠楼层中。
与本发明有关的术语“悬浮”意味着通过一个或多个转子单元的电流调节保持侧面和相应的配合面之间的气隙。然而，在本发明的范围内，还可以使用一些附加的引导元件来为动子提供相对于定子梁的辅助引导。另一方面，在许多实施例中，可以在没有任何附加引导元件的情况下实现悬浮。
以下表述用作同义词：元件-要移动的元件-电梯轿厢；环境-电梯竖井-自动扶梯轨道；定子磁极-定子齿；在一个实施例中，转子单元的绕组可以仅为一个线圈的形式。
对于本领域技术人员显而易见的是，根据需要，与本发明有关的组件可以单倍或多倍提供。例如，一个定子梁可以与位于要移动的元件处一个在另一个上方的三个定子共同作用。此外，两个定子梁可以位于环境的壁上，或者甚至两个以上的定子梁，例如三个或四个定子梁。
附图说明
现在在下文中参考附图描述本发明。在附图中，
图1示出了根据一个实施例的电动直线电机的侧视图
图2A示出了图1的定子梁和动子的横截面，
图2B示出了另一种改型的图1的定子梁和动子的横截面，
图2C示出了根据本发明的实施例的定子梁和动子的横截面，
图2D示出了根据本发明的实施例的定子梁和动子的横截面的细节，
图3示出了根据一个实施例的切换永磁电机(FSPM)的功能的示意图，
图4示意性地示出了根据一个实施例的控制系统，
图5示出了根据一个实施例的多轿厢电梯系统的侧视图，
图6示出了图5的电梯轿厢与竖井壁之间的区域中的导轨和电梯电机的部件的水平横截面。
图7示出了根据一个实施例的电动直线电机的侧视图。
具体实施方式
需要强调的是，在所有附图中，相同的部件或具有相同功能的部件由相同的附图标记表示。
图1示出了电动直线电机的侧视图。为了便于理解该事项，在图1中仅示出了电机的两个相对的侧面6A，6B和相应的配合面7A，7B。直线电机包括纵向定子梁1和围绕定子梁1的动子24,26。定子梁1具有四个侧面6A，6B，6C，6D，如图2A和图2B所示。侧面在定子梁1的相对侧两个两个地定位，使得四个侧面6A，6B；6C，6D基本上覆盖定子梁1的周边。每个侧面承载铁磁极8，即铁磁齿，以节距8’例如齿8之间的间隙或槽间隔开。
动子24,26包括面向定子梁1的相应的侧面6A，6B；6C，6D的四个配合面7A，7B；7C，7D。
动子在每个所述配合面7A，7B；7C，7D中具有转子单元2,3,4,5；2’，3’，4’，5’。电机可以是如图3所示的磁通切换永磁电机。所有永磁体和三相电机绕组都在转子单元2,3,4,5中。在图3的实施例中，铁磁极8是设置在铁磁定子杆50的侧面6A，6B；6C，6D上的齿，所述定子杆50嵌入定子梁的相应侧面中。
电机的定子侧非常简单，因为承载铁磁极8的定子梁的侧面6A，6B；6C，6D不具有任何永磁体，也没有绕组。当定子梁1变长以延伸动子24,26的移动范围时，这种简单性是累积的。当动子24,26沿定子梁1行进时，在侧面6A，6B，6C，6D与配合面7A，7B，7C，7D之间存在气隙15。该空气间隙15以悬浮的非接触方式保持。转子单元的绕组74,76和永磁体71布置成与定子梁1的相应侧面6A，6B；6C，6D的铁磁极8共同作用，以产生沿着由定子梁1限定的轨迹悬浮和驱动动子24,26所需的力分量。
表述“位于定子梁1的相对侧的至少两个侧面6A，6B，6C，6D”意味着所述至少两个侧面(n1,n2,n3，见图2C)的表面法线都具有矢量分量，使得所述矢量分量在相反的方向上。因此，当在所述转子单元2,3,4,5和各个侧面6A，6B；6C，6D之间产生吸引力时，所产生的吸引力具有相对于彼此的相反方向的矢量分量，以能够调节平行于图1的y方向的气隙长度，并因此能够调节动子的悬浮。
此外，在一些实施例中，可能需要控制动子24,26围绕定子梁的纵向轴线(平行于图1的方向x)的转动。为了实现这一点，定子和动子可以设计成使得围绕定子梁1产生旋转扭矩。因此，如图2D所示，相对的侧面6A，6B中的至少一些可以彼此相对倾斜，即，围绕定子梁的纵向轴线从平行方向倾斜。当然，动子的各个配合面7A，7B必须以相同的方式倾斜以面向侧面6A，6B。如图2C所示，侧面6A，6B，6C和相应的配合面7A，7B，7C中的至少一些可以是弯曲的。如图2B的变型所示，侧面6A，6B，6C，6D(以及相应的配合面7A，7B，7C，7D)可以形成平行四边形。此变型还可以使得能够在定子梁1周围产生旋转扭矩。
动子框架25可以由任何合适的刚性的，优选轻质材料制成，例如玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料或铝。
如图1所示，动子24,26在每个配合面7A，7B中具有在平行于图1中的方向x的行进方向上连续排列的两个转子单元2，3；4，5。需要两个连续的转子单元来拉直气隙15的倾斜。每个转子单元都配有其自己的逆变器9,10,11,12。在一个替代实施例中，动子24,26在每个配合面7A，7B中具有在行进方向上连续布置的三个转子单元，并且每个转子单元都配有其自己的逆变器。在一些其他实施例中，每个配合面可以存在甚至多于三个转子单元/逆变器以供应它们。在另一个实施例中，如图7所示，动子24,26在一个配合面7A中具有在行进方向上连续布置的两个转子单元2,3，而在定子梁1的相对侧处的另一配合面7B仅具有一个较长的转子单元4。每个转子单元2,3,4具有逆变器9,10,11。而且，这种解决方案可以足以通过控制转子单元来拉直气隙15的倾斜。此外，为了实现均匀的力分布，每个转子单元具有带有绕组的两个(或甚至多于两个)共同控制的转子2A，2B；3A，3B；4A，4B；5A，5B。为了实现共同控制，相同转子单元的不同转子的绕组串联或并联连接以供应有相同的逆变器9,10,11,12。
图4描绘了用于控制图1的直线电机的悬浮和行进的控制架构。控制架构示出了在每个逆变器9,10,11,12的处理单元的控制软件中实现的控制元件。
根据图4，每个逆变器9,10,11,12接收由相应的逆变器控制的转子单元的三相绕组的相互位置的位置信息Xact，以及与所述三相绕组相对/共同作用的铁磁极。借助于一个或多个位置传感器16A，16B，16C，16D，在平行于图1中的方向x的行进方向上测量相互位置Xact，位置传感器可以是例如霍尔传感器或电感式接近传感器。每个逆变器9,10,11,12控制转子绕组在其自身的d，q坐标系中的电流供应。d，q坐标系借助于位置信息Xact与定子梁的面向转子绕组的铁磁极的位置同步。d轴参考铁磁极8的方向，使得它在共同作用的铁磁极的中心线的方向上。该方向可以与定子齿的中心线相同(见图3)；另一方面，它也可能与此不同，例如，由于定子齿饱和。d轴方向也可以另外定义：例如，处于其中转子单元的R相的磁链具有其最大值的位置。
每个逆变器9,10,11,12还接收在承载铁磁极8的侧面6A，6B和包含转子单元2,3,4,5的配合面7A，7B之间的气隙长度信息(Yact)。气隙长度信息(Yact)可以从传感器16A，16B，16C，16D接收，或者附加地或替代地从单独的气隙传感器接收，例如涡流传感器，其可以设置在与传感器16A，16B，16C，16D相同的位置，或者可以代替传感器16A，16B，16C，16D中的一个或多个。为了测量气隙长度以及定子梁1的纵向方向上的气隙倾斜，例如在动子的相对侧的相对端处需要至少两个传感器，例如在图1的传感器位置16A和16D处。
此外，为了测量动子24,26围绕定子梁的纵向轴线的转动，可以在气隙15的横向方向上设置两个平行的气隙传感器16,16'，如图2D所示。
气隙的参考值Yref存储在逆变器9,10,11,12的处理单元中。气隙控制器40计算气隙参考值Yref和气隙长度信息Yact之间的差值，并产生吸引力参考值Fyref，例如平行于图1的y方向的力分量，以将气隙长度Yact朝向参考值Yref调节。气隙控制器40是状态控制器，其使用观察器42在吸引力估计Fyref的作用下获得动子24,26质量的模拟位置y和速度y'(在图1的y轴方向上)。
在第一实施例中，控制定子梁两相对侧的转子单元的逆变器的气隙控制器40用于调节气隙长度。在第二替换实施例中，在定子梁的一侧上，吸引力参考值Fyref保持恒定，并且气隙控制器仅用于与定子梁的另一侧的转子单元连接以调节吸引力参考值Fyref。这意味着一侧的一个或多个转子单元提供恒定的吸引力，气隙控制器在定子梁的另一侧作用该吸引力。在另一替代方案中，没有使用逆变器/电机绕组来产生恒定的吸引力Fyref，而是在定子梁的一侧，配合面的转子单元仅用永磁体代替，这些永磁体产生朝向定子梁的侧面的吸引力。在定子梁的另一侧，带有绕组的转子单元由逆变器的气隙控制器控制，以抵抗所述永磁体的吸引力。通过该解决方案，仅具有永磁体的那些配合面不需要电机绕组/逆变器。
此外，共用动子的逆变器9,10,11,12中的至少一个接收动子的行进位置信息xact和行进速度信息vact。在此，行程位置信息xact和行进速度信息是指动子在与图1的x轴方向平行的方向上的位置/速度信息。在当前实施例中，相同的位置信息xact用于限定转子单元和相应的铁磁极之间的相互位置，以使驱动单元/逆变器的d，q轴与所述铁磁极8同步。该信息还用于控制动子沿定子梁1的位置xact/速度vact。在该实施例中，从一个或多个传感器16A，16B，16C，16D接收行进位置信息xact，但是可替代地，可以使用单独的传感器。行进速度信息vact可以从单独的速度传感器(例如编码器或转速计)接收，或者它可以从行进位置信息xact的及时变化(例如行进位置信息的时间导数)获得，在这个实施例中是这样的。共用动子的一个逆变器用作主设备，其在动子的行进方向上执行位置/速度控制并输出推进力参考值Fxref(即，平行于图1的x轴方向的参考力分量)到其他逆变器9,10,11,12。然后，共用动子的其他逆变器用作从设备，其不执行位置/速度控制而仅执行推进力控制。如果两个或多个动子联接到共同的负载接收装置，例如共同电梯轿厢，则也可能只有一个动子的一个逆变器用作主设备而所有其他逆变器/动子用作从设备，以避免位置/速度控制器的干扰。
回到图4，主逆变器9,10,11,12的处理单元计算行进位置参考值xref，以建立受控动子的预期运动轮廓。位置控制器44根据在动子行进方向x上的行进位置参考值xref与动子的行进位置xact之间的差值计算行进速度参考值vref。速度控制器45根据行进速度参考值vref和行进速度信息vact之间的差值计算推进力参考值Fxref。
推进力参考值Fxref，吸引力参考值Fyref和气隙长度信息Yact被输入到磁模型43中，其计算转子绕组的d轴和q轴电流参考分量Idref，Iqref。在从逆变器的情况下，每个从逆变器借助于气隙长度信息Yact计算其自身的吸引力参考值Fyref，但是从主逆变器接收推进力参考值Fxref。利用这些参考值以及来自气隙传感器16A，16B的气隙长度信息，从逆变器利用磁模型43计算d轴和q轴电流分量参考值。
磁模型可以包括算法，其表示电机的吸引力和推进力如何取决于d轴和q轴电流以及气隙长度。该表示可以基于以下电机方程：
其中id和iq表示d，q坐标系中的电流分量，ad0,add,adq,aq0,aqq,adq,bdm,bd,bq,cσ,fσ,ψr,,S,T,U,V是电机特定常数。它们是基于磁阻导出的，这取决于电机的几何形状。ψd和ψq是电机磁链的d和q轴分量，τ是电机的极距(2π)，y是转子和定子之间的气隙长度，Fx是推进力参考值，Fy是吸引力参考值。
鉴于上述方程，Fx可以表示为仅取决于磁链和气隙长度y：
Fx(ψd，ψq，y)
Fy也可以表示为仅取决于磁链和气隙长度y：
Fy(ψd，ψq，y)
因此，当从速度控制器45和气隙控制器40接收到推进力Fxref和吸引力Fyref的(参考)值时，可以通过表示(3)和(4)求解磁链分量ψd和ψq。然后可以借助于磁链分量ψd和ψq利用方程(1)和(2)计算参考电流值Idref，Iqref。
替代地或另外地，磁模型43可包括表，其具有通过推进力参考值Fxref，吸引力参考值Fyref和气隙长度信息Yact存储和索引的d轴和q轴电流分量。为了获得d，q轴电流参考分量的更准确值，可以在表的存储值之间使用插值。表值也可以通过模拟确定，例如通过使用有限元法(FEM)。
在磁模型43中，当转子单元2,3,4,5的气隙长度信息Yact，推进力参考值Fxref和吸引力参考值Fyref中的至少一个发生变化时，改变电机绕组的d轴电流参考分量Idref和q轴电流参考分量Iqref中的至少一个。因此，磁模型43可以加速转子单元适应并且因此加速动子适应可变的操作条件，使得动子24,26的操作更加稳定和响应积极。
d轴和q轴电流分量参考值Idref，Iqref被传送到电流控制器41，电流控制器41基于d和q轴电流参考值Idref，Iqref和测量的d轴和q轴电流分量Id，Iq之间的差来计算转子单元的绕组的d轴和q轴电压参考值Ud，Uq。从d，q坐标系到三相电压分量UR，US，UT的转换，以及从三相电流测量iR，iS，iT到d，q轴分量值Id，Iq的转换以Park和Clarke转换发生，这些转换本身是已知的。为了同步d，q坐标系，行进位置信息Xact如上所述使用。
转子单元的三相电压分量UR,US,UT被传送到逆变器的状态矢量PWM调制器46(脉冲宽度调制器)，其产生用于控制逆变器功率级的固态开关的控制脉冲以引入调制的三相电压分量到转子单元的绕组。这些固态开关可以是例如igbt-晶体管，mosfet-晶体管，碳化硅晶体管和/或氮化镓晶体管。
在替代实施例中，可以利用简化的控制架构实现适当的性能水平，其中主逆变器的速度控制器45直接将q轴电流参考分量Iqref输出到从逆变器。每个从逆变器借助于气隙控制器40产生其自身的d轴电流参考分量Idref。然后将这些d，q电流参考分量Idref，Iqref直接传送到电流控制器41，从而避免使用磁模型43，即绕过它。这可以降低动子24,26的悬浮/速度控制所需的处理能力。
代替用作主设备的一个逆变器9,10,11,12，可以使用单独的主控制单元，其可以执行用于一个或多个逆变器9,10,11,12的气隙控制器40，位置控制器44和速度控制器45中的至少一个的功能，并输出所需的参考值到逆变器9,10,11,12，以控制对转子单元的电流供应。
图5示出了根据本发明第三方面的实施例的多轿厢电梯系统。电梯系统包括多个电梯轿厢16，每个电梯轿厢16借助于动子24,26耦合到平行定子梁1,1'(参见图6)。轿厢在两个平行的电梯竖井17内进行圆周运动。每个轿厢安装四个动子24,26，每个定子梁1,1'安装两个。直线电机类似于上述实施例中公开的那些，因此每个轿厢有32个转子单元，每个轿厢有32个逆变器。同一轿厢16的所有逆变器都连接到共同DC链路，使得从一个逆变器返回到DC链路的再生能量可以与其他逆变器共享/提供给其他逆变器。每个轿厢16具有电池，该电池连接到共同DC链路。
本发明可以在所附权利要求的范围内实施。因此，不应将上述实施例理解为限制本发明。

Claims (18)

1.一种电动直线电机，包括
纵向定子梁(1)；
至少一个动子(24,26)，其适于沿定子梁(24,26)移动；
所述定子梁包括位于定子梁(1)的相对侧的至少两个侧面(6A，6B；6C，6D)，每个侧面(6A，6B；6C，6D)承载以节距(8')间隔开的铁磁极(8)，
并且所述动子包括面向定子梁(1)的相应侧面(6A，6B；6C，6D)的至少两个配合面(7A，7B；7C，7D)，
其特征在于，动子在至少一个所述配合面(7A，7B；7C，7D)中具有至少一个转子单元(2,3,4,5)，转子单元(2,3,4,5)具有布置成与定子梁(1)的相应侧面(6A，6B；6C，6D)的铁磁极(8)共同作用的至少一个绕组(74,76)和至少一个永磁体(71)。
2.根据权利要求1所述的电动直线电机，其中，动子在每个所述配合面(7A，7B；7C，7D)中具有至少一个转子单元(2,3,4,5)，转子单元(2,3,4,5)具有布置成与定子梁(1)的相应侧面(6A，6B；6C，6D)的铁磁极(8)共同作用的至少一个绕组(74,76)和至少一个永磁体(71)。
3.根据权利要求1或2所述的电动直线电机，其中，定子梁(1)包括至少四个侧面(6A，6B；6C，6D)，其两个两个地位于定子梁(1)的两个相对侧，使得四个侧面(6A，6B；6C，6D)基本上覆盖定子梁(1)的周边，每个侧面承载以节距(8')间隔开的铁磁极(8)，
并且其中，动子(24,26)包括面向定子梁(1)的相应侧面(6A，6B；6C，6D)的至少四个配合面(7A，7B；7C，7D)，
并且其中，动子在每个所述配合面(7A，7B；7C，7D)中具有至少一个转子单元(2,3,4,5；2'，3'，4'，5')，转子单元具有置成与定子梁(1)的相应侧面(6A，6B；6C，6D)的铁磁极(8)共同作用的至少一个绕组(74,76)和至少一个永磁体(71)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电动直线电机，其中，铁磁极(8)是设置在铁磁定子杆(50)的侧面(6A，6B；6C，6D)上的齿，所述齿(8)由齿隙(8')间隔开。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电动直线电机，其中，承载定子梁的铁磁极(8)的侧面(6A，6B；6C，6D)不具有任何永磁体，并且没有绕组。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电动直线电机，其中，每个所述转子单元(2,3,4,5；2'，3'，4'，5')包括永磁体(71)以及电机绕组(74,76)，优选为三相电机绕组。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电动直线电机，其中，动子(24,26)在每个所述配合面(7A，7B；7C，7D)中具有在行进方向上连续布置的至少两个转子单元(2,3；4,5)，每个所述转子单元具有布置成与定子梁的相应侧面(6A，6B；6C，6D)的铁磁极(8)共同作用的至少一个绕组(74,76)和至少一个永磁体(71)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电动直线电机，其中，每个所述转子单元(2,3；4,5)包括至少两个转子(2A，2B；3A，3B；4A，4B；5A，5B)，转子具有串联或并联连接的绕组(74,76)。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的电动直线电机的控制装置，其中，所述控制装置包括至少一个驱动单元(9,10,11,12)，其配置成向动子(24,26)的相应的至少一个转子单元(2,3,4,5)供应电力。
10.根据权利要求9所述的控制装置，其中，控制装置包括驱动单元(9,10,11,12)，其配置成分别向动子(24,26)的相应转子单元(2,3,4,5)供应电力，使得每个转子单元(2，3,4,5)由单独的驱动单元(9,10,11,12)供电。
11.一种运输系统，包括根据权利要求1-8中任一项所述的电动直线电机，以及根据权利要求9或10所述的控制装置，所述运输系统还包括：
移动负载接收部件(16)，其联接到动子(24,26)并且布置成借助于动子(24,26)的推进力沿着由定子梁(1)限定的轨迹行进。
12.一种利用根据权利要求9或10所述的控制装置控制根据权利要求1-8中任一项所述的电动直线电机的方法，所述方法包括：
-获得铁磁极(8)和面向所述铁磁极(8)的至少一个转子单元(2,3,4,5)的相互位置的位置信息(Xact)，所述位置信息在转子单元(2,3,4,5)的行进方向(x)上获得
-通过位置信息(Xact)表示所述至少一个转子单元(2,3,4,5)的d，q坐标系，使得所述转子单元的d轴在铁磁极(8)面向转子单元的方向上，并且q轴垂直于d轴
-获得铁磁极(8)与面向所述铁磁极(8)的至少一个转子单元(2,3,4,5)之间的气隙长度信息(Yact)
-借助于至少一个驱动单元(9,10,11,12)将d轴电流分量提供给至少一个转子单元(2,3,4,5)的至少一个绕组，以将气隙的长度朝向给定的参考值(Yref)调节，其中基于气隙参考值(Yref)和获得的气隙长度信息(Yact)之间的差值建立d轴电流分量。
13.根据权利要求12所述的方法，包括：
-获得位于定子梁(1)的相对侧的铁磁极(8)和面向所述铁磁极(8)的转子单元(2,3,4,5)的相互位置的位置信息(Xact)，所述位置信息在转子单元(2,3,4,5)的行进方向(x)上获得
-通过位置信息(Xact)表示所述转子单元(2,3,4,5)的d，q坐标系，使得每个所述转子单元的d轴在铁磁极(8)面向转子单元的方向上，并且q轴垂直于d轴
-获得铁磁极(8)与面向所述铁磁极(8)的转子单元(2,3,4,5)之间的气隙长度信息(Yact)
-借助于驱动单元(9,10,11,12)将单独的d轴电流分量提供给定子梁(1)的相对侧处的转子单元(2,3,4,5)的绕组，以将气隙的长度朝向给定的参考值(Yref)调节，其中基于气隙参考值(Yref)和获得的气隙长度信息(Yact)之间的差值建立单独的d轴电流分量。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，动子(24,26)在至少一个所述配合面中具有在行进方向上连续布置的至少两个转子单元(2,3；4,5)，每个所述转子单元(2,3；4,5)具有布置成与定子梁的相应侧面(6A，6B)的铁磁极(8)共同作用的至少一个绕组(74,76)和至少一个永磁体(71)。
并且其中控制装置包括驱动单元(9,10,11,12)，其配置成分别向相同的配合面(7A，7B)的相应转子单元(2,3,4,5)供电，
所述方法包括：
-借助于驱动单元(9,10,11,12)将单独的d轴电流分量提供给相同的配合面(7A，7B)的转子单元(2,3；4,5)的绕组，以拉直气隙(15)的倾斜，基于气隙参考值(Yref)和气隙长度信息(Yact)之间的差值建立单独的d轴电流分量。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，包括：
-获得动子(24,26)的行进位置信息和/或行进速度信息
-基于行进位置参考(xref)和获得的行进位置信息(xact)之间和/或行进速度参考(vref)和获得的行进速度信息(vact)之间的差值，利用至少一个驱动单元(9,10,11,12)向至少一个转子单元(2,3,4,5)的至少一个绕组供给q轴电流分量，以调节行进位置和/或朝向所述位置的速度和/或速度参考(xref，vref)。
16.根据权利要求15所述的方法，包括：
-基于行进位置参考(xref)和获得的行进位置信息(xact)之间和/或行进速度参考(vref)和获得的行进速度信息(vact)之间的差值，利用驱动单元(9,10,11,12)向转子单元(2,3,4,5)的绕组供给单独的q轴电流分量，以调节行进位置和/或朝向所述位置的速度和/或速度参考(xref，vref)。
17.根据权利要求12-16中任一项所述的方法，包括：
-响应于行进位置信息xact，行进速度信息(vact)和气隙长度信息(Yact)中的至少一个的变化，改变转子单元(2,3,4,5)的d轴电流分量(id)和q轴电流分量(iq)中的至少一个
-当改变d轴电流分量(id)和q轴电流分量(iq)中的至少一个时，同时向d轴电流分量(id)和q轴电流分量(iq)中的另一个提供校正项，以补偿变化对动子的吸引力和/或推进力的影响。
18.根据权利要求12-17中任一项所述的方法，包括：
-基于动子的行进位置参考(xref)与获得的行进位置信息(xact)之间的和/或行进速度参考(vref)与所获得的行进速度信息(vact)之间的差值来计算推进力参考值(Fxref)
-至少基于气隙参考值(Yref)和气隙长度信息(Yact)之间的差值来计算吸引力参考值(Fyref)
-响应于转子单元(2,3,4,5)的气隙长度信息(Yact)，推进力参考值(Fxref)和吸引力参考值(Fyref)中的至少一个的变化，改变转子单元(2,3,4,5)的d轴电流分量(id)和q轴电流分量(iq)中的至少一个。
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