CN102255469B - 带冷却结构的无铁心永磁直线电机及其绕组线圈的制作模具与绕组线圈加工工艺 - Google Patents

Abstract

带冷却结构的无铁心永磁直线电机及其绕组线圈的制作模具与绕组线圈加工工艺，属于直线电机技术领域。它解决了无铁心永磁直线电机的散热问题。带冷却结构的无铁心永磁直线电机，它的定子呈镜像对称设置在动子的两侧，动子包括电枢绕组和冷却管路，冷却管路由上管路、下管路和两个连接件组成，上管路穿过电枢绕组的上端部形成的圆弧形通孔，下管路穿过电枢绕组的下端部形成的圆弧形通孔；上述带冷却结构的无铁心永磁直线电机的绕组线圈的制作模具，由两个绕组固型件、线圈错位活动件和两个垫板组成；采用上述绕组线圈的制作模具制作绕组线圈的加工工艺，实现了绕组线圈的上下层线圈边错位，保持绕组不散架。本发明适用于无铁心永磁直线电机。

Description

带冷却结构的无铁心永磁直线电机及其绕组线圈的制作模具与绕组线圈加工工艺

技术领域

本发明涉及一种带冷却结构的无铁心永磁直线电机及其绕组线圈的制作模具与绕组线圈加工工艺，属于直线电机技术领域。

背景技术

无铁心永磁直线同步电机广泛应用于高速高精度的中小型数控机床、电子制造行业及微纳技术制造等领域，它能够实现高的定位精度和系统分辨率。通常无铁心直线电机的热阻较大，它的绕组铜耗产生的热量通过热传递散发到外界系统。在超精密机床加工以及微纳技术制造领域，热膨胀会对电机本身及整个系统的准确度造成不利的影响。在直线电机的初级绕组内部加入冷却结构，能有效地提高电机的散热特性，但是初级绕组内部加入冷却结构必然会增大气隙长度，电机推力将会明显地降低。同时，冷却结构采用的金属冷却管在电场中产生的涡流，又影响电机的推力平稳性。

专利号为US2005012404A1的美国专利提出了一种冷却型无铁芯直线电机，它的动子线圈内设置有由冷却管组构成的冷却结构，由于增大了气隙，必然会减少气隙磁密及推力，同时，冷却管在电场中产生涡流，影响了电机的推力平稳性和超精密加工系统的工作精度。

发明内容

本发明是为了解决无铁心永磁直线电机的散热问题，提供一种带冷却结构的无铁心永磁直线电机及其绕组线圈的制作模具与绕组线圈加工工艺。

本发明所述带冷却结构的无铁心永磁直线电机，它包括双边结构的定子和动子，定子呈镜像对称设置在动子的两侧，定子包括定子铁轭和NS级交错排列的永磁体，定子和动子之间形成气隙，

动子包括电枢绕组和冷却管路，电枢绕组为双层的非重叠分数槽集中绕组，电枢绕组的上端部和下端部呈圆弧形，电枢绕组的上端部和下端部均形成沿运动方向的圆弧形通孔，电枢绕组沿垂直于运动方向的横截面呈工字形，

冷却管路由上管路、下管路和两个连接件组成，上管路穿过电枢绕组的上端部形成的圆弧形通孔，下管路穿过电枢绕组的下端部形成的圆弧形通孔，上管路的一端为冷却液出口，下管路的一端为冷却液入口，两个连接件分别位于电枢绕组的两侧，两个连接件均与上管路和下管路连接，并且使所述上管路和下管路的内部连通，

电枢绕组与冷却管路通过环氧树脂灌封成型。

本发明所述的上述带冷却结构的无铁心永磁直线电机的绕组线圈的制作模具，所述制作模具由两个绕组固型件、线圈错位活动件和两个垫板组成，

绕组固型件由光滑板和两个档板组成，光滑板的两侧端部分别固定设置一个档板，两个档板与光滑板的外表面形成凹槽，

线圈错位活动件由两个支撑板和四个丝杠组成，两个支撑板正对平行放置，两个支撑板的上端面和下端面分别通过两个丝杠铰接，位于同一支撑板的同一个端面上的两个丝杠相互平行设置，每根丝杠均与支撑板相垂直，

两个绕组固型件对称设置于两个支撑板的外侧，并且绕组固型件位于支撑板的中间位置，光滑板与支撑板通过螺钉相连接，每个光滑板与支撑板之间夹固一个垫板，垫板与光滑板的接触面为绕组固型件的非凹槽表面。

本发明所述采用上述绕组线圈的制作模具制作绕组线圈的加工工艺，它包括以下步骤：

步骤一：采用铜线跨越两个绕组固型件的光滑板，在两个绕组固型件的凹槽内绕制绕组线圈，并将绕组线圈固形；

步骤二：绕组线圈绕制及胶粘完成后，将绕组固型件上的绕组线圈压紧固定，卸下垫板，使绕组线圈的两个端部松弛，将上管路和下管路插入绕组线圈的端部，并使绕组线圈的两个端部分别与上管路和下管路的外表面紧密接触；

步骤三：移动丝杠，使绕组线圈的上下层线圈边错位，

步骤四：卸下线圈错位活动件，对绕组线圈的上下层线圈边施压，最后卸下绕组固型件，继续施压绕组线圈的上下层线圈边，使各虚槽的绕组线圈的上下层紧密接触。

本发明的优点是：本发明所设计的冷却管路具有结构简单、易于制造等优点；在使用中，给冷却管路通入冷却水或冷冻水可以直接带走无铁心直线电机的铜损耗产生的热量，能有效地提高电机的电密和推力，提高超精密加工系统的准确度。

本发明在电枢绕组端部通入冷却管路，避免了在电枢绕组内部通入冷却管路造成的电机气隙增大、推力降低；同时，避免了绕组内部通入的金属冷却管路在电场中产生涡流，降低电机的推力平稳性，影响超精密加工系统的定位精度。

本发明的散热特性好，在不降低电机推力和推力平稳性的前提下有效地解决了电机的散热问题，同时，冷却管路作为无铁心电枢绕组的承载结构，能够起到电枢绕组固形和增加动子机械强度的作用。

本发明所述的绕组线圈的制作模具具有结构简单、易于操作等优点，能实现双层的非重叠分数槽集中绕组的绕制，成型的双层绕组具有外观整齐美观、线圈排布精确和高槽满率的特点，档板可以调节电枢绕组的槽距，移动丝杠可以调节电枢绕组线圈错位的距离。

绕组线圈的加工工艺实现了绕组线圈的上下层线圈边错位，保持绕组不散架，同时，使绕组线圈的上、下端部形成弧形，实现冷却管路的通入和冷却管路与线圈端部的紧密接触。

本发明可应用于高速高精度的中小型数控机床、电子制造行业以及目前日新月异的微纳技术制造、微检测装备中的无铁心永磁直线同步电机。

附图说明

图1为本发明所述永磁直线电机的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明电机的动子结构示意图；

图4为电枢绕组的立体结构示意图；

图5为图4中插入上管路和下管路的结构示意图；

图6为绕组线圈的制作模具的结构示意图；

图7为实现绕组线圈的上下层线圈边错位的制作模具变形图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式包括双边结构的定子和动子2，定子呈镜像对称设置在动子2的两侧，定子包括定子铁轭1-1和NS级交错排列的永磁体1-2，定子和动子2之间形成气隙，

动子2包括电枢绕组2-1和冷却管路2-2，电枢绕组2-1为双层的非重叠分数槽集中绕组，电枢绕组2-1的上端部和下端部呈圆弧形，电枢绕组2-1的上端部和下端部均形成沿运动方向的圆弧形通孔，电枢绕组2-1沿垂直于运动方向的横截面呈工字形，

冷却管路2-2由上管路2-21、下管路2-22和两个连接件2-23组成，上管路2-21穿过电枢绕组2-1的上端部形成的圆弧形通孔，下管路2-22穿过电枢绕组2-1的下端部形成的圆弧形通孔，上管路2-21的一端为冷却液出口，下管路2-22的一端为冷却液入口，两个连接件2-23分别位于电枢绕组2-1的两侧，两个连接件2-23均与上管路2-21和下管路2-22连接，并且使所述上管路2-21和下管路2-22的内部连通，

电枢绕组2-1与冷却管路2-2通过环氧树脂灌封成型。

本实施方式解决了永磁直线电机铜损耗散热到外界环境影响到超精密定位系统的工作精度的问题，它的电枢绕组2-1和冷却管路2-2使用导热性能良好的环氧树脂灌封成型。本实施方式中的电枢绕组2-1的各虚槽中的线圈边上下放置，或各虚槽中线圈边左右放置，所述的非重叠分数槽集中绕组，具有更高的绕组因数，更大的推力和更低的推力波动。

电枢绕组2-1在成形的过程中，对其中间有效长度部分施压，使各虚槽的线圈上下层有效长度部分紧密接触，电枢绕组2-1的上、下端部用冷却管路2-2固形，使端部绕成圆形或椭圆形，增强了电机动子2的强度，冷却管路2-2与其所接触的电枢绕组2-1的内表面紧密接触。

图1和图2中，A为初级动子连接件，B为次级静子连接件。

由于在电枢绕组2-1的上、下端部通入了冷却管路2-2，使电枢绕组2-1端部的体积增大，形成了电枢绕组2-1的“工”字形结构。

本实施方式中上管路2-21和下管路2-22采用导热性良好的金属铜制成，电枢绕组2-1铜损耗产生的热量会通过热传导给冷却管路2-2，这种形式能实现较高的散热功率。

具体实施方式二：下面结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述上管路2-21和下管路2-22均与电枢绕组2-1端部的内表面紧密相接。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述电枢绕组2-1的跨距为一个虚槽。

具体实施方式四：下面结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式为实施方式一至三所述带冷却结构的无铁心永磁直线电机的绕组线圈的制作模具，所述制作模具由两个绕组固型件3、线圈错位活动件4和两个垫板5组成，

绕组固型件3由光滑板3-1和两个档板3-2组成，光滑板3-1的两侧端部分别固定设置一个档板3-2，两个档板3-2与光滑板3-1的外表面形成凹槽，

线圈错位活动件4由两个支撑板4-1和四个丝杠4-2组成，两个支撑板4-1正对平行放置，两个支撑板4-1的上端面和下端面分别通过两个丝杠4-2铰接，位于同一支撑板4-1的同一个端面上的两个丝杠4-2相互平行设置，每根丝杠4-2均与支撑板4-1相垂直，

两个绕组固型件3对称设置于两个支撑板4-1的外侧，并且绕组固型件3位于支撑板4-1的中间位置，光滑板3-1与支撑板4-1通过螺钉相连接，每个光滑板3-1与支撑板4-1之间夹固一个垫板5，垫板5与光滑板3-1的接触面为绕组固型件3的非凹槽表面。

本实施方式所述的制作模具，使电枢绕组2-1的单个线圈组的上下层线圈边的跨距为槽距，同时，电枢绕组2-1的端部形成环形或椭圆形的圆弧形，能够实现电枢绕组2-1端部冷却管路的通入。

本实施方式中的档板3-2是可拆卸的，可以调节电枢绕组2-1的槽距。通过丝杠4-2的活动，可以调节电枢绕组2-1线圈错位的距离。

具体实施方式五：下面结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式为对实施方式四的进一步说明，所述支撑板4-1的高度小于光滑板3-1的高度。

具体实施方式六：下面结合图6和图7说明本实施方式，一种采用实施方式五所述的绕组线圈的制作模具制作绕组线圈的加工工艺，它包括以下步骤：

步骤一：采用铜线跨越两个绕组固型件3的光滑板3-1，在两个绕组固型件3的凹槽内绕制绕组线圈，并将绕组线圈固形；

步骤二：绕组线圈绕制及胶粘完成后，将绕组固型件3上的绕组线圈压紧固定，卸下垫板5，使绕组线圈的两个端部松弛，将上管路2-21和下管路2-22插入绕组线圈的端部，并使绕组线圈的两个端部分别与上管路2-21和下管路2-22的外表面紧密接触；

步骤三：移动丝杠4-2，使绕组线圈的上下层线圈边错位，

步骤四：卸下线圈错位活动件4，对绕组线圈的上下层线圈边施压，最后卸下绕组固型件3，继续施压绕组线圈的上下层线圈边，使各虚槽的绕组线圈的上下层紧密接触。

图7所示，给出了电枢绕组2-1线圈的上下层线圈边错位时，制作模具的结构示意图，图6所示制作模具在完成绕制线圈组后，电枢绕组2-1线圈的上下层边线圈边在同一个虚槽下，不能产生有效的推力，因此必须实现上下层线圈边的错位。绕制绕组线圈，可以选取自粘铜线，在线圈绕制完毕后，在绕组的中间直线部分滴少许酒精使自粘铜线固形，或者铜线选取普通漆包线，绕制完毕后，绕组的中间直线部分用少量胶粘剂固形。

在进行绕组线圈错位时，首先用一个固定板压在绕组固型件3上，来固定光滑板3-1上的绕组线圈；卸下垫板5，在绕组线圈端部插入上管路2-21和下管路2-22，绕组线圈与上管路2-21和下管路2-22紧密接触，使端部形成环形或近似环形的轮廓。缓慢移动错位活动件4的丝杠4-2，来实现上下层线圈边的错位；卸下线圈错位活动件4后，再对上下层线圈边缓慢施压，最后卸下绕组固型件3的档板3-2和光滑板3-1，继续施压上下层线圈边，直到各虚槽的线圈上下层紧密接触，绕组线圈的上、下端部形成弧形。

具体实施方式七：本实施方式为对实施方式六的进一步说明，所述步骤一中采用的铜线为漆包线，绕组线圈每绕制一层，其中间部分均采用胶粘剂固形。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式六的进一步说明，所述步骤一中采用的铜线为自粘铜线，绕组线圈绕制完成后，其中间部分采用滴酒精再烘干的方式固形。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims (7)

1.一种带冷却结构的无铁心永磁直线电机，它包括双边结构的定子和动子（2），定子呈镜像对称设置在动子（2）的两侧，定子包括定子铁轭（1-1）和NS级交错排列的永磁体（1-2），定子和动子（2）之间形成气隙，

其特征在于：动子（2）包括电枢绕组（2-1）和冷却管路（2-2），电枢绕组（2-1）为双层的非重叠分数槽集中绕组，电枢绕组（2-1）的上端部和下端部呈圆弧形，电枢绕组（2-1）的上端部和下端部均形成沿运动方向的圆弧形通孔，电枢绕组（2-1）沿垂直于运动方向的横截面呈工字形，

冷却管路（2-2）由上管路（2-21）、下管路（2-22）和两个连接件（2-23）组成，上管路（2-21）穿过电枢绕组（2-1）的上端部形成的圆弧形通孔，下管路（2-22）穿过电枢绕组（2-1）的下端部形成的圆弧形通孔，上管路（2-21）的一端为冷却液出口，下管路（2-22）的一端为冷却液入口，两个连接件（2-23）分别位于电枢绕组（2-1）的两侧，两个连接件（2-23）均与上管路（2-21）和下管路（2-22）连接，并且使所述上管路（2-21）和下管路（2-22）的内部连通，

电枢绕组（2-1）与冷却管路（2-2）通过环氧树脂灌封成型；

上管路（2-21）和下管路（2-22）均与电枢绕组（2-1）端部的内表面紧密相接。

2.根据权利要求1所述的带冷却结构的无铁心永磁直线电机，其特征在于：所述电枢绕组（2-1）的跨距为一个虚槽。

3.一种权利要求1所述带冷却结构的无铁心永磁直线电机的绕组线圈的制作模具，其特征在于：所述制作模具由两个绕组固型件（3）、线圈错位活动件（4）和两个垫板（5）组成，

绕组固型件（3）由光滑板（3-1）和两个档板（3-2）组成，光滑板（3-1）的两侧端部分别固定设置一个档板（3-2），两个档板（3-2）与光滑板（3-1）的外表面形成凹槽，

线圈错位活动件（4）由两个支撑板（4-1）和四个丝杠（4-2）组成，两个支撑板（4-1）正对平行放置，两个支撑板（4-1）的上端面和下端面分别通过两个丝杠（4-2）铰接，位于同一支撑板（4-1）的同一个端面上的两个丝杠（4-2）相互平行设置，每根丝杠（4-2）均与支撑板（4-1）相垂直，

两个绕组固型件（3）对称设置于两个支撑板（4-1）的外侧，并且绕组固型件（3）位于支撑板（4-1）的中间位置，光滑板（3-1）与支撑板（4-1）通过螺钉相连接，每个光滑板（3-1）与支撑板（4-1）之间夹固一个垫板（5），垫板（5）与光滑板（3-1）的接触面为绕组固型件（3）的非凹槽表面。

4.根据权利要求3所述的绕组线圈的制作模具，其特征在于：所述支撑板（4-1）的高度小于光滑板（3-1）的高度。

5.一种采用权利要求4所述的绕组线圈的制作模具制作绕组线圈的加工工艺，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：采用铜线跨越两个绕组固型件（3）的光滑板（3-1），在两个绕组固型件（3）的凹槽内绕制绕组线圈，并将绕组线圈固形；

步骤二：绕组线圈绕制及胶粘完成后，将绕组固型件（3）上的绕组线圈压紧固定，卸下垫板（5），使绕组线圈的两个端部松弛，将上管路（2-21）和下管路（2-22）插入绕组线圈的端部，并使绕组线圈的两个端部分别与上管路（2-21）和下管路（2-22）的外表面紧密接触；

步骤三：移动丝杠（4-2），使绕组线圈的上下层线圈边错位，

步骤四：卸下线圈错位活动件（4），对绕组线圈的上下层线圈边施压，最后卸下绕组固型件（3），继续施压绕组线圈的上下层线圈边，使各虚槽的绕组线圈的上下层紧密接触。

6.根据权利要求5所述的绕组线圈的加工工艺，其特征在于：所述步骤一中采用的铜线为漆包线，绕组线圈每绕制一层，其中间部分均采用胶粘剂固形。

7.根据权利要求5所述的绕组线圈的加工工艺，其特征在于：所述步骤一中采用的铜线为自粘铜线，绕组线圈绕制完成后，其中间部分采用滴酒精再烘干的方式固形。

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