CN113517799B - 一种直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直线电机，旨在提供一种结构刚性好，推力密度大，推力波动小，动态响应好、散热能力强的直线电机，既可以满足高精度的应用要求，也可以适应于高负载应用场合。包括初级和次级，初级和次级间存在气隙；初级包括初级底板和初级绕组，初级底板的一侧或两侧固定安装有初级绕组，并通过导热绝缘固化胶灌封。

Description

一种直线电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，特别涉及一种直线电机。

背景技术

直线电机由于具有结构简单、定位精度高、易于调节和控制、高加速度等优势被应用的越来越广泛。目前，常用直线电机分为有铁芯直线电机和无铁芯直线电机，有铁芯直线电机具有成本低，散热好、大推力和高刚性的特点，但是受齿槽效应的影响，齿槽力和推力波动大，动态响应差，无法实现较高的运动精度；无铁芯直线电机虽然无齿槽效应，但是现有的无铁芯直线电机多依赖电机本体的散热能力，很难达到较好的冷却效果，无法获得较高的电机功率，不能满足高负载应用场合。同时，现有无铁芯直线电机初级线圈多采用漆包线结构或印刷电路板结构，漆包线线圈成型工艺复杂，结构刚性低，一致性差，印刷电路板结构运行时散热能力差，过电流能力受限，并且两种线圈结构对应电机等效气隙大，电机推力密度小，效率偏低，也无法实现在高负载、高加速度领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构刚性好，推力密度大，推力波动小，动态响应好、散热能力强的直线电机，既可以满足高精度的应用要求，也可以适应于高负载应用场合。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种直线电机，包括初级和次级，初级和次级间存在气隙；初级包括初级底板和初级绕组，初级底板的一侧或两侧固定安装有初级绕组，并通过导热绝缘固化胶灌封。

上述一种直线电机，所述初级绕组包括端接电路板、线圈支撑板、线圈压板以及若干线圈，线圈支撑板和线圈压板上分别对应设置有若干均匀排布的线圈槽，所述线圈设置于线圈支撑板和线圈压板之间，并分别依次放置于线圈槽中；各线圈分别通过焊接形式与端接电路板连接；端接电路板设置于线圈支撑板和线圈压板之间。

上述一种直线电机，所述线圈支撑板和线圈压板之间放置单层线圈，或者放置双层线圈，所述双层线圈中心对齐，双层线圈之间设置有层间绝缘装置，每层线圈对应一个端接电路板。

上述一种直线电机，所述线圈包括一个或多个线圈单元，各线圈单元依次叠压分布，并且在叠压方向上相互绝缘；各线圈单元串接在一起。

上述一种直线电机，所述线圈单元是导体以涡旋轨迹由内向外延展而成，导体的首端位于涡旋轨迹的内侧，尾端位于涡旋轨迹的外侧，线圈单元间导体的连接采用“首首相接，尾尾相接”形式，即：第奇数个线圈单元中导体的首端与其相邻的后一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的前一个线圈单元的导体尾端连接，第偶数个线圈单元的导体首端与其相邻的前一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的后一个线圈单元的导体尾端连接；或者，第奇数个线圈单元中导体的首端与其相邻的前一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的后一个线圈单元的导体尾端连接，第偶数个线圈单元的导体首端与其相邻的后一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的前一个线圈单元的导体尾端连接。

上述一种直线电机，所述线圈单元中相邻线圈单元中心对齐，镜像设置，即相邻线圈单元导体的涡旋方向相反。

上述一种直线电机，所述线圈单元以铜板为导体，通过线切割加工、铣削加工、3D打印、激光切割、化学腐蚀其中一种方式加工而成；或者线圈单元以漆包线为导体绕制而成。

上述一种直线电机，所述初级底板上设置有冷却水道。

上述一种直线电机，所述初级底板由导磁材料制成，形成无齿槽初级铁芯结构，并在两端部分别设置有宽度为x深度为y的端部削角，其中2≤x/y≤4或者1/4≤x/y≤1/2。

上述一种直线电机，所述初级底板由非导磁材料制成，形成无铁芯结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用初级底板两侧安装初级绕组的结构形式，初级底板采用导磁材料可形成无齿槽直线电机，有效避免齿槽效应的影响，在保证推力密度的同时，减小了推力波动；初级底板采用非导磁材料则形成无铁芯直线电机，通过在初级绕组上设置具有冷却结构的初级底板，不仅有效提高了电机的散热能力，有利于提高电机推力及推力密度，而且大大增强了电机初级结构刚性。另外，初级绕组采用以线圈单元串联叠压形成的线圈结构，空间利用率高，过电流能力强，散热性好，电机等效气隙小，进一步提高了电机推力密度。

附图说明

图1是本发明的双边结构示意图。

图2是本发明双边结构的内部组成示意图。

图3是本发明的单边结构示意图。

图4是本发明初级绕组的单层结构示意图。

图5是本发明初级绕组的双层结构示意图。

图6是本发明由奇数个线圈单元组成的线圈结构示意图。

图7是本发明由偶数个线圈单元组成的线圈结构示意图。

图8是本发明线圈单元的结构示意图。

图9是本发明初级底板结构示意图。

图10是本发明初级底板内部冷却结构示意图。

图11是本发明初级底板为无齿槽初级铁芯结构的端部削角结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图3所示，本发明的一种直线电机，包括初级1和次级2，初级1和次级2之间存在气隙。次级2包括磁板21和磁极22，磁极22安装于磁板21上。初级1由初级底板11和初级绕组12组成，初级底板11的一侧或两侧安装初级绕组12，并通过导热绝缘固化胶灌封，以增加初级1的刚性和绝缘性。如图2所示，初级底板11的两侧安装初级绕组12时组成双边结构，此时次级2由两个分别安装有磁极22的磁板21组成，两磁板21固定在一起，两磁极22分别与两个初级绕组12相对应；如图3所示，初级底板11的一侧安装初级绕组12时组成单边结构，此时次级2由一个安装有磁极22的磁板21组成，次级22与初级绕组12相对应。

如图4所示，初级绕组12包括线圈121、线圈支撑板122、线圈压板123和端接电路板124，线圈支撑板122和线圈压板123上分别设置有可容置线圈121的线圈槽，线圈槽在线圈支撑板122和线圈压板123上均匀分布，并且线圈支撑板122和线圈压板123上的线圈槽分别一一对应。各线圈121分别通过焊接形式与端接电路板124连接，线圈支撑板122和线圈压板123上还分别设置有用于容置端接电路板124的电路板槽，线圈支撑板122和线圈压板123卡紧后可将线圈121和端接电路板124分别固定于对应的线圈槽和电路板槽中。图4显示的是初级绕组12由单层线圈组成的情况，如图5所示，初级绕组12还可由双层线圈组成，即线圈支撑板122和线圈压板123之间放置两层线圈，每一层线圈121的数量相等，并且每一层线圈121分别与一个端接电路板124焊接，两层线圈121之间设置有层间绝缘装置125。

结合图6至图8所示，线圈121包括M个线圈单元1211，每个线圈单元1211是由导体3以涡旋轨迹由内向外延展而成，其首端位于轨迹内侧，尾端位于轨迹外侧。M个线圈单元1211沿线圈单元1211的法向依次叠压，相邻线圈单元1211之间设置有绝缘层4，绝缘层4可以是空气间隙、也可以是绝缘纸、石墨烯、石墨膜等绝缘材料，或者使用导热绝缘固化胶灌封。各线圈单元1211中的导体3采用“首首相接，尾尾相接”形式串联成一个整体，其中第一个线圈单元的导体首端与第二个线圈单元的导体首端连接，第二个线圈单元的导体尾端与第三个线圈单元的导体尾端连接，第三个线圈单元的导体首端与第四个线圈单元的导体首端连接，以此类推连接至第M个线圈单元，若M为奇数，则第一个线圈的尾端和第M个线圈的首端为整个线圈结构的输入输出端，如图6所示；若M为偶数，则第一个线圈的尾端和第M个线圈的尾端为整个线圈结构的输入输出端，如图7所示。

为方便线圈单元1211之间的连接，每个线圈单元1211的导体首端均设置有P型焊接区31。线圈单元1211叠压时，相邻两个线圈单元互为镜像结构，即第奇数个线圈单元与第偶数个线圈单元导体的涡旋方向相反。

线圈单元1211可以采用铜板作为导体，通过线切割加工、铣削加工、3D打印、激光切割、化学腐蚀其中一种方式加工而成，也可以采用漆包线作为导体绕制而成。当采用铜板结构时，导体3每圈之间均设置有间隙δ，以保证导体间绝缘；当导体采用漆包线时，该间隙可为0，即δ=0。

结合图9和图10所示，初级底板11包括中部底板111、第一侧板112、第二侧板113和底板绝缘层114，第一侧板112和第二侧板113分别设置于中部底板111的前后两端，底板绝缘层设置于中部底板111与初级绕组12的接触面上。为实现对初级绕组12的冷却，提高电机散热性能，增强电机过电流能力，提高电机推力和推力密度，中部底板111上设置有贯通前后的冷却水道1111，冷却水道1111在中部底板111上均匀分布。第一侧板112上分别设置有进水口1121、出水口1122以及连接槽1123，第二侧板113上设置有连接槽1123，进水口1121和出水口1122分别与冷却底板最外侧的冷却水道1111连通，连接槽1123分别与相邻两个冷却水道1111连通，进水口1121、冷却水道1111、连接槽1123与出水口1122共同形成蛇形冷却结构。

中部底板111可采用非导磁材料制成，此时初级底板11与初级绕组12形成无铁芯初级结构，初级底板11一方面对初级绕组起到很好的冷却作用，另一方面能够增强初级结构的刚性。另外中部底板111还可采用导磁材料制成，此时初级底板11为无齿槽初级铁芯结构，可以有效避免齿槽效应。若中部底板111采用整体式导磁材料，通过在初级底板11上设置上述蛇形冷却结构可起到很好的冷却效果。若中部底板111采用叠压硅钢片制成，为防止漏水，可采用在冷却水道1111内穿入冷却管的方式，即在第一侧板112和第二侧板113也对应加工出前后贯通的冷却水道，采用冷却管将第一侧板112、中部底板111和第二侧板113中的冷却水道串联起来，形成带有冷却管的蛇形冷却结构。

如图11所示，当中部底板111采用导磁材料时，为减小电机齿槽力和推力波动，中部底板111的左右两端分别设置有上下两个宽度为x深度为y的端部削角，在2≤x/y≤4或者1/4≤x/y≤1/2时，电机齿槽力和推力波动可达到最小。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种直线电机，包括初级和次级，初级和次级间存在气隙；其特征在于，初级包括初级底板和初级绕组，初级底板的一侧或两侧固定安装有初级绕组，并通过导热绝缘固化胶灌封；所述初级绕组包括端接电路板、线圈支撑板、线圈压板以及若干线圈，线圈支撑板和线圈压板上分别对应设置有若干均匀排布的线圈槽，所述线圈设置于线圈支撑板和线圈压板之间，并分别依次放置于线圈槽中；各线圈分别通过焊接形式与端接电路板连接；端接电路板设置于线圈支撑板和线圈压板之间；所述初级底板包括中部底板、第一侧板、第二侧板和底板绝缘层，第一侧板和第二侧板分别设置于中部底板的前后两端，底板绝缘层设置于中部底板与初级绕组的接触面上；中部底板上设置有贯通前后的冷却水道，冷却水道在中部底板上均匀分布； 第一侧板上分别设置有进水口、出水口以及连接槽，第二侧板上设置有连接槽，进水口和出水口分别与冷却底板最外侧的冷却水道连通，连接槽分别与相邻两个冷却水道连通，进水口、冷却水道、连接槽与出水口共同形成蛇形冷却结构；所述线圈支撑板和线圈压板之间放置双层线圈，所述双层线圈中心对齐，双层线圈之间设置有层间绝缘装置，每层线圈对应一个端接电路板；所述初级底板由导磁材料制成，形成无齿槽初级铁芯结构，在其两端部分别设置有宽度为x深度为y的端部削角，其中2≤x/y≤4或者1/4≤x/y≤1/2。

2.根据权利要求1所述的一种直线电机，其特征在于，所述线圈包括一个或多个线圈单元，各线圈单元依次叠压分布，并且在叠压方向上相互绝缘；各线圈单元串接在一起。

3.根据权利要求2所述的一种直线电机，其特征在于，所述线圈单元是导体以涡旋轨迹由内向外延展而成，导体的首端位于涡旋轨迹的内侧，尾端位于涡旋轨迹的外侧，线圈单元间导体的连接采用“首首相接，尾尾相接”形式，即：第奇数个线圈单元中导体的首端与其相邻的后一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的前一个线圈单元的导体尾端连接，第偶数个线圈单元的导体首端与其相邻的前一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的后一个线圈单元的导体尾端连接；或者，第奇数个线圈单元中导体的首端与其相邻的前一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的后一个线圈单元的导体尾端连接，第偶数个线圈单元的导体首端与其相邻的后一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的前一个线圈单元的导体尾端连接。

4.根据权利要求3所述的一种直线电机，其特征在于，所述线圈单元中相邻线圈单元中心对齐，镜像设置，即相邻线圈单元导体的涡旋方向相反。

5.根据权利要求4所述的一种直线电机，其特征在于，所述线圈单元以铜板为导体，通过线切割加工、铣削加工、3D打印、激光切割、化学腐蚀其中一种方式加工而成；或者线圈单元以漆包线为导体绕制而成。

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