CN219760799U - 一种用于直线电机的冷却系统及直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于直线电机的冷却系统及直线电机，涉及电机散热技术领域，包括：动子，其包括电机硅钢片，所述电机硅钢片的底部连接有铁芯，所述铁芯上缠绕有线圈绕组；所述电机硅钢片的顶部设有液冷板，所述电机硅钢片与所述液冷板的接触面之间设有导热界面材料，所述液冷板的内部设置有散热鳍片，且所述散热鳍片形成有供冷却介质流动的流道，所述液冷板的内部设置有进液口和出液口，所述进液口和所述出液口分别与所述散热鳍片形成的流道贯通。本实用新型能改善平板直线电机内部绕组的散热情况，降低电机绕组温度。

Description

一种用于直线电机的冷却系统及直线电机

技术领域

本实用新型涉及电机散热技术领域，具体涉及一种用于直线电机的冷却系统及直线电机。

背景技术

永磁直线电机具有高推力密度、高加速度、高速、高精度、高效率等显著优点，广泛应用于高精度数控设备、光刻机等应用场合。

为了提高推力密度，实现高加速度运行，通常需要施加较大的电流密度，就会产生较大的损耗，这些损耗作为热源使得电机的温度迅速升高，有可能会超过电机绕组绝缘的温升限度或者永磁体材料的温升限度，如果不采取措施进行保护和预防，高温很可能会导致电机的绝缘材料老化，结构变形，永磁材料退磁或失磁，导致电机绕组和背铁中最热点的建立和扩散，使电机彻底损坏，无法运行。故在电机设置冷却系统是十分必要的，可以起到抑制电机的温升，提高电机不同工况下的过载能力和持续输出推力，保证其安全运行的作用。

实用新型内容

针对现有技术中的直线电机散热能力不足问题，本实用新型提供一种用于直线电机的冷却系统及直线电机，能够提高直线电机的散热效率及运行效率。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于直线电机的冷却系统，其包括：

动子，其包括电机硅钢片，所述电机硅钢片的底部连接有铁芯，所述铁芯上缠绕有线圈绕组；所述电机硅钢片的顶部设有液冷板，所述电机硅钢片与所述液冷板的接触面之间设有导热界面材料，所述液冷板的内部设置有散热鳍片，且所述散热鳍片形成有供冷却介质流动的流道，所述液冷板的内部设置有进液口和出液口，所述进液口和所述出液口分别与所述散热鳍片形成的流道贯通。

如上所述的用于直线电机的冷却系统，进一步的，所述液冷板与所述电机硅钢片之间为面接触。

如上所述的用于直线电机的冷却系统，进一步的，所述液冷板的顶端设置有盖板，所述液冷板的底端设置有底板，所述盖板和所述底板之间设置所述散热鳍片。

如上所述的用于直线电机的冷却系统，进一步的，所述进液口和所述出液口分别设置在所述盖板的侧面上。

如上所述的用于直线电机的冷却系统，进一步的，所述散热鳍片的横截面积为几字形、三角形、波浪形、多孔形或锯齿形的一种。

如上所述的用于直线电机的冷却系统，进一步的，供冷却介质流动的流道形成有多个平行设置的单元流道，进液口侧的单元流道和出液口侧的单元流道数量相同，且单元流道的进液口侧和出液口侧分别对应与所述进液口和所述进液口相连通。

如上所述的用于直线电机的冷却系统，进一步的，所述单元流道设置在同一水平面上，且所述单元流道设置为直线型流道。

如上所述的用于直线电机的冷却系统，进一步的，供冷却介质流动的流道为U型折返流道。

如上所述的用于直线电机的冷却系统，进一步的，所述导热界面材料为导热硅脂；所述冷却介质为水；所述液冷板采用铝合金材质。

一种带有如上所述的冷却系统的直线电机，其还包括和所述动子相互配合的定子，所述动子滑动设置于所述定子中，所述定子包括磁钢和导轨，所述磁钢沿所述导轨的长度方向铺设。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：本实用新型结合对电机的几何参数、电磁性能及运行工况的研究，设计了一种与直线电机相匹配的可拆装式液冷板，其中，将液冷板安装在电机硅钢片上，其中液冷板底板侧设有导热界面材料，用来减少器件面接触过程中的热阻，强化热量的有效传递。液冷板将源自线圈绕组的巨大热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却介质，通过冷却介质将热量带走。冷却介质从进液口进入液冷板，流经安装在冷板上的散热鳍片之后从出液口流出，带走热量。流出冷液板的冷却介质经外部冷却系统冷却后再被送入冷液板中循环冷却。

一方面，由于液冷板内部设有多组扩展表面的结构(散热鳍片)、较小的冷却通道当量直径和采用有利于增强对流换热的肋表面几何形状等能大大提高热量交换的密度。另一方面，使用的冷却介质如水、油等对流换热系数要比普通空气大很多。故液冷板能非常高效地将绕组组件在工作时产生的欧姆热从绕组组件中带走。

其中，考虑到电机的复杂工作模式，在电机出于低负载、低速等低性能模式时，可以将液冷板拆卸，提高用能效率；而在电机出于高负载、高精度、高加速度等高性能模式时，液能板将能很好地解决热失控的问题，保证电机可靠地运行，且快拆装的液冷板设计也进一步降低了用机、装配等方面的难度与成本。综上所述，该冷却系统能使电机即使长期运行也不容易产生热量堆积，实现电机轻量化和微型化的要求。此外，本散热结构简单，方便拆装，具有节能、成本低等优势。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施方式的三维示意图；

图2为本实用新型实施方式中动子的爆炸视图；

图3为本实用新型实施方式中动子的剖视图；

图4为本实用新型实施方式中液冷板的爆炸图；

图5为本实用新型实施方式中液冷板的局部视图；

图6为本实用新型实施方式中散热鳍片的三维视图；

图7为本实用新型实施方式中液冷板中冷却介质流动的二维俯视图；

图8为本实用新型实施方式中液冷板中冷却介质流动的二维侧视图；

附图表示：1、盖板；2、液冷板；3、电机硅钢片；4、导热硅脂；5、底板；6、动子；7、定子；8、线圈绕组；9、铁芯；10、固定螺丝；11、散热鳍片；12、转换接头；13、导轨；14、磁钢；15、软胶水管；16、蓄水凹槽；17、回流凹槽；18、进液口；19、出液口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本实用新型实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的属于是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

参见图1至图8，本实用新型实施方式公开了一种用于直线电机的冷却系统及直线电机，直线电机包括相互配合的定子和动子，动子滑动设置于定子中，还包括电机硅钢片3，电机硅钢片3的底部连接铁芯9，铁芯9上缠绕线圈绕组8；电机硅钢片3与液冷板2接触面之间设有导热硅脂4，液冷板2内部设置有散热鳍片11，液冷板2盖板1上侧的中部两端分别设置有进液口18与出液口19，进液口18和出液口19分别与散热鳍片11的内部流道贯通，散热鳍片11内有冷却介质能通过，液冷板2和导热硅脂4与电机进行热量交换。其中，液冷板2通过固定螺丝10锁固于硅钢片3上。

具体的，本实施方式中的液冷板2将源自线圈绕组的巨大热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却介质，通过冷却介质将热量带走。冷却介质从进液口进入液冷板，流经安装在冷板上的散热鳍片11之后从出液口流出，带走热量。流出液冷板2的冷却介质经外部冷却系统冷却后再被送入液冷板2中循环冷却。

一方面，由于液冷板2内部设有多组扩展表面的结构(散热鳍片11)、较小的冷却通道当量直径和采用有利于增强对流换热的肋表面几何形状等能大大提高热量交换的密度。另一方面，使用的冷却介质如水、油等对流换热系数要比普通空气大很多。故液冷板2能非常高效地将绕组组件在工作时产生的欧姆热从线圈绕组8中带走。

参见图1，在某些实施方式中，定子包括磁钢14和导轨13，磁钢14沿导轨的长度方向铺设于导轨13上，动子6沿定子7的长度方向做直线运动。

在某些实施方式中，液冷板2与电机硅钢片3之间为面接触，以使热量传递的路径面积更大，充分保证了电机散热效果。

参见图4，在某些实施方式中，电机硅钢片3与液冷板2之间设置有导热层。其中，通过对部件之间存在的缝隙进行填充导热界面材料，可以减少器件间的接触热阻，进一步提高传热的效率。优选地，导热层的材料可为导热垫片或导热硅脂。本实施案例中，液冷板2底板5与电机硅钢片3之间填充的热界面材料选用导热硅脂4，因此区域接触面积大，所需填充的材料较多，范围较广，而导热硅脂4具有高导热率和优良绝缘性、低油离度、耐高温、刮涂形状可自调等特点。导热硅脂4覆盖区域可以避开安装孔的位置，降低了装配的难度；且导热硅脂4的厚度可以刷涂得极薄，大大降低了热量传递过程中的热阻。

在某些实施方式中，液冷板2的顶端设置有盖板1，液冷板2的内部设置有散热鳍片11，液冷板2的底端设置有底板5，采用分体式组装的设计，一方面有利于液冷板2内部的流道设计及空间利用，另一方面可降低产品的制造难度及成本，如图4所示。

在某些实施方式中，液冷板2的形状为扁平式，此形状能最大限度地接触热源，能够更加充分地利用好液冷板的高导热性能。可选的，液冷板2选择扁平形状，使液冷板2厚度薄、重量轻，能减少对电机结构的改动，并能使电机强化了散热性能的同时也达到轻量化的设计目标。

参见图3，在某些实施方式中，液冷板2上设置有进液口18与出液口19，其中，进液口18和出液口19均与散热鳍片11相连通；进液口18与出液口19设置在盖板1的两个侧端面上，液冷板2将源自线圈绕组的巨大热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却介质，通过冷却介质将热量带走。冷却介质从进液口18进入液冷板2，流经安装在液冷板2上的散热鳍片11之后从出液口19流出，带走热量，如图8所示。流出液冷板2的冷却介质经外部冷却系统冷却后再被送入液冷板2中循环冷却。由于液冷板2内部设有多组扩展表面的结构(散热鳍片11)、较小的冷却通道当量直径和采用有利于增强对流换热的肋表面几何形状等能大大提高热量交换的密度。

在某些实施方式中，液冷板2内部散热鳍片11形状为“几字形”，不同截面微通道内流体的临界雷诺数均远远小于常规通道流体的雷诺数，这意味着微通道内流体的流动很容易达到湍流，这也是液冷板内部增加微通道具有很强散热能力的原因，如图5所示。

可选的，肋片是液冷板2的主要元件，是组成液冷板2扩展表面的基本部分。其结构形状可以选用几字形、三角形、波浪形、多孔形和锯齿形肋片，如图6所示。不同结构的肋片特点不同，几字形肋片由于其当量直径小，所以它的传热能力强，但流道长度对传热效果有明显影响，相对于其它形式的肋片，其换热系数和阻力均较小；锯齿形肋片能使边界层分离，利于促进流体湍流，从而增强换热，但其阻力较大；多孔形肋片能打破热边界层，使流体在翅片中分布更为均匀，可以强化过渡区和湍流区的传热。本实例一选用的是几字形肋片，但不局限于使用此形状。

在某些实施方式中，散热鳍片11的高度与宽度与液冷板2内部空间紧密配合，使冷却介质能最大限度地均匀流经肋片，提高液冷板2内部散热鳍片11的利用效率，提高液冷板2的换热能力。

在某些实施方式中，散热鳍片11内包括多个平行设置的单元流道，进液口18和出液口19端的单元流道数量相同；单元流道的进液端和出液端分别与对应的进液口18和出液口19相连通，合理的流道通路设计，降低了内部冷却介质在流动过程中产生流通旁路、反向回流、堵流等极端现象的出现，如图7所示。其中，液冷板2进出液端采用转换接头12与软胶水管15，使得冷却系统的外露组件能够柔性地多方向放置，或者直接与电机电信号传输线放置在坦克链组件中，减少了冷却系统对电机运行所带来的额外干扰。

在某些实施方式中，单元流道设置在同一水平面上，且单元流道设置为直线型流道，减少冷却介质来流动过程中的阻力。

参见图7，在某些实施方式中，液冷板2内部的冷却介质流动回路为“U”型折返流道，其中为了冷却介质能合理与高效地与液冷板2内的散热鳍片11换热充分，在液冷板内部设置了蓄水凹槽16与回流凹槽17，可以理解的是，此流道组合设计可以使电机热量分布更加均匀及有效地提高了液冷板流道空间的利用程度。

在某些实施方式中，冷却介质可以为水。具体的，冷却介质的性质也对液冷板2散热效果有重要影响，在选用冷却剂时，主要考虑冷却介质的热特性、物理特性、电气特性、相容性、经济性，对于液冷板2，由于流体不直接与电子元器件直接接触，因而不考虑冷却剂的导电性，而主要考虑其腐蚀性和热特性。综合各方面因素，本实例采用的冷却介质为水。

在某些实施方式中，液冷板2采用铝合金材质。具体的，液冷板2的基材通常采用导热性能良好的铜、铝等板材，虽然铜的导热系数较高，但考虑到电机对运动及负载性能的高要求，冷却系统的选材需平衡导热性能与质量的考量，故本实例选用材料成本较低、质量轻、生产工艺成熟、导热性能优良的铝合金材质。

在某些实施方式中，液冷板2的安装位置为线圈绕组8的正上方，当直线电机工作时，线圈绕组8发热升温，热量通过铁芯9传递至硅钢片3中，而中间的热量积聚是最严重区域，液冷板的排布及形状、安装位置设计，能最大限度地保证热量能快速、高效率进行二次传输，从而提升电机与外界的换热能力，降低线圈绕组8的温升。

在某些实施方式中，液冷板2采用可拆卸式结构设计，使用固定螺丝10将液冷板2锁固在电机硅钢片3上考虑到电机的复杂工作模式，在电机出于低负载、低速等低性能模式时，可以将液冷板2拆卸，提高用能效率；而在电机出于高负载、高精度、高加速度等高性能模式时，液能板将能很好地解决热失控的问题，保证电机可靠地运行，且快拆装的液冷板设计也进一步降低了用机、装配等方面的难度与成本，如图2所示。

综上，本实用新型通过对电机的几何参数、电磁性能及运行工况的研究，设计了一种与直线电机相匹配的可拆装式液冷板2。将液冷板2安装在电机硅钢片3上，其中液冷板2底板5侧设有导热界面材料，用来减少器件面接触过程中的热阻，强化热量的有效传递。液冷板2将源自线圈绕组8的巨大热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却介质，通过冷却介质将热量带走。冷却介质从进液口18进入液冷板，流经安装在冷板上的散热鳍片11之后从出液口19流出，带走热量。流出液冷板2的冷却介质经外部冷却系统冷却后再被送入液冷板2中循环冷却。

一方面，由于液冷板2内部设有多组扩展表面的结构(散热鳍片11)、较小的冷却通道当量直径和采用有利于增强对流换热的肋表面几何形状等能大大提高热量交换的密度。另一方面，使用的冷却介质如水、油等对流换热系数要比普通空气大很多。故液冷板能非常高效地将绕组组件在工作时产生的欧姆热从绕组组件中带走。

其中，考虑到电机的复杂工作模式，在电机出于低负载、低速等低性能模式时，可以将液冷板2拆卸，提高用能效率；而在电机出于高负载、高精度、高加速度等高性能模式时，液能板将能很好地解决热失控的问题，保证电机可靠地运行，且快拆装的液冷板2设计也进一步降低了用机、装配等方面的难度与成本。综上，该冷却系统能使电机即使长期运行也不容易产生热量堆积，实现电机轻量化和微型化的要求。此外，本散热结构简单，方便拆装，具有节能、成本低等优势。

本实用新型未尽事宜为公知技术。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于直线电机的冷却系统，其特征在于，包括：

动子，其包括电机硅钢片，所述电机硅钢片的底部连接有铁芯，所述铁芯上缠绕有线圈绕组；所述电机硅钢片的顶部设有液冷板，所述电机硅钢片与所述液冷板的接触面之间设有导热界面材料，所述液冷板的内部设置有散热鳍片，且所述散热鳍片形成有供冷却介质流动的流道，所述液冷板的内部设置有进液口和出液口，所述进液口和所述出液口分别与所述散热鳍片形成的流道贯通。

2.根据权利要求1所述的用于直线电机的冷却系统，其特征在于，所述液冷板与所述电机硅钢片之间为面接触。

3.根据权利要求1所述的用于直线电机的冷却系统，其特征在于，所述液冷板的顶端设置有盖板，所述液冷板的底端设置有底板，所述盖板和所述底板之间设置所述散热鳍片。

4.根据权利要求3所述的用于直线电机的冷却系统，其特征在于，所述进液口和所述出液口分别设置在所述盖板的侧面上。

5.根据权利要求1所述的用于直线电机的冷却系统，其特征在于，所述散热鳍片的横截面积为几字形、三角形、波浪形、多孔形或锯齿形的一种。

6.根据权利要求1所述的用于直线电机的冷却系统，其特征在于，供冷却介质流动的流道形成有多个平行设置的单元流道，进液口侧的单元流道和出液口侧的单元流道数量相同，且单元流道的进液口侧和出液口侧分别对应与所述进液口和所述进液口相连通。

7.根据权利要求6所述的用于直线电机的冷却系统，其特征在于，所述单元流道设置在同一水平面上，且所述单元流道设置为直线型流道。

8.根据权利要求1所述的用于直线电机的冷却系统，其特征在于，供冷却介质流动的流道为U型折返流道。

9.根据权利要求1所述的用于直线电机的冷却系统，其特征在于，所述导热界面材料为导热硅脂；所述冷却介质为水；所述液冷板采用铝合金材质。

10.一种带有如权利要求1至9任一所述的冷却系统的直线电机，其特征在于，还包括和所述动子相互配合的定子，所述动子滑动设置于所述定子中，所述定子包括磁钢和导轨，所述磁钢沿所述导轨的长度方向铺设。