直线电机及其动子的制作方法

1.本技术大体上涉及用于直线电机的动子以及配备所述动子的直线电机，从而实现直线电机的推力密度的提高。


背景技术：

2.随着直线电机技术的越发成熟，直线电机的应用领域越来越广，对直线电机的要求也越来越高。其中，推力密度作为衡量直线电机的性能指标之一，也越来越受到大家的重视，尤其是一些对体积和推力均有要求的场合。
3.直线电机大体上包括定子以及相对于定子隔离一定气隙布置并且在通电时可以相对于定子直线移动的动子。在当前的直线电机的设计中，一种提高推力密度的方法是尽可能的减少直线电机动子和定子间的气隙，但是气隙的减少是有限度的，越低的气隙意味着动子和定子相互刮擦的风险越大，对直线电机本身的尺寸精度及安装直线电机的机械结构的尺寸精度和强度的要求都越高。因此，在现有的直线电机设计中，当气隙尺寸小到一定程度时将不会被进一步减小(例如不会小于0.5毫米)，否则进一步减少气隙风险远大于收益。
4.在当前的直线电机的设计中，另一种提高推力密度的方法是调整定子的绕组匝数等参数以获得合适的单位线速度的反电动势，从而提高单位电流所产生的推力，以此进一步提高直线电机的推力密度。但是，这种方法会受到所允许的最高运行速度的限制保证，导致限制线圈匝数无法一直提高，进而对直线电机的推力密度提高有限制。
5.此外，在当前的直线电机的设计中，另一种方法是在电磁设计及气隙尺寸均很难在进一步突破的前提下通过将动子相对于定子在宽度方向上非出线侧增加动子铁芯的叠压厚度，从而提高推力密度。但是，这种方法的不足之处在于，由于动子铁芯在其叠压方向上必须与定子磁体保持重合，因此会导致动子相对于定子在宽度方向上偏移，导致了直线电机的整体安装空间变大，影响了直线电机的应用场合的适应性。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本技术旨在提出一种改进的直线电机动子，使得可以直线电机的整体安装空间不变的情况下，尽量增加推力密度或者可以在推力密度不变的情况下，尽量缩小直线电机的整体安装空间。
7.根据本技术的一个方面，提供了一种用于直线电机的动子，所述动子包括芯材绕组组件，所述芯材绕组组件包括：
8.多个动子芯材，每个动子芯材呈梳状片形式，并且所述多个动子芯材彼此叠置以限定沿着所述动子的直线移动方向彼此间隔的多个齿部；
9.多个动子绕组，所述多个动子绕组在所述多个齿部中的除了至少一个沿着所述直线移动方向的最外侧的齿部外的齿部上缠绕；
10.在所述最外侧的齿部中形成的孔；
11.动力电缆，所述动力电缆插入固定在所述孔中并与所述多个动子绕组电连接。
12.根据本技术的实施例，所述孔的延伸垂直于所述动子芯材彼此叠置的方向。
13.根据本技术的实施例，动子还包括围绕着所述动子芯材周围和/或所述动子绕组的位于所述动子芯材外的部分周围的密封胶，所述孔并不位于所述密封胶中。
14.根据本技术的实施例，所述动力电缆在形成有所述孔的最外侧的齿部与同该齿部紧邻的一个齿部之间的间隙内与所述多个动子绕组电连接。
15.根据本技术的实施例，所述动子具有暴露的顶部安装面，在所述安装面上施涂有隔热涂层材料，所述隔热涂层材料的导热系数比所述动子芯材的导热系数小至少两个数量级。
16.根据本技术的实施例，所述孔在所述最外侧的齿部中沿着所述动子的宽度位于所述最外侧的齿部的一侧附近。
17.根据本技术的实施例，所述动子芯材彼此叠置的方向垂直于所述动子的直线移动方向。
18.根据本技术的另一个方面，提供了一种直线电机，包括：
19.定子；
20.相对于所述定子能够直线移动地安装的动子，其中所述动子是前述的动子。
21.根据本技术的实施例，所述定子形成有与所述动子的多个动子芯材相互对正的区域，所述定子具有将其在宽度方向上平分的垂直中心面，所述动子具有将其在宽度方向上平分的垂直中心面，所述定子的垂直中心面与所述动子的垂直中心面彼此共面。
22.根据本技术的实施例，所述多个动子芯材沿着所述动子的宽度方向彼此叠置，并且所述定子的区域在所述动子的动子绕组通电后相互作用以驱使所述动子沿着所述定子的纵向直线移动的电磁推力。
23.根据本技术的实施例，所述直线电机是永磁直流电机。
24.采用本技术的上述技术手段，可以显著提高直线电机的推力密度，提高直线电机针对各自不同应用场合的适应性。此外，在推力密度增加的情况下，直线电机的整体安装空间的利用效率可以进一步缩小。另外，直线电机的动子散热影响在推力密度提升的前提下得到了抑制，使得本技术的直线电机对现有的直线电机应用场合具有更加灵活可靠的适应性。
附图说明
25.从下文的详细说明并结合下面的附图将能更全面地理解本技术的原理及各个方面。需要指出的是，各附图的比例出于清楚说明的目的有可能不一样，但这并不会影响对本技术的理解。在附图中：
26.图1示意性示出了现有技术的直线电机的端视图；
27.图2示意性示出了根据本技术的一个实施例的直线电机的一部分的端视图；
28.图3a是俯视图，示意性示出了根据本技术的实施例的直线电机的一部分的俯视图；
29.图3b是沿着图3a中的线d-d所得的剖视图，示意性示出了图3a所示的直线电机的动子；
30.图4是立体图，示意性示出了根据本技术的实施例的直线电机的动子，其中为了清楚，去除了动子的密封胶；
31.图5是侧视图，示意性示出了根据本技术的另一个实施例的直线电机的动子；
32.图6是侧视图，示意性示出了根据本技术的另一个实施例的直线电机的动子。
具体实施方式
33.在本技术的各附图中，结构相同或功能相似的特征由相同的附图标记表示。
34.图1示意性示出了根据现有技术的直线电机10的端视图。该直线电机10大体上包括动子11以及定子12，并且它们布置成在动子11与定子12之间存在气隙13，并且动子11在通电后因电磁作用力的产生而相对于定子12可以直线移动。在图1中，示出了三维坐标系xyz，，其具有彼此相互垂直的三个轴线x、y、z，其中坐标轴x体现了直线电机10的宽度方向，坐标轴y体现了直线电机10的高度方向，坐标轴z体现了直线电机的长度方向、即动子11相对于定子12能够直线移动的方向。通常，定子11包括芯材绕组组件11a以及在芯材绕组组件11a周围包围的封胶11b。芯材绕组组件11a由多个彼此相互叠加的芯材(图1未示出)以及由电线围绕着所叠加的芯材根据需要缠绕的绕组(图1未示出)构成。例如，各芯材的叠加方向是沿着x轴的方向。为了给动子11的各绕组的电线供电以产生所需的电磁作用，在动子11中还设置有动力电缆14。该动力电缆14布置在封胶11b所在的区域。
35.从图1可以看出，在位于下方的定子12中设有与芯材绕组组件11a对正的区域，该区域的在x轴方向上的宽度为g。在气隙13的沿着y轴方向的尺寸难以进一步减小的前提下，直线电机10的推力密度的改善主要取决于g的大小。因此，为了给动力电缆14留出足够的安装空间，在保持动子11的外观尺寸的前提下，将动子11沿着x轴方向朝向动力电缆14所在的一侧偏移。这就造成了动子11的垂直中心面11c(其与yz平面平行)相对于定子12的垂直中心面12(其也与yz平面平行)在x轴方向上彼此偏置错开。这就导致了宽度g恒定的前提下、即在芯材绕组组件11a的沿着x轴方向的尺寸恒定的前提下，直线电机10的安装尺寸整体上在x方向上变大。此外，因为动力电缆14的安装需求，也会导致在动子11的安装动力电缆14所在那一侧封胶11b的用量增加。这还有可能造成在该侧散热不畅的问题。
36.图2示意性示出了根据本技术的一个实施例的直线电机100的一部分的端视图。在图2中，仅仅示出了便于理解本技术的直线电机100的技术方案的那些关键性技术特征，但是本领域技术人员应当清楚，为了实现直线电机100的运行还需要其它的直线电机100的必要的组成部分。
37.直线电机100大体上包括动子110以及定子120。所述动子110在所述定子120上方布置，并且二者之间具有气隙130。定子110包括芯材绕组组件111以及在芯材绕组组件111周围包围的密封胶112。在图2中，也示出了三维坐标系xyz，其具有彼此相互垂直的三个轴线x、y、z，其中坐标轴x体现了直线电机100的宽度方向，坐标轴y体现了直线电机100的高度方向，坐标轴z体现了直线电机100的长度方向、即动子110相对于定子120能够直线移动的方向。芯材绕组组件111包括沿着动子110的宽度方向、即沿着图中所示的x轴方向彼此叠置的多个动子芯材111b。进一步如图3b所示，每个动子芯材111b大体上呈梳状片形式，例如具有多个沿着z轴方向彼此间隔的齿。
38.基本上，动子芯材111b彼此叠置后具有沿着x轴方向的总体宽度g'，该宽度g'设置
成动子芯材111b能够与位于下方的定子120的特定区域、例如凸起区域120a对正。在动子111通电后，将在彼此叠置的动子芯材111b与同其对正的区域120a之间产生电磁作用进而促使动子110沿着z轴方向相对于定子120作直线运动。
39.因为每个动子芯材111b大体上呈梳状片形式，所以当多个动子芯材111b彼此相互叠置后将会在它们之间形成多个沿着z轴方向彼此间隔的齿部。每个齿部是由各动子芯材111b的对应齿彼此叠置而形成的。在各动子芯材111b彼此相互叠置后，通过围绕着各齿部根据需要缠绕电线可以形成多个动子绕组111a(参见图3b)。例如，这些动子绕组111a可以包括沿着z轴方向彼此隔开。当这些动子绕组111a的电线通电后，将会根据需要在动子110中产生能够与定子120相互作用的电磁能量。因此，可以认为上述动子芯材111b的宽度g'最终决定了直线电机100的推力密度大小。
40.与现有技术不同的是，彼此叠置后的动子芯材111b中形成有孔113。该孔113例如是直孔，沿着与z轴平行的方向延伸。如图3b所示，彼此叠置后的动子芯材111b可以具有多个齿部，其中沿着z轴方向的两个彼此相反的最外侧齿部中的至少一个并不缠绕电线形成绕组。因此，在优选的实施例中，孔113被形成为仅穿过彼此叠置后的动子芯材111b的一个未设有绕组的最外侧齿部111c。在制造动子110时，首先将各动子芯材111b彼此叠压，然后再在所形成的多个齿部上(除了未设有绕组的最外侧齿部以外)相应缠绕电线从而形成多个绕组111a。然后，如图4所示，在未设有绕组的最外侧齿部111c中加工形成孔113，例如可以通过钻孔的方式形成。然后，将动力电缆140插入所述孔113中，并且将每个绕组111a的引出线在最外侧齿部111c与同其紧邻的齿部之间的间隙内电连接于动力电缆140。这样可以确保在随后的封胶过程中密封胶不会影响到引出线与动力电缆140的连接强度(例如因封胶受压而造成)。最后，在动子芯材111b周围施加密封胶112，待固化后完成封胶处理，如图3a所示。例如，封胶处理能够以本技术领域熟知的方式实现。在一个可选的实施例中，在如图3a所示的俯视图中观察，密封胶112围绕着动子芯材111b及其绕组111a的外露部分的外周被施加固化。
41.转而参见图2，根据本技术的直线电机100，由于动力电缆140通过动子芯材111b中形成的孔113被安装，所以无需像现有技术那样将动子与定子沿着x轴方向彼此偏置。因此，在动子110的外形尺寸或者说在直线电机100的安装空间尺寸恒定的情况下，可以尽量扩大动子芯材111b叠置后的宽度g'并进而加大定子120的对应区域120a的尺寸，从而提高直线电机100的推力密度。根据本技术的技术方案，将动子110或者彼此叠置的动子芯材111b彼此对称平分的垂直中心面110c(其平行于yz平面)与将定子120彼此对称平分的垂直中心面120c(其也平行yz平面)是共面的。因此，在加大宽度g'以提高推力密度的情况下，可以尽量减少密封胶112的用量，进而提高散热效果。
42.本领域技术人员应当清楚，孔113的形式位置并不仅限于图中所示的位置；在替代的实施例中，孔113可以在彼此叠置的动子芯材111b的最外侧的齿部111c的相对于y轴和z轴的任何期望的位置中形成。在附加的或替代的实施例中，为了防止在形成孔113的过程中相应的动子芯材111b的部位附近有任何材料脱离，从而影响随后的推理密度事先，可以事先在将要形成孔113的各动子芯材的部位处施涂粘合剂，待各动子芯材叠置且缠绕绕组固定后，再加工孔113的过程中将不会存在不必要的动子芯材111b的材料脱离。等最终封胶处理后，彼此叠置的动子芯材111b将会牢固固定不会出现任何材料脱离的现象。
43.本领域技术人员应当清楚，如图1所示的现有技术相比，在宽度g和g'相同的情况下(即在提供同样的推力密度的情况下)，本技术的直线电机100可以比现有技术的直线电机10占用更小的安装空间。
44.本技术的直线电机100可以是永磁直线电机，或者任何其它适用于本技术的技术方案的直线电机。为了说明本技术的技术方案的效果，以下附上表1进行说明。
45.表1
[0046][0047]
在表1中，序号1代表现有技术中未作出任何改进的传统直线电机，序号2代表现有技术中利用图1所示的方式改进的传统直线电机，序号3代表利用本技术的技术方案所改进的直线电机。出于比较的需要，每个直线电机中的动子的外形体积都是313.20cm3。这里，动子的外形体积指的是动子在封胶后(除去动力电缆)所占据的体积。此外，表1中的安装体积指的是直线电机的动子和与动子相配合的定子在能够实现直线电机正常功能的前提下一起所占据的体积。表1中的持续推力代表直线电机正常工作其情况下所测量得到的推力大小。此外，在表1中，推力密度1的计算公式为：所测量的持续推力/动子外形体积；推力密度2的计算公式为：所测量的持续推力/体积。
[0048]
根据表1的值，可以获得如下表2。
[0049][0050]
表2分别示出了序号2相对于序号1的直线电机推力改变情况；以及序号3相对于序号1和2的直线电机推力改变情况。从表2的结果可以明显看出，采用本技术的技术方案的直线电机在推力密度方面与现有技术的直线电机相比均得到较大的提升，这足以说明本技术的技术方案相对于现有技术而言具有突出的实质性进步和显著的技术效果。
[0051]
在采用本技术的技术方案的情况下，由于推力密度的提高，在同样的条件下势必会造成动子的发热量增加。对于热量产生要求严格的直线电机应用场合，势必考虑如何消除这种热量增加的现象，特别是针对无水冷作用的芯材直线电机而言尤其如此。
[0052]
大体上，直线电机100的动子110可以设置成其顶面直接形成用于安装第三方部件的安装面110a，如图5所示。替代地，如图6所示，直线电机100的动子110的顶面上可以另外布置安装支架160，用于安装第三方部件。无论哪种方式，如果第三方部件与动子110的安装面110a直接接触的话，因为本技术的技术方案导致的推力密度增加而造成动子110的发热量增加，势必会造成原本针对现有技术的直线电机所设计的第三方部件受热过多，进而造成针对第三方应用不利散热结果的产生，因而影响直线电机所应用的场合的精度要求。
[0053]
在本技术的技术方案中，芯材例如可以是硅钢片，其导热系数约为30w/(m
·
k)。为
了降低动子110的安装面110a向第三方部件或安装支架160的传热，可以在动子110的安装面110a上施涂隔热涂层150。该隔热涂层150的涂层材料被选择成具有比芯材明显更低的导热系统。这种隔热涂层材料可以是市场上有售的任何合适的涂层材料。根据一个示例，隔热涂层材料可以是具有0.02w/(m
·
k)的导热系数。根据替代的实施例，隔热涂层材料也可以是市场上有售的hx-012/2000型耐高温导热涂料，其导热系数可达0.03w/(m
·
k)；或者，zs-220型耐高温导热涂料，其导热系数可达0.04w/(m
·
k)。
[0054]
根据本技术的实施例，由于导热系数相差多个数量级的隔热涂层材料施涂在动子110的安装面110a上，所以当第三方部件或者安装支架160安装于安装面110a上使得隔热涂层150夹置于第三方部件或者安装支架160与安装面110a之间后，隔热涂层150的存在导致热量更加均匀缓慢地向第三方部件或者安装支架160传递，进而能够大幅降低因推力密度增加导致过多热量散发带来的后续不利影响。
[0055]
当然，本领域技术人员应当清楚，为了克服上述不利影响，在替代的实施例中还可以将安装支架160设计成大部分与动子110的安装面110a间隔开，仅一小部分与动子110的安装面110a接触固定，从而提高散热效果。
[0056]
尽管这里详细描述了本技术的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出，而不应认为它们对本技术的范围构成限制。此外，本领域技术人员应当清楚，本说明书所描述的各实施例可以彼此相互组合使用。在不脱离本技术精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

技术特征：
1.一种用于直线电机(100)的动子(110)，所述动子(110)包括芯材绕组组件(111)，所述芯材绕组组件(111)包括：多个动子芯材(111b)，每个动子芯材(111b)呈梳状片形式，并且所述多个动子芯材(111b)彼此叠置以限定沿着所述动子(110)的直线移动方向彼此间隔的多个齿部；多个动子绕组(111a)，所述多个动子绕组(111a)在所述多个齿部中的除了至少一个沿着所述直线移动方向的最外侧的齿部外的齿部上缠绕；在所述最外侧的齿部中形成的孔(113)；动力电缆(140)，所述动力电缆(140)插入固定在所述孔(113)中并与所述多个动子绕组(111a)电连接。2.根据权利要求1所述的动子(110)，其特征在于，所述孔(113)的延伸垂直于所述动子芯材(111b)彼此叠置的方向。3.根据权利要求1或2所述的动子(110)，其特征在于，还包括围绕着所述动子芯材(111b)周围和/或所述动子绕组(111a)的位于所述动子芯材(111b)外的部分周围的密封胶(112)，所述孔(113)并不位于所述密封胶(112)中。4.根据权利要求3所述的动子(110)，其特征在于，所述动力电缆(140)在形成有所述孔(113)的最外侧的齿部(111c)与同该齿部紧邻的一个齿部之间的间隙内与所述多个动子绕组(111a)电连接。5.根据权利要求4所述的动子(110)，其特征在于，所述动子(110)具有暴露的顶部安装面(110a)，在所述安装面(110a)上施涂有隔热涂层材料，所述隔热涂层材料的导热系数比所述动子芯材(111b)的导热系数小至少两个数量级。6.根据权利要求5所述的动子(110)，其特征在于，所述孔(113)在所述最外侧的齿部(111c)中沿着所述动子(110)的宽度位于所述最外侧的齿部(111c)的一侧附近。7.根据权利要求6所述的动子(110)，其特征在于，所述动子芯材(111b)彼此叠置的方向垂直于所述动子(110)的直线移动方向。8.一种直线电机(100)，包括：定子(120)；相对于所述定子(120)能够直线移动地安装的动子(110)，其中所述动子(110)是根据权利要求1至7任一所述的动子(110)。9.根据权利要求8所述的直线电机(100)，其特征在于，所述定子(120)形成有与所述动子(110)的多个动子芯材(111b)相互对正的区域(120a)，所述定子(120)具有将其在宽度方向上平分的垂直中心面(120c)，所述动子(110)具有将其在宽度方向上平分的垂直中心面(110c)，所述定子(120)的垂直中心面(120c)与所述动子(110)的垂直中心面(110c)彼此共面。10.根据权利要求9所述的直线电机(100)，其特征在于，所述多个动子芯材(111b)沿着所述动子(120)的宽度方向彼此叠置，并且所述定子(120)的区域(120a)在所述动子(110)的动子绕组(111a)通电后相互作用以驱使所述动子(110)沿着所述定子(120)的纵向直线移动的电磁推力。11.根据权利要求8至10任一所述的直线电机(100)，其特征在于，所述直线电机(100)是永磁直流电机。

技术总结
本申请公开了直线电机及其动子，所述动子包括芯材绕组组件，所述芯材绕组组件包括：多个动子芯材，每个动子芯材呈梳状片形式，并且所述多个动子芯材)彼此叠置以限定沿着所述动子的直线移动方向彼此间隔的多个齿部；多个动子绕组，所述多个动子绕组在所述多个齿部中的除了至少一个沿着所述直线移动方向的最外侧的齿部外的齿部上缠绕；在所述最外侧的齿部的一个中形成的孔；动力电缆，所述动力电缆插入固定在所述孔中并与所述多个动子绕组电连接。固定在所述孔中并与所述多个动子绕组电连接。固定在所述孔中并与所述多个动子绕组电连接。


技术研发人员：易先彬 曾凯 张宏柱
受保护的技术使用者：派克汉尼汾工业液压技术(上海)有限公司
技术研发日：2022.01.05
技术公布日：2023/7/22