直线电机的制作方法

本发明涉及直线电机(linear motor)。

背景技术：

直线电机广泛用在各种机器和装置中。直线电机的形式包括平板式直线电机和管式直线电机。直线电机提供直接的直线(linear)运动，这与由旋转电机提供的直线运动不同，所述旋转电机诸如通过齿轮或螺杆、带或滑轮将旋转运动转换成直线运动。省去将旋转运动转换成直线运动的装置降低了驱动装置的复杂性和成本。直线电机可以以非常高的速度以及高的加速度运行。直线电机也是非常可靠的，因为它们具有少的运动部件并且是高度精确的，并且可以以低振动运行。

直线电机包括推动件(forcer)或动子以及定子。动子是电机的移动部件并且定子是静止的。动子包括线圈并且定子是有磁性的或者对磁场起反应的，诸如包括磁体，使得当线圈通电(energise)时，在动子和定子之间发生相对运动和/或力。

典型的直线电机包括壳体，壳体的横截面是方形的并且壳体包括圆形的中心孔。壳体包括围绕孔缠绕的绕组。具有圆形横截面的轴延伸穿过孔并且从任一端部伸出来。轴容纳磁体(如果使用磁体的话)。壳体和轴中的任一个可以是固定的，使得壳体和轴中的另一个可以运动或提供力。所获得的运动和/或力是直线的。

直线电机在它们运行时产生热量，使得它们经常包括冷却剂系统以散热。在一些现有技术的布置中，冷却剂系统包括冷却剂附件，该冷却剂附件施加到(apply to)壳体的一个或多个表面上，并且冷却剂通过所述附件以散热。在一些布置中，冷却剂附件施加到方形壳体的一个侧面上并且延伸达壳体的长度。在其他布置中，冷却剂附件施加到壳体的两个或更多个侧面上并且每个冷却剂附件延伸达壳体的长度。对于冷却剂附件来说施加到壳体的所有四个侧面是不正常的，这是因为壳体经常具有外部配件或连接件，诸如用于将壳体安装至机械或装置的部件，并且相应地，冷却剂附件经常施加到壳体侧面中的仅一个或两个上。这意味着，冷却剂附件可能不太有效地消散在直线电机的与安置冷却剂附件的位置间隔或远离的部分中产生的热量。

例如参见图1，在图1中示出了现有技术的直线电机10的示意性横截面例示。直线电机10具有包围圆形线圈或绕组12的方形壳体11。冷却剂附件13施加到壳体11的顶壁14上。在图1中，可以看出，底壁15与冷却剂附件13间隔最远。因而断定，在邻近底壁15的绕组12中产生的热量比邻近顶壁14或邻近侧壁16或17产生的热量更不容易消散。

此外，即使在直线电机的接近冷却剂附件的部分中，线圈与壳体的外侧壁之间的间距也不同。例如，图1示出绕组12与壳体的顶壁、底壁和侧壁在壳体11的拐角处的间隔比在示出的拐角之间处的间隔更大，使得甚至壳体的设有冷却剂附件的壁上的热量的消散也可能不同。

因此，在现有技术的一些形式中，在直线电机中产生的热量未被均匀消散，并且此外，电机中产生的热量可能存在大的热变化，这二者都可能影响紧邻直线电机的热敏组件。在直线电机用在高精度机械(诸如高精度研磨和铣削机械，甚至小的温度波动都可能影响该机械的准确性)的情况下，这尤其是个问题。

直线电机比其他致动器(诸如滚珠丝杠)也是更高效的，并且如果它们产生的热可以被充分消散的话，它们的使用将是优选的。

直线电机也可能难于安装至机械和装置。申请人已知的大部分直线电机是“面对安装的”，这意味着电机的壳体的面抵靠要使用电机的机械的面安装。图2例示出这种安装并且示出具有方形横截面的长方形壳体21以及延伸穿过壳体21的细长轴22的直线电机20。带阴影线的壳体表面23形成了安装面并且包括四个用于接收紧固件以将直线电机20固定至机器的螺纹开口24。四个另外的螺纹开口26(在图2中仅其中的三个可见)形成在壳体21的前表面27上，用于将直线电机20从前表面固定至机器。尽管表面23和27中的任一个提供牢靠固定，但是不经常提供将直线电机20固定至机械的迅速的(ready)接入(access)的紧固件，使得直线电机20的安装以及将电机20从机械移除是不容易的。

本发明的目的是克服或者至少减轻与现有技术的布置关联的困难中的一个或多个。

技术实现要素：

在本发明的一个实施方式中，提供一种直线电机，所述直线电机包括动子和定子，所述动子具有形成细长的圆形孔的筒形(cylindrical)主体并且所述定子为设置在所述孔内的细长轴，所述筒形主体包括多个电绕组并且所述轴包括同步或可变磁阻拓扑结构，或者所述轴包括多个磁体，其中，对所述电绕组通电导致在所述筒形主体和所述轴之间的相对运动或力产生，所述筒形主体设置在壳体内，在所述筒形主体和所述壳体的面向内的筒形表面之间形成冷却剂空间，所述冷却剂空间沿着所述筒形主体的长度的至少大部分形成，所述冷却剂空间基本上为筒形的并且具有基本恒定的横截面。

上述类型的直线电机被设想(envisage)为相对于现有技术提供了优势，这是因为该直线电机提供围绕绕组的均匀散热。换句话讲，筒形冷却剂空间以绕组和冷却剂空间之间的间隔是恒定的方式环绕绕组，或者换句话讲，绕组与冷却剂空间的接近度是恒定的或者不变化的。有利地，这意味着绕组的所有部分被均等地冷却，使得直线电机不会在电机的一些部分中产生比在其他部分更多的热量。这允许根据本发明的直线电机更易于紧邻热敏组件安装，不会影响那些部件的运行，或者以更可预测的方式影响那些部件。任一结果均是有利的，这是因为如果由于采用本发明，对紧邻直线电机的组件的热影响是可忽略的或可预测的，那么采用直线电机的机械或装备的设计可能就不那么困难。此外，可以在原本因与现有技术的直线电机相关的困难而不能使用直线电机的机械或装备中实现因使用直线电机而产生的优点。

根据本发明的直线电机也可以具有比现有技术直线电机更紧凑的形状，这是因为壳体的形状可以因没有上述类型的冷却剂附件而更紧凑。此外，直线电机的筒形主体可以布置成通过在可能需要的壳体的适当修改之后(诸如在增加壳体的内径之后)将筒形主体滑动到壳体中而装配在现有的诸如滚珠丝杠壳体的致动器壳体中。这意味着改型(retrofit)是可能的，从而允许在以前使用其他形式的驱动的机械或装备中实现因使用直线电机而产生的优点。

例如，因为改善了散热并且易于改型，所以根据本发明的直线电机被期望使得能够相对容易地更换已有的滚珠丝杠致动器，以提高性能。

上面讨论的冷却剂装置可以在直线电机和周围组件之间形成热障。通过由(其基本上是筒形的)冷却剂空间完全环绕电绕组，可以最小化或者甚至可忽略来自直线电机的热传递。这又与现有技术不同，现有技术采用了施加至方形壳体的仅一侧或甚至壳体的两侧或三侧的冷却剂附件，由此可以穿过壳体的不具有冷却剂附件的侧面发生热逸过程。

另外，在根据本发明的直线电机中，绝缘层可以位于所述冷却剂空间内，诸如抵靠所述壳体的面向内的筒形表面，用于减少从冷却剂空间到直线电机外部的热传递。这是适当的，其中直线电机的冷却剂系统能够去除被捕获在冷却剂空间内的所有产生的热量或基本上所有产生的热量。绝缘层应具有低热导率。例如，绝缘层可以由橡胶或陶瓷制成。其他可能性包括塑料、复合材料(玻璃纤维、G11、碳纤维)或者环氧树脂。

更进一步，所述直线电机的相反的(opposite)端部可以由隔热层或隔热材料和/或电绝缘层或电绝缘材料制成，以在所述电机的每个端部处形成热障和/或导电屏障，并且因此进一步在冷却剂空间中捕获产生的热量。上面所列出的隔热层或隔热材料和/或电绝缘层或电绝缘材料可以由与上述针对绝缘层列出的材料相同的材料制成。

冷却剂空间可以以任何合适的方式形成。在本发明的一些形式中，所述筒形主体的所述绕组位于筒体(cylinder)内，该筒体延伸达所述绕组的长度，并且冷却剂空间形成在所述筒体的与所述绕组相反的一侧。在本发明的这种形式中，筒形壳体围绕所述筒体延伸并且与所述筒体间隔开以形成所述冷却剂空间。所述筒体可以由铝或其他合适的金属或者其他非磁性材料形成。所述筒体可以与所述绕组的外表面接触，或者尽可能接近所述外表面，使得来自所述绕组的热量直接传导到所述筒体，以消散到所述冷却剂空间中。在本发明的一些形式中，所述电绕组浸入或嵌入树脂(诸如环氧树脂)中，并且所述筒体可以与最外绕组的树脂涂层接触。

在本发明的其中筒形主体的绕组位于筒体内的上述形式中，所述筒形主体可以未设有壳体，以便稍后插入到壳体中。例如，在所述壳体是机器的整体部分(诸如机器的铸造部件的一部分)的情况下，这可能是合适的。在本发明的直线电机正被用来替代滚珠丝杠并且所述滚珠丝杠的壳体要用来(可能具有一些修改)容纳筒形主体的情况下，这也可能是合适的。因此，本发明延伸到在本文中作为与壳体分离的部件进行描述的筒形主体，但是该筒形主体被构造为以所述的方式与壳体相互作用。本发明在这方面是独特的，因为本申请人已知的直线电机不能以本发明提出的方式插入到现有的壳体中。

所述冷却剂空间可以具有至少一个入口和出口，使得冷却剂可以通过入口引入到冷却剂空间并且通过出口排出。冷却剂可以在通过入口重新引入到冷却剂空间之前被冷却，或者冷却剂可以为不再次使用的类型，例如，水。

所述冷却剂空间可以在其整个长度上是开放的(open)，或者所述冷却剂空间可以包括通道或者扰动件以引导或干扰穿过所述冷却剂空间的冷却剂的流动，或者使所述流动为湍流的。在本发明的一些形式中，所述冷却剂空间可以包括螺旋形物(spiral)或螺旋状物(helix)，使得冷却剂在入口和出口之间在螺旋形或螺旋状路径中流动。这增加了冷却剂在到达出口之前在冷却剂空间中所花的时间。

替代地，所述冷却剂空间可以包括凸起，冷却剂需要在入口和出口之间围绕所述凸起流动。其他结构包括在直线电机的纵向延伸的翅片。所述翅片可以将冷却剂仅在一个方向上在一对相邻翅片之间引导，或者所述翅片可以构造成用于冷却剂沿相邻一对翅片的返回(return)运动。所述冷却剂可以为液体或气体，尽管液体是最可能的。

在本发明的其他实施方式中，提供一种直线电机，所述直线电机包括动子和定子，所述动子具有形成细长的圆形孔的筒形主体并且所述定子为设置在所述孔内的细长轴，所述筒形主体包括多个电绕组并且所述轴包括同步或可变磁阻拓扑结构，或者所述轴包括多个磁体，其中，对所述绕组通电导致在所述筒形主体和所述轴之间的相对运动和/或力生成，所述筒形主体设置在壳体内，所述壳体具有相反的第一端部和第二端部，其中，所述筒形主体包括用于附接至所述第一端部和所述第二端部中的一个的凸缘，以将所述筒形主体安装在所述壳体内。

使用形成在第一端部和所述第二端部中的一个处的凸缘允许将直线电机牢靠地固定就位，但是另外，允许将直线电机固定至机械的迅速的接入的紧固件。这意味着直线电机的安装以及从机械的拆卸比在采用面对安装的现有技术的直线电机更容易。

在本发明的实施方式(其中所述壳体包括在所述第一端部和所述第二端部中的一个处形成的凸缘，用于将所述壳体安装至机器)中，所述壳体可以为筒形壳体，或者根据也采用了面对安装的现有技术的直线电机，所述壳体可以为方形壳体。在任一形式中，提供了改进的用于安装和移除直线电机的紧固件的接入。

附图说明

为了可以更充分地理解本发明，现在将参照附图描述一些实施方式，其中：

图1以横截面示意性地示出了具有冷却剂附件的现有技术的直线电机布置。

图2示出了具有面对安装布置的现有技术的直线电机。

图3是根据本发明的一个实施方式的直线电机的横截面图。

图4是用于安装在机器部件中的根据本发明的一个实施方式的直线电机的分解图。

图5是用于根据本发明的直线电机中的筒形主体的视图。

图6是用于根据本发明的直线电机中的筒形主体的替代视图。

图6a是图6的筒形主体的一部分的详细视图。

具体实施方式

参照图3，例示出了直线电机30的横截面图，其中横截面是垂直于电机的纵向轴线截取的。电机30包括由电绕组32(例如，铜绕组)限定的细长的圆形孔31和筒体或筒形主体33，该筒体或筒形主体33被示出与绕组32的外表面34接触地接合，但是在替代的实施方式中，该筒体或筒形主体33可以与外表面34稍微间隔开。

冷却剂空间35环绕主体33并且形成了空间，冷却剂可以在所述空间内流动从而消散由绕组32产生的热量。冷却剂可以为液体或气体，尽管液体是最可能的。冷却剂空间35限定在主体33的外表面36和筒形壳体37的面对的内表面38之间。在图3中，示出了壳体37在内表面38以及外表面39上为筒形。然而，应理解，壳体的外表面的形状对于本发明不是特别重要的，例如，壳体可以例如是正方形或长方形，或者其他形状。同样，外表面可以包括用于散热的翅片、安装凸耳或者诸如可能需要将壳体相对于机器或机器部件固定就位的各种其他配件。

绝缘层可以位于冷却剂空间内，抵靠壳体37的内表面38。绝缘层可以具有低热导率并且可以例如由橡胶或陶瓷制成。绝缘层将降低从冷却剂空间35穿过壳体37到直线电机30外部的热传递。

直线电机30也会包括紧密地设置在孔31内的细长轴。在不限于附图中例示出的本发明的形式中，轴可以为非磁性的中空轴，该中空轴包括多个磁体(诸如，稀土磁体)，并且在本发明的一些形式中，这些磁体可以由钢间隔件间隔开。轴可以包括磁极相反地并排组装的磁体。在一些布置中，两个或多个磁体会磁极同向地并排放置，然后下一组的磁体会磁极反向地与第一组相邻组装。间隔件可以插在相邻磁体或相邻的磁体组之间。在关于图3的这种布置中，当给绕组32通电时，轴会在孔31内运动，或者如果轴是固定的，绕组32以及被描述为围绕绕组32延伸的其他部件都会相对于轴运动。绕组32的通电的控制导致对轴和绕组之间的相对运动和/或力的控制。

冷却剂空间35形成如下的空间，冷却剂可以在所述空间内在入口和出口之间流动，以为了消散在绕组32内产生的热量。筒形壳体37有效地形成了冷却套管以将冷却剂限制在主体33的外表面36和壳体37的内表面38之间。便于冷却剂进入冷却剂空间35内并且从冷却剂空间35离开的入口和出口可以放置在任何合适的位置并且采取任何合适的形式。冷却剂可以在压力下穿过端口注入冷却剂空间35中，或者可以靠重力供应冷却剂。

冷却剂空间35在图3中被示为开放空间。虽然这是可接受的，但是在图4中例示出了优选的布置，在该布置中螺旋状或螺旋形结构(formation)40沿主体33的长度延伸，并且该布置形成了沿该长度的螺旋形或螺旋状路径，冷却剂可以在该路径内流动。这可以增加冷却剂排出冷却剂空间35所花的时间，因而可以允许冷却剂空间35内的冷却剂吸收更大量的热量用于消散。这种螺旋状或螺旋形结构的替代布置包括一系列平行且间隔开的筒形凸缘或翅片，所述凸缘或翅片包括开口或缺口，以允许冷却剂在直线电机的相反的两端部之间流过所述凸缘或翅片。这些布置可以与液体或空气冷却一起使用。可以利用其他布置来在冷却剂空间35中形成盘绕的路径，为了减慢穿过冷却剂空间的流动速度，产生湍流，或者为了确保冷却剂均匀地完全围绕冷却剂空间35并且因而围绕绕组32流动。

重要的是，内表面38基本上是筒形的，使得冷却剂空间35也被形成为基本上筒形的并且在绕组32的整个长度上具有基本恒定的横截面，尽管存在上述的螺旋状或螺旋形结构或者凸缘或翅片。

参照图4，例示出了从筒形壳体37移除下来的主体33，以便例示出在筒形主体33的外表面36上形成的螺旋物40。螺旋物40的外表面41位于非常紧密地配合抵靠壳体37的内表面38的或靠近壳体37的内表面38的高度。这种紧密配合用于防止冷却剂流体越过外表面41的顶部通过螺旋物40泄漏。虽然可以容忍一些泄漏，但是，目的是大部分冷却剂流体从直线电机30的一个端部到另一个端部沿着螺旋物40采取螺旋路径。

在图4中未明显表示绕组32，绕组32在径向上位于筒形主体33内部。

在图4中也未明显表示为了降低从冷却剂空间35到直线电机30外部的热传递而施加在壳体37的内表面38上的绝缘层。

图4还例示出了机器部件45，筒形壳体37已与该机器部件一体地形成。壳体37的内表面38和外表面39也在图4中标出。

作为图4布置的替代，壳体37可以通过合适的紧固件附接至机器部件45，诸如附接至端部或下面的表面。

直线电机30的其他组件已组装在壳体27的外部，并且在图4中，这些部件准备插入壳体37中。图4方便地例示出了壳体37的外表面39不需要是筒形的，而相反，壳体37的外表面39可以包括适于附接至机器组件45以及适于将其他组件(诸如冷却剂入口和出口端口)附接至壳体37的形状或轮廓。

图5例示出了与图4的筒形主体33的形式，其非常类似于图4的筒形主体33，但是例示出在主体47的长度方向上延伸的翅片48的使用。翅片48将冷却剂在一对相邻翅片之间仅在一个方向上(在例示出的实施方式中为轴向地)引导，但是通过将一些翅片在它们的例示出的端点之前终止，翅片可以被构造为用于冷却剂沿相邻的一对翅片的返回运动。

返回图4，这也例示出了本发明的第二实施方式的示例，其中，直线电机30包括安装凸缘50，该安装凸缘50附接至筒形主体33的一端部并且包括用于接收螺钉52的螺钉开口51，所述螺钉52用于在壳体37的安装面54的螺纹开口53内的螺纹接合。螺钉52的替代物包括使用螺柱、焊接或胶接。例示出的布置使得将主体33和关联组件牢固地固定在壳体37内以及固定至壳体37，因而固定至机器组件45。容易理解，在示出的布置中，与图2的布置(其中螺钉接入(screw access)可能是更困难的)相比，可以更加方便地进行对螺钉52的安装。

显然，凸缘50的形状可以采取其他形式，并且可以利用更多或更少的螺钉开口和螺钉。

图6和图6a例示出了筒形主体60，筒形主体60与图4的筒形主体33非常类似，但是筒形主体60包括在相反的端部62和63之间完全贯通主体60的纵向狭缝或间隙G(为了更好地例示出间隙G，参见图6a)。这种形式的筒形主体消除了在筒形主体60中的电磁感应的形成，使得不形成原本会阻止直线电机的动子和定子之间的相对运动的磁场。换句话说，在根据本发明的直线电机中，筒形主体可以被形成为圆形但是被纵向分割以防止电磁感应(大的涡电流)，这有利地消除了用于高速应用的大的齿槽力。

根据图3和图4的直线电机30的构造，应理解，电机30可以提供围绕绕组32的整个圆周的均匀散热。此外，通过所公开的布置，冷却剂空间在直线电机30和其他机器组件(诸如机器组件45)之间形成了热障。因此，在机器组件是热敏感的情况下，由直线电机30产生的热不积累或保持在适当位置以影响那些部件。如上所述的与壳体37的内表面接触的绝缘层的使用将有助于这一点，在电机30的每个端部使用热障也将有助于这一点。更进一步，提供形成为筒形主体33的整体部分的螺旋物40(例如，通过机加工或铸造而形成)允许冷却剂空间35容易集成到直线电机30中。这与现有技术截然不同，在现有技术中，冷却剂附件附接至直线电机的壳体的壁(如图1所示)，具有如上所述的随之而来的缺点。

针对相同尺寸的现有技术的电机，在图3和图4中公开的直线电机被期望增加力输出。这发生是因为力输出与电机所消耗(draw)的电流量有关。随着电流和力增加，热量也会增加。如果热量的一部分被移除，则可以增加电流，这是因为没有实现与热积聚有关的困难。

此外，还期望采用了安装凸缘50的所公开的布置使得本发明的直线电机能够替代也是凸缘安装的滚珠丝杆和滚珠螺母，以提高性能。

可以与根据本发明的并且包括根据图3和图4的实施方式的线性电动机一起使用的冷却剂可以是任何合适形式的冷却液，或者替代地，可以采用空气冷却。如上所述，冷却剂路径不必采取螺旋状或螺旋形的形式，而是相反，冷却剂空间可以简单地为开放的筒形空间，或者可以包括凸起、翅片或其他干扰件或扰动件以改变穿过冷却剂空间的流动方向或者在该流动中产生湍流。

本发明有利地将冷却剂空间或套管集成到直线电机中并且在替代形式中，提供了凸缘安装。这些改进中的每种改进都特别适合于在机床工业中使用直线电机。尽管直线电机提供了优点，但是到目前为止，直线电机尚未在机床工业中的一般实践中使用，这是因为在直线电机所给出的热输出以及直线电机的安装困难性方面，直线电机是有缺点的。直线电机的热输出对于高精度机器来说尤其成问题，特别是在那些机器需要提供高度精确的可重复性的情况下。在那种类型的机器中，不能容忍由于来自直线电机的热输出而导致的在机器的组件中的热量增长。在直线电机已在机床工业中实现的情况下，目前为止所提供的差的散热已导致需要使用单独的冷却器系统来最小化电机和机器组件之间的热传递。不利地，这增加了成本和复杂性。

本文所描述的发明易于对除了具体描述的那些之外进行改变，修改和/或添加，并且应该理解的是本发明包括落入本公开的精神和范围内的所有这样的改变、修改和/或添加。

在本说明书的整个描述中，词语“包括”以及该词语的变型(诸如包括以及包括)不旨在排除其他添加物或部件或整体。