一种直线电机冷却结构的制作方法

专利名称：一种直线电机冷却结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及直线电机技术领域，尤其涉及一种直线电机冷却结构。
背景技术：
直线电机加速度是直线电机重要指标之一。直线电机加速度越来越大，要求通过线圈中的电流就大，因此，线圈的发热量就大。过度发热导致线圈温度升高，温度升高到一定程度，超过包裹线圈铜芯的绝缘层燃点时，线圈就烧坏短路了，因此，直线电机冷却技术， 广义说是温度控制技术，一直是直线电机技术发展中的重要课题。以上所说的防止电机烧坏的功能，只能说是直线电机对温度控制的通用要求。在直线电机应用的新场合，如光刻机工件台和掩模台、精密仪器校准、喷印平台等设备，其所用的直线电机冷却结构除了要满足防止线圈烧坏之温度控制功能外，还有一个温控功能就是要控制电机对外环境的散热，这使得按以前的热设计原则设计制造的直线电机不能满足新场合的应用需求。专利CN 101009453A公开了一种动圈式直线电机，其中冷却结构设计是此专利重要的权力要求之一。它在紧贴线圈的上下两个金属壁面内迂回布置直管，分上下两层冷却， 单回路水循环，对控制线圈温度，效果明显，但电机的外表面温度无法控制，而事实上，该专利技术中，电机外表面也成为强化线圈散热的通路之一，因此，在需要控制电机本身对外环境散热量的应用场合，该专利技术将无能为力。专利CN 1327627A公开了一种直线电动机的线圈组合体及其制造方法。专利技术重点之一仍是冷却结构设计。冷却管紧贴整个线圈的外表面，制冷剂单回路循环，制造工艺简单，能有效冷却电机线圈温度，由于制冷剂的采用也能在相当程度上降低电机本身对外界的散热，但外表面温度不可控，一是体现为外表面温度的不均勻分布，二是体现为可能出现外表面温度过冷，因此，尽管线圈本身温度控制有效，但对外环境的热影响仍然很大。专利CN200410036817. 0致动式线圈的冷却系统，公开了一种线圈冷却方法，其冷却的目的仍在于控制线圈温度而未涉及电机自身的外表面温度，在对散热有高要求的场合该项技术不能解决问题。因此，设计一种针对线圈温度和电机外表面温度同时实施控温，解决电机正常运转的线圈温控，同时把自身对外环境的热影响降低到最小的直线电机冷却结构十分必要， 是直线电机技术领域目前急待解决的问题之一。

发明内容
本发明实施例提供了一种可控电机表面温度的直线电机冷却结构，包含一冷却组件、电机线圈组件、第一管道和第二管道，上述电机线圈组件位于冷板组件里侧，第一管道和第二管道设置于冷却组件的同一侧，此直线电机冷却结构较好地对线圈温度和电机外表面温度同时实施控温，解决电机正常运转的线圈温控，同时把自身对外环境的热影响降低到最小。本发明实施例提供以下技术方案
一种可控电机表面温度的直线电机冷却结构，包含一冷却组件、电机线圈组件、第一管道和第二管道，上述电机线圈组件位于冷板组件里侧，第一管道和第二管道设置于冷却组件的同一侧。优选的，上述冷却组件由冷板与集流汇流盖板构成，上述冷板与集流汇流盖板通过焊接方式连接。优选的，上述冷板组件的一端设有一折弯。优选的，上述冷板组件的一端进一步设有一固定后端盖，上述固定后端盖可将冷板组件的一端折弯进行包裹。优选的，上述冷板的高宽比为大于1比5以上。优选的，上述冷板的材质为铝(如牌号LF21的铝合金)或不锈钢。优选的，上述第一管道和第二管道设置在上述集流汇流盖板的同一侧。优选的，上述线圈组件用环氧树脂进行封装。优选的，上述冷却组件为封口的U型结构，所述冷板为单通道冷板，结构为U型结构，冷却水的分流和集流位于冷却组件的线圈引出线端，同时封闭U形冷板的开口端。优选的，上述电机线圈组件封装后直接推入具有封口 U型结构的冷却组件，所述冷却组件内侧涂覆导热膏薄层，电机线圈组件推入后的两个侧面及其它空隙用环氧树脂密封。优选的，上述冷却组件外表面的绝热层为导热系数低于0. 03 (Si)的可涂覆材质。本发明提供的一种可控电机表面温度的直线电机冷却结构，包含一冷却组件、电机线圈组件、第一管道和第二管道，上述电机线圈组件位于冷板组件里侧，第一管道和第二管道设置于冷却组件的同一侧，此直线电机冷却结构较好的对线圈温度和电机外表面温度同时实施控温，解决电机正常运转的线圈温控，同时把自身对外环境的热影响降低到最小。


为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为表面散热热阻和冷却通道热阻的结构示意图；图2为外绝热层即电机的外表面的温度分布示意图；图3为电机内部的温度梯度分布仿真分析图；图4为本发明实施例之电机冷却结构立体示意图；图5为本发明实施例之电机冷却结构三视图；图6为本发明实施例之电机冷却结构一剖视图；图7为本发明实施例之电机冷却结构之组装图；图8为本发明实施例之电机冷却结构之折弯示意图。
具体实施例方式本发明实施例的冷却结构可用于单个和多个线圈的直线电机，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。 具体而言，本发明实施例以两线圈可控表面温度直线电机冷却结构为例。较之控制线图最高温升的一般冷却结构设计，本发明实施例可同时控制电机表面温度和包裹于电机内部的线圈最高温度，在一般冷却结构设计中，除了用冷却介质，如水， 带走电机的大部分耗散热之外，电机表面也被设计成一个重要的散热途径，而且还常常通过强化表面的传热性能来增加通过电机表面的散热，而在本发明实施例所及的应用场合， 表面散热途径几乎被禁止，因为表面温度必须控制在较低的温升，如0. 5°C。这意味着冷却设计的思路和方法完全不同，设计的重点不只是在于用冷却介质带走热量，而且也在于如何对冷却介质散热带走的热量和表面散失热量之间进行准确分配，如何设计冷却介质通道的热阻和表面散热热阻之间的比例，使表面温升和线圈温升同时满足要求。下面针对上面所述的两个设计重点进行详述1、增加冷却介质带走热量的设计显然，依据常识，增大冷却介质(本实施例为水)的流量可以带走更多的热量，但事实并非如此。在高要求直线电机应用场合，冷却介质高速流动将引入振动，因此需要限制管内流体的流动速度，而大流量也对应着大管径，而进出管路机械空间常是重要约束，这样管径也是有限制的，因此流量受到限制，一般经验，如实例所述，都只能给出2升左右的流量，根据电机尺寸比例，可以计算判断水的流动只能处于层流状态，雷诺数为500 600之间。根据层流传热特征，就是说2升流量和10升对增加传热效率没有影响，因此，不能采用增加流量的方法，显然，只能在除流量之外的其它传热效率影响因素上考虑，这个因素就是冷却通道的结构。包括前述两个参考专利在内的传统冷却设计都采用了圆管，圆管的传热效率用努塞尔数表示的值为4. 4，而大高宽比的冷却通道的层流传热效率可以达到6. 5甚至8，因此本发明实施采用了 1比8的大高宽比例冷却通道，传热效率努塞尔数值6. 5，同比圆管，换热系数可以提高80%。这一设计保证了冷却结构在限制的流量下冷却水可以带走尽可能多的线圈耗散热量的能力。2、冷却介质通道的热阻和表面散热热阻分配平衡设计热阻平衡的目的是控制表面温升，本发明实施例之直线电机冷却结构将较好地解决该问题。表面散热热阻和冷却通道热阻是并联关系，图1所示。R2为材质热阻，R3为金属外壳，R4为绝热材料，R5为空气热交换热阻，R6为冷却水热交换热阻，R7为空气温升热阻，R8为冷却水温升热阻。电机工作时，总的热流是一定的，因此，热阻的平衡主要通过增加R4来实现，本例中，绝热层厚度为0. 6mm，流量1.5L/min，从电机表面散失的热量小于电机总耗散热量的 1%，电机表面的最高温升为0. 252°C，外绝热层即电机的外表面的温度分布如图2所示。R4 值的大小用于热阻的平衡进而分配热流量，控制表面温度。如图3所示，是该电机内部的温度梯度分布仿真分析图，等温线越密集，代表温度梯度越大，热流就越大，反之，越稀疏，代表温度梯度越小，热流也越小，可以看到，主要的大温度梯度区域集中在冷却通道和线圈中间，冷却通道后热流很小，表示大部分热流被冷却介质吸收，从而使得外表面温度得到有效控制。本发明实施例提供了一种直线电机冷却结构，包含一冷却组件13、电机线圈组件 14、第一管道7和第二管道8，上述电机线圈组件14位于冷却组件13里侧，第一管道和第二管道设置于冷却组件13的同一侧。具体而言，上述冷却组件13由冷板1与集流汇流盖板9构成，上述冷板1与集流汇流盖板9通过焊接方式连接。具体而言，上述冷却组件13的一端设有一折弯11。具体而言，上述冷却组件13的一端进一步设有一固定后端盖10，上述固定后端盖 10可将冷却组件13的一端折弯11进行包裹。具体而言，上述冷板1的的高宽比为大于1比5以上，可根据电机线圈数不同随意组合，以提高换热系数。具体而言，上述冷板1的材质为铝(如牌号为LF21的铝合金)或不锈钢。具体而言，上述第一管道7和第二管道8设置在上述集流汇流盖板9的同一侧。具体而言，上述线圈组件14用环氧树脂4进行封装。具体而言，上述冷却组件13为封口的U型结构，上述冷板1为单通道冷板，结构为 U型结构，冷却水的分流和集流位于冷却组件13的线圈引出线端，同时封闭U形冷板的开口端。具体而言，本发明实施中的冷却介质为水。具体而言，上述电机线圈组件14封装后直接推入具有封口的U型结构冷却组件 13，冷却组件13内侧涂覆导热膏薄层12，电机线圈组件14推入后的两个侧面及其它空隙用环氧树脂4密封。具体而言，绝热层5用于增大表面散热热阻，绝热层5为导热系数低于0. 03 (Si) 的可涂覆材质。具体而言，上述冷却组件外表面的绝热层为导热系数低于0.03 (Si)的可涂覆材质。具体而言，本发明实施例之可控表面温度直线电机冷却结构如图4至图8所示。最好对应每幅图进行描述上述冷板1的设计为大高宽比例，具体而言为大于1比5以上，可根据电机线圈数不同随意组合，以提高换热系数。冷板1的材质为铝(如LF21)或不锈钢，冷板1有如图5所示的折弯11，冷却通道段成U形，后端通过一固定后端盖10进行覆盖。四块冷板1与集流汇流盖板9通过钎焊焊接拼装在一起，构成冷却组件13。冷板1和线圈接触的内侧表面涂有导热膏，形成导热膏薄层12，用环氧树脂封装的电机线圈组件14可以直接插入冷却组件13，如图7所示。冷却组件13的折弯11和电机线圈组件14间形成的安装间隙用环氧树脂4进行填充。电机线圈组件14定位后，如图7的箭头方向两侧用环氧树脂4抹平。固定后端盖10，在两侧表面涂覆绝热层5，冷却时由第一管道7进入冷却组件13 的冷板1，分流到四个冷却通道经过折弯11后流过下表面的冷却通道汇集到第二管道8流出ο对多线圈的直线电机，和前述两线圈冷却结构设计的方法类似，依次增加冷板的数量，冷板覆盖区域都至少需要覆盖到环氧树脂封装层4的位置。除了控制线圈本身的温升之外，还能控制整个电机对外的散热，即控制整个电机的外表面温度，两个功能同时实现；本发明实施例中，冷却介质为水，单回路循环，但在线圈主要的散热表面，则为多个微小通道并联，使得整个电机对外输出的表面温度更均勻；而现有技术在同一冷却面上都用的是串联回路，主要散热面上温度分布不均勻；每个并联的冷
6却通道采用了大的高宽比设计，相比现有技术中的圆管冷却通道，换热效率可增加40 % 80% ；在每个冷却通道的外则，均覆盖绝热薄层，增加空气侧的传热热阻，从而更好地控制表面温升；线圈的两个小面积端面均采用绝缘材料，同时与冷却通道传热量相对应，选择低导热系数材质以平衡整个电机的外表面温度；每个冷却通道独立成一块单面冷却冷板，冷板之间留有间隙，以避免热胀冷缩引起形变，增加接触热阻。综上所述，本发明提供了一种直线电机冷却结构，包含一冷却组件、电机线圈组件、第一管道和第二管道，上述电机线圈组件位于冷板组件里侧，第一管道和第二管道设置于冷却组件的同一侧，此直线电机冷却结构较好的对线圈温度和电机外表面温度同时实施控温，解决电机正常运转的线圈温控，同时把自身对外环境的热影响降低到最小。以上对本发明所提供的一种直线电机冷却结构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种直线电机冷却结构，包含一冷却组件、电机线圈组件、第一管道和第二管道，所述电机线圈组件位于冷却组件里侧，第一管道和第二管道设置于冷却组件的同一侧。
2.根据权利要求1所述的电机冷却结构，其特征在于，所述冷却组件由冷板与集流汇流盖板构成，所述冷板与集流汇流盖板通过焊接方式连接。
3.根据权利要求1所述的电机冷却结构，其特征在于，所述冷却组件的一端设有一折弯。
4.根据权利要求1所述的电机冷却结构，其特征在于，所述冷却组件的一端进一步设有一固定后端盖，所述固定后端盖可将冷却组件的一端折弯进行包裹。
5.根据权利要求2所述的电机冷却结构，其特征在于，所述冷板的高宽比为大于1比5 以上。
6.根据权利要求2所述的电机冷却结构，其特征在于，所述冷板的材质为铝或不锈钢。
7.根据权利要求1或2所述的电机冷却结构，其特征在于，所述第一管道和第二管道设置在上述集流汇流盖板的同一侧。
8.根据权利要求1所述的电机冷却结构，其特征在于，所述电机线圈组件用环氧树脂进行封装。
9.根据权利要求1或2所述的电机冷却结构，其特征在于，所述冷却组件为封口的U型结构，所述冷板为单通道冷板，结构为U型结构，冷却水的分流和集流位于冷却组件的线圈引出线端，同时封闭U形冷板的开口端。
10.根据权利要求1所述的电机冷却结构，其特征在于，所述电机线圈组件封装后直接推入具有封口 U型结构的冷却组件，所述冷却组件内侧涂覆导热膏薄层，电机线圈组件推入后的两个侧面及其它空隙用环氧树脂密封。
11.根据权利要求1所述的电机冷却结构，其特征在于，所述冷却组件外表面的绝热层为导热系数低于0.03 (Si)的可涂覆材质。
全文摘要
本发明公开了一种直线电机冷却结构，包含一冷却组件、电机线圈组件、第一管道和第二管道，上述电机线圈组件位于冷却组件里侧，第一管道和第二管道设置于冷却组件的同一侧，此直线电机冷却结构较好地对电机线圈温度和电机外表面温度同时实施控温，可解决电机正常运转的线圈温控，同时把自身对外环境的热影响降低到最小。
文档编号H02K9/19GK102214975SQ20101014363
公开日2011年10月12日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者杨志斌, 龚岳俊 申请人:上海微电子装备有限公司