直线轴马达的制作方法

本发明大体上涉及直线轴马达（linearshaftmotor），且更具体地涉及用于与高精度机床一起使用的液体冷却的直线轴马达。

背景技术：

直线马达（lm）多年以来一直与机床一起使用，尤其是与铣床一起使用，其中，与其中旋转运动通过滚珠丝杠被转换成直线运动的常规系统相比，所实现的高的加速度和高的速度，以及不需要维护的事实对于过程是极大的优点。从30多年以来，lm也被提出与电火花加工机（edm）一起使用（cp.jp63002626a）。自1999年，在与铣床一起引入之后仅仅几年，sodick的电火花加工机就已经配备了直线马达驱动系统。

扁平型直线马达的主要问题以及其未替代常规系统的原因之一是在主要部分的铁芯与永磁体（次级）之间的强磁吸引力，其必须通过机器结构的适当设计来吸收。这个力能够通过马达本身的对称构造，就像u型通道型直线马达一样，或者通过机器内马达的对称配置来消除。

更最近，另一种众所周知类型的直线马达已被引入作为机床的致动器：直线轴马达（以下称lsm）。与其他类型的直线马达相比，lsm具有许多优点，这些优点使其成为用于某些机器中的轴向致动的非常有吸引力的解决方案。尤其，对称的构造本质上导致了平衡的力。因此，机器的结构部件基本上在期望的轴向方向（推力方向）上被加载，如传统的滚珠丝杠传动装置一样，并且结构部件不需要像扁平型lm那样坚硬。

轴主要由一排产生强磁场的永磁体组成。利用轴的筒形构造，磁体的整个筒形表面区域能够用于产生推力。gmc有限责任公司的专利us6,040,642中示出了轴的可能设计。无铁芯lsm提供了非常平滑的速率和位置控制，并且非常节能。

lsm是预装的，所以安装在机器上比较容易。而且，直线轴马达的紧凑的对称构造有利于其与机床集成，马达被安装成与相应的机器部件紧密相关，从而在力传递方面实现了优异的刚度。然而，由于lsm直接链接到相应的机器部件，所以在机器结构的芯处，马达推进器中产生的热量必须尽可能地疏散，以避免机器结构的伸长和变形及因此造成的精度损失。

由于铜绕组中的欧姆损耗引起的加热功率与i²×r成正比。在正常操作中，在这里考虑的范围内由每个lsm连续产生的热量为约几百瓦。需要指出的是，正常的操作是准永久条件。通常，cnc机床包括至少三个轴线马达，而电火花线切割机通常包括两个水平轴线对，以及采用旋转致动的第五垂直轴线。不言而喻，必须避免或至少限制在机器结构的芯处的热引入。随着对机床的精度要求越来越具挑战性，热引入必须从源头上被拦截。

三菱（日本公司）的专利文献wo2010049969涉及一种配备有液体冷却系统的直线轴马达，该液体冷却系统包括在马达外壳和机体之间的冷却板（马达线圈保持件14）和两个侧向冷却板。然而，这种冷却理念不能有效地保护机体，因为不能避免热量传递到附接表面。此外，将这种板插入马达主体周围并且特别是在马达主体上方增加了滑块的尺寸，以及在机床内所需的体积。

在2012年，三菱公司推出了新系列的wedm（mv系列），其使用直线轴马达。这里散热问题已经基本上通过在lsm周围配置一些冷却板被解决。当然，带冷却板的lsm的高度显著增加。

尼康的专利文件us6,323,567涉及一种用于冷却轴型直线马达的线圈阵列的循环系统，通过该循环系统，马达的外表面在操作期间被维持在设定的温度。线圈壳体用于支撑线圈组件并提供流体通路来冷却线圈组件。流体通路分布在线圈周围。线圈壳体在每个端部处包括端部部分，在这些端部部分的顶部上具有流体入口/出口。尼康的轴型直线马达的整体尺寸显著增加，以便将冷却回路安装在线圈壳体中。

anca的专利文献wo2016025975涉及一种直线马达，其包括具有筒形主体的施动器（mover），在所述筒形主体内具有线圈。滑块在一端具有凸缘，通过该凸缘，直线马达牢固且容易地固定在相应的机器部件中。在筒形主体和施动器壳体之间形成充分冷却剂空间。这样的设计在移动的部件之间需要相当大的空间。

上面提到的冷却回路是有效的，然而有一个重要的限制，即马达的横截面在所有方向上显著增加。事实上，冷却回路最通常存在于围绕热源放置的护套中。马达的尺寸增加，在某些情况下，这表示不可接受的机器设计限制。

图1所示的excetek的实用新型twm505992u公开了一种使用直线轴马达的wedm。这里的主题是机械工程的良好规则的实施。这里，lsm的滑块通过其顶表面固定地安装在机器的结构部件上。这里可以看到的一件事是，滑块的高度与其在机器部件之间的集成有关。

因此，需要一种用于高精度应用的优化的lsm，其具有更小的尺寸，且特别是更小的高度，但是具有优异的性能和有效的冷却。考虑到使用lsm的机床的最佳精度，为了充分利用lsm的优点，有必要提供整体优化的设计。

技术实现要素：

本发明的第一方面涉及一种具有滑块的直线轴马达，该滑块具有被设计成实现最小的滑块结构高度的集成的流体冷却。

尤其，根据本发明的直线轴马达包括管状磁轴和滑块，该滑块包括长方形的，大体长方体形状的整体式马达壳体，其具有矩形横截面和低的结构高度hh，即，低的轮廓横截面。滑块还包括集成的流体冷却回路。马达壳体具有纵向中心孔，包括三相绕组的一排线圈位于纵向中心孔中。马达壳体包括至少两个纵向冷却孔，这些纵向冷却孔是集成的流体冷却回路的一部分。纵向冷却孔在中心孔的左侧和右侧对称分布，并与其平行，并且任一纵向冷却孔的中心轴线位于中心孔的最高部分之下和在中心孔的最低部分之上，或二者。尤其，纵向冷却孔并不位于中心孔的轴线的正上方或正下方，也不位于该位置附近。

以这种方式，长方体形状的马达壳体的结构高度（hh）基本上由线圈的尺寸决定，而不是由纵向冷却孔的位置决定。由此实现了马达壳体的最小结构高度，并因此实现了整个滑块的最小结构高度。

本发明的第二方面涉及一种直线轴马达，其具有滑块，该滑块具有集成的流体冷却回路，该滑块包括：包括至少两个纵向冷却孔的马达壳体，以及包括多个互连孔的两个凸缘，马达壳体的纵向冷却孔通过所述多个互连孔相互连接。以这种方式，马达壳体的整个长度被用于热传递，并且马达壳体处的机加工操作的数目减少。

本发明的第三方面涉及直线轴马达的滑块，其在长方体形状的马达壳体的上表面或下表面处安装到机床的结构部件。马达壳体包括在中心孔的轴线的正上方或正下方在上表面和/或下表面处的长方形的凹入通道。还可以包括安装在所述马达壳体和结构部件之间的绝缘垫。

以这种方式，至少在包括线圈的中心孔的轴线的正上方或正下方的区域中，大大减小了从滑块到机器的结构部件的热量传递。

本发明的第四方面涉及一种具有磁轴的直线轴马达，该磁轴具有高度减小的横截面，通过其减小了滑块结构高度,常规磁轴具有圆形横截面。所述改型的磁轴具有对称横截面，并且可以具有椭圆形横截面、或者带有两个扁平部分的圆形横截面，或者由直线连接的两个半圆形成的横截面。缠绕线圈以便在保持气隙的同时获得基本上相同的横截面。以这种方式，滑块结构高度hh被减小，同时保持lsm的优点。

在进一步的描述中解释其他方面、有利特性和实施例。

附图说明

现在将通过示例并参照附图来描述本发明及其某些实施例。

各图示出下述：

图1根据twm505992u带有lsm的wedm；

图2lsm的主要部件；

图3根据本发明的lsm的滑块；

图4马达壳体；

图5和图6马达壳体的横截面；

图7滑块的凸缘的视图；

图8凸缘的局部等距表示；

图9至图14根据本发明的lsm的几个等距表示，根据本发明的lsm包括用于滑块和机器结构的热分离的附加元件；

图15带有其中心孔的细节的马达壳体的视图；

图16带有其流体冷却回路的细节的lsm的等距表示；

图17凸缘的局部等距表示；及

图18包括集成的线性测量系统的lsm的侧视图。

具体实施方式

图1是如在文献twm505992u中所示的现有技术的电火花线切割机的侧视图，其具有所谓的t形床。参考数字5是x轴线的直线轴马达。数字51和52分别是x轴线的滑块和磁轴。参考数字6是y轴线的直线轴马达。数字62是y轴线的磁轴。在图示的情况下，x轴线和y轴线的磁轴借助于轴支撑件附接到床，同时滑块被附接到机器的移动部分。可用空间，例如在工作台和床之间，是有限的。床被相应地成形。其他轴线布局和其他机床也会出现同样的问题。

图2是具有其主要部件的lsm1的简化的等距表示，主要部件即：滑块10（有时称为：施动器或推进器）、磁轴30、一对轴支撑件41和42。滑块和管状磁轴实现彼此之间的相对运动；这两个部分可以构成固定或移动部分。

图3是根据本发明的lsm的滑块10的等距表示。滑块的所描绘的部件是：马达壳体101、第一凸缘202和第二凸缘203以及两个弯管压力配件551（入口）和552（出口）。凸缘202、203通过4个螺钉抵靠马达壳体安装。滑块10还包括树脂嵌入的线圈（未示出）和一个或多个电连接器（未示出），其安装在滑块的侧部处的连接器安装孔182上。凸缘202和203具有比磁轴30略大的中心孔。

图4是马达壳体101的等距表示。马达壳体101是整体式长方形的，大体长方体形状的，并具有低的结构高度hh。马达壳体具有中心孔180和优选地圆整的长方形电缆通道181，在该中心孔中容纳大致中空圆筒形状的线圈，线圈的端部通过电缆通道181被规定路径到电连接的端子。

马达壳体具有矩形的低高度的横截面，例如70mm×110mm。

高度hh基本上由线圈的外径决定。在中心孔180正上方和正下方的区域中的剩余材料厚度为仅几毫米，通常为2-6mm。马达壳体的长度由线圈的数量决定。

此处所描绘的马达壳体具有八个纵向冷却孔，这些冷却孔在中心孔的左侧161、162、167、168和右侧163、164、165、166对称分布，并且与中心孔平行，并且以这样的方式使得这些纵向冷却孔不决定或者实质上增加马达壳体的整体高度。这通过配置纵向冷却孔使得所述纵向冷却孔的任一中心轴线位于中心孔的最高部分之下和/或在中心孔的最低部分之上来实现。换句话说，纵向冷却孔162、163不能定位成高于中心孔180，并且冷却孔166、167不能定位成低于中心孔180。

冷却回路的入口151与孔161连接，并且出口152与孔168连接。此外，多个互连孔将这些纵向冷却孔彼此相互连接以形成冷却回路，如图5和图6所示：

•水平盲孔171将孔161与孔162连接。

•水平盲孔172将孔163与孔164连接。

•垂直盲孔173将孔164与孔165连接。

•水平盲孔174将孔165与孔166连接。

•水平盲孔175将孔167与孔168连接。

图5是马达壳体101的穿过入口151、出口152和垂直互连孔173的横截面。互连孔173通过螺纹钉183封闭。所示示例包括具有圆形横截面的八个纵向冷却孔，但是其可以包括两个或更多个纵向冷却孔，并且形状可以不是圆形，以促进从中心孔180上方和下方的区域散热。

在替代实施例中，入口151、出口152和垂直互连孔173被集成在凸缘202中（见图16）。图16中所示的替代实施例包括如上所述的改型的凸缘202，其中改型的凸缘202还包括向侧部突出的部分，所述突出的部分具有平行于中心孔180的集成的流体冷却回路入口和出口。以这种方式，可以使用直管压力配件553、554来代替弯管压力配件。在极简主义实施例中，一个或两个凸缘，相应地集成在所述凸缘中的流体冷却回路的部分，可以通过对应于每个纵向冷却孔安装的连接配件和管来代替以连接这些孔，从而形成流体冷却回路。

图6是马达壳体101的穿过互连孔171、172、174和175的横截面。这些水平互连孔也通过螺纹钉（未示出）封闭。

在如图17所示的替代实施例中，互连孔171、172、174和175可以由集成在凸缘203中的等效互连孔或孔口222代替，孔口222具有槽形形式并且连接两个或最终更多的纵向冷却孔。

在上述段落中描述的某些替代实施例的组合中，所有的互连以及入口和出口端口可以位于凸缘202和203中，以便在（典型地）挤出成型之后，用马达壳体101执行的机加工操作的数目被最小化。在这样的组合中，冷却通过利用流体冷却回路包围凸缘202和203和马达壳体101的整个长度而得以改善。

图7描绘了凸缘202的一些细节，特别是：

-与马达壳体101中的纵向冷却孔162、163匹配的两个盲孔262、263，

-与马达壳体101中的纵向冷却孔166、167匹配的两个盲孔266、267，

-连接孔262和孔263的横向孔264，及

-连接孔266和孔267的横向孔268。

横向孔264和268通过螺纹钉294、298封闭。

马达壳体101的纵向冷却孔162、163、166、167在凸缘202中具有对应的延续部分262、263、266、267；所述延续部分由至少一个凸缘的如图所示的横向孔264、268连接，形成集成的流体冷却回路的连续通路。

马达壳体优选地由铝制成，其是优异的热导体。马达壳体轮廓优选地通过挤出获得。优选地，通过挤出获得轮廓的一个或多个内部和/或外部特征，诸如中心孔180、电缆通道181、纵向冷却孔161-168、和/或位于壳体的外表面处的长方形的凹入通道（如图9所示）。纵向冷却孔的横截面是大体圆形的，然而其可以被优化以遵循中心孔的几何形状，以改善到冷却回路的热流动。

凸缘202和203由电绝缘材料制成，优选地合成聚合物，例如，pom或复合材料，例如，环氧玻璃织物。凸缘优选地通过下述过程中的一个或多个制造：注射模制、铣削、钻孔或增材制造。

图8是通过前述的连接孔264、268在凸缘202内形成的流体通路的半透明等距表示。在此可以看到，在马达壳体101的左侧的纵向冷却孔162、167和在马达壳体101的右侧的纵向冷却孔163、166之间的互连在凸缘202内形成。从图7和图8明显的是，这些横向互连孔的集成不能在具有如由本发明规定的低轮廓横截面的马达壳体内实现，因为它们会干扰线圈。因此，马达壳体的两侧通过基本上横向于马达壳体的纵向冷却孔布置的互连孔而相互连接，所述互连孔位于其中一个凸缘中。

本发明利用具有磁轴的管状轴马达，例如无铁芯直线型同步马达来实现。在这种类型的马达中，由于电阻损耗，所以热量在线圈的铜绕组中产生。本发明还可应用于诸如铁芯马达等其他管状轴马达，其中，由于涡流也在铁芯中产生热量。线圈成排定位在马达壳体的中心孔中，并通过环氧树脂固定。线圈必须尽可能靠近轴的永磁体，以在信任方面获得最佳效率。由于磁轴和线圈的布置或多或少是不可改变的，所以滑块的其他特征必须围绕这些芯部分布置。冷却回路必须尽可能靠近热源放置，但其必须不能干扰绕组。在中心孔周围集成冷却回路将显著增加马达壳体的结构高度。相反，根据本发明的冷却回路提供有效冷却，同时保持紧凑的结构。

在操作中，线圈可以达到约80℃的温度，但峰值温度可以高得多。通过不断冷却马达壳体，能够提供lms更高的电流，从而提供更多的信任。为了保持期望的精度，入口和出口之间的冷却流体的温差应该被限制，优选地小于1℃。这意味着流体循环必须相当可观。

在edm机器的情况下，介电流体，即处理流体可以用作用于lms的冷却回路的冷却剂。所述介电流体是去离子（di）水或油；在这两种情况下，冷却回路必须被构造成将不因腐蚀、溶解或其它损坏。在任何情况下，马达壳体优选地包括以下表面处理中的一种：阳极氧化、电泳或表面涂层。

如上所述，通过环氧树脂将线圈铸造在中心孔180中。铜绕组具有低的电阻和热阻，而树脂是良好的绝缘体。铝制马达壳体101用可比较的厚的树脂层包封树脂环氧树脂浇铸的线圈以确保电绝缘。热量从树脂嵌入的线圈流向纵向冷却孔。铝是非常好的热导体，因此马达壳体101呈现几乎均匀的温度，并且通过流体冷却回路非常有效地疏散热量。

然而，由于减小的轮廓，在马达壳体的中心部分处，在中心孔180正上方和正下方的冷却稍微不那么有效。

图9至图14是根据本发明的lsm的等距表示（凸缘未示出），其示出了用于滑块和机器结构的热分离的附加元件。

为了最小化长方形热点的影响并且避免对结构部件造成任何不利的影响，马达壳体101可以包括在中心孔180的正上方和/或正下方，在壳体的外表面处的凹入通道102，如图9所示。优选地，所述凹入通道102具有0.1至5mm，更优选为0.3至1mm的小的深度，并且可以通过挤出直接制造。以这种方式，避免了在固体马达壳体101和机器的固体结构部件之间的直接热传递。

如本领域中已知的，机器的滑块和结构部件可以通过在安装表面之间添加诸如绝缘垫110或多个绝缘间隔物的绝热层而进一步分离。所述绝热层可以是例如复合材料。所述绝热层可以覆盖马达和结构部件之间的整个区域或仅覆盖接触区域。几毫米的薄垫提供了热阻的显著改善，没有空间的重大损失。优选地，本文上面所提及的两个元件，即，凹入通道102的插入和绝缘垫110的增加，如图10所示被组合。显然，凹入通道102也可以布置在绝缘垫110中，如图11所示。

图12示出了本发明的另一个实施例，其带有绝缘垫130、冷却板120和插在滑块10和机器结构（未示出）之间的第二绝缘垫110。在这样的实施例中，由于在一次冷却回路中未被捕获的不太多的余热现在在集成在板120中的二次冷却回路中被疏散，所以机器结构被有效地保护免受来自lsm的热引入。在另外的优选实施例中，板120和滑块10的冷却回路可以彼此串联连接，其中温度被控制的冷却流体例如首先被供应到板120中的二次冷却回路，并且随后被供应到滑块10中的一次冷却回路。

图13和图14示出了本发明的另一个实施例，其中滑块10的高度进一步减小。常规lsm的磁轴具有圆形横截面。与此相对，图13和图14中的当前实施例示出了直线轴马达，其中磁轴30具有减小的高度的横截面。所述改型的磁轴具有对称的横截面，例如椭圆形横截面、或者具有两个扁平部分的圆形横截面、或者由直线连接的两个半圆形成的横截面。磁轴的横截面的周长决定推力。因此，具有例如椭圆形横截面的磁轴具有与具有圆形横截面的相同横截面周长的磁轴相同的推力。在这样的实施例中，线圈相应地缠绕，从而获得基本上相同的横截面，同时保持到磁轴的必要气隙。以这种方式，滑块结构高度hh被进一步减小，同时保持了本发明的lsm的优点。在该实施例中，在中心孔正上方和/或正下方的长方形热点更加明显，因此优选地包括结合图9至图12所示的元件中的一个或多个，即：凹入通道、绝缘垫和/或冷却板。

图15示出了马达壳体101的细节，其中，中心孔180的表面在马达壳体101和用于嵌入线圈的树脂之间的界面表面处被滚花或以其他方式加工。以这种方式，用于热传递的热表面被增加并且散热得到改善。

根据前述实施例，本发明的lsm滑块的流体冷却回路在出口处终止，该出口然后连接到机床的流体冷却回路。在替代实施例中，滑块的流体冷却回路通过形成通路延伸，所述通路用于流体从最后一个纵向冷却孔流出到凸缘202中的圆形腔（未示出），通过其流体在磁轴和马达线圈之间的间隙中被引导，并且越过所述间隙到达另一个凸缘203。这里，流体被收集在凸缘203中的圆形腔中并且被引导到出口。这里凸缘202和203包括密封件以避免或减少冷却流体的损失。泄漏流体通过合适的导管被引导到收集罐。

如图2所示，直线轴马达包括两个支撑件41、42，其保持磁轴30就位。在本发明的另外的优选实施例中，线性测量系统被安装在凸缘202、203中的一个与支撑件41、42中的一个之间。优选地，所述线性测量系统是激光干涉测量系统，如图18所示。所述线性测量系统的部件是：激光源280和光电检测器，其优选地被安装或集成在支撑件41或42中的一个中，以及反射器290，其优选地被安装或集成在滑块的凸缘202或203中。

总之，根据本发明的直线轴马达在与机床（诸如电火花加工机、激光加工机、增材制造机等）一起使用时适于与高精度定位系统一起使用。根据本发明的lms的特征在于其紧凑尺寸，尤其是低的结构高度，以及流体冷却回路的完全集成。

最后，根据本发明的lsm马达壳体能够通过在预组装的线圈组件周围安装护套型壳体来实现。这可以例如通过下述实现：通过叉式构造的护套型壳体，其在整个长度上具有水平狭缝，或者水平分开的两部分护套型壳体，两个半部形成围绕线圈组件的夹具并且利用凸缘变得完整。

前面的描述说明了能够实现本发明的直线轴马达的许多不同的实施例和变型。不用说，本文未具体考虑的本发明的其他变型和组合是本发明构思的一部分，并且可以容易地被本领域技术人员推断得到并应用。

本发明不限于明确解释的示例和实施例。所示出的替代方式相当于被认为是旨在激励本领域技术人员以最有利的方式实现本发明的建议。应该强调的是，在前面的文本中组合描述的特征和实施例中的一些也可以单独地被要求保护。

参考数字

1直线轴马达，或lsm（也作：磁轴马达）

30管状磁轴、或轴

32永磁体

41、42轴支撑件

10滑块，（也作：马达滑块、施动器、推进器）

15纵向冷却孔的轴线

20中心孔的最高部分

25中心孔的最低部分

101马达壳体、或壳体（滑块的一部分）

102长方形的凹入通道

105马达壳体的顶表面

106马达壳体的底表面

110、130绝热垫

120冷却板（二次冷却）

180中心孔

181电缆通道

182连接器安装孔

161-168纵向冷却孔

171-175流体回路互连孔

222流体回路互连孔口

262-268凸缘202中的流体回路互连孔

280线性测量系统的激光源

290线性测量系统的反射器

151、152入口，出口

551、552配件（推入式）

553、554直管压力配件

183螺纹钉

294、298螺纹钉

202、203马达壳体凸缘、或凸缘

hh壳体横截面的高度。