CN101478195B - 基于双层平面线圈的轴向磁通电磁型微驱动器 - Google Patents

Abstract

一种基于双层平面线圈的轴向磁通电磁型微驱动器，属于微机电技术领域。本发明包括：双面磁钢转子、双层平面线圈定子、单面磁钢转子、轴承、输出轴。双面磁钢转子位于输出轴的轴向中心位置，与输出轴固定连接；两个双层平面线圈定子位于双面磁钢转子的两侧，通过轴承与输出轴连接；两个单面磁钢转子分别位于两个双层平面线圈定子的外侧，其磁钢与双层平面线圈定子的绕组相对，与输出轴固定连接。本发明减少单层平面线圈内因连接需要的无效绕组，降低单位体积内的微驱动器功耗，提高输出力矩。本发明能在微小尺寸内实现高效率微驱动器，结构简单，易于实现，特别适合在微小尺寸限制的条件下实现高效率的电磁型微驱动器。

Description

基于双层平面线圈的轴向磁通电磁型微驱动器

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的轴向磁通电磁型微驱动器，特别是一种基于双层平面线圈的轴向磁通电磁型微驱动器。

背景技术

电磁型微驱动器一般分为轴向磁通和径向磁通结构。径向磁通结构线圈结构易于实现，径向尺寸小，但这种结构实现大输出力矩的代价是轴向尺寸很大，是径向尺寸的几倍以上(径向尺寸在毫米尺度，而轴向尺寸在厘米尺度)，很难应用在微系统内部。同时径向磁通结构的定子线圈是在圆周内分布，不利于目前微细加工工艺实现。轴向磁通结构的定子一般为平面线圈。输出相同力矩，采用轴向向磁通结构的微驱动器轴向尺寸大大缩小，与径向尺寸处于同一尺度内。其平面定子结构也易于目前微细加工工艺实现。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：200710037892.2，名称为：定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，该专利自述为：“上定子和下定子都设在中间基体上，和中间基体形成固定联结，盒形微转子呈中空的圆形盒子形状，盒形微转子在上定子和下定子的电磁力作用下稳定悬浮在中间基体的外缘，中间基体上分布有八块旋转线圈，它们分成两组四相线圈。本发明采用了盒形微转子和定子内嵌式结构，可增加悬浮微转子的悬浮刚度和侧向稳定刚度，同时中间基体在盒形微转子不工作的时候起到对微转子限位的作用”。

检索中还发现，中国专利申请号为03116583.4名称为：双稳态电磁型微驱动器及其制备方法，该专利自述为：“一种双稳态电磁型微驱动器及其制备方法，以分布于基体上的软磁衬底为基础，其上分两侧对称设置一对永磁体基座，软磁性扭梁通过软磁过渡层安置在一对基座之上形成桥式结构，桥的两侧衬底上分别设置一组包含铁芯的平面绕组；扭梁中部的两侧双向水平伸展软磁性悬臂梁，悬臂梁两端处于平面绕组的上方，并在悬臂梁和绕组之间形成可供悬臂梁运动的气隙。”在上述构造中，永磁体借助衬底的联系作用与扭梁、悬臂梁和绕组构成两个并联磁回路，借助绕组中脉冲电流方向的改变可以任意选择其中气隙之一闭合，靠永磁力实现双稳态。

两种专利都是采用单层平面线圈，线圈的形状为梯形形状，线圈在平面内需要自形成回路；定子绕组中与转子相互作用产生驱动力的有效部分是切割磁力线的绕组。单层平面线圈为在平面内构成回路而制备成梯形形状，梯形的上下平行两边都是为形成回路的无效绕组，尤其是梯形下边长的绕组其长度近整个绕组的1/3。这种单层平面线圈结构不但降低单位体积的输出功率，而且微驱动器的发热比较严重，对微驱动器的效率和寿命都有影响。

发明内容

本发明的目的在于克服以上技术中的不足，提供一种基于双层平面线圈的轴向磁通电磁型微驱动器，具有毫米尺寸结构，提高微驱动器在微小尺寸下的效率及寿命，特别适合微系统中散热不良的环境。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：双层平面线圈定子、单面磁钢转子、双面磁钢转子、输出轴、轴承，单面磁钢转子、双面磁钢转子通过输出轴连接；双面磁钢转子位于输出轴的轴向中心位置，与输出轴固定连接；两个双层平面线圈定子位于双面磁钢转子的两侧，通过轴承与输出轴连接；两个单面磁钢转子分别位于两个双层平面线圈定子的外侧，其磁钢与双层平面线圈定子的绕组相对，与输出轴固定连接。

所述双层平面线圈定子上下两层绕组结构为U字结构线圈，开口靠近基本外侧，上下两个U字结构线圈通过线圈基板外侧的线圈结构实现上下两层互联，形成定子绕组回路，从而去除单层平面线圈中梯形结构中靠近基板外侧的下边绕组结构。该结构减少定子线圈中的无效绕组，增加微驱动器输出力矩，提高驱动器效率，减少发热。

本发明中，两定子三转子结构充分发挥双层平面线圈定子结构的效率。一个双面磁钢转子和两个单面磁钢转子与两个双层平面线圈定子的四层平面绕组相互作用，带动转轴旋转，输出力矩。三转子结构提供灵活输出，微驱动器可以根据需求在转子位置和输出轴两端驱动相应的部件。

本发明通过双层平面线圈定子结构的设计，使得定子绕组效率提高近30％，相同体积条件下，输出力矩提高近30％，而轴向尺寸并无增加；两定子三转子的结构设计，使得单位体积内的输出力矩提高，并增加了系统力矩输出的灵活性，适合在微系统设计中将微驱动器及执行部件结合设计。

附图说明

图1本发明结构示意图

图2本发明双面平面线圈定子结构正视图

图3本发明双面平面线圈定子结构侧视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、2、3所示，本实施例包括：双面磁钢转子1、双层平面线圈定子2、单面磁钢转子3、轴承4、输出轴5，连接方式为：单面磁钢转子3、双面磁钢转子1通过输出轴5连接；双面磁钢转子1位于输出轴5的轴向中心位置，与输出轴5固定连接；两个双层平面线圈定子2位于双面磁钢转子1的两侧，通过轴承4与输出轴5连接；两个单面磁钢转子3分别位于两个双层平面线圈定子2的外侧，其磁钢与双层平面线圈定子2的绕组相对，与输出轴5固定连接。

本实施例中，双层平面线圈定子2包括：单个定子线圈6、线圈内槽体7、线圈间隔槽体8和定子基板9。定子线圈6均匀的分布在定子基板9上，单个定子线圈6从定子基板9的外侧包络于定子基板9，分别与定子基本9的上下两个平面及外侧面接触，构成微驱动器的一个绕组。线圈内槽体7位于单个定子线圈6内部空隙，设置于定子基板9上，与单个定子线圈6等高。线圈间隔槽体8位于相邻单个定子线圈6之间的间隙内，设置于定子基板9上，与单个定子线圈6等高。线圈内槽体7与线圈间隔槽体8共同构成线圈槽，减小磁场间隙。

两个双层平面线圈定子2共同组成微驱动器的三相绕组，通过轴承4与输出轴连接；双面磁钢转子1位于两个双层平面线圈定子2之间，两个单面磁钢转子3分别位于两个双层平面线圈定子2的外侧，三个转子的磁极保持同相，与输出轴5刚性链接，按照标准三相电机控制方法，可控制电机旋转。

本实施例采用双层平面线圈定子2减少平面线圈的无效热耗，配合双面磁钢转子1和单面磁钢转子3增加定转子之间相互作用面积，提高有效力矩输出，降低热耗。

Claims (2)

1.一种基于双层平面线圈的轴向磁通电磁型微驱动器，其特征在于包括：双层平面线圈定子、单面磁钢转子、双面磁钢转子、输出轴、轴承，其中：单面磁钢转子、双面磁钢转子通过输出轴连接，双面磁钢转子位于输出轴的轴向中心位置，与输出轴固定连接，两个双层平面线圈定子分别位于双面磁钢转子的两侧，通过轴承与输出轴连接，两个单面磁钢转子分别位于两个双层平面线圈定子的轴向外侧，其磁钢与双层平面线圈定子的绕组相对，两个单面磁钢转子与输出轴固定连接；

所述双层平面线圈定子，其轴向的上下两层绕组结构分别为U字结构线圈，开口靠近径向外侧，上下两个U字结构线圈通过线圈基板径向外侧的线圈结构实现上下两层互联，形成定子绕组回路。

2.根据权利要求1所述的基于双层平面线圈的轴向磁通电磁型微驱动器，其特征是，所述双层平面线圈定子包括：单个定子线圈、线圈内槽体、线圈间隔槽体和定子基板，单个定子线圈均匀的分布在定子基板上，单个定子线圈从定子基板的径向外侧包络于定子基板，分别与定子基板的轴向的上下两个平面及径向的外侧面接触，构成微驱动器的一个绕组，线圈内槽体位于单个定子线圈内部空隙，设置于定子基板上，与单个定子线圈等高，线圈间隔槽体位于相邻单个定子线圈之间的间隙内，设置于定子基板上，与单个定子线圈等高，线圈内槽体与线圈间隔槽体共同构成线圈槽。

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