CN104362896A - 进动型步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种进动型步进电机，包括输出轴，由动子、超磁致伸缩驱动器、定子和离合器组成的进动型旋转驱动装置，轴承，锁紧装置，壳体和端盖。电机采用多个由动子、超磁致伸缩驱动器、定子和离合器组成的进动型旋转驱动装置，利用和动子轴线异面的超磁致伸缩驱动器驱动动子旋转的同时产生进动，同时依靠离合器控制多个进动型旋转驱动装置依次循环动作实现进动型电机在旋转的同时进行轴向的直线进动。相比于传统的超磁致伸缩驱动电机，本发明具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、效率高、运行平稳和能够实现正反两个方向任意角度转动同时进行前后进动的优点，推动了超磁致伸缩步进电机在精密机械驱动领域更加广泛的应用。

Description

进动型步进电机

技术领域

本发明涉及一种精密机械驱动领域的步进电机，具体的说是一种进动型步进电机。

背景技术

超磁致伸缩材料是一种尺寸可随外部磁场变化发生伸缩，且磁致伸缩系数远远大于传统磁致伸缩材料的特殊功能材料。超磁致伸缩材料具有机电转换效率高、能量密度的、响应速度快、输出位移大，可靠性高和易于驱动的特点。利用超磁致伸缩材料制作的换能器、音响、直线驱动器、旋转驱动器等在国防军事、音响设备、机器人、微机械电子系统等领域得到了广泛的应用。现有的超磁致伸缩电机文献中国专利“一种单驱双向旋转型超磁致伸缩电机”（申请号：CN201210006782.0）公开了一种采用超磁致伸缩驱动器驱动定子扭转，利用定子和动子之间的摩擦力进行力矩传动实现电机旋转的技术方案。

现有技术存在如下不足：采用单一的超磁致伸缩驱动器驱动定子扭转，其输出力矩较小；通过定子和动子之间的面接触摩擦驱动动子转动会产生能量损失和发热，效率比较低，且输出扭矩大小同时受制于材料接触表面粗糙程度；只能实现电机的旋转运动，不能满足既需要旋转同时又需要电机轴向直线进动应用场合的需要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种进动型步进电机，该步进电机具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、效率高和能够实现正反两个方向任意角度转动同时进行前后进动的优点。

为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：一种进动型步进电机，包括输出轴，由动子、超磁致伸缩驱动器、定子和离合器组成的进动型旋转驱动装置，轴承，锁紧装置，壳体和端盖。进动型旋转驱动装置中动子和定子为平行和同轴关系，动子和离合器为同轴固定连接，超磁致伸缩驱动器为长圆柱形、可输出长度方向的伸缩运动，超磁致伸缩驱动器一端和定子固定连接、另一端和动子形成固定连接，超磁致伸缩驱动器和动子中心轴线为异面关系，超磁致伸缩驱动器和动子的接触点所对应的动子圆柱面母线与超磁致伸缩驱动器轴线之间的夹角为锐角，相邻两个超磁致伸缩驱动器之间彼此平行，多个超磁致伸缩驱动器绕动子的外圆均匀分布。进动型旋转驱动装置的定子和壳体之间为固定连接，进动型旋转驱动装置的动子和输出轴为同轴关系，进动型旋转驱动装置的定子和输出轴为同轴间隙配合，进动型旋转驱动装置的离合器和输出轴为同轴关系，离合器在抱紧状态下进动型旋转驱动装置和输出轴之间为过盈配合，离合器在松开状态下输出轴和进动型旋转驱动装置为间隙配合。锁紧装置和壳体之间为固定连接，锁紧装置锁紧时，输出轴和锁紧装置之间为过盈配合，输出轴锁死不能移动，锁紧装置松开时输出轴和锁紧装置之间为间隙配合。输出轴和轴承之间为轴向固定的转动副连接，轴承和壳体之间为移动副连接，输出轴可在壳体内沿轴向移动的同时绕轴线转动，端盖和壳体之间为可拆卸固定连接。

所述超磁致伸缩驱动器由超磁致伸缩棒和驱动线圈组成，在驱动线圈产生的变化磁场作用下，超磁致伸缩棒会产生沿长度方向的伸缩运动。

所述动子为中心对称的圆盘状，同时为减小步进电机输出力矩时动子本身的转动惯量，增大其负载能力，动子结构可进行减重处理，将其设计为蜂窝状或轮辐状。

所述轴承内圈和输出轴固定，轴承外圈和输出轴之间只有绕轴线转动的自由度，轴承外圈和壳体内表面形成移动副连接。

所述多个进动型旋转驱动装置可以以输出力矩方向相同的安装方式、相邻进动型旋转驱动装置输出力矩相反的安装方式或任何其它进动型旋转驱动装置的排列形式安装，对本步进电机来讲，只需要根据安装方式控制施加给每个旋转驱动器上电流的方向，全部都可以实现两个方向任意角度的转动。

所述锁紧装置为常闭型锁紧装置，在断电或无电流输入的情况下输出轴处于锁紧状态。

所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将步进电机内部的进动型旋转驱动装置封装起来，增强其防护可靠性。

本发明进动型步进电机的工作原理为：首先给锁紧装置施加电流使其松开输出轴，然后在第一个进动型旋转驱动装置中多个超磁致伸缩驱动器的线圈中施加驱动电流并且离合器抱紧输出轴，由于磁致伸缩电效应超磁致伸缩驱动器产生长度方向的伸长（或缩短）变形，因为超磁致伸缩驱动器轴线和超磁致伸缩驱动器与动子接触点对应的圆柱面母线之间的夹角为锐角，所以超磁致伸缩驱动器长度方向的变形可以分解为与轴线平行方向和圆周方向的两个垂直分量，从而带动动子和输出轴同时进行旋转和轴向直线运动，当第一个进动型旋转驱动装置中超磁致伸缩驱动器的伸长（或收缩）形变达到最大时，断开第一个进动型旋转驱动装置驱动电流和锁紧装置的电流并且松开离合器，然后给锁紧装置施加电流使其松开输出轴并在第二个进动型旋转驱动装置中的多个超磁致伸缩驱动器中施加与第一个进动型旋转驱动装置驱动电流方向相同或相反的电流并且使离合器抱紧输出轴，使第二个进动型旋转驱动装置以相同或相反方向的转矩和进动继续驱动输出轴进行进动型转动，第一个进动型旋转驱动装置则在超磁致伸缩棒的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个进动型旋转驱动装置完成进动型旋转驱动后同样由后面的多个进动型旋转驱动装置进行相同方式的进动型旋转驱动，最后一个进动型旋转驱动装置完成步进驱动后可继续从第一个进动型旋转驱动装置循环，以此来实现进动型步进电机在正反两个方向任意角度的旋转同时进行前后进动。

本发明进动型步进电机相比传统的超磁致伸缩驱动电机来讲其优势在于：采用了多个由动子、和动子中心轴线异面的超磁致伸缩驱动器、离合器及定子组成的进动型旋转驱动装置，利用离合器和超磁致伸缩驱动器动作的配合实现旋转驱动器依次驱动动子产生进动型旋转步进的方法，多个超磁致伸缩驱动器同时作用使得进动型旋转驱动装置的结构紧凑，功重比大，大大提高了电机的输出转矩和输出力；利用超磁致伸缩驱动器偏置拉动动子产生扭矩和直线位移进动的方法效率更高，且不存在滑动摩擦力矩传递导致的过热问题；通依次循环控制多个进动型旋转驱动装置中超磁致伸缩驱动器和离合器的动作可以实现电机正反两个方向任意角度的旋转同时进行前后进动。

附图说明

图1为本发明进动型步进电机的内部结构示意图。

图2 为本发明进动型旋转驱动装置的结构示意图。

图3 为本发明进动型步进电机封装后的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图1、附图2、附图3和一个具体实施例对本发明进动型步进电机进行进一步的说明。以下所述实施例仅是为了更好的说明本发明的发明内容，本发明包含但不限于本实施例中所描述内容。

如图1、图2和图3所示分别为本发明进动型步进电机的内部结构示意图、进动型旋转驱动装置的结构示意图和封装后步进电机结构示意图，本实施例中进动型步进电机由输出轴1，由动子201、超磁致伸缩驱动器201、定子203和离合器204组成的进动型旋转驱动装置2a-2d，轴承4a、4b，锁紧装置3，壳体5和端盖6组成。输出轴1为圆柱形，由牌号为40Cr的钢加工而成。动子201为经过减重处理的轮辐状，中间有孔以便安装离合器204，材料为不锈钢。超磁致伸缩驱动器2a-2d由超磁致伸缩棒和驱动线圈组成，在驱动线圈产生的变化磁场作用下，超磁致伸缩棒会产生沿长度方向的伸缩运动。定子203为不锈钢圆环，圆环内圈直径和动子的外圈直径大小相同，圆环外圈的直径和壳体内表面的直径大小相同。离合器204为电磁离合器，通过线圈的通断电来控制离合器的抱紧和松开。轴承4a和4b为内圈和外圈轴向固定的圆柱滚子轴承，轴承4a、4b内圈和输出轴1通过过盈连接配合，外圈和壳体之间为微小间隙配合，通过润滑油减小移动时的摩擦力。锁紧装置3为一常闭型电磁制动器，在断电时处于制动状态，通电时处于松开状态。壳体5为空心圆柱形，一端完全开口，另一端留有比输出轴1直径略大的孔，完全开口一端内壁上加工有内螺纹，壳体5由不锈钢材料制作而成。端盖6也由不锈钢材料制作而成，端盖开口一侧外圆面加工有同壳体5完全开口一端配合的外螺纹，另一端开有比输出轴1直径略大的孔。

本实施例中进动型旋转驱动装置2a-2d中动子201和定子203为平行和同轴关系，动子201和离合器204为同轴固定连接。超磁致伸缩驱动器202为长圆柱形，可输出长度方向的伸缩运动，超磁致伸缩驱动器202一端和定子203固定连接、另一端和动子201形成固定连接，超磁致伸缩驱动器202和动子201的中心轴线为异面关系，超磁致伸缩驱动器202和动子201的接触点所对应的动子201的圆柱面母线与超磁致伸缩驱动器202轴线之间的夹角为锐角，相邻两个超磁致伸缩驱动器之间彼此平行，多个超磁致伸缩驱动器绕动子的外圆均匀分布。进动型旋转驱动装置2a-2d的定子203和壳体5之间为固定连接，进动型旋转驱动装置2a-2d的动子201和输出轴1为同轴关系，进动型旋转驱动装置2a-2d的定子203和输出轴1为同轴间隙配合。进动型旋转驱动装置2a-2d的离合器204和输出轴1为同轴关系，离合器204在抱紧状态下进动型旋转驱动装置2a-2d和输出轴1之间为过盈配合，离合器204在松开状态下输出轴1和进动型旋转驱动装置2a-2d为间隙配合。锁紧装置3和壳体5之间为固定连接，锁紧装置3锁紧时，输出轴1和锁紧装置3之间为过盈配合，输出轴1锁死不能移动，锁紧装置3松开时输出轴1和锁紧装置3之间为间隙配合。输出轴1和轴承4  a、4b之间为轴向固定的转动副连接，轴承4a、4b和壳体5之间为移动副连接，输出轴1可在壳体5内沿轴向移动的同时绕轴线转动，端盖6和壳体5之间为可拆卸固定连接。

当给锁紧装置3施加电流使其松开输出轴1，然后在第一个进动型旋转驱动装置2a中多个超磁致伸缩驱动器202的线圈中施加驱动电流并且离合器204抱紧输出轴1，由于磁致伸缩电效应超磁致伸缩驱动器202产生长度方向的伸长（或缩短）变形，因为超磁致伸缩驱动器202轴线和超磁致伸缩驱动器202与动子201接触点对应的圆柱面母线之间的夹角为锐角，所以超磁致伸缩驱动器202长度方向的变形可以分解为与轴线平行方向和圆周方向的两个垂直分量，从而带动动子201和输出轴1同时进行旋转和轴向直线运动，当第一个进动型旋转驱动装置2a中超磁致伸缩驱动器202的伸长（或收缩）形变达到最大时，断开锁紧装置3和第一个进动型旋转驱动装置2a的驱动电流的电流并且松开离合器204，然后给锁紧装置3施加电流使其松开输出轴1并在第二个进动型旋转驱动装置2b中的多个超磁致伸缩驱动器202中施加与第一个进动型旋转驱动装置2a驱动电流方向相同或相反的电流并且使离合器204抱紧输出轴1，使第二个进动型旋转驱动装置2b以相同或相反方向的转矩和进动继续驱动输出轴1进行进动型转动，第一个进动型旋转驱动装置2a在其离合器204松开后则在超磁致伸缩棒的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个进动型旋转驱动装置2b完成进动型旋转驱动后同样由后面的多个进动型旋转驱动装置2c、2d进行相同方式的进动型旋转驱动，最后一个进动型旋转驱动装置2d完成步进驱动后可继续从第一个进动型旋转驱动装置2a循环，以此来实现进动型步进电机在正反两个方向任意角度的旋转同时进行前后进动。

Claims (6)

1. 一种进动型步进电机，其特征在于：包括输出轴，由动子、超磁致伸缩驱动器、定子和离合器组成的进动型旋转驱动装置，轴承，锁紧装置，壳体和端盖；进动型旋转驱动装置中动子和定子为平行和同轴关系，动子和离合器为同轴固定连接，超磁致伸缩驱动器为长圆柱形、可输出长度方向的伸缩运动，超磁致伸缩驱动器一端和定子固定连接、另一端和动子形成固定连接，超磁致伸缩驱动器和动子中心轴线为异面关系，超磁致伸缩驱动器和动子的接触点所对应的动子圆柱面母线与超磁致伸缩驱动器轴线之间的夹角为锐角，相邻两个超磁致伸缩驱动器之间彼此平行，多个超磁致伸缩驱动器绕动子的外圆均匀分布；进动型旋转驱动装置的定子和壳体之间为固定连接，进动型旋转驱动装置的动子和输出轴为同轴关系，进动型旋转驱动装置的定子和输出轴为同轴间隙配合，进动型旋转驱动装置的离合器和输出轴为同轴关系，离合器在抱紧状态下进动型旋转驱动装置和输出轴之间为过盈配合，离合器在松开状态下输出轴和进动型旋转驱动装置为间隙配合；锁紧装置和壳体之间为固定连接，锁紧装置锁紧时，输出轴和锁紧装置之间为过盈配合，输出轴锁死不能移动，锁紧装置松开时输出轴和锁紧装置之间为间隙配合；输出轴和轴承之间为轴向固定的转动副连接，轴承和壳体之间为移动副连接，输出轴可在壳体内沿轴向移动的同时绕轴线转动，端盖和壳体之间为可拆卸固定连接。

2. 基于权利要求1所述的一种进动型步进电机，其特征在于：所述超磁致伸缩驱动器由超磁致伸缩棒和驱动线圈组成，在驱动线圈产生的变化磁场作用下，超磁致伸缩棒会产生沿长度方向的伸缩运动。

3. 基于权利要求1所述的一种进动型步进电机，其特征在于：所述动子为中心对称的圆盘状或减重处理后的蜂窝状以及轮辐状。

4. 基于权利要求1所述的一种进动型步进电机，其特征在于：所述轴承内圈和输出轴固定，轴承外圈和输出轴之间只有绕轴线转动的自由度，轴承外圈和壳体内表面形成移动副连接。

5. 基于权利要求1所述的一种进动型步进电机，其特征在于：所述锁紧装置为常闭型锁紧装置，在断电或无电流输入的情况下输出轴处于锁紧状态。

6. 基于权利要求1所述的一种进动型步进电机，其特征在于：所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将步进电机内部的进动型旋转驱动装置封装起来，增强其防护可靠性。