CN104617739A - 机电集成步进电机 - Google Patents
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Abstract
一种机电集成步进电机，机体的轴向两端设有前端盖和后端盖，机体内部靠近后端盖的环形槽内设中心盘，中心盘通过后端盖固定在环形槽内；中心盘的中心通孔内设章动盘，章动盘通过其内的连接块与上述前端盖连接在一起；中心盘与章动盘之间设有球壳，球壳能够通过章动盘实现转动，球壳与穿过后端盖中心通孔的输出轴连为一体，输出轴与上述后端盖中心通孔内的轴承相接，轴承通过后端盖上的轴承压盖固定；章动盘通过电磁组件实现章动；前端盖上的控制器能够控制电磁组件的工作。本发明与现有技术相比具有结构简单、紧凑，承载能力强，速度容易控制等优点。
Description
技术领域 本发明涉及一种机械传动设备，尤其涉及一种机电集成步进电机。
背景技术 减速器是机械工业中重要的精密机械，其传动机构性能直接影响了机械的生产效率、工作性能和产品质量。减速器需要电机或其他动力源提供动力，输出机器需要的转速和扭矩，动力源配备减速器为机器提供转速和扭矩的模式不仅增加了机器的生产成本，还增加机器体积，影响机器的实用性能。磁力机械能够实现主从动机构完全分离，振动小、噪音低，但其传递扭矩与传统传动机械相比处于劣势，磁力机械的应用受到一定限制。中国专利号为200510078247.6，名称为章动活齿传动装置提出了一种新型活齿减速器，其设计有两排钢球，钢球与槽的啮合，通过输入轴带动章动盘运动实现减速；该传动装置钢球与槽啮合时磨损严重，且存在输入轴不易加工等问题。中国专利号为201210074872.3，名称为机电集成章动活齿传动装置提出一种新型电机，利用磁力传动无接触、振动小的优势，具有噪音低、效率高等优点，但该传动装置输出力矩小，转速不易控制，同时需要减速器与其配套使用才能输出机器需要的转速和转矩。
发明内容 本发明的目的在于提供一种机电集成步进电机，该电机活动部件少，结构简单、紧凑，承载能力强，速度容易控制。
本发明主要是将电机与减速器设计为一体，通过电磁组件产生动力，经过钢球与梯形槽啮合输出转速，通过控制器能够实现转速大小及方向变化，具体方案如下：
本发明主要包括有机体，前、后端盖，中心盘，章动盘，球壳，钢球，输出轴，轴承，轴承压盖以及电磁组件，所述机体的轴向两端设有前端盖和后端盖，机体内部靠近后端盖的环形槽内设中心盘，该中心盘通过后端盖固定在环形槽内；所述中心盘的中心通孔内设章动盘，该章动盘通过其内的连接块与上述前端盖连接在一起；所述中心盘与章动盘之间设有球壳，该球壳能够通过章动盘实现转动，所述球壳与穿过后端盖中心通孔的输出轴连为一体，该输出轴与上述后端盖中心通孔内的轴承相接，轴承通过后端盖上的轴承压盖固定；所述章动盘通过电磁组件实现章动。
所述球壳转动是这样实现的：所述中心盘的内圆周面上设波浪形的外槽，章动盘上设与外槽对应的环形内槽，内槽与外槽具有径向的重合部；所述球壳上设有与上述内、外槽径向重合部的等距部分对应的条形通孔，条形通孔内设钢球，所述每个外槽和内槽的等距重合部实现对钢球的夹持；章动盘作用下，钢球能够沿外槽和内槽滚动，滚动同时带动球壳转动。
所述电磁组件包括永磁铁，铁芯以及线圈，所述前端盖的轴向后端面上设N(N≥1且N为偶数)个铁芯，这些铁芯呈环形排列并且均布在上述支耳的周围，每个铁芯上均缠绕有线圈，并且这些线圈的缠绕方向及圈数均相同；所述章动盘的轴向前端面上设与上述铁芯一一对应的永磁铁，每个永磁铁的N极朝向与其对应的铁芯，S极朝向章动盘。
本发明的电磁组件通电后，通过单片机控制器来控制的线圈内电流大小及方向，相邻N/2个线圈通正向电流，吸引(排斥)永磁体，剩余N/2个线圈通反向电流，排斥(吸引)永磁体，下一时刻控制器将电流方向不同的不相邻两个线圈中电流改变方向，实现章动盘的章动，在运行过程当中，章动盘受到连接块的限制，角速度始终为零。章动盘的章动推动钢球运动，钢球受到中心盘的外槽限制，使钢球在外槽和内槽内滚动，钢球运动轨迹为类正弦曲线，钢球通过球壳上的条形通孔将周向运动传递给输出轴，实现运动的输出。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
与活齿传动相比，不需要电机等动力输入机构，在控制器的调节下能够实现章动盘沿预定轨迹运动，间接控制输出轴的转速和转矩；与步进电机相比，能够获得更低的转速，更大的输出转矩；活动部件少，结构紧凑，占地面积小，承载能力强；输出轴能够停在任意位置，有自锁功能。
附图说明 图1为本发明的主视剖面示意图。
图2为本发明的中心盘立体示意简图。
图3为本发明的输出轴与球壳的立体示意简图。
图4为本发明的永磁体安装布局图。
图5为外槽与内槽的径向重合示意图。
图6为外槽与内槽的径向重合展开示意图。
具体实施方式 接下来就结合附图对本发明作详细说明
如图1—4所示的一种机电集成步进电机，截面呈环形的水平机体5轴向两端开口分别通过螺栓连接前端盖2及后端盖10；所述机体的内圆周面靠近后端面位置设环形槽15，环形槽内设截面呈环形的水平中心盘7，该中心盘通过后端盖固定在上述环形槽内，即后端盖的轴向前端面设与其连为一体并且向前突出的环16，该环前端顶在中心盘的轴向端面上，将中心盘顶固在环形槽内；沿上述中心盘的内圆周面设一圈呈波浪形延伸的槽孔，即外槽17，该外槽的径向截面呈梯形；所述中心盘的中心通孔内设截面呈环形的章动盘9，沿该章动盘的外圆周面设一圈与上述上述外槽对应的环形槽孔，即内槽18，该内槽的径向截面仍呈梯形，且其深度及开口尺寸均与外槽相同；章动盘安装后，内槽与外槽可形成若干个径向重合部，并且具有15个等距的径向重合部；所述章动盘的中心通孔内设连接块14，前端盖通过该连接块与章动盘连接在一起，即所述连接块上设与其连为一体并且外凸的环19，该环通过螺栓与章动盘固定在一起，所述前端面的轴向后端面上焊接沿其轴线延伸的支耳20，该支耳的端部通过销钉21与连接块固定在一起；所述中心盘和章动盘之间设有一截面呈环形的水平球壳22，该球壳轴向后端的圆板23上设与其连为一体并且端部穿过上述后端盖中心通孔的输出轴11，该与球壳同轴的输出轴与设置在后端盖中心通孔内部的轴承12相接，所述轴承通过与后端盖螺栓连接的轴承压盖13固定；上述章动盘的轴线与输出轴轴线夹角为α＝arcsin(3/25)；沿所述球壳的外圆周面设15个等距排列的条形通孔24，这些通孔均沿球壳的轴向延伸并且分别外槽和内槽的15个等距重合部一一对应；所述每个通孔内均设有直径小于上述外槽开口宽度的钢球8，所述每个外槽和内槽的等距重合部实现对钢球的夹持，在每个径向重合部中，钢球的上部顶在外槽中，下部顶在内槽中；所述章动盘的章动由电磁组件驱动，所述电磁组件包括永磁铁，铁芯以及线圈，所述前端盖的轴向后端部设10个铁芯3，铁芯均镶嵌在前端盖上的槽孔内，这10个铁芯呈环形排列并且均布在上述支耳的周围，每个铁芯上均缠绕有线圈1，并且这些线圈的缠绕方向及圈数均相同；所述章动盘的轴向前端部上设10个与上述铁芯一一对应的永磁铁6，永磁铁均镶嵌在章动盘上的槽孔内，每个永磁铁的N极朝向与其对应的铁芯，S极朝向章动盘。
如图5及图6所示，内槽18与外槽17可形成若干个径向重合部，并且具有15个等距的径向重合部30。
上述输出轴是这样实现转动的：从前端盖2右侧向左侧沿顺时针方向将线圈1依次编号为1～10；线圈通电后，由单片机控制器控制1—10号线圈的电流方向，章动盘上理论廓线距离线圈轴向距离最远处的点称为远止点，轴向距离最近的点称为近止点。
输出轴10顺时针转动：1～5号线圈1通正向电流，铁芯3排斥与其对应永磁体6，6～10号线圈1通反向电流，铁芯3吸引与其对应永磁体6；下一时刻6号线圈1通正向电流，1号线圈1通反向电流，2～6号线圈1通正向电流，铁芯3排斥与其对应永磁体6，7～1号线圈1通反向电流，铁芯3吸引与其对应永磁体6，实现章动盘9章动；章动盘9内槽推动钢球8运动，钢球8受到中心盘7上外槽的限制，沿着内、外槽滚动，钢球8通过球壳22的条形通孔24带动输出轴11转动，输出轴11顺时针转过π/70；线圈1在控制器4控制下按顺序通电断电，实现输出轴11连续运转。连续运转条件：远止点始终出现在通正向电流线圈1控制范围内；如下表所示：
顺时针通电顺序
表中+正向电流
-反向电流。
输出轴10逆时针转动：1～5号线圈1通正向电流，铁芯3排斥与其对应永磁体6，6～10号线圈1通反向电流，铁芯3吸引与其对应永磁体6；下一时刻10号线圈1通正向电流，5号线圈1通反向电流，10～4号线圈1通正向电流，铁芯3排斥与其对应永磁体6，5～9号线圈1通反向电流，铁芯3吸引与其对应永磁体6，实现章动盘9章动；章动盘9内槽推动钢球8运动，钢球8受到中心盘7上外槽限制，沿着内、外槽滚动，钢球8通过球壳22的条形通孔24带动输出轴11转动，，输出轴11逆时针转过π/70；线圈1在控制器4控制下，按顺序通电断电，实现输出轴11连续运转。连续运转条件：远止点始终出现在通正向电流线圈1控制范围内，如下表所示：
逆时针通电顺序
表中+正向电流
-反向电流。
Claims (3)
1.一种机电集成步进电机，包括机体，前、后端盖，中心盘，章动盘，球壳，钢球，输出轴，轴承，轴承压盖以及电磁组件，其特征是：所述机体的轴向两端设有前端盖和后端盖，机体内部靠近后端盖的环形槽内设中心盘，该中心盘通过后端盖固定在环形槽内；所述中心盘的中心通孔内设章动盘，该章动盘通过其内的连接块与上述前端盖连接在一起；所述中心盘与章动盘之间设有球壳，该球壳能够通过章动盘实现转动，所述球壳与穿过后端盖中心通孔的输出轴连为一体，该输出轴与上述后端盖中心通孔内的轴承相接，轴承通过后端盖上的轴承压盖固定；所述章动盘通过电磁组件实现章动。
2.根据权利要求1所述的机电集成步进电机，其特征是：所述电磁组件包括永磁铁，铁芯以及线圈，所述前端盖的轴向后端面上设N(N≥1且N为偶数)个铁芯，这些铁芯呈环形排列并且均布在上述支耳的周围，每个铁芯上均缠绕有线圈，并且这些线圈的缠绕方向及圈数均相同；所述章动盘的轴向前端面上设与上述铁芯一一对应的永磁铁，每个永磁铁的N极朝向与其对应的铁芯，S极朝向章动盘。
3.根据权利要求1所述的机电集成步进电机，其特征是：所述球壳转动是这样实现的：所述中心盘的内圆周面上设波浪形的外槽，章动盘上设与外槽对应的环形内槽，内槽与外槽具有径向的重合部；所述球壳上设有与上述内、外槽径向重合部的等距部分对应的条形通孔，条形通孔内设钢球，所述每个外槽和内槽的等距重合部实现对钢球的夹持；章动盘作用下，钢球能够沿外槽和内槽滚动，滚动同时带动球壳转动。
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