CN107834804B - 用于点阵图像成型和触觉反馈的直线步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于点阵图像成型和触觉反馈的直线步进电机。包括动子、定子部件和壳体；动子通过导向件安装在壳体中，定子部件套装在动子外并装在壳体中，壳体包括呈套筒状的外壳和插针座，动子为沿轴向间隔均布设有若干环形凹槽的阶梯轴结构，动子通过导向件准确地安装在壳体的中心轴线上，导向件包括第一滑动轴承、第二滑动轴承、垫圈、橡胶套筒和动子，定子部件套装在第一滑动轴承和第二滑动轴承之间的动子外，包括定子铁芯、两组线圈绕组和三个永磁铁环；每组线圈绕组主要由两个无骨架自粘线圈反向串联电连接而成。本发明运动精度高，体积小，直接实现动子的直线运动，可用于3D点阵图像成型、触觉反馈和精密直线传动。

Description

用于点阵图像成型和触觉反馈的直线步进电机

技术领域

本发明涉及一种直线步进电机，尤其是涉及一种用于点阵图像成型和触觉反馈的直线步进电机，可以直接实现动子的直线运动。

背景技术

直线电机是一种利用电能直接产生直线运动的电器装备。这种电器装备早在1845年就有人提出，但是，在许多需要直线运动的场合几乎都采用技术上早已成熟的旋转电机，再通过中间转换装置，如链条、钢丝绳、传送带、齿条或丝杆等机构，由于这些装备或系统存在着中间转换传动机构，所以整机存在着体积大、效率低、精度低等问题。

直线步进电机可以将电脉冲信号转变为线位移，即给电机外加一个电脉冲信号时，动子就会沿直线的运动一步，在不需要闭环控制系统的条件下，能提供一定精度且可靠的位置和速度控制，这是旋转电机所不能做到的。近几年来，随着集成电路、微处理器等电子器件的迅速发展，人们迫切需要一种直线运动的高速、高精度、高可靠性的数字直线驱动装置来取代目前广泛使用的由旋转运动转换而来的直线驱动装置。

直线步进电机完全可满足上述需求，但是，在当前的技术领域内，直线步进电机存在着加工工艺复杂、气隙难以保证、存在单边磁拉力等技术难题，电机的功率因素和效率也相应的受到限制。

发明内容

为了解决背景技术中存在的缺点，本发明的目的在于一种用于点阵图像成型和触觉反馈的直线步进电机，它利用现如今最前沿的无骨架线圈绕制技术，提供一种结构紧凑、运动精度高和体积小的结构，来解决上述问题。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括动子、定子部件和壳体；动子通过导向件安装在壳体中，定子部件套装在动子外并装在壳体中。

所述的壳体包括呈套筒状的外壳和插针座，外壳的一端端面中心开有外壳通孔，另一端端面中心开有外壳螺纹孔。

所述的动子为沿轴向间隔均布设有若干环形凹槽的阶梯轴结构，环形凹槽作为动子槽，相邻环形凹槽之间的凸缘作为动子齿；动子通过导向件准确地安装在壳体的中心轴线上，所述的导向件包括第一滑动轴承、第二滑动轴承、垫圈、橡胶套筒和动子，动子的一端经第二滑动轴承装配在外壳的外壳通孔处，第二滑动轴承设有外螺纹，动子的另一端经第一滑动轴承与外壳的外壳螺纹孔相配合，第一滑动轴承一端设有外凸缘，外凸缘的台阶面和外壳内端面之间设有垫圈，外凸缘端面开有直径大于第一滑动轴承自身中心通孔的台阶沉孔，中心孔中嵌装橡胶套筒，旋动第一滑动轴承带动橡胶套筒挤压定子部件实现直线步进电机的自锁。

所述的定子部件套装在第一滑动轴承和第二滑动轴承之间的动子外，包括定子铁芯、两组线圈绕组和三个永磁铁环；定子铁芯包含四组结构完全相同且同轴依次串接的组合铁芯，四组组合铁芯分别为第一组合铁芯、第二组合铁芯、第三组合铁芯和第四组合铁芯，每相邻两个组合铁芯之间通过永磁铁环串接，且相邻两个永磁铁环的磁极布置方向相反，永磁铁环提供磁力和线圈绕组励磁相结合产生电磁力，让动子做精细直线运动。每组组合铁芯包括依次同轴串接的第一铁芯、第二铁芯、第三铁芯和第四铁芯，第一铁芯、第二铁芯、第三铁芯和第四铁芯均为环状体，第一铁芯和第二铁芯的内周空间形成第一齿槽，第二铁芯和第三铁芯的内周空间形成线圈槽，线圈槽中安装有线圈绕组的线圈，第三铁芯和第四铁芯的内周空间形成第二齿槽。

现有的圆筒式直线步进电机，其定子铁芯的结构通常设计为一体式结构，这样的结构形式就使得电机尺寸变小，加工难度将成数倍增加，而本发明的圆筒型直线步进电机将定子铁芯细分到第一铁芯、第二铁芯、第三铁芯和第四铁芯，由三个小零件拼接而成，使得零件加工难度大大降低，且可以使零件的尺寸做到更小。

每组线圈绕组主要由两个无骨架自粘线圈反向串联电连接而成，具体包括第一线圈、第二线圈和引线，第一线圈和第二线圈串接后的两端均连接引线；一组线圈绕组为一相，两组线圈绕组分别为两相，其中一组线圈绕组的两个线圈分别装在第一组合铁芯和第三组合铁芯的线圈槽中，另一组线圈绕组的两个线圈分别装在第二组合铁芯和第四组合铁芯的线圈槽中。所述的动子齿和动子槽所在的直径比为5：4，动子齿和动子槽轴向的长度相同。

动子根据实际需求调整长度，但不超过壳体总长度的5倍以上，否则将影响电机性能，动子齿之间的间距也根据精度需要进行调整。

所述的第一齿槽的轴向长度与动子齿距相同，动子齿距为单个动子槽槽宽或者单个动子齿的宽度，动子中单个动子槽槽宽和单个动子齿的宽度相同。

所述永磁铁环的轴向长度为动子齿距的2.5倍，使得中间间隔布置有组合铁芯的两组组合铁芯内的齿槽与动子齿或者动子槽位置对应时，另外两组组合铁芯内的齿槽与动子齿或者动子槽位置错开1/2动子齿距。

所述的橡胶套筒的轴向长度大于第一滑动轴承台阶沉孔的轴向深度，使得向外壳中间方向旋进第一滑动轴承时，对橡胶套筒轴向施压沿轴向被压紧在定子部件和第一滑动轴承外凸缘之间，由于橡胶套筒的柔性和第一滑动轴承外凸缘的台阶沉孔周面限位使得橡胶套筒沿径向向内延展并挤压到动子的外表面，形成橡胶套筒和动子之间的摩擦副，最终通过调整第一滑动轴承旋进外壳内的深度来增大或减小橡胶套筒和动子之间的摩擦力实现直线步进电机的自锁。

所述的壳体的外壳通孔旁设有针座孔，插针座安装在针座孔中；定子铁芯和永磁铁环的侧面设有沿同一轴向直线的线槽，线圈绕组的引线均经过定子部件上的线槽走线后焊到插针座上，以方便电机的外部接线。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1. 本发明利用现如今最前沿的无骨架线圈绕制技术，相比以往利用骨架线圈或者将线圈直接绕制在定子铁芯上两种方法，具有加工工艺简单、线圈槽利用率大的特点，显著提升了电机推力体积比。

2. 本发明通过调整第一滑动轴承的松紧，来挤压橡胶套筒，利用橡胶套筒径向尺寸增大，加大摩擦力，实现电机的自锁，摩擦力大小可调，自锁方式更为可靠。

3. 通过本发明的结构设计能减小空间，提高直线步进电机的空间利用率，具有结构简单、磁路对称性好，响应速度快、长行程等特点，能够提供高精度的位置和速度控制。

附图说明

图1是本发明的局部剖视立体结构示意图。

图2是本发明的壳体立体结构示意图。

图3是本发明的动子立体结构示意图。

图4是本发明的定子立体结构示意图。

图5是本发明的组合铁芯立体结构示意图。

图6是本发明的导向结构立体示意图。

图7是本发明的磁极分布示意图。

图8是本发明的线圈绕组示意图。

图9是本发明组合铁芯的齿槽和动子槽相对位置的示意图。

图中：1.动子， 2.定子部件，3.线槽，4.壳体，5.外壳通孔，6.插针座，7.针座孔，8.外壳，9.外壳螺纹孔，10.动子齿，11.动子槽，12.永磁铁环，13.第一滑动轴承，14.第二滑动轴承，15.第一铁芯，16.第二铁芯，17.线圈绕组，18.第四铁芯，19.橡胶套筒，20.垫圈，21.第一线圈，22.第二线圈，23.引线，24.第三铁芯，25.第一齿槽，26.第二齿槽，27.线圈槽。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明具体实施包括动子1、定子部件2和壳体4；动子1和定子部件2分别安装在壳体4中，动子1通过导向件安装在壳体4中，定子部件2套装在动子1外并装在壳体4中。

参见图1、图2，壳体4包括呈套筒状的外壳8和插针座6，外壳8的一端端面中心开有外壳通孔5，外壳通孔5旁设有针座孔7，另一端端面中心开有外壳螺纹孔9，插针座6安装在针座孔7中。

参见图3，动子1为沿轴向间隔均布设有若干环形凹槽的阶梯轴结构，环形凹槽作为动子槽11，相邻环形凹槽之间的凸缘作为动子齿10。

参见图6，动子1通过导向件准确地安装在壳体4的中心轴线上，导向件分布在壳体两端，起到动子的导向作用；导向件包括第一滑动轴承13、第二滑动轴承14、垫圈20、橡胶套筒19和动子1，动子1的一端经第二滑动轴承14装配在外壳8的外壳通孔5处，第二滑动轴承14设有外螺纹，动子1的另一端经第一滑动轴承13与外壳8的外壳螺纹孔9相配合，第一滑动轴承13一端设有外凸缘，外凸缘的台阶面和外壳8内端面之间设有垫圈20，外凸缘端面开有直径大于第一滑动轴承13自身中心通孔的台阶沉孔，中心孔中嵌装橡胶套筒19，旋动第一滑动轴承13带动橡胶套筒19挤压定子部件2实现直线步进电机的自锁。

参见图4和图5，定子部件2套装在第一滑动轴承13和第二滑动轴承14之间的动子1外，包括组合铁芯A、B、C、D、两组线圈绕组A1、A2和三个永磁铁环12，定子铁芯和永磁铁环的侧面设有沿同一轴向直线的线槽3，线槽3用于线圈绕组的引线的走线；定子铁芯包含四组结构相同且同轴依次串接的组合铁芯，四组组合铁芯分别为第一组合铁芯A、第完全二组合铁芯B、第三组合铁芯C和第四组合铁芯D，每相邻两个组合铁芯之间通过永磁铁环12串接，即四组组合铁芯之间由三个永磁铁环连接在一起，永磁铁环12和组合铁芯同轴连接，且相邻两个永磁铁环12的磁极布置方向相反；永磁铁环12和线圈绕组17的磁极分布如图7所示。

动子1的动子齿10均贯穿于定子部件2的定子铁芯和三个永磁铁环中心孔中活动，并且以动子1伸出外壳8的外壳通孔的一端作为输出轴，以动子1伸出外壳8的外壳螺纹孔9的一端作为自由轴。

每组组合铁芯包括依次同轴串接的第一铁芯15、第二铁芯16、第三铁芯24和第四铁芯18，第一铁芯15、第二铁芯16、第三铁芯24和第四铁芯18均为环状体，第一铁芯15和第二铁芯16的内周空间形成用于动子轴向活动的第一齿槽，第二铁芯16和第三铁芯24的内周空间形成线圈槽27，线圈槽中安装有线圈绕组的线圈，第三铁芯24和第四铁芯18的内周空间形成用于动子轴向活动的第二齿槽26。

参见图5、图7、图8，每组线圈绕组主要由两个无骨架自粘线圈反向串联电连接而成，具体包括第一线圈21、第二线圈22和引线23，第一线圈21和第二线圈22之间用电线串接，第一线圈21和第二线圈22串接后的两端均连接引线23，引线23均经过定子部件2上的线槽3走线后焊到插针座6上；一组线圈绕组为一相，两组线圈绕组分别为两相，每个线圈绕组的两个线圈分别布置在相间隔有一个组合铁芯的两个组合铁芯中，即使得其中一组线圈绕组的两个线圈分别装在第一组合铁芯A和第三组合铁芯C的线圈槽27中，另一组线圈绕组的两个线圈分别装在第二组合铁芯B和第四组合铁芯D的线圈槽中。

动子齿10和动子槽11所在的直径比为5：4，动子齿10和动子槽11轴向的长度相同。第一齿槽的轴向长度与动子齿距相同，动子齿距为单个动子槽11槽宽或者单个动子齿10的宽度，动子中单个动子槽11槽宽和单个动子齿10的宽度相同。

参见图9，由于永磁铁环12的轴向长度为动子齿距的2.5倍，使得中间间隔布置有组合铁芯的两组组合铁芯内的齿槽与动子齿或者动子槽位置对应时，另外两组组合铁芯内的齿槽与动子齿或者动子槽位置错开1/2动子齿距。永磁铁环12和线圈绕组17的磁极分布如图7所示，当两相绕组中通入周期性脉冲电流或者正旋细分电流时，动子每个周期移动一个齿距。

另外，橡胶套筒19的轴向长度大于第一滑动轴承13台阶沉孔的轴向深度，使得向外壳8中间方向旋进第一滑动轴承13时，对橡胶套筒19轴向施压沿轴向被压紧在定子部件2和第一滑动轴承13外凸缘之间，由于橡胶套筒19的柔性和第一滑动轴承13外凸缘的台阶沉孔周面限位使得橡胶套筒19沿径向向内延展并挤压到动子1的外表面，形成橡胶套筒19和动子1之间的摩擦副，到橡胶套筒19和动子1之间的摩擦力到一定程度时会使得动子1无法运动实现自锁，最终通过调整第一滑动轴承13旋进外壳8内的深度来增大或减小橡胶套筒19和动子1之间的摩擦力实现直线步进电机的自锁。

由此上述实施可见，本发明能直接实现动子的直线运动，运动精度高，体积小，可用于3D点阵图像成型、触觉反馈和精密直线传动。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于点阵图像成型和触觉反馈的直线步进电机，其特征在于：包括动子（1）、定子部件（2）和壳体（4）；动子（1）通过导向件安装在壳体（4）中，定子部件（2）套装在动子（1）外并装在壳体（4）中；

所述的壳体（4）包括呈套筒状的外壳（8）和插针座（6），外壳（8）的一端端面中心开有外壳通孔（5），另一端端面中心开有外壳螺纹孔（9）；

所述的动子（1）为沿轴向间隔均布设有若干环形凹槽的阶梯轴结构，环形凹槽作为动子槽（11），相邻环形凹槽之间的凸缘作为动子齿（10）；动子（1）通过导向件准确地安装在壳体（4）的中心轴线上，所述的导向件包括第一滑动轴承（13）、第二滑动轴承（14）、垫圈（20）、橡胶套筒（19）和动子（1），动子（1）的一端经第二滑动轴承（14）装配在外壳（8）的外壳通孔（5）处，第二滑动轴承（14）设有外螺纹，动子（1）的另一端经第一滑动轴承（13）与外壳（8）的外壳螺纹孔（9）相配合，第一滑动轴承（13）一端设有外凸缘，外凸缘的台阶面和外壳（8）内端面之间设有垫圈（20），外凸缘端面开有直径大于第一滑动轴承（13）自身中心通孔的台阶沉孔，中心孔中嵌装橡胶套筒（19），旋动第一滑动轴承（13）带动橡胶套筒（19）挤压定子部件（2）实现直线步进电机的自锁；

所述的定子部件（2）套装在第一滑动轴承（13）和第二滑动轴承（14）之间的动子（1）外，包括组合铁芯（A、B、C、D）、两组线圈绕组（A1、A2）和三个永磁铁环（12）；定子铁芯包含四组结构完全相同且同轴依次串接的组合铁芯，四组组合铁芯分别为第一组合铁芯（A）、第二组合铁芯（B）、第三组合铁芯（C）和第四组合铁芯（D），每相邻两个组合铁芯之间通过永磁铁环（12）串接，且相邻两个永磁铁环（12）的磁极布置方向相反；每组组合铁芯包括依次同轴串接的第一铁芯（15）、第二铁芯（16）、第三铁芯（24）和第四铁芯（18），第一铁芯（15）、第二铁芯（16）、第三铁芯（24）和第四铁芯（18）均为环状体，第一铁芯（15）和第二铁芯（16）的内周空间形成第一齿槽（25），第二铁芯（16）和第三铁芯（24）的内周空间形成线圈槽（27），线圈槽中安装有线圈绕组的线圈，第三铁芯（24）和第四铁芯（18）的内周空间形成第二齿槽（26）；

每组线圈绕组主要由两个无骨架自粘线圈反向串联电连接而成，具体包括第一线圈（21）、第二线圈（22）和引线（23），第一线圈（21）和第二线圈（22）串接后的两端均连接引线（23）；一组线圈绕组为一相，两组线圈绕组分别为两相，其中一组线圈绕组的两个线圈分别装在第一组合铁芯（A）和第三组合铁芯（C）的线圈槽（27）中，另一组线圈绕组的两个线圈分别装在第二组合铁芯（B）和第四组合铁芯（D）的线圈槽中；

所述的动子齿（10）和动子槽（11）所在的直径比为5：4，动子齿和（10）动子槽（11）轴向的长度相同；

所述的第一齿槽的轴向长度与动子齿距相同，动子齿距为单个动子槽（11）槽宽或者单个动子齿（10）的宽度，动子中单个动子槽（11）槽宽和单个动子齿（10）的宽度相同。

2.根据权利要求1所述的一种用于点阵图像成型和触觉反馈的直线步进电机，其特征在于：所述永磁铁环（12）的轴向长度为动子齿距的2.5倍，使得中间间隔布置有组合铁芯的两组组合铁芯内的齿槽与动子齿或者动子槽位置对应时，另外两组组合铁芯内的齿槽与动子齿或者动子槽位置错开1/2动子齿距。

3.根据权利要求1所述的一种用于点阵图像成型和触觉反馈的直线步进电机，其特征在于：所述的橡胶套筒（19）的轴向长度大于第一滑动轴承（13）台阶沉孔的轴向深度，使得向外壳（8）中间方向旋进第一滑动轴承（13）时，对橡胶套筒（19）轴向施压沿轴向被压紧在定子部件（2）和第一滑动轴承（13）外凸缘之间，由于橡胶套筒（19）的柔性和第一滑动轴承（13）外凸缘的台阶沉孔周面限位使得橡胶套筒（19）沿径向向内延展并挤压到动子（1）的外表面，形成橡胶套筒（19）和动子（1）之间的摩擦副，最终通过调整第一滑动轴承（13）旋进外壳（8）内的深度来增大或减小橡胶套筒（19）和动子（1）之间的摩擦力实现直线步进电机的自锁。

4.根据权利要求1所述的一种用于点阵图像成型和触觉反馈的直线步进电机，其特征在于：所述的壳体（4）的外壳通孔（5）旁设有针座孔（7），插针座（6）安装在针座孔（7）中；定子铁芯和永磁铁环的侧面设有沿同一轴向直线的线槽（3），线圈绕组的引线（23）均经过定子部件（2）上的线槽（3）走线后焊到插针座（6）上，以方便电机的外部接线。