CN108418322B - 线性步进电机的定子及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种线性步进电机的定子及其制造方法，该定子有至少四个定子片和至少一个定子绕组，定子片朝向彼此并且设有弯曲的极臂，定子片包括至少两个内定子片和以偏置方式布置的外定子片，该内部定子片各自包括片缺口，所有的定子片通过一定子包覆成型件结合成至一体的线圈体，该定子绕组中的一个在一个内定子片和一个外定子片之间缠绕到所述线圈体上并与连接器引脚连接，该定子片和包括一定子法兰和一引脚插座的定子包覆成型件一体地形成，使得该定子片的径向包络表面免于所述定子包覆成型件，该定子包覆成型件由有一套筒开口的一金属定子套包围，一连接器罩穿过该套筒开口并与该包覆成型件连接。

Description

线性步进电机的定子及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及线性电机，更具体地，涉及一种线性步进电机的定子及其制造方法。
【背景技术】
用于线性步进电机的定子大量需要，使得即使在制造过程中的小幅节省也具有显着的经济影响。因此有大量不同的定子设计。通常，它们具有用于径向支撑并用于消散来自转子的径向力的球轴承座或滑动轴承座(plain bearing seats)。对这些线性步进电机的定子的要求是能够尽可能精确地将致动杆沿径向和轴向定位，即特别是主轴相对于主轴螺母的轴向间隙以及整个主轴在壳体中的轴向间隙应尽可能小。大多数定子由大量部件制成，导致总体成本高，尤其因为装配时间长或劳动密集型操作。由于许多单独的部件，各种部件会形成一个长尺寸链，这可能因各个部件允许的公差而导致不精确。由于这些原因，定子和转子之间的气隙通常被选择得较大，致使致动力的准确度或线性步进驱动器(linearstepper drive)的效率降低。
从DE 103 32 389 A1中已知一种通用线性步进电机，其中该线性驱动器的致动杆的外腹板(outer web)端部具有这样的长度，它们可以穿过D侧轴承护罩的相应导向切口。在穿过之后，安装并适当固定一个连接杆，该连接杆封闭了驱动杆的腹板端。定子被两个轴承护罩围起来，两个轴承护罩通过适当长度的滑动轴承轴颈安装有两个用于主轴径向支撑的滑动轴承和两个用于主轴轴向支撑的滚珠。这里的问题是由两个滑动轴承引起的钟形转子的摆动运动和轴向间隙的精确调整。
根据EP 1 414 636 B1，一种具有电机的机电线性驱动器，其具有空心轴转子，其在一侧开口，以及在该空心轴转子的内部的主轴，一螺旋齿轮将空心轴转子的旋转运动转换成线性运动，其中，套筒形主轴螺母的杆形端部从线性驱动器的敞开的D侧突出。空心轴转子本身悬臂式固定(cantilevered)在线性驱动器的D侧的定子上，定子由相对较多的部件组成。
EP 1 928 074 B1描述了一种线性致动器，其包括在独立的(separate)两件式外壳中的常见电机设计，该常见电机设计包括具有转子轴的转子和具有线圈的定子，转子由电机侧的轴承径向和轴向地支承。直接跟随转子轴形成螺纹杆，在该螺纹杆上布置丝杠螺母(screw-nut)系统以产生线性运动。该线性位移单元被设计为叉形，并且由螺母部分和用于与要被控制的单元连接的联接部分组成。此外，电机轴由两个滚珠轴向支撑，滚珠支撑在坚硬的挡块上。此外，该设计还具有布置在轴承中的弹簧，其旨在防止随后的主轴的转子轴的轴向间隙。这种设计的特点是组件数量多，结构相对较长。
在DE 10 2008 054 330 A1中示出了另一种具有爪极步进电机的线性驱动器，其中电机壳体也是径向分开的两件式设计。电机组件组装完毕后，两个电机半壳可以通过卡口连接(bayonet joint)锁定并相互定位。在这种驱动解决方案中，线性电机也由数量较多的部件组成。为了提供径向支撑，在内部布置两个径向带槽滚珠轴承。
DE 10 2005 055 868 B1描述了另一种用于线性伺服电机的带螺纹的驱动装置，其具有带法兰的两件式壳体，其因为丝杠由线性伺服电机内的两个滚珠轴承支撑和引导而被设计成非常短的结构。然而，这种电机也由相对大量的部件组成，这使得其制造成本不必要地昂贵。
【发明内容】
本发明基于为线性步进电机创建新型定子的任务，该线性步进电机由少量部件构成，并且可以以自动化方式经济地制造。
具有多个定子片、至少一个定子绕组、至少一个极片结构、壳体和端子的用于线性步进电机的新型定子1包括至少四个大致类似或相同的定子片2，所述定子片2朝向彼此并且设置有形成极臂14的内侧弯曲部分。所有或至少两个彼此抵靠的内定子片2具有缺口(recess)3。两个内定子片2与外定子片2间隔开。两个内定子片2彼此抵靠。一个定子绕组4被布置在一个内定子片2和一个外定子片2之间。被压配(press-fitted)并固定在组装心轴13上的定子片2被放置在注塑成型工具中，并被包覆成型且被嵌入成型为形成整体的定子包覆成型件(overmold)6，使得除了线圈体之外，还形成用于与盖连接的定子法兰5。在这个过程中，定子片2的径向包络表面(radial envelope surfaces)保持非包覆成型(overmold-free)，即定子片2的边缘通过在注射模具的空腔中被特殊形状包围而密封，使得没有塑料材料可以湿润(wet)定子片2的包络表面。在定子1的内部，面对布置的注射点8所布置的区域，定子凹部7在中心形成并且通过组装心轴13的特定设计来布置。稍后，一个球体布置在该定子凹部7中作为转子轴或主轴的轴承。使用卷绕装置卷绕线圈体，并且线圈与插入的连接器引脚12连接。连接器引脚预先插入到一个引脚插座的中央，该引脚插座在包覆成型工艺中制造，或者连接器引脚已经被定位在注塑成型工具中，并且在定子包覆成型时被固定和包覆成型。
定子包覆成型件6由金属定子套9包围，使得在定子片2的包络面(即边缘)上产生导电接触(conductive contact)，其中金属定子套9连同定子片2形成磁返回路径。套筒开口10形成在定子套9中，连接器罩11穿过套筒开口10并且与定子包覆成型件6和/或与金属定子套9连接。有利的是，连接器引脚12布置在连接器罩11的内部用作定子绕组4的电端子。
在根据本发明的用于通过组装芯轴、注塑成型工具和卷绕装置制造线性步进电机的定子的方法中，至少四个定子片2被压配并相对于彼此偏移布置的方式布置在组装心轴13。通过压配极臂14将单个定子片2牢固地固定在组装心轴13上。然后将带载的(loaded)心轴13放置在注塑模具中，其内径与定子片2的外径相关。通过放置它们，定子片2通过在注射成型工具内部的周向凹槽的环形布置在其前侧和后侧轴向密封，其宽度与定子片2的厚度匹配，并且定子片2在注射成型过程中伸入到该凹槽中。通常，它们尽可能少地(取决于它们的整体尺寸，小于一毫米)突出到这些圆周槽中。凹槽的深度应该使得注塑模具的空腔中的环形凹槽的凹槽底部处的横截面优选地与定子片2的横截面一致，使得在包覆成型期间在定子片2的包络表面上不会形成塑料皮(plastic skin)。仅在片缺口(sheet recess)3的区域中，如果形成，则自由区域被包覆成型。定子凹部7在注射成型过程中也起到流动促进部(flow promotor)的作用，并且允许以有针对性的方式有导向地和有利地分配成型材料。同时，组装心轴13将定子1向内密封，使得在极臂14下面不会形成塑料皮，从而朝向后面安装的转子的气隙可以尽可能小地形成并且不需要返工。此外，组装心轴13在面向注射点8的一侧被设计为使得在包覆成型期间定子凹部7同时形成在面向注射点8的内侧中心。之后，通过旋转相应的心轴以形成两个定子绕组4，可选地直接由组装心轴13或通过使用单独的卷绕心轴(此时，线圈体已经被转移到该卷绕心轴上)来缠绕包覆成型的整体线圈体。这些定子绕组4与插入的连接器引脚12连接。卷绕继续直到产生所需数量的绕组。在注射之前，将这些连接器引脚12插入注塑模具的空腔中或者在包覆模制期间形成的插座中，即注塑模具的空腔在该位置适当地成形(shaped)。然后，将金属定子套9套到线圈体上，并将连接器罩11以合适的方式通过套筒开口10安装到线圈体上。
在一个示例中，两个外定子片2相对于内定子片2周向偏移15°，内定子片2直接背靠背布置，并且弯曲的极臂14是锯齿形的，这产生了十二极的线性步进电机。
在另一个示例中，如果两个外定子片2相对于内定子片2周向偏移7.5°，内定子片2直接背靠背布置，并且弯曲的极臂14优选地是窄矛形的(narrow,lance-shaped)，这产生24极线性步进电机。
为了在线性步进电机的定子的包覆成型(overmolding)和插入模制期间(insert-molding)积极地影响注塑模具中的塑料材料的流动特点(behaviour)，例如，缩短注射时间，额外的轴向凹部和/或孔(boreholes)被布置在定子片2中。这些额外的流动促进部提供了注射成型材料的更均匀的定向(targeted)分布，并且还提高定子包覆成型之后整个线圈体的尺寸精度。
如果在线性步进电机的定子中，一个或多个定子片2形成为具有不同的壁厚，可以达到具有相同优点的类似效果。
为了可靠地防止极臂14自组装心轴13上抬起，有利的是，定子片2的极臂14的端部具有倾斜面或者极臂14的整个边缘是倾斜的。这意味着，极臂14具有比向外指向线圈绕组的表面更大的向内指向组装心轴13的表面(例如，到气隙)。其结果是极臂14不能向内回缩(relax back)，气隙保持恒定，这使得致动力不能改变。
由于成本的原因，相同地形成用于线性步进电机的定子的所有定子片2是有意义的，使得仅需要制造一种类型的工具来制造定子片。
在用于线性步进电机的定子的制造中，特别有利的是，用于定子包覆成型件6的注射点8正好是中心的(centrical)并且还面向定子凹部7。这导致在注射成型工具中腔体的均匀填充，同时流动特点(behaviour)被优化，使得尺寸精度得以提高。
尽管用于线性步进电机的定子具有比先前已知的定子更少的部件，但是它是免维护的。它能够满足尺寸精度的高要求，可以容易快速的大批量生产。同时这个示例允许最大数量的线圈绕组缠绕在线圈体上，从而允许增加电机的致动力。以前使用的额外滚珠或滑动轴承被消除，这避免了由它们引起的稍后安装的转子的摆动。这使得可以显着进一步降低制造复杂性。
【附图说明】
下面将结合说明书附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1是线性步进电机的截面图。
图2示出了定子法兰5的侧视图。
图3是完全组装的定子1的截面图。
图4是定子1的俯视图。
图5是具有片缺口的定子片的平面图。
【具体实施方式】
在一个示例中，图1中的定子1包括四个定子片2，这四个定子片2包括相对于两个中间定子片2周向偏移15°的两个外定子片2，被布置并且压配合在组装心轴13上。从图5中可以看出，四个定子片2各自具有六个极臂14，并且九个轴向孔(boreholes)作为围绕其中心轴布置的额外的切口(cut-outs)布置成充当用于注射成型材料的流动促进部，这提高了线圈体的整体尺寸精度。然后将带载的(loaded)组装心轴13(未示出)放置在其内径与定子片2的外径相关的注塑成型工具(未示出)中。
通过放置它们，定子片2通过注射成型工具的空腔中的环形凹槽在前侧和后侧上轴向密封。这通过布置在注射模具中的周向凹槽来完成。每个凹槽的宽度与相应的定子片2的厚度相匹配，并且定子片2在注射成型过程期间突出到凹槽中。同时，组装心轴13将定子1向内密封，使得没有注射成型材料能够穿过极臂14下方。在面向注射点8的一侧，组装心轴13定子凹部7在包覆成型期间同时形成在面向注射点8的中心内侧。包覆成型导致定子包覆模制件6的形成。腔室以这样的方式形成，使得在包覆成型期间同时形成定子法兰5。这产生了具有整体模制(integrally molded)的加强肋(其也用于注射期间的流动分布)的弯曲刚性整体线圈体，其随后可被缠绕。通过转动心轴，或者借助于组装心轴13或者通过使用单独的卷绕心轴，来卷绕模制线圈体，以形成两个定子绕组4。它们的端部与插入定子包覆成型件6中的连接器引脚12连接。随后，将定子套9套到缠绕的线圈体上并适当地固定。然后，连接器罩11通过套筒开口与定子包覆成型件6形状配合地(positively)连接。图2示出了定子法兰5的侧视图。定子法兰5在径向圆周(radial circumference)上不是连续闭合的，从而可以将转子法兰插在其上以便旋转锁定(rotation-locked)地保持和定位。
图3示出了完全组装好的定子1的整体剖视图，组装好的定子1具有缠绕在线圈体上的定子线圈4、装上(slipped-on)的定子套9上、插入和连接的连接器引脚12和卡合住(clicked-on)的连接器罩11。这里也大体上(in principle)示出，在制造过程中作为辅助装置的组装心轴13布置在定子体中的哪一侧。其形状符合定子包覆成型件6所需的内部轮廓。
图4示出了具有用于可插入连接器引脚12的开口的定子1的俯视图以及套筒开口10的形状和尺寸，其中没有安装连接器罩11。
图5以轴向俯视图示出具有有利的片缺口3的示例性定子片2，其中有角度的(angled)极臂14和额外的产生的开口(在此为孔(boreholes))以改善流动特点。片缺口3用于在定子片2堆叠在组装心轴上时定位定子片材2。通过这些片缺口3，注射成型材料有利地以有针对性的方式分布在注塑成型工具中，使得定子片2和极臂14不会由于不利的压力条件而变形，或者不能相对于彼此改变它们的位置。这有助于维持线圈体的尺寸精度。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种用于线性步进电机的定子，所述定子包括至少四个定子片和至少一个定子绕组，其特征在于：
所述至少四个定子片朝向彼此并且设有弯曲的极臂；
所述至少四个定子片包括至少两个内定子片和以偏置方式布置的外定子片，所述至少两个内定子片各自包括片缺口；
所有的所述至少四个定子片通过一定子包覆成型件结合成至一体的线圈体；
所述至少一个定子绕组中的一个在一个内定子片和一个外定子片之间缠绕到所述线圈体上并与连接器引脚连接；
所述至少四个定子片和包括一定子法兰和一引脚插座的定子包覆成型件一体地形成，使得所述至少四个定子片的径向包络表面免于所述定子包覆成型件；
所述定子内部的一定子凹部中心地布置在所述定子包覆成型件中；
所述定子包覆成型件由一金属定子套包围，使得所述金属定子套与所述定子片一起形成磁返回路径；
在所述定子套中形成有一套筒开口，一连接器罩穿过该套筒开口并与该包覆成型件连接和/或该金属定子套和引脚插座通过该套筒开口布置。
2.如权利要求1所述的用于线性步进电机的定子，其特征在于：所述外定子片相对于内定子片偏移15°，所述内定子片直接背对背设置，所述弯曲的极臂为锯齿形。
3.如权利要求1所述的用于线性步进电机的定子，其特征在于：所述外定子片相对于内定子片偏移15°，所述内定子片直接背对背设置，所述弯曲的极臂为窄矛形的。
4.如权利要求1所述的用于线性步进电机的定子，其特征在于：在所述定子片中布置额外的凹部和/或孔，用作流动促进部，以便在定子包覆成型件中最佳且快速地分配。
5.如权利要求1所述的用于线性步进电机的定子，其特征在于：一个或多个定子片以不同的壁厚成型。
6.如权利要求1、3或4所述的用于线性步进电机的定子，其特征在于：所述极臂的末端具有倾斜面或所述极臂的边缘是倾斜的。
7.如权利要求1所述的用于线性步进电机的定子，其特征在于：所有的定子片具有相同的形状。
8.如权利要求1所述的用于线性步进电机的定子，其特征在于：用于所述定子包覆成型件的注入点和所述定子凹部在中心彼此面对。
9.一种通过使用组装心轴、注射成型工具和卷绕装置来制造根据权利要求1所述的定子的方法，其特征在于：
以相对于彼此的偏移布置将所述组装心轴上的所述至少四个定子片压配合，其中所述定子片通过将极臂压配在组装心轴上而永久固定；
将带载的组装芯轴放置在其内径与所述定子片的外径相关的注塑成型工具中，其中所述定子片通过布置在所述注射成型工具中的周向凹槽在所述注射成型工具中在前侧和后侧上轴向密封，周向凹槽宽度与定子片的厚度相匹配，并且在注射成型过程中定子片伸入周向凹槽中，其中该组装心轴向内密封该定子，并且在面向用于所述定子包覆成型件的注射点的一侧上，组装心轴被设计使得定子凹部同时在内侧中心形成；
通过旋转心轴以放置所述定子绕组，通过使用所述组装心轴或一单独的卷绕心轴来缠绕包覆成型的所述线圈体，该定子绕组然后与插入的连接器引脚连接。
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