CN112424448B - 气体或流体驱动的机械步进电机 - Google Patents

气体或流体驱动的机械步进电机 Download PDF

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Abstract

具有壳体的步进电机，在壳体中固定在中心轴上的圆柱形转子能够旋转但不能沿轴向方向平移。在转子的两侧上具有圆柱形的转换器，其被密封地装配在壳体内的圆柱形空间中并围绕中心轴，转换器只能在轴向方向上平移，在转换器的一个轴向位置中，位于转换器上的一组三角形的不对称的齿部能够与转子上的一组三角形的不对称的齿部相互作用并嵌入到转子上的一组三角形的不对称的齿部中，转子两侧的齿部的形状是对称的，在一个转换器与转子之间的一组齿部以及另一个转换器与转子之间的一组齿部切向地移位，即偏移等于齿部的宽度的一半的长度，转换器通过在壳体和转换器之间的圆柱形空间的部分与在转换器和转子之间的圆柱形空间的部分之间的压力差来移动。

Description

气体或流体驱动的机械步进电机
技术领域
本发明涉及一种气体或流体驱动的机械步进电机。
背景技术
本发明涉及一种具有壳体的步进电机，在壳体中固定在中心轴上的圆柱形转子能够旋转但不能沿轴向方向平移。步进电机上的转子沿轴向方向固定。这样的步进电机是众所周知的并且被广泛使用(参见https://en.wikipedia.org/wiki/Stepper_motor)。已知的步进电机由电磁力驱动，例如通过具有磁性转子并通过壳体中的线圈供应电流。但是，存在无法使用电磁力的环境。例如在医疗手术室中就是这种情况，在医疗手术室中在外科手术期间使用外科器械中的步进电机，同时使用连续MRI(磁共振成像)扫描以将工具定位在外科器械上。在这种条件下工作的手术器械不能使用电磁步进电机，因为在MRI扫描期间使用的强磁场会干扰步进电机并导致其发生故障。同样，由于电磁电机的存在，MRI扫描也会受到影响。另外，例如在使用高度易燃气体或液体的化工厂中，也不建议使用依赖于电力的步进电机，因为这可能会引起能够导致危险情况的火花。
发明内容
根据本发明，在转子的两侧上具有圆柱形转换器，其中所述转换器密封地装配在壳体内的圆柱形空间中并且围绕中心轴，其中所述转换器只能沿轴向方向平移，其中在转换器的一个轴向位置，位于转换器上的一组三角形的不对称的齿部可与转子上的一组三角形的不对称的齿部相互作用并嵌入到其中，其中转子两侧上的齿部的形状是对称的，其中在一个转换器与转子之间的多组齿部中的一组以及在另一个转换器与转子之间的一组齿部切向地移位等于齿部的宽度的一半的长度，并且转换器可以通过在壳体和转换器之间的圆柱形空间的部分与在转换器与转子之间的圆柱形空间的部分之间的压力差来移动。两个转换器通过加压气体(优选空气或流体)来移动，使得两个转换器的齿部依次与转子的不同侧上的齿部啮合或脱离啮合。当一个转换器啮合时，另一个转换器将脱离啮合。三角形的齿部是不对称的，即，齿部的一个侧面成不同的角度，即，沿齿根测量的长度比另一侧面短。为了形成步进，第一转换器上的齿部沿其较不陡峭的侧面、即较长的侧面与转子上的齿部啮合。然后，经由这些侧面，转换器在转子上施加法向的轴向力和旋转的切向力，以使转子旋转，直到两个表面上的齿部彼此嵌入、即互锁。因此，转子通过相互作用的齿部旋转。这样，由电机形成了一个步进。为了进行进一步的步进，使相互作用的第一转换器脱离啮合，即，从转子移开，并且第二转换器以类似的方式与转子啮合。由于第二转换器和转子之间的该组齿部移位等于沿齿根测量的齿部宽度的一半的长度，因此第二转换器将再次在齿部的相应较长的侧面上啮合，并且使转子再次旋转。侧面的长度限定为沿齿根的长度，齿部的宽度限定为沿齿根的总长度，即，较短侧面和较长侧面一起的长度。转子两侧的齿形是对称的(镜像对称)。但是，两侧上的齿部都可以切向地移位。在转子的两侧上的齿部的对称性导致转子沿与第一步进相同的方向旋转。因此，电机向前进行了另一步进。然后，通过使得第二转换器脱离啮合并再次使得第一转换器啮合来重复该过程，以再次进行另一步进。由于两个转换器和转子之间的齿部切向地移位(偏移)等于齿部宽度的一半的长度(即大于不对称的齿部的较短侧面的长度)，因此每进行一个步进转子就旋转齿部的长度的一半。由于齿部是不对称的，并且相互作用发生在齿部的较长侧面，因此转子旋转得足够多，即大于较短侧面的长度，从而两个转换器依次经由齿部的较长侧面在两个表面上发生相互作用。
根据本发明的电机由压缩气体或液体驱动。这些转换器密封地装配在壳体内的圆柱形空间中并围绕中心轴，即，如在孔中的活塞一样。这意味着可以将压力施加到圆柱形转换器的一个底面上，而与转换器的另一底面上的压力无关。通过横跨转换器的底面施加压力差，即，通过对转换器一侧的底面施加比同一转换器的另一侧的底面更高的压力，转换器沿较低压力的方向移动。通过控制这些压力，转换器朝转子移动或远离转子移动。转子本身被轴向固定在一个位置，并且沿轴向方向不受压力的影响。通过改变这些压力，转换器又可以与转子啮合或脱离啮合，并因此使转子进行步进。压力的控制可以通过常规的流量控制模块来完成。这些通常使用电力来控制压力，但是控制装置可以放置在所用设备的外部，例如MRI扫描仪的外部或化工厂的危险区域的外部。
步进电机在所有齿部组上可以具有相同数目的齿部。优选地，步进电机在一转换器或转子上具有一组齿部，该组齿部仅具有围绕周向均匀隔开的三个齿部。相互作用的齿部的侧面沿彼此滑动并产生摩擦损失。通过仅具有围绕周向均匀隔开的三个齿部，这些摩擦损失得以最小化，同时沿周向均匀隔开的这三个齿部避免了向转子的动力传递中的任何不平衡。
一组齿部的移位(偏移)可以在转换器中完成或在转子上完成。优选地，根据本发明的步进电机在转子的一侧上具有齿部，该齿部相对于在转子的另一侧上的齿部切向地移位。这种制造方式更容易，因为在一个工件上以更高的准确度实现移位，并且不依赖于公差，例如在转换器的引导装置中的公差。
步进电机转向一个方向。该方向依赖于不对称的齿部的几何形状。通过采用反对称的几何形状，即，通过将所有较长的侧面和较短的侧面反向为较短的侧面和较长的侧面，电机将向另一方向步进。优选地，步进电机包括一个转子与两个转换器的两个组合，其中该两个组合彼此反对称。这样，步进电机可以朝两个方向转向，即顺时针方向和逆时针方向。然后将转换器-转子组合中的一个组合用于步进，同时在另一组合中，将转换器与转子脱离啮合，从而使轴随激活的组合自由移动。
可以借助气体或流体通过对在壳体与转换器之间的圆柱形空间的部分以及在转换器与转子之间的圆柱形空间的部分进行加压和减压，来驱动步进电机。作为流体，可以使用水或特殊的液压油。使用流体更加复杂，因为流体不可压缩，因此，当壳体、转换器与转子之间的空间变小或变大时，需要移除或供应流体。这非常复杂而且相当缓慢。优选地，步进电机由气体驱动。很多气体可以用来驱动步进电机，例如氮气、空气或诸如氦气的惰性气体。
当使用气体时，当转子和一个转换器之间的空间连接到该转子和另一个转换器之间的空间时是有利的。这意味着转换器之间的空间可以充满中间压力气体。然后，该气体充当转换器之间的气体弹簧。当向壳体和一个转换器的背面之间的空间施加高压时，该转换器便朝向转子移动并与转子相互作用，从而克服转换器和转子之间的中间压力。然后将第二转换器的背面保持在低于两个转换器之间的中间压力的压力下。然后将第二转换器从转子移开并按压抵靠在壳体上。通过使壳体和两个转换器的背面之间的空间中的压力反向，第一转换器从转子移开，并且第二转换器朝向转子移动并与转子相互作用。这样，电机就可以进行步进。合适的压力为：两个转换器之间的中间压力为200kPa(2bar)；高压为500kPa(5bar)，低于200kPa的压力为100kPa(1bar)，即大气压力。
步进电机原则上可以由强度足以承受出现的力的任何材料制成。为了在MRI扫描仪中使用，步进电机优选地由非铁磁材料制成，诸如塑料或铝。如果MRI的透明度也很重要，则电机可以由聚醚醚酮(PEEK)制成。
本发明还涉及一种MRI扫描器，在MRI扫描器中使用根据前述权利要求中任一项所述的步进电机，其中所述电机由非铁磁材料、优选地由聚醚醚酮(PEEK)制成。
本发明还涉及一种在外科器械或化工厂中旋转如上所述步进电机的轴线的方法，所述方法通过交替地将高压气体施加到壳体和转换器中的一个的背面之间的空间以及将低压气体施加到壳体和另一转换器的背面之间的空间、同时保持转换器与转子之间的空间处于中间压力来旋转所述步进电机的轴线。这样，该一个转换器移朝向转子移动并与该转子啮合，同时另一转换器移动离开转子并与该转子脱离啮合。然后将高压和低压反向，使得另一转换器朝转子移动，并且该一个转换器移动离开该转子。转换器和转子之间的空间永久地被保持处于中间压力下。
附图说明
借助于以下附图进一步解释本发明，其中
图1示出了完整的步进电机组件的分解图；
图2示出了组装有半透明壳体并移除了其外壳的步进电机；
图3示出了两个转换器处于图3的a和图3的b中不同位置的步进电机的操作；
图4示出了用于向步进电机施加压力的流量控制模块的分解图；
图5示出了流量控制模块。
具体实施方式
图1示出了完整的电机组件的分解图，具有：1.外壳封闭环；2.外壳底部；3.连接软管支柱；4.壳体垫片；5.轴承；6.壳体段；7.转换器的旋转锁定键；8.转换器-壳体密封圈；9.转换器(顺时针)；10.转换器-轴密封圈；11.转子(顺时针)；12.轴；13.转子锁定销(至轴)；14.转换器(逆时针)；15.转子(逆时针)；16.外壳顶部；17.皮带轮法兰；18.皮带轮。
步进电机具有壳体1、2、4、6、16，其中圆柱形转子11、15通过转子锁定销13固定在中心轴12上。转子11、15可以经由轴承5旋转但不能沿轴向方向平移。步进电机分别在转子11的两侧以及转子15的两侧上包括圆柱形转换器9、14，其中，转换器9、14被密封地装配在圆柱体6内部的空间中，圆柱体6是壳体的一部分并且围绕中心轴12，并且在圆柱体中转换器9、14由于键7而只能沿轴向方向平移，其中在转换器9、14的一个轴向位置中，位于转换器9、14上的一组三角形的不对称的齿部20可以与转子11、15上的一组三角形的不对称的齿部21相互作用并嵌入到转子11、15上的一组三角形的不对称的齿部21中。这里的嵌入是指齿部20和齿部21是反对称的，即，其中一个齿部20、21具有尖端部，另一个齿部21、20具有谷部。转子11、15的两侧上的齿部的形状是对称的(镜像对称)。在转换器9(14)中的一个与转子11(15)之间的多组齿部20、21中的一组以及在另一个转换器9(14)与转子11(15)之间的一组齿部20、21切向地移位(偏移)等于齿部20、21的宽度的一半的长度。其中，长度被定义为沿齿根的长度。在该示例中，在转子11、15的不同侧上的多组齿部21被移位。代替使转子的两侧上的齿部相对于彼此移位，也可以不使转子的两侧上的齿部移位，而是使与转子相对应的两个转换器上的多组齿部相对于彼此移位。
通过对圆柱体6内部空间在壳体和转换器9、14之间的部分以及圆柱体6内部空间在转换器9、14和转子11、15之间的部分进行加压和减压，可以使转换器9、14通过压缩气体或流体来移动。在该实施例中，转子11、15上的一组齿部21围绕外周均匀地划分有仅三个齿部21，其中，在转子11、15一侧上的齿部21相对于转子11、15的另一侧上的齿部21切向地移位。转换器9、14包括九个齿部。在该实施例中，步进电机包括一个转子11、15和两个转换器9、14的两个组合，其中组合9、11和组合14、15彼此反对称。这意味着齿部20、21的较长侧面(flank)和较短侧面被反向，因此组合9、11中的较长侧面变成组合14、15中的较短侧面，组合9、11中的较短侧面变成组合14、15中的较长侧面。气体或流体经由软管支柱3来提供。
图1所示的步进电机设计为利用气体进行操作，在这种情况下利用压缩空气进行操作。电机具有93.3mm(不包括软管连接器3)的轴向长度，以及27mm的外径。内部工作部件由外壳1、2、16(参见图1)密封，以使污染最小化。该电机被设计成细长的，尽管还能够提供足够的扭矩以例如操作电极驱动器，即，用于插入电极以刺激深部大脑的驱动器。如果需要更大的扭矩，则可以通过增加电机尺寸来轻松实现。不希望使用过高的气压，因此操作压力设为不超过500kPa(5bar)。电机可以与齿轮传动装置一起使用，例如，电机上的皮带轮18可以经由同步皮带驱动另一皮带轮。
图2示出了不具有外壳1、2、16的电机并且其壳体段6是半透明的。具有一组转换器14和固定在轴上的转子15的电机的上半部分负责轴12的逆时针旋转。具有两个转换器9和固定在轴12上的转子11的下半部分用于顺时针旋转。
图1和图2示出，转换器9、14只能在电机壳体6中平移；在壳体6中的转换器的旋转通过键7被固定。通过使用用于朝着相应的转子11、15运动的500kPa(5bar)的可切换的高压供应，以及向圆柱体6内在转子11、15和转换器9、14之间的空间供应的200kPa(2bar)的连续的中间压力，来气动地驱动转换器9、14的平移。转子11、15周围的该空间用作空气弹簧，该空气弹簧在高压关闭时将转换器9、14推离转子11、15。沿所有转换器9、14的外周和内周两者，通过使用PTFE(聚四氟乙烯)密封圈8将转换器9、14密封地装配在壳体6内。这些圈8旨在防止漏气(泄漏)，同时使转换器9、14中的沿着壳体6和轴12的壁的摩擦最小化。转子11、15利用销13固定在轴12上。转换器9、14具有九个不对称的齿部20，并且转子11、15在它们的基面上都具有一组三个不对称的齿部21。转子11、15上的一组齿部21是偏移的，即切向地移位等于齿部的宽度的一半的长度。在这种情况下，偏移为齿部的一半，即20度。
电机具有五个气动的软管连接器3。一个连接器3用于向空气弹簧孔口(即转换器9、14和转子11、15之间的空间)连续供应200kPa的低压空气。转子11、15沿其周向没有密封件，因此转子11、15和对应的转换器9、14之间的空间被连接。其它四个连接器3供应/停止供应高压空气(500kPa)到它们各自的转换器。由于转换器转子的两种组合都以相似的方式操作，因此仅更详细地讨论转换器14和转子15在顶部的组合。
图3的a示出，当高压Ph被施加到壳体6与底部转换器14之间的空间时，然后底部转换器14朝向转子15移动，底部转换器的三个齿部20的侧面将与转子15的三个齿部21的侧面啮合。随着底部转换器14继续运动，转换器14和转子15的啮合的较长侧面将相对滑动，从而导致转子15和轴12旋转。图3的b示出了通过关闭高压Ph，底部转换器14通过转子15和转换器14之间的中间压力P1被推回远离转子15。高压Ph同时施加到另一个(顶部)转换器14。该另一个转换器朝向转子15移动，并且齿部20、21啮合并进一步使转子15旋转。转子15将以20度的增量执行步进旋转。然后重复该循环。高压Ph的打开/关闭通过专用的流量控制模块来实现。操作机构的分度准确度不受磨损的影响。在该示例中，高压Ph是500kPa，中间压力P1是200kPa，并且当高压Ph关闭时，压力是100kPa，即大气压力。因此，转子和转换器之间的气压Pl介于较低的大气压力和较高的压力Ph之间。
图3示出了如何针对每个转换器9、14将空气从电机一端的专用连接器3通过壳体中的通道25引导至对应的转换器9、14。在一个转换器转子组合9、11(14、15)处于操作中的同时，另一对14、15(9、11)应保持从其转子缩回。这是通过转子11、15和转换器9、14之间的连续的中间压力以及不对缩回的转换器施加任何高压来实现的。
驱动步进电机的替代方法是使用软真空和高压。然后，转子和转换器之间的空间处于大气压力下，通过交替施加高压空气和软真空，转换器以与前面讨论的类似方式移动。
高压的气体或流体和低压的气体或流体可以由关键环境之外的常规流量控制模块提供。
实施例中所述的电机可以由塑料和金属两者制成，从而允许其在MRI环境中使用或当存在电磁干扰问题时使用。在此示例中，电机由塑料(聚醚醚酮(PEEK))制成。这种材料具有出色的机械特质，使其非常适合在MRI环境中用于步进电机。
下面参考图4和图5描述用于允许电机进行步进的手动流量控制模块。图4示出了流量控制模块的分解图，其中：101.握柄端部；102.垫片；103.活塞预紧弹簧；104.活塞密封圈(PTFE)；105.活塞；106.凸轮从动轴承；107.空气通道针状件；108.握柄/壳体；109.活塞旋转锁定销；110.波形盘轴承；111.波形盘；112.空气输出选择操作杆；113.分度弹簧柱塞；114.波形盘轴承盖；115.手柄轮；116.手柄。
根据图1的步进电机所需的气体供应是低压空气(200kPa)的连续供应和高压空气(500kPa)的供应，高压空气的供应以两条管线交替两次从而驱动电机旋转，所述两条管线对应于用于转换器9的组的两条管线和用于转换器14的组的两条管线。低压空气供应直接连接到电机；通过图4和图5中所示的手动流量控制模块可实现交替的高压空气供应。步进电机的旋转方向的改变，即，从使用转换器9的组改变成使用转换器14的组，或者从使用转换器14的组改变成使用转换器9的组，通过切换该组两条管线来实现，交替供应的高压空气通过该组两条管线输送(每对转换器9、14对应一组两条管线)。
通过平移活塞105来实现高压空气供应的交替。在活塞移动穿过其壳体的孔时，活塞会在每个输出对的两个通道上切换高压空气供应。活塞运动由波形盘111驱动，该波形盘又随手柄轮115旋转。为了确保活塞105跟随波形盘111上的波形，利用螺旋弹簧103将活塞预压在圆盘111上。活塞105位于握柄108中，该握柄允许使用者利用一只手方便地握住该模块，同时利用另一只手旋转手柄116或手柄轮115。
当手柄轮115的旋转方向从顺时针方向改变为逆时针方向时(或者，当手柄轮115的旋转方向从逆时针方向改变为顺时针方向时)，输出对相应地被切换，通过该输出对空气被输送到电机。与波形盘111同轴放置的操作杆112操作可以在握柄108内的空气通道中滑动的两对针状件107。从空档位置开始，将针状件107稍微滑动进一步进入到其通道中，将阻挡气流从活塞105朝向空气输出流动。当针状件107从其通道略微缩回时，上述气流将完全释放。针状件的两个极限位置的区别在于操作杆旋转了18度(从空档位置开始，正负9度)。
波形盘111的旋转以及随手柄轮115一起的旋转由集成在空气输出选择操作杆112中的弹簧柱塞113来指示或分度。当操作杆112处于其两个极限位置中的一个时，以及当波形盘111在相应的方向上进一步旋转时，弹簧柱塞113提供旋转的分度。当波形盘111当前沿另一个方向旋转时，弹簧柱塞113将操作杆112的旋转锁定到盘111的旋转，直到操作杆112到达其另一个极限位置。从该另一个极限位置开始，弹簧柱塞113将再次指示波形盘111和手柄轮115的旋转。
切换输出对改变了在电机中提供交替的高压空气的那个转换器对9或14，通过该输出对空气被输送到电机。这有效地改变了电机的旋转方向。

Claims (9)

1.一种步进电机，所述步进电机具有壳体，在所述壳体中，固定在中心轴上的圆柱形的转子能够旋转，但不能沿轴向方向平移，其特征在于，在每个所述转子的两侧上都具有圆柱形的转换器，其中所述转换器密封地装配在所述壳体内的圆柱形空间中并围绕所述中心轴，并且其中所述转换器仅能沿轴向方向平移，其中在所述转换器的一个轴向位置中，位于所述转换器上的一组三角形的不对称的齿部能够与所述转子上的一组三角形的不对称的齿部相互作用，并嵌入到所述转子上的所述一组三角形的不对称的齿部中，其中在所述转子的两侧上的齿部的形状是对称的，并且其中在一个转换器与所述转子之间的一组齿部以及在另一个转换器与所述转子之间的一组齿部切向地移位等于齿部的沿齿根测量的宽度的一半的长度，并且其中所述转换器能够通过所述圆柱形空间的在所述壳体和所述转换器之间的部分与所述圆柱形空间的在所述转换器和所述转子之间的部分之间的压力差来移动。
2.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，在转换器或转子上的一组齿部仅具有沿周向均匀隔开的三个齿部。
3.根据权利要求1或2所述的步进电机，其特征在于，在所述转子的一侧上的齿部相对于在所述转子的另一侧上的齿部切向地移位。
4.根据权利要求1或2所述的步进电机，其特征在于，所述转子包括顺时针转子和逆时针转子，所述转换器包括在所述顺时针转子的两侧的两个顺时针转换器和在所述逆时针转子的两侧的两个逆时针转换器，其中所述顺时针转子与所述两个顺时针转换器形成第一组合、所述逆时针转子与所述两个逆时针转换器形成第二组合，所述第一组合与所述第二组合彼此反对称。
5.根据权利要求1或2所述的步进电机，其特征在于，所述步进电机由气体驱动。
6.根据权利要求5所述的步进电机，其特征在于，在所述转子和一个转换器之间的空间被连接至所述转子和另一转换器之间的空间。
7.一种MRI扫描仪，在所述MRI扫描仪中使用根据权利要求中1至6中任一项所述的步进电机，其中所述步进电机由非铁磁材料制成。
8.根据权利要求7所述的MRI扫描仪，其中所述步进电机由聚醚醚酮制成。
9.一种在外科器械或化工厂中旋转根据权利要求1至6中任一项所述的步进电机的轴线的方法，所述方法通过交替地将高压气体施加到所述壳体与转换器中的一个转换器的背面之间的空间和将低压气体施加到所述壳体与另一转换器的背面之间的空间、同时保持所述转换器与所述转子之间的空间固定不变地处于中间压力来旋转所述步进电机的轴线。
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