CN1558549A - 基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器。属于微机电系统和安全保险装置领域。本发明包括：定子，硬磁软磁混合转子，机械储能器、转轴及外壳，其连接方式为：硬磁软磁混合转子安装在转轴上，转轴安装在定子的轴承上，在转轴上安装垫片，转轴和定子通过轴承相连，机械储能器与转轴相连，两个定子及机械储能器设置在电磁驱动器的外壳上，硬磁软磁混合转子极数与两个定子极数相同。本发明能方便地实现单向步进反向自锁，并且结构简单，输出力矩大，非常适合采用微机电系统加工技术，尺寸小，可批量生产，从而降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁驱动器，具体是一种基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器。属于微机电系统和安全保险装置领域。
背景技术
目前常见的电磁式步进驱动器都是双向的，而在金融、重要医疗设备等特殊场合的安全保险要求运动不可逆，进而要求电磁式步进驱动器只能单向运动，反向自锁。
经文献检索发现，中国专利公开号为：CN 1135677A的专利，该专利中描述了一种属于微机电系统领域的毫米级电磁型微电机，这种电机是单定子单转子结构，这种电磁型电机不能实现单向步进反向自锁的功能。虽然具有尺寸微小的优势，但很难满足重要系统的要求运动步进且不可逆的要求。因为重要系统的安全保险装置要求电机带动一定的负载，这种电机的力矩输出过小。
发明内容
本发明针对现有技术在重要安全场合应用的局限，提供一种基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器，使其实现单向步进反向自锁，并且结构简单，输出力矩大，由于采用微机电系统加工技术，尺寸小，可批量生产，从而降低成本。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：定子，硬磁软磁混合转子，机械储能器、转轴及外壳，其连接方式为：硬磁软磁混合转子安装在转轴上，转轴安装在定子的轴承上，在转轴上安装垫片，转轴和定子通过轴承相连，机械储能器与转轴相连，两个定子及机械储能器设置在电磁驱动器的外壳上，硬磁软磁混合转子极数与两个定子极数相同。
定子中的线圈绕组通电，硬磁软磁混合转子转过一个角度，同时通过机械储能器将部分电磁能变成机械能，然后电磁作用将近结束前，机械储能器储存的机械能释放，推动硬磁软磁混合转子继续转过一个角度，从而完成完整的一个步进运动，此时机械储能器自锁装置反向锁定并定位驱动器转轴位置。通过电磁能和机械能的相互转化，即可实现一系列单向步进运动。
本发明定子、硬磁软磁混合转子极数相同，硬磁软磁混合转子磁极与定子激磁电流产生的磁极一一对应，加之机械储能器的定位反向锁定作用，步进角度易于控制。同时，步进角度的大小可通过改变定硬磁软磁混合转子的极数及机械储能器的储能盘的齿形参数得以方便实现。
硬磁软磁混合转子设置三层结构，中层圆盘采用高磁导率软磁材料，圆盘中间开有非全圆孔，圆盘两面设置高磁能积硬磁材料的磁钢。磁钢的片数等于360°除以步进角取整。磁钢绕圆盘圆心均匀布置。这种结构形式可有效的降低漏磁的影响，增大转动力矩。
定子绕组采用平面类梯形多圈多层铜结构，该定子线圈通过单独的引线层将电流输入，相邻层与层之间采用底层线圈的终点与上层线圈的起点相连，同样的电流产生的磁通更多，特别适合用MEMS微细加工技术制造。每层定子绕组中包含由高磁导率软磁材料构成的磁芯，这些磁芯被设计成多个块状结构，可有效的防止涡流的产生，同时起到集磁作用。
机械储能器包括：储能弹簧、储能杆导轨、一个头部呈圆弧状的储能杆及一个周边布满非对称能定位反向自锁的三角形齿的储能盘，储能盘通过三角形齿型结构与储能杆相连，储能杆的末端设置储能弹簧，储能弹簧与储能杆导轨相连，储能杆导轨与壳体相连。
储能盘的周边周期性的设置非圆孔，它构成了非对称三角形齿的一部分，设有三角形齿顶点沿圆盘半径方向朝外，储能盘周边周期性结构的周期角设置为θ角，周期角的一半设置为θ1角，设置三角形齿顶点与非圆孔中心线的两个夹角的小的一个为角θ2角。储能杆的一端设有圆弧头。装配过程中，储能杆中心线与储能盘非圆孔的缺口边垂直，储能盘齿型的周期角为θ角等于电磁驱动器的步进角。储能盘的三角形齿顶偏角θ2角小于储能盘齿型的周期角的一半，即θ1角，这样可以保证在电磁拉动力失去作用前，储能杆的圆弧头越过齿型顶点，储能弹簧储存的机械能释放，进而推动储能盘继续转动，完成一个完整的步进运动步。储能盘设置反向锁定边和圆弧槽，一个步进步完成后，储能杆的圆弧头在弹簧力作用下紧靠在圆弧槽中，储能杆的一边紧靠在反向锁定边上。装配时，储能盘圆弧槽的中心线与定子一极绕组的中心线，在同一垂直面上。这是整个系统的初始零位。
三角形齿是一个特殊设计的形状，电磁力发生作用时，三角形齿储能边与储能杆的圆弧状头接触，推动储能杆压缩储能弹簧，完成电磁能向机械能的转变，当储能杆超过三角形齿的齿顶时，机械能开始释放，储能杆圆弧头推动三角形齿释能边，带动转轴完成一个完整的步进运动。步进运动完成后，储能杆下降并压在储能盘的圆弧形槽内，并与储能盘自锁边紧靠，实现定位和自锁。三角形齿的非对称设计可保证在电磁作用结束前机械能发挥作用，保证机械能释放时转轴转动的方向与电磁拉动时的方向相同。
转轴上设有第一非全圆轴段、第二非全圆轴段，圆形台阶及全圆轴段。第一非全圆轴段与第二非全圆轴段相连，第二非全圆轴段与圆形台阶相连，圆形台阶与全圆轴段相连。这种结构可方便电磁驱动器初始零位对准，方便装配。
本发明基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器，能方便地实现单向步进反向自锁，并且结构简单，输出力矩大，非常适合采用微机电系统加工技术，尺寸小，可批量生产，从而降低成本。
附图说明
图1本发明结构示意图
图2本发明机械储能器示意图
图3本发明硬磁软磁混合转子结构示意图
图4本发明定子结构示意图
图5本发明带有非全圆结构的阶梯轴结构示意图
图6本发明一个线圈绕组引线头示意图
图7本发明第一层线圈绕组走线及引线头示意图
图8本发明第二层线圈绕组走线及引线头示意图
图9本发明第三层线圈绕组走线及引线头示意图
图10本发明第四层线圈绕组走线及引线头示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：定子1、3，硬磁软磁混合转子2，机械储能器5、转轴6及外壳4，其连接方式为：硬磁软磁混合转子2安装在转轴6上，转轴6和定子1、3通过轴承相连，在转轴6上设有垫片，转轴6和定子3通过轴承相连，机械储能器5与转轴6相连，定子1、3及机械储能器5设置在电磁驱动器的外壳4上，硬磁软磁混合转子2极数与定子1、3极数相同。
如图2所示，为机械储能器5的结构示意图，它由储能弹簧12、储能杆导轨13、一个头部呈圆弧状的储能杆14及一个周边布满非对称能定位反向自锁的三角形齿的储能盘17装配而成。储能盘17的周边周期性的设置非圆孔19，它构成了非对称三角形齿的一部分，设置三角形齿顶点16沿圆盘半径方向朝外，储能盘周边周期性结构的周期角设置为θ角10，周期角的一半设置为θ1角9，设置三角形齿顶点16与非圆孔19中心线的两个夹角的小的一个为角θ2角8。储能杆14的一端设置圆弧头15。装配过程中，储能杆14中心线与储能盘17非圆孔19的缺口边垂直，储能盘17齿型的周期角为θ角10等于电磁驱动器的步进角。储能盘17的三角形齿顶偏角θ2角8小于储能盘17齿型的周期角的一半，即θ1角9，储能杆14的圆弧头15越过齿型顶点16，储能弹簧12储存的机械能释放，进而推动储能盘17继续转动，完成一个完整的步进运动步。储能盘17设置反向锁定边7和圆弧槽18，一个步进步完成后，储能杆14的圆弧头15在弹簧力作用下紧靠在圆弧槽18中，储能杆14的一边紧靠在反向锁定边7上，储能弹簧12与储能杆导轨13相连，储能杆导轨13与壳体4相连。
如图3所示，硬磁软磁混合转子2设置三层结构，中层圆盘21采用高磁导率软磁材料，圆盘中间开有非全圆孔23，圆盘21两面设置高磁能积硬磁材料的磁钢22。磁钢22的片数等于360°除以步进角取整。磁钢22绕圆盘21圆心均匀布置。
如图4所示，定子1、3上设置多个多层多圈平面线圈组成的绕组24及布置线圈引出线25的引出线层，在线圈绕组24中布置被分割成小块的由高磁导率材料构成的磁芯26。线圈绕组24的数目等于360°除以步进角取整。磁芯26被分割成块状。
如图5所示，转轴6上设有非全圆轴段29、30，圆形台阶31及全圆轴段32。非全圆轴段29与非全圆轴段30相连，非全圆轴段30与圆形台阶31相连，圆形台阶31与全圆轴段32相连。
如图6、图7、图8、图9、图10给出了线圈绕组24特殊的走线方式。线圈绕组24是由四个平面线圈相连而成。线圈绕组24设置四个抽头位，分别为抽头位33、抽头位34、抽头位35、抽头位36。从平面绕组24垂直方向，抽头37、抽头41、抽头43处于抽头位33，抽头38、抽头39处于抽头位34，抽头40、抽头42处于抽头位35，抽头44处于抽头位36。线圈24通过特殊的走线方式布置在四个层中。在第一层中，线圈由第一层线圈抽头37从内圈向外圈按类梯形状走线直到第一层线圈抽头38，第一层线圈抽头38通过接线柱连接到第二层线圈抽头39，以第二层线圈抽头39为起点，以第二层线圈抽头40为终点，按照与第一层线圈相同的走线方向从外圈向内圈走线，然后，第二层线圈抽头40通过接线柱连接到第三层线圈抽头42，以第三层线圈抽头42为起点，以第三层线圈抽头41为终点，按照与第一层线圈相同的走线方向从内圈向外圈走线，最后，第三层线圈抽头41通过接线柱连接到第四层线圈抽头43，以第四层线圈抽头43为起点，以第四层线圈抽头44为终点，按照与第一层线圈相同的走线方向从外圈向内圈走线。第一层线圈的抽头37和第四层线圈的抽头44分别是整个线圈绕组24的起点和终点，它们通过垂直引线柱到达引线层并与线圈引出线25相连，可以方便的施加电流。这种多层多圈结构同样的电流能产生更大的驱动力矩，且非常便于微机电系统微细加工来实现。
在整个装配过程中，储能盘圆弧槽的中心线11与定子绕组线圈24的中心线27在同一垂直面上。这是整个系统的初始零位。
Claims (8)
1、一种基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器，包括：定子(1)、(3)，硬磁软磁混合转子(2)，转轴(6)及外壳(4)，其特征在于还包括：定子(3)、机械储能器(5)，其连接方式为：硬磁软磁混合转子(2)安装在转轴(6)上，转轴(6)和定子(1、3)通过轴承相连，在转轴(6)上设有垫片，转轴(6)和定子(3)通过轴承相连，机械储能器(5)与转轴(6)相连，定子(1、3)及机械储能器(5)设置在电磁驱动器的外壳(4)上，硬磁软磁混合转子(2)极数与定子(1、3)极数相同。
2、根据权利要求1所述的基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器，其特征是，机械储能器(5)由储能弹簧(12)、储能杆导轨(13)、一个头部呈圆弧状的储能杆(14)及一个周边布满非对称能定位反向自锁的三角形齿的储能盘(17)装配而成，储能杆导轨(17)与外壳(4)相连，储能杆导轨(17)同时通过空腔与储能杆(12)相连，储能盘(17)的周边周期性的设置非圆孔(19)，它构成了非对称三角形齿的一部分，设有三角形齿顶点(16)沿圆盘半径方向朝外，储能杆(14)的一端设置圆弧头(15)，储能杆(14)的圆弧头(15)越过齿型顶点(16)，储能弹簧(12)储存的机械能释放，进而推动储能盘(17)继续转动，完成一个完整的步进运动步，储能盘(17)设置反向锁定边(7)和圆弧槽(18)，一个步进步完成后，储能杆(14)的圆弧头(15)在弹簧力作用下紧靠在圆弧槽(18)中，储能杆(14)的一边紧靠在反向锁定边(7)上。
3、根据权利要求2所述的基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器，其特征是，储能盘(17)周边周期性结构的周期角为θ角(10)，周期角的一半为θ1角(9)，三角形齿顶点(16)与非圆孔(19)中心线的两个夹角的小的一个为θ2角(8)，装配过程中，储能杆(14)中心线与储能盘(17)非圆孔(19)的缺口边垂直，储能盘(17)齿型的周期角为θ角(10)等于电磁驱动器的步进角，储能盘(17)的三角形齿顶偏角θ2角(8)小于储能盘(17)齿型的周期角的一半，即θ1角(9)。
4、根据权利要求1所述的基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器，其特征是，硬磁软磁混合转子(2)设置三层结构，中层圆盘(21)采用高磁导率软磁材料，圆盘中间开有非全圆孔(23)，圆盘(21)两面设置高磁能积硬磁材料的磁钢(22)，磁钢(22)的片数等于360°除以步进角取整，磁钢(22)绕圆盘(21)圆心均匀布置。
5、根据权利要求1所述的基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器，其特征是，定子(1、3)上设置多个多层多圈平面线圈组成的绕组(24)及布置线圈引出线(25)的引出线层，在线圈绕组(24)中布置被分割成小块的由高磁导率材料构成的磁芯(26)，线圈绕组(24)的数目等于360°除以步进角取整，磁芯(26)被分割成块状。
6、根据权利要求5所述的基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器，其特征是，线圈绕组(24)是由四个平面线圈相连而成，线圈绕组(24)设置四个抽头位，分别为抽头位(33、34、35、36)，从平面线圈绕组(24)垂直方向，抽头(37、41、43)处于抽头位(33)，抽头(38、39)处于抽头位(34)，抽头(40、42)处于抽头位(35)，抽头(44)处于抽头位(36)，线圈绕组(24)布置在四个层中，在第一层中，线圈绕组由第一层线圈抽头(37)从内圈向外圈按类梯形状走线直到第一层线圈抽头(38)，第一层线圈抽头(38)通过接线柱连接到第二层线圈抽头(39)，以第二层线圈抽头(39)为起点，以第二层线圈抽头(40)为终点，按照与第一层线圈相同的走线方向从外圈向内圈走线，然后，第二层线圈抽头(40)通过接线柱连接到第三层线圈抽头(42)，以第三层线圈抽头(42)为起点，以第三层线圈抽头(41)为终点，按照与第一层线圈相同的走线方向从内圈向外圈走线，最后，第三层线圈抽头(41)通过接线柱连接到第四层线圈抽头(43)，以第四层线圈抽头(43)为起点，以第四层线圈抽头(44)为终点，按照与第一层线圈相同的走线方向从外圈向内圈走线，第一层线圈的抽头(37)和第四层线圈的抽头(44)分别是整个线圈绕组(24)的起点和终点，它们通过垂直引线柱到达引线层并与线圈引出线(25)相连。
7、根据权利要求2或5所述的基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器，其特征是，在整个装配过程中，储能盘圆弧槽的中心线(11)与定子线圈绕组(24)的中心线(27)在同一垂直面上，这是整个系统的初始零位。
8、根据权利要求1所述的基于微机电系统的单向步进反向自锁的电磁驱动器，其特征是，转轴(6)上设有非全圆轴段(29、30)，圆形台阶(31)及全圆轴段(32)，非全圆轴段(29)与非全圆轴段(30)相连，非全圆轴段(30)与圆形台阶(31)相连，圆形台阶(31)与全圆轴段(32)相连。
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