WO2022105802A1 - 一种具有离散钢球支撑导向结构的音圈电机 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种直线电机及其导向结构，该导向结构包括多个滚动体；保持架，用于套设在直线电机的电机轴上并与电机轴同轴，保持架的侧壁上设有连通保持架内部和外部的多个限位通孔，保持架的侧壁厚度小于滚动体的直径；套筒，用于固定安装在直线电机内以及套设在保持架上；在保持架位于电机轴与套筒之间，且保持架上部分或全部限位通孔分别容纳有滚动体的状态下，各滚动体配合以在电机轴的径向方向支撑固定电机轴，在电机轴沿自身中心轴线做往复运动的过程中，滚动体于对应限位通孔中在电机轴施加的摩擦力下自由滚动或滑动。上述导向结构可以降低电机轴受到的摩擦力，且制造难度小、成本低。
Description
本发明涉及机械设备技术领域，具体涉及一种直线电机，以及一种直线电机的导向结构。
现有的直线电机在工作过程中，电机轴都是与滑动轴承或滚珠轴承配合实现直线运动，轴承通常为外购的标准件，具有内孔尺寸系列不全、摩擦力不可控、寿命较短以及价格昂贵等一种或多种缺点，限制了直线电机在对摩擦力及电机轴偏摆间隙等有较高要求的精密控制领域的应用，例如麻醉机和呼吸机的压力与流量控制领域所使用的直线电机，通常需要电机轴的摩擦力小于100mN，甚至在部分高端通气模式应用场景下，要求摩擦力小于50mN，当前的技术方案制约了直线电机在麻醉和呼吸机上的应用。
例如，图1所示为一种典型的直线电机的结构示意图，其包括电机轴1、轴承2、永磁体3、软磁体4、线圈骨架5以及电机外壳6，其中，永磁体3用于形成磁场，软磁体4用于导磁，从而在空间内形成闭合的磁场，电机轴1与线圈骨架5固定连接，线圈骨架5内的线圈7在通电时电流会切割磁力线使得线圈骨架5能够受力前后运动，并随之带动电机轴1前后移动，轴承2则对电机轴1的前后移动进行导向，同时限制电机轴1的偏摆。
轴承通常是简单的滑套，滑套内部会使用自润滑的材料或表面处理，虽然能够一定程度降低了与电机轴的摩擦力，但是该类型的轴承在工作过程中，为了控制电机轴偏摆不至于过大，不可避免的需要将电机轴与轴承的间隙减小，使得轴承内壁与电机轴外壁始终处于大部分的面接触状态，因此电机轴在运动过程中会始终产生较大的摩擦力，至少在几百毫牛以上。
除了上述简易自润滑轴套，还有一种常用于承载力较大场合的直线滚珠轴承，该轴承包括轴套和多个钢球，轴套的内壁设有数个环形导槽，每个环形导槽内部分布了连续不间断的钢球。与电机轴配合后，在电机轴运动过程中，钢球会在封闭的环形导槽内按照一定的顺序周而复始的循环往复。因为钢球与电机轴属于点接触，且在运动过程中始终处于滚动或滑动状态，故该直线滚珠轴承与电机轴之间的摩擦力相对较低。但是这种直线滚珠轴承也存在以下缺点：①对于钢珠的加工精度要求非常高，加工难度大；②与电机轴接触的钢球数目多，接触点多导致摩擦力不可控；③多个钢球受到外部永磁铁磁力的吸引，钢球与钢球之间容易会在某些工作状态出现“卡滞”等问题，会导致瞬间的摩擦力突变到较大范围（如从几十毫牛突增到几百毫牛，甚至导致电机轴完全被钢球“咬死”的现象，无法前进或后退），在麻醉机与呼吸机的应用上，直接影响就是压力及流量控制失效，会对病人带来极高的安全风险。
根据第一方面，一种实施例中提供了一种直线电机的导向结构，包括：
多个滚动体；
保持架，所述保持架用于套设在所述直线电机的电机轴上并与所述电机轴同轴，所述保持架的侧壁上设有连通所述保持架内部和外部的多个限位通孔，一个所述限位通孔用于容纳一个所述滚动体，所述保持架的侧壁厚度小于所述滚动体的直径；
套筒，所述套筒用于固定安装在所述直线电机内，所述套筒用于套设在所述保持架上；
在所述保持架位于所述电机轴与所述套筒之间，且所述保持架上部分或全部限位通孔分别容纳有滚动体的状态下，各滚动体配合以在所述电机轴的径向方向支撑固定所述电机轴，并且，在所述电机轴沿自身中心轴线做往复运动的过程中，所述滚动体于对应限位通孔中在所述电机轴施加的摩擦力下自由滚动或滑动。
根据第二方面，一种实施例中提供了一种直线电机，包括：
壳体，所述壳体包括连通壳体内外的中心通孔；
固定安装在所述壳体内的环状的磁体组件，所述磁体组件与中心通孔同轴设置；
位于所述壳体内的线圈骨架，所述线圈骨架为一端具有开口的中空结构，所述线圈骨架的侧壁缠绕有用于通电的线圈，所述线圈骨架罩设在所述磁体组件上；
电机轴，所述电机轴与所述中心通孔同轴设置，且所述电机轴的一端延伸至所述壳体的外部，所述电机轴的另一端穿过所述磁体组件与所述线圈骨架连接；
导向结构，位于所述中心通孔的内壁和所述磁体组件两者中的至少一个与所述电机轴之间，所述导向结构沿靠近所述电机轴的方向包括依次套设的套筒和保持架，所述套筒与保持架均与所述电机轴同轴设置，所述保持架的侧壁上设有连通所述保持架内部和外部的多个限位通孔，所述多个限位通孔中的部分或全部限位通孔内分别容纳有一个滚动体，各滚动体配合以在所述电机轴的径向方向支撑固定所述电机轴，且各滚动体可在对应所述限位通孔内自由滚动或滑动。
上述实施例具有以下有益效果：
（1）电机轴在受外力做往复运动时，滚动体在限位通孔内可以自由滚动，从而可以降低电机轴在运动时受到的摩擦力。
（2）减少了与电机轴接触的钢球数量，从而降低了加工成本和加工难度。
（3）每个限位通孔内容纳一个滚动体，从而避免了滚动体之间相互影响出现卡滞问题。
（4）滚动体和保持架为非一体式结构，可以根据实际需求，在部分或全部限位通孔内安装。
（5）对于制作好的保持架，在装配时可以根据场景可以根据应用场景灵活配置在保持架内的滚动体的数量和分布位置，适用性更强。
图1为现有直线电机的结构示意图；
图2为一种实施例的导向结构的结构示意图；
图3为一种实施例的保持架的结构示意图；
图4为一种实施例的限位通孔的结构示意图；
图5为一种实施例的电机轴与保持架的组装结构示意图；
图6为另一种实施例的电机轴与保持架的组装结构示意图；
图7为一种实施例的电机轴与导向结构的组装结构示意图；
图8为一种实施例的电机轴与导向结构的组装后的纵向截面示意图；
图9为另一种实施例的电机轴与导向结构的组装后的纵向截面示意图；
图10为一种实施例直线电机的结构示意图；
100、导向结构；
120、保持架；122、限位通孔；122a、第一卡口；122b、第二卡口；
140、滚动体；
160、套筒；
200、电机轴；
300、磁体组件；
400、线圈骨架；420、线圈；
500、壳体。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
请参考图2所示的实施例，该实施例中提供了一种直线电机的导向结构100，该导向结构100包括套筒160、保持架120和多个滚动体140，导向结构100在安装前可以为分散状态，即三者可以在直线电机在装配时才组装到一起。
本实施例中，如图3所示保持架120为筒状结构，保持架120本身可以使用耐磨、耐热、耐低温、耐腐蚀、耐冲击、自润滑以及力学性能优异的材料，例如在一些实施例中，保持架120可以采用超高分子聚乙烯（UHMWPE）、聚甲醛或者铜制成。该保持架120用于套设在直线电机的电机轴200上并与电机轴200同轴，保持架120的侧壁上设有连通保持架120内部和外部的多个限位通孔122，一个限位通孔122用于容纳一个滚动体140，本实施例中，限位通孔122为圆形通孔，滚动体140则为钢球，保持架120的侧壁厚度小于滚动体140的直径。在一些实施例中，保持架120的一端还可以设置有法兰结构。具体地，在保持架120背离电机轴伸出直线电机的一端，设置有法兰结构，从而防止保持架120脱出。在其他实施例中，限位通孔122的形状、滚动体140的材料等也可以进行灵活地变更，例如在一些实施例中，限位通孔122可以是椭圆形，在另一些实施例中，滚动体140则还可以由其他材料制成。
套筒160在直线电机装配时用于固定安装在直线电机内，并且，该套筒160用于套设在保持架120上。在一些实施例中，可以按照以下的步骤完成导向结构100及电机轴200的组装：可以将电机轴200套入保持架120中，而后在保持架120的全部限位通孔122内或者部分限位通孔122内分别装入滚动体140（一个限位通孔122装入一个滚动体140），再整体安装在套筒160内，从而完成组装。在这一过程中，为了避免滚动体140从限位通孔122内掉落，可以先用润滑脂（或其他具有一定黏性的液体）填入限位通孔122中，而后再装入滚动体140，由于润滑脂的存在，滚动体140在短时间内不会从限位通孔122内掉落，操作人员可以在这段时间内完成组装 。
在另一些实施例中，还可以通过对限位通孔122的结构进行设计，从而使得滚动体140进入限位通孔122后既可以自由滚动，又不会从限位通孔122中掉落。如图4所示，在这些实施例中，限位通孔122被设置为能够沿自身径向扩张和收缩的结构，例如，保持架120本身采用具有一定形变的材料，例如可以采用能够形变又可以恢复原状的塑料，在此情形下，限位通孔122能够沿自身径向扩张和收缩。限位通孔122的内壁向限位通孔122的内部凸起形成第一卡口122a和第二卡口122b，第一卡口122a和第二卡口122b沿限位通孔122的轴向前后分布。向限位通孔122装入滚动体140时，可以“撑大”限位通孔122，使得限位通孔122发生扩张，随限位通孔122的扩张，第一卡口122a和第二卡口122b也随之变大，滚动体140能够通过第一卡口122a或第二卡口122b进入第一卡口122a与第二卡口122b之间的限位通孔122，而随限位通孔122的收缩，第一卡口122a与第二卡口122b均变小，从而限制限位通孔122内的滚动体140离开限位通孔122。
在另一些实施例中，限位通孔122自身可以与滚动体140有极其轻微的过盈，在组装完毕后，可以经过短期（如数分钟/数百个循环运动）老化，使得滚动体140与保持架120之间的过盈减小或消失，滚动体140就可以实现灵活转动。
直线电机装配完成后，装入有滚动体140的保持架120位于套筒160与电机轴200之间，并且，滚动体140的直径等于电机轴200的外壁与套筒160的内壁之间的距离（或者可能有极其微小的过盈），也就是说，每个滚动体140的内外两侧（内侧指的是靠近电机轴200的一侧）分别与电机轴200与套筒160接触，并同时受到电机轴200向外以及来自套筒160的内壁向内的挤压力，而滚动体140自身则被保持架120限位而不会大范围窜动。滚动体140的作用有两个，第一个作用是各滚动体140要相互配合以在电机轴200的径向方向支撑固定电机轴200，使得电机轴200在径向上不会发生摆动（或摆动尽可能小），尤其是直线电机在工作的过程中，电机轴200可以始终沿自身的轴向运动而尽可能减少摆动的发生。 第二个作用是在电机轴200沿自身中心轴线做往复运动的过程中，滚动体140于对应限位通孔122中在电机轴200施加的摩擦力下自由滚动或滑动（也可以认为在自由旋转，并相对于电机轴200产生滚动或滑动，也就是说，通过设置滚动体140，使得电机轴200在做往复运动的过程中，其受到的摩擦力大大减小，并且，由于一个限位通孔122内只容纳一个滚动体140，故滚动体140之间不会出现“卡滞”现象，整个导向结构100需要的滚动体140的数量也较少，因此可以降低制造难度和制造成本。根据具体的应用场景需求，可以通过调整作为滚动体140的钢球的直径/公差/光洁度、电机轴200的外径/公差/光洁度和套筒160内壁的孔径/公差/光洁度，从而改变电机轴200装配后所受到的预压力及摩擦系数，预压力直接影响电机轴200运动过程中的摩擦力以及工作寿命。
此外，本实施例的导向结构100的另一个好处在于，保持架120本身的限位通孔122数量和位置可以依照最广泛的需求进行设置，具体到装入滚动体140的步骤时，则可以根据需求设置滚动体140的数量和滚动体140的分布，例如，对于精度要求高的直线电机，可以在所有的限位通孔122内都装入滚动体140，当精度要求不那么高时，则可以在必要的限位通孔122内装入滚动体140即可，从而可以节约成本。易于理解的是，保持架120上限位通孔122的数量和分布应该至少满足：当每个限位通孔122内都装入滚动体140的情况下，可以在径向上支撑电机轴200，该条件下，多个限位通孔122可以如图5所示，不规则地分布在保持架120上，而在直线电机装配后，可以如图5所示在各限位通孔122内均装入滚动体140，也可以如图6所示选择性地装入滚动体140。
当然的，多个限位通孔122也可以规则地分布在保持架120上，例如，在一些实施例中，多个限位通孔122分别位于与保持架120的中心轴线相交的至少两个平面内，每个平面内包括至少三个限位通孔122，由于一个平面内的限位通孔122至少有三个，因此在一个平面内的限位通孔122均装入有滚动体140的情况下，至少能够保证该平面内理论上能够处于受力平衡，从而满足对电机轴200的径向支撑固定要求。进一步的，在一些实施例中，上述各平面均与保持架120的中心轴线垂直，故在直线电机装配完毕后，多个限位通孔122可以看作是沿电机轴200的轴向分成了至少两组，且每组限位通孔122在一个与电机轴200垂直的平面内。例如在图7中，多个限位通孔122沿保持架120的轴向被分为了两组，在尺寸范围允许的范围内，图7中各组限位通孔122对应平面之间的间距越大，越容易控制电机轴200安装后的摆动。每组限位通孔122内的各限位通孔122可以如图8所示绕保持架120的中心轴线均匀分布，也可以如图9所示不绕保持架120的中心轴线均匀分布。同样的，既可以在全部的限位通孔122内都装入滚动体140，也可以在从至少两组限位通孔122内选择几组装入滚动体140。还可以在各组限位通孔122中选择几个限位通孔122装入滚动体140，这样可以使得具有规则设置限位通孔122的保持架120上不规则地分布有滚动体140。
从上述描述可以看出，保持架120上限位通孔122的分布方式是非常灵活的，可以根据具体应用场景去需求确定。特别的，在麻醉机与呼吸机的应用场景上，保持架120可以是一个内径约为2.5mm至5mm，外径为4.5mm至8mm的筒状结构，滚动体的直径为0.5mm至2mm，限位通孔122的组数可以是2至3组，每组限位通孔122包括位于同一平面内的3到6个限位通孔122，这3到6个限位通孔122可以绕保持架120的中心轴线均匀分布。
请参考图10所示的实施例，该实施例提供了一种直线电机，该直线电机包括电机轴200、导向结构100、磁体组件300、线圈骨架400和壳体500。
壳体500包括连通壳体500内外的中心通孔，导向结构100、磁体组件300以及线圈骨架400均全部位于壳体500内。具体来说，磁体组件300为环状，磁体组件300与中心通孔同轴设置，线圈骨架400为一端具有开口的中空结构，线圈骨架400的侧壁缠绕有用于通电的线圈420，线圈骨架400罩设在磁体组件300上。电机轴200设置在中心通孔内，且电机轴200的一端延伸至壳体500的外部，电机轴200的另一端穿过磁体组件300与线圈骨架400连接。当线圈骨架400上的线圈通电后，根据磁场内通电产生力的原理，在磁体组件300所施加的力下线圈骨架400会沿中心通孔的轴向方向前后移动，从而带动电机轴200前后移动。在一些实施例中，电机轴200的表面光洁度Ra小于0.4，电机轴200的表面硬度HV>700或者HRC>60，如通过渗氮、渗炭，或炭氮共渗工艺加硬后进行抛光处理。
导向结构100包括套筒160、保持架120和滚动体140，其中，套筒160和保持架120固定安装在壳体500内，套筒160和保持架120依次套设在电机轴200上并均与电机轴200同轴设置。本实施例中，套筒160一部分位于中心通孔的内壁与电机轴200之间，另一部分位于磁体组件300与电机轴200之间，在其他实施例中，如果壳体500的壁厚很薄，那么套筒160也可以全部位于磁体组件300与电机轴200之间，又或者，如果壳体500的壁厚很厚，那么套筒160也可以全部位于中心通孔的内壁与电机轴200之间。套筒160、保持架120以及滚动体140的具体结构、材料选择、连接关系以及组装方式等已在上一实施例中进行了详细的说明，在此不进行赘述。
上述实施例的导向结构能够有效减少电机轴受到的摩擦力，并且，能够根据具体应用场景需求，对保持架内滚动体的数量进行调整以有效满足定制化需求，还可以降低制造难度与制造成本。
本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (19)
- 一种直线电机的导向结构,其特征在于，包括：多个滚动体；保持架，所述保持架用于套设在所述直线电机的电机轴上并与所述电机轴同轴，所述保持架的侧壁上设有连通所述保持架内部和外部的多个限位通孔，一个所述限位通孔用于容纳一个所述滚动体，所述保持架的侧壁厚度小于所述滚动体的直径；套筒，所述套筒用于固定安装在所述直线电机内，所述套筒用于套设在所述保持架上；在所述保持架位于所述电机轴与所述套筒之间，且所述保持架上部分或全部限位通孔分别容纳有滚动体的状态下，各滚动体配合以在所述电机轴的径向方向支撑固定所述电机轴，并且，在所述电机轴沿自身中心轴线做往复运动的过程中，所述滚动体于对应限位通孔中在所述电机轴施加的摩擦力下自由滚动或滑动。
- 如权利要求1所述的导向结构，其特征在于，所述限位通孔的内壁向所述限位通孔的内部凸起形成第一卡口和第二卡口，所述第一卡口和第二卡口沿所述限位通孔的轴向前后分布；所述限位通孔被设置为能够沿自身径向扩张和收缩的结构，随所述限位通孔的扩张，所述滚动体能够通过第一卡口或第二卡口进入所述第一卡口与第二卡口之间的限位通孔，随所述限位通孔的收缩，所述第一卡口和第二卡口分别限制所述限位通孔内的滚动体离开所述限位通孔。
- 如权利要求1所述的导向结构，其特征在于，所述多个限位通孔分别位于与所述保持架的中心轴线相交的至少两个平面内，每个平面内包括至少三个所述限位通孔。
- 如权利要求3所述的导向结构，其特征在于，所述至少两个平面分别与所述保持架的中心轴线垂直。
- 如权利要求3或4所述的导向结构，其特征在于，各平面内的至少三个所述限位通孔绕所述保持架的中心轴线均匀分布。
- 如权利要求1所述的导向结构，其特征在于，所述多个限位通孔不规则分布在所述保持架上。
- 如权利要求1所述的导向结构，其特征在于，所述保持架采用超高分子聚乙烯、聚甲醛或者铜制成。
- 如权利要求1所述的导向结构，其特征在于，所述限位通孔为圆形通孔或椭圆形通孔。
- 如权利要求1所述的导向结构，其特征在于，所述滚动体为球状。
- 如权利要求1所述的导向结构，其特征在于，所述滚动体为直径为0.5mm至2mm的球状结构；所述保持架为内径为2.5mm至5mm，且外径为4.5mm至8mm的筒状结构。
- 一种直线电机，其特征在于，包括：壳体，所述壳体包括连通壳体内外的中心通孔；固定安装在所述壳体内的环状的磁体组件，所述磁体组件与中心通孔同轴设置；位于所述壳体内的线圈骨架，所述线圈骨架为一端具有开口的中空结构，所述线圈骨架的侧壁缠绕有用于通电的线圈，所述线圈骨架罩设在所述磁体组件上；电机轴，所述电机轴与所述中心通孔同轴设置，且所述电机轴的一端延伸至所述壳体的外部，所述电机轴的另一端穿过所述磁体组件与所述线圈骨架连接；导向结构，位于所述中心通孔的内壁和所述磁体组件两者中的至少一个与所述电机轴之间，所述导向结构沿靠近所述电机轴的方向包括依次套设的套筒和保持架，所述套筒与保持架均与所述电机轴同轴设置，所述保持架的侧壁上设有连通所述保持架内部和外部的多个限位通孔，所述多个限位通孔中的部分或全部限位通孔内分别容纳有一个滚动体，各滚动体配合以在所述电机轴的径向方向支撑固定所述电机轴，且各滚动体可在对应所述限位通孔内自由滚动或滑动。
- 如权利要求10所述的直线电机，其特征在于，所述多个限位通孔分别位于与所述保持架的中心轴线相交的至少两个平面内，每个平面内包括至少三个所述限位通孔。
- 如权利要求11所述的直线电机，其特征在于，所述至少两个平面分别与所述保持架的中心轴线垂直。
- 如权利要求11或12所述的直线电机，其特征在于，各平面内的至少三个所述限位通孔绕所述保持架的中心轴线均匀分布。
- 如权利要求10所述的直线电机，其特征在于，所述多个限位通孔不规则分布在所述保持架上。
- 如权利要求10所述的直线电机，其特征在于，所述保持架采用超高分子聚乙烯、聚甲醛或者铜制成。
- 如权利要求10所述的直线电机，其特征在于，所述限位通孔为圆形通孔或椭圆形通孔。
- 如权利要求10所述的直线电机，其特征在于，所述滚动体为球状。
- 如权利要求10所述的直线电机，其特征在于，所述电机轴的表面光洁度Ra小于0.4，所述电机轴的表面硬度HV>700，或所述电机轴的表面硬度HRC>60。
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