一种耐高压湿式步进电机

1.本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种步进电机及液压元件控制。


背景技术：

2.步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量，从而达到精确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的；具有启停响应速度快、转速范围大、无累计误差、可靠性较高、控制成本低等优点。
3.步进电机存在的不足是控制不当时容易发生共振，超载时容易发生丢步和堵转，运行时发热量较大且热量不易散出；普通干式步进电机应用于液压元件时，需阻隔液压油进入干式步进电机内部，会产生高压动密封问题。
4.长定子短转子结构的电机可以配合端盖静密封，构成湿式电机；一般步进电机定子极靴齿顶和转子铁芯齿顶之间的气隙非常小，(如0.02mm，以保证定转子间足够的磁感应强度和电磁转矩)，无法直接套设单一导磁的厚圆筒；如果增加定子极靴齿顶和转子铁芯齿顶之间的气隙，再套设单一导磁的厚圆筒配合端盖实现耐高压静密封，则会导致单一导磁厚圆筒沿周向的磁密分布趋于均匀而不是随定子极靴齿顶位置呈强弱间隔分布，进而导致步进电机无法工作。


技术实现要素：

5.本发明提供一种耐高压湿式步进电机，以解决现有技术中步进电机运行时发热量较大且热量不易散出的技术问题，并且将步进电机的应用范围扩展到液压元件的控制上，避免高压动密封问题。
6.为解决上述密封和磁密的技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种耐高压湿式步进电机，该步进电机包括定子、转子和端盖组件，转子套设在定子中，且定子沿轴向的尺寸大于转子沿轴向的尺寸，定子包含栅状隔磁环，栅状隔磁环在提供导磁通路的同时，与端盖一起实现容纳转子的密封腔，由于端盖组件和栅状隔磁环之间为静密封，且栅状隔磁环与定子铁芯内圆之间为过盈配合，因而密封腔可以耐高压；同时，通过采用栅状隔磁环导磁材料和隔磁材料交替拼接的结构，使得定子的气隙磁密集中在导磁材料处，在栅状隔磁环上磁密沿周向呈强弱间隔分布，代替了普通步进电机定子极靴的齿顶，步进电机栅状隔磁环和转子铁芯齿顶间仍然可以采用较小的气隙以保证定转子间足够的磁感应强度和电磁转矩，保证了电机的正常运行；转子转轴与外部液压元件转轴连接，通过转子以预设角度转动来带动液压元件转动到预期位置。
7.作为优选，步进电机的转子包括转轴、套设于转轴外的转子铁芯以及套设于转子外的永磁体。
8.作为优选，步进电机的定子包括定子铁芯、绕在定子铁芯上的定子绕组和套设于定子铁芯内部的栅状隔磁环。
9.作为优选，步进电机的转子包含两片相同的转子铁芯，转子铁芯外圆上分布有均匀分布有50个齿，齿槽宽度略小于齿宽；转轴最大轴径位置上套设环形永磁体，永磁体沿轴向充磁；两片转子铁芯套设于转轴上，分布在永磁体两侧，周向上相差半个齿距。
10.作为优选，电机转轴输出端一侧的端盖外侧环形凸缘外壁开有槽，用于安装密封圈以实现与液压元件环形内壁面间的密封。
11.作为优选，定子铁芯轴向方向上的4条棱边进行倒角处理，倒角内侧开有安装孔；定子铁芯包含8个极，采用双极性两相四线绕组，同属于一相绕组的线圈相隔90
°
、180
°
布置，相隔90
°
的同相绕组的线圈绕线方向相反，相隔180
°
的同相绕组的线圈绕线方向相同，不属于同一相绕组的线圈相隔45
°
交错分布。
12.作为优选，栅状隔磁环采用隔磁材料和导磁材料在周向上依次交替分布，相邻的隔磁材料和导磁材料固连在一起；栅状隔磁环在定子铁芯内部为过盈安装，栅状隔磁环中定子铁芯极靴内圆壁面紧贴的部分占32.4
°
圆心角，含5段导磁材料和4段隔磁材料，每段导磁材料或隔磁材料占3.6
°
圆心角；未与极靴内圆壁面紧贴的部分采用隔磁材料，有8段，每段占12.6
°
圆心角。
13.作为优选，步进电机还包括2个端盖组件：左端盖组件和右端盖组件；左端盖组件的组成部分左端盖布置在转子伸出轴一侧，外侧设有用于安装对中的环形凸缘和用于安装密封的密封圈，内侧开环形槽用于容纳定子线圈端部；左端盖内侧中部设有环形凸缘，环形凸缘外侧设有密封圈及其安装槽，环形凸缘套设在栅状隔磁环内部实现静密封；右端盖组件的组成部分右端盖布置在转子伸出轴的对侧，内侧开环形槽用于容纳所述定子线圈端部，上侧开有长圆形孔用于引出步进电机定子线圈导线；右端盖内侧中部设有环形凸缘，环形凸缘外侧设有密封圈及其安装槽，环形凸缘套设在栅状隔磁环内部实现静密封。
14.作为优选，采用长定子短转子的结构，即定子沿轴向上的尺寸大于转子沿轴向上的尺寸，可以将液压油限制在转子所在腔体范围内，定子绕组所在腔体无液压油进入，采用该结构的湿式电机可以免去引出步进电机绕组导线的长圆形孔处的密封。
15.作为优选，电转轴伸出的一侧沿轴向开有深盲孔，转轴中部和远离输出端的一侧沿径向开有2个通孔，通孔连接径向轴承和转子铁芯之间的空腔，联合端盖内侧环形凸缘及其密封圈的静密封，形成内部贯通的液压油腔；液压油腔通过转轴深盲孔连通被控液压元件，并通过左端盖的外侧环形凸缘及其密封圈实现液压元件在电机一侧的静密封；转子所在腔体分为左右半腔，左右半腔之间通过转子铁芯的齿槽和转轴深盲孔以及两个通孔来连通，有助于实现左右半腔的压力平衡，减少油压变化引起的液动力。
16.作为优选，转子铁芯在转轴上可以采用胶粘方式连接，转轴设有轴肩用于转轴铁芯的轴向定位，利用永磁体端面吸引转子铁芯，再采用胶水固定永磁体、转子铁芯在转轴上的位置。
17.作为优选，电机两个端盖上均设置有径向轴承，可以采用深沟球轴承，轴承在转轴上通过轴肩和波形垫圈实现轴向定位，其中转轴和轴承内圈之间为过盈连接，波形垫圈抵住端盖内侧和轴承外圈，通过波形垫圈弹力和轴肩固定轴承在转轴上的轴向位置。
18.作为优选，电机转轴输出端为d形，实际可以根据所连液压元件或连接液压元件的连接件形状更改电机转轴输出端形状。
19.本发明的有益效果：通过长定子短转子和端盖静密封的电机结构，实现了将电机
做成湿式电机；通过栅状隔磁环的设计，解决了湿式电机环形密封和保持步进电机齿形磁密两者之间冲突的问题，将步进电机设计成湿式电机的同时保持了原有的磁密分布；通过将步进电机设计成湿式电机，省去普通干式电机转轴输出端处所需的高压动密封，解决了高压动密封问题，同时改善了步进电机散热情况，缓解了温升问题；通过栅状隔磁环过盈安装于定子铁芯内壁的设计和端盖静密封的设计，增强了转子所在腔体的耐高压性能，保证电机运转过程中能够承受很高的油压。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
21.图1是本发明耐高压湿式步进电机实施例的立体结构示意图；
22.图2是本发明耐高压湿式步进电机实施例的剖视结构示意图；
23.图3是本发明耐高压湿式步进电机实施例的工作原理第一步示意图；
24.图4是本发明耐高压湿式步进电机实施例的工作原理第二步示意图；
25.图5是本发明耐高压湿式步进电机实施例的工作原理第三步示意图；
26.图6是本发明耐高压湿式步进电机实施例的工作原理第四步示意图；
27.图3、图4、图5、图6均为从电机转轴输出端看去的剖视结构，剖视位置为靠近电机转轴输出端的转子铁芯所在位置。
28.定子(100)包括：定子铁芯(110)、定子绕组(120)、栅状隔磁环(130)；
29.转子(200)包括：左转子铁芯(210)、右转子铁芯(220)、永磁体(230)、转轴(240)；
30.左端盖组件(300)包括：左端盖(310)、左端盖轴承(320)、左端盖波形垫圈(330)、左端盖内侧密封(340)、左端盖外侧密封(350)；
31.右端盖组件(400)包括：右端盖(410)、右端盖轴承(420)、右端盖波形垫圈(430)、右端盖内侧密封(440)。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
33.本发明中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定；此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.本发明提出一种耐高压湿式步进电机，参见图1和图2，本实施例步进电机包括定
子100、转子200、端盖组件300和端盖组件400，转子200套设于定子100内，且定子100轴向长度大于转子200长度，定子100包含栅状隔磁环130，栅状隔磁环130在提供导磁通路的同时，与端盖组件300和端盖组件400一起实现容纳转子200的密封腔，转子100与外部液压元件连接，通过转子100以预设角度转动带动液压元件转动到预期位置；目前液压元件如液压阀中的电-机械转换器若采用普通的干式电机，则需要输出轴处增加密封元件，防止液压油通过输出轴进入电机内部；而输出轴处设置的密封元件属于高压动密封，增加了输出轴转动的阻力，而且在长期运行后密封元件容易达到疲劳和老化的极限，无法确保密封性能防止液压油进入电机内部；而本发明中，采用湿式机构的电机，可以省去电机与液压元件之间的动密封，避免了高压动密封的问题；同时，通过左端盖310和右端盖410与栅状隔磁环130之间的静密封，将液压油限制在转子200所在的空腔内，使定子线圈120隔绝液压油的影响。
35.在本实施例中，定子100包括定子铁芯110，定子绕组120和栅状隔磁环130；定子铁芯110包含8个极，每个极的宽度占32.4
°
的圆心角；栅状隔磁环130由条形的导磁材料和隔磁材料交替拼接而成，套设在定子铁芯110内，且定子铁芯110的极靴圆弧面紧贴栅状隔磁环的外壁；栅状隔磁环130与定子铁芯110的每个极的极靴圆弧面紧贴的部分占3.6
°×
9＝32.4
°
的圆心角，该部分由9段圆心角占比3.6
°
的导磁材料和隔磁材料交替拼接而成，其中导磁材料占5段，隔磁材料占4段；栅状隔磁环130中未与极靴圆弧面紧贴的部分共8段，每段占比12.6
°
，由隔磁材料构成，与上述8个极的极靴圆弧紧贴的部分交替拼接，构成栅状隔磁环130；定子绕组120采用集中式绕组，绕组连接采用两相四线接法，接线和绕线方向如图3(或图4或图5或图6)。
36.在本实施例中，转子200包括转子铁芯210、转子铁芯220、永磁体230和转轴240；转子铁芯210、转子铁芯220和永磁体230均套设于转轴240外，且永磁体230设置在转子铁芯210和转子铁芯220中间，同时紧贴转子铁芯210和转子铁芯220；转子铁芯210和转子铁芯220的对应齿形在周向上错开3.6
°
(半个齿距)，即从转轴240的一端看去，转子铁芯220旋转3.6
°
后，与转子铁芯210的齿形重合。
37.在本实施例中，左端盖组件300包括左端盖310、左端盖轴承320、左端盖波形垫圈330、左端盖内侧密封340、左端盖外侧密封350；左端盖轴承320套设于左端盖310内，套设于转轴240外且左端盖轴承320内圈与转轴之间为过盈配合；左端盖轴承320设置在左端盖波形垫圈330和转轴240一侧轴肩之间，通过左端盖波形垫圈330和转轴240一侧轴肩实现轴向定位；左端盖310内侧的环形凸缘的外壁开有槽，槽内设置左端盖内侧密封340，通过左端盖密封340实现左端盖310与栅状隔磁环130之间的高压静密封；左端盖310外侧的环形凸缘的外壁开有槽，槽内设置左端盖外侧密封350，通过左端盖外侧密封350实现左端盖310与被控液压元件之间的高压静密封。
38.在本实施例中，右端盖组件400包括右端盖410、右端盖轴承420、右端盖波形垫圈430、右端盖内侧密封440；右端盖轴承420套设于右端盖410内，套设于转轴240外且右端盖轴承420内圈与转轴之间为过盈配合；右端盖轴承420设置在右端盖波形垫圈430和转轴240一侧轴肩之间，通过右端盖波形垫圈430和转轴240一侧轴肩实现轴向定位；右端盖410内侧的环形凸缘的外壁开有槽，槽内设置右端盖内侧密封440，通过右端盖内侧密封440实现右端盖410与栅状隔磁环130之间的高压静密封。
39.在本实施例中，转轴240从输出端一侧开有长盲孔，转轴240中部沿着径向开有第
一通孔，转轴240远离输出端一侧沿着径向开有第二通孔；通过长盲孔、第一通孔、第二通孔、转子铁芯210和转子铁芯220的齿槽，形成贯通的栅状隔磁环130内部腔体，即转子200所在的腔体；栅状隔磁环130套设在定子铁芯内部，与定子铁芯110内圆之间为过盈安装，使得隔磁材料和导磁材料相互挤压以确保栅状隔磁环130的耐高压性能，再加上栅状隔磁环130和左端盖组件300、右端盖组件400之间的静密封，使得该腔体内能够耐高压。
40.在本实施例中，定子绕组接法和绕线方向如图3(或图4或图5或图6)所示，一共两相即i相和ii相，i相含a端和c端，ii相含b端和d端，共四线；其中i相的正北、正南位置的线圈为正绕，正东和正西位置的线圈为反绕；ii相的东北、西南位置的线圈为正绕，东南和西北位置的线圈为反绕。
41.在本实施例中，永磁体为轴向充磁，此处为说明运行原理设置充磁方向为从远离转轴240输出端一侧指向转轴240输出端一侧，实际也可以采用相反充磁方向则为另一实施例；本实施例中该充磁方向的效果是整个转子铁芯210为n极，整个转子铁芯220为s极；转子铁芯210在周向上磁感应强度最大的位置为各个凸齿，转子铁芯220在周向上磁感应强度最大的位置为各个凸齿；当定子绕组通电时，根据同极相斥，异极相吸的原理，又因为转子铁芯只能转动，所以效果为同极时气隙磁路最长，异极时气隙磁路最短；当定子绕组通电时，由于栅状隔磁环130为导磁材料和隔磁材料交替拼接，磁感应强度最大的位置为各段导磁材料。
42.在本实施例中，电机运行采用整步驱动方案；第一步，当i相通电，电流从a端输入，c端输出，ii不通电时，电机转子运行最终位置如图3所示；第一步中，正北、正南位置的极靴为s极，正东、正西位置的极靴为n极，栅状隔磁环130磁感应强度最大的地方为各段导磁材料；为使得同极时气隙磁路最长，异极时气隙磁路最短，栅状隔磁环130在正北、正南的极靴范围内，导磁材料与转子铁芯210的凸齿相对，同时与转子铁芯220的齿槽相对，在正东、正西的极靴范围内，导磁材料与转子铁芯210的齿槽相对，同时与转子铁芯220的凸齿相对，即为图3的状态。
43.在本实施例中，电机运行采用整步驱动方案；第二步，当ii相通电，电流从b端输入，d端输出，i不通电时，电机转子运行最终位置如图4所示；第二步中，东北、西南位置的极靴为s极，东南、西北位置的极靴为n极，栅状隔磁环130磁感应强度最大的地方为各段导磁材料；为使得同极时气隙磁路最长，异极时气隙磁路最短，栅状隔磁环130在东北、西南的极靴范围内，导磁材料与转子铁芯210的凸齿相对，同时与转子铁芯220的齿槽相对，在东南、西北的极靴范围内，导磁材料与转子铁芯210的齿槽相对，同时与转子铁芯220的凸齿相对，即为图4的状态。
44.在本实施例中，电机运行采用整步驱动方案；第三步，当i相通电，电流从c端输入，a端输出，ii不通电时，电机转子运行最终位置如图5所示；第三步中，正北、正南位置的极靴为n极，正东、正西位置的极靴为s极，栅状隔磁环130磁感应强度最大的地方为各段导磁材料；为使得同极时气隙磁路最长，异极时气隙磁路最短，栅状隔磁环130在正北、正南的极靴范围内，导磁材料与转子铁芯210的齿槽相对，同时与转子铁芯220的凸齿相对，在正东、正西的极靴范围内，导磁材料与转子铁芯210的凸齿相对，同时与转子铁芯220的齿槽相对，即为图5的状态。
45.在本实施例中，电机运行采用整步驱动方案；第四步，当ii相通电，电流从d端输
入，b端输出，i不通电时，电机转子运行最终位置如图6所示；第四步中，东北、西南位置的极靴为n极，东南、西北位置的极靴为s极，栅状隔磁环130磁感应强度最大的地方为各段导磁材料；为使得同极时气隙磁路最长，异极时气隙磁路最短，栅状隔磁环130在东北、西南的极靴范围内，导磁材料与转子铁芯210的齿槽相对，同时与转子铁芯220的凸齿相对，在东南、西北的极靴范围内，导磁材料与转子铁芯210的凸齿相对，同时与转子铁芯220的齿槽相对，即为图6的状态。
46.在本实施例中，按照第一步、第二步、第三步、第四步的通电顺序的切换，可以实现步进电机从电机转轴240输出端看去的逆时针方向的转动，循环切换可以实现电机的连续运行；按照第四步、第三步、第二步、第一步的通电顺序的切换，可以实现电机相反方向的运行。
47.以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。

技术特征：
1.一种耐高压湿式步进电机，其特征在于，包括定子、转子和端盖组件；所述定子包括定子铁芯、绕在所述定子铁芯上的定子绕组和套设于所述定子铁芯内部的由导磁材料与隔磁材料交替拼接而成栅状隔磁环；所述转子包括转轴、套设于所述转轴外的转子铁芯以及套设于所述转子外的永磁体；所述步进电机还包括2个端盖组件：左端盖组件和右端盖组件；左端盖组件设置在转子伸出轴一侧，右端盖组件布置在转子伸出轴的对侧；所述转子套设在定子中，所述定子沿轴向的尺寸大于所述转子沿轴向的尺寸，端盖组件和栅状隔磁环之间安装采用静密封，栅状隔磁环和定子铁芯内圆之间为过盈配合，转子浸没在栅状隔磁环和端盖组件形成的密封腔体内，成为耐高压湿式步进电机，避免了普通干式电机高压动密封的问题，同时能够有效改善步进电机的散热；所述转子的转轴输出端与外部液压元件转轴连接，通过转子带动外部液压元件的转轴转动相同角度。2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子包含两片相同的转子铁芯，所述转子铁芯外圆上分布有均匀分布有50个齿，齿槽宽度略小于齿宽；所述转轴最大轴径位置上套设环形永磁体，所述永磁体沿轴向充磁；所述两片转子铁芯套设于所述转轴上，分布在永磁体两侧，周向上相差半个齿距。3.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，所述定子铁芯包含8个极，每个极在周向上相差45
°
，所述定子铁芯轴向方向上的4条棱边进行倒角处理，倒角内侧开有安装孔；所述定子绕组为双极性两相四线绕组，同属于一相绕组的线圈相隔90
°
、180
°
布置，相隔90
°
的同相绕组的线圈绕线方向相反，相隔180
°
的同相绕组的线圈绕线方向相同，不属于同一相绕组的线圈相隔45
°
交错分布。4.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，所述栅状隔磁环采用隔磁材料和导磁材料在周向上依次交替分布，相邻的隔磁材料和导磁材料固连在一起；所述栅状隔磁环套设在定子铁芯内部，紧贴定子铁芯的极靴的内圆柱面，且为过盈安装，使得隔磁材料和导磁材料相互挤压以确保栅状隔磁环的耐高压性能；每个定子极靴内圆柱面对应圆心角略大于32.4
°
，32.4
°
圆心角对应5段导磁材料和4段隔磁材料，每段隔磁材料或导磁材料占3.6
°
圆心角；栅状隔磁环中未与极靴内圆柱面紧贴的部分为隔磁材料，共8段，每段12.6
°
圆心角。5.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述步进电机左端盖组件的组成部分左端盖外侧设有用于安装对中的环形凸缘和用于安装密封的密封圈，内侧开环形槽用于容纳所述定子线圈端部；左端盖内侧中部设有环形凸缘，环形凸缘外侧设有密封圈及其安装槽，环形凸缘套设在栅状隔磁环内部实现静密封；右端盖组件的组成部分右端盖内侧开环形槽用于容纳所述定子线圈端部，上侧开有长圆孔用于引出定子线圈；右端盖内侧中部设有环形凸缘，环形凸缘外侧设有密封圈及其安装槽，环形凸缘套设在栅状隔磁环内部实现静密封。6.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述步进电机还包括2个径向轴承和2个波形垫圈；所述波形垫圈设在端盖内侧，所述径向轴承安装在端盖内侧并通过所述波形垫圈和转轴轴肩进行轴向定位。7.根据权利要求1所述的步进电机，其特征进一步包括，所述转轴中部和远离输出端的一侧沿径向开有深盲孔，所述转轴中部沿径向开有2个通孔，通孔连接所述径向轴承和所述转子铁芯之间的空腔，联合所述端盖内侧环形凸缘及其密封圈的静密封，形成内部贯通的液压油腔；液压油腔通过转轴深盲孔连通被控液压元件，并通过左端盖的外侧环形凸缘及
其密封圈实现液压元件在电机一侧的静密封。

技术总结
本发明提出一种耐高压湿式步进电机，包括定子、转子和端盖组件，转子套设于定子内，且定子轴向长度大于转子长度，定子包含栅状隔磁环，栅状隔磁环套设在定子铁芯内且与定子铁芯内圆之间为过盈配合以保证栅状隔磁环的耐高压性能。栅状隔磁环提供导磁通路的同时，与两个端盖组件一起形成容纳转子的可以耐高压的密封腔。转子与外部液压元件连接，通过转子以预设角度转动带动液压元件转动到预期位置。本发明的耐高压湿式步进电机，省去了普通干式电机驱动控制液压元件的所需的转轴处的密封件，避免了普通干式电机高压动密封的问题。同时，将控制液压元件的步进电机设计为湿式结构，能够有效改善步进电机散热，减轻步进发热量大导致的温升问题。致的温升问题。致的温升问题。


技术研发人员：左强 黎权坤 冷龙龙 金麒麟 胡嘉琪 邵威 陆倩倩 黄煜
受保护的技术使用者：浙大城市学院
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/9/23