一種雙驅動軸的微型步進電機的製作方法

2023-04-30 19:15:31 2

專利名稱：一種雙驅動軸的微型步進電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙驅動軸的微型步進電機，主要應用於汽車儀表和其它指針式儀
表的雙指針驅動。
背景技術：
儀表用微型步進電機是實現數位化儀表的關鍵元器件之一，通過電機的驅動軸帶 動儀表指針，可實現數據的實時指示。目前，儀表用步進電機主要是單轉動軸形式，一個步 進電機只能驅動一個指針，即每次只能指示一個物理量。然而，在實際應用當中，有許多相 關物理量需要同時指示，例如，時鐘和分鐘、汽車的水溫和油位、車速和轉速、溫度和溼度， 海拔高度和大氣壓力等，以往常常通過兩個單軸的步進電機分別帶動兩個指針來指示，因 此需要兩個刻度錶盤。但是當儀錶盤較小時，採用兩個步進電機的方案，將受到儀錶盤幾何 尺寸的限制，如果一個步進電機可以同時帶動兩個指針，而且兩個指針具有相同的圓心，則 可以在一個錶盤內集中顯示兩路信息，並且可以徹底解決錶盤幾何尺寸受到限制的瓶頸。

發明內容
本發明按照系統最省、整體最優的現代工程設計原則，提供一種能同時帶動兩個 指針的雙驅動軸步進電機(以下簡稱電機)，從而實現在一個儀表刻度盤內能同時集成指 示兩路信息，且具有控制簡單、製造方便、成本較低、尺寸較小、指示精度高等特點。
該電機最顯著的技術特徵歸納如下 —、電機內置兩套獨立的指針驅動機構，可同時驅動兩路指針；
二、兩路指針採用內、外同心機構，即具有相同的圓心；
三、兩套指針驅動機構分別由兩級傳動減速齒輪系統組成； 四、兩套指針驅動機構的傳動減速比設計成不同，固有步距角不同，以保證內、外 兩個指針驅動軸異步動作； 五、電機內置一片驅動IC，可在兩級傳動減速齒輪系統的基礎上實現電機固有步
距角的進一步細分，從而組成外部免驅動的機電一體化的雙驅動軸微型步進電機。 然而，這並不是將兩套指針驅動機構進行簡單地組合，設計時必須考慮如下的問
題，一是在電磁兼容性方面要將兩套定子磁場之間的交叉幹擾降低至最小；二是在結構上
處理好兩路兩級傳動減速齒輪系統的關聯影響；三是通過專用定製IC晶片來同時實現電
機內、外轉動軸的各自固有步距角的進一步細分。 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種不同傳統的技術思路。其雙軸微型步 進電機包括外殼上蓋(1)、外殼下蓋(2)、內轉動軸(3)、內軸方向控制引腳(4)、內軸轉角控 制引腳(5)、內軸地VSS(6)、內軸電源VDD(7)、內軸永磁轉子(8)、內軸永磁轉子的轉軸(9)、 內軸I級傳動齒輪組從動輪(10)與連為一體的內軸II級傳動齒輪組主動輪(H)、內軸I 級傳動齒輪組從動輪的轉軸(12)、內軸II級傳動齒輪組從動輪(13)、內軸兩相線圈及支架 (14)、內軸兩相線圈輸出引腳(15)、內軸定子鐵心體(16);外轉動軸(17)、外軸方向控制引腳(18)、外軸轉角控制引腳(19)、外軸地VSS(20)、外軸電源VDD(21)、外軸永磁轉子(22)、 外軸永磁轉子的轉軸(23)、外軸I級傳動齒輪組從動輪(24)與連為一體的外軸II級傳動 齒輪組主動輪(25)、外軸I級傳動齒輪組從動輪的轉軸(26)、外軸II級傳動齒輪組從動輪 (27)、外軸兩相線圈及支架(28)、外軸相線圈輸出腳(29)、外軸定子鐵心體(30)，電機驅動 電路PCB板(31)、電機驅動晶片IC(32)組成。 圖二中，所述的雙軸電機分別設計了兩個閉合的不規則環狀內軸定子鐵心體(16) 和外軸定子鐵心體(30)，兩個鐵心體設置在轉動軸兩側，左側安排的是內軸定子鐵心體 (16)，右側安排的是外軸定子鐵心體(30)，兩個鐵心體並不是在一個平面內，在空間內上下 錯層，但其水平投影則是在一條直線上按照180°夾角擺放，使得內、外相線圈組在距離上 保持最遠，因此相互的磁場幹擾最小。在內軸鐵心體上，兩個相線圈及支架(14)均按90° 夾角安置；在外軸鐵心體上，兩個相線圈及支架(28)也按90°夾角安置，互成犄角對稱 (參見圖2和圖5)。 為了降低齒輪模具的精細加工難度，所述的電機齒輪均不大於80個齒。其中內軸 永磁轉子(8)設計為9個齒、內軸I級傳動齒輪組從動輪(10)設計為54個齒與其連為一體 的內軸II級傳動齒輪組主動輪(11)設計為8個齒、內軸II級傳動齒輪組從動輪(13)設 計為80個齒，可以計算出內軸減速齒輪系的減速比為[(54 + 9) X (80 + 8)] : 1 = 60 : 1。 外軸永磁轉子(22)設計為9個齒、外軸I級傳動齒輪組從動輪(24)設計為54個齒與其連 為一體的外軸II級傳動齒輪組主動輪(25)設計為6個齒、外軸I級傳動齒輪組從動輪(27) 設計為80個齒，可以算出外軸減速齒輪系的減速比為[(54 + 9) X (80 + 6)] : 1 = 80 : 1。 由於其內軸的減速比小於外軸的減速比，因此內軸帶動指針轉動的速度會略快於外軸帶動 指針轉動的速度。 內軸相應的減速齒輪系與外軸相應的減速齒輪系分別採用了不同的減速比設計 方案，是解決兩路兩級傳動減速齒輪系統既保持其各自獨立性又保證相互幹涉最小的關鍵 設計之一。由於內軸與外軸的減速齒輪系分別採用了不同的減速比，因此可以保證內、外指 針轉動時的固有步距角不同，內外指針轉動軸任何時候只會異步轉動，從而有效地降低了 內外軸同時轉動時帶來的共振，並大大降低電機的機械與電磁噪聲。 所述指針內轉動軸(3)與指針外轉動軸(17)，在結構上具有如下的關係內轉動 軸(3)為不鏽鋼針，外轉動軸(17)為塑料套，外轉動軸套於內轉動軸上，內轉動軸與外轉動 軸共軸心。內轉動軸與外轉動軸是相互獨立的兩根指針驅動軸，可同時驅動兩路指針，顯示 兩路不同的物理量信息。雙軸指示結構使本發明可應用於體積較小，而要求信息顯示集中 的微型儀表。 所述步進電機驅動電路集成在電機殼內的PCB板(31)上，焊接有定製的專用驅動 晶片IC器件(32)。這是一個SOIC貼片封裝的16腳晶片，其晶片的一路輸出引腳(0UTA1、 0UTA2、0UTA3、0薩)在PCB板(31)上與內軸相線圈(14)的輸出引腳相連，另一路輸出弓l 腳(0UTB1、0UTB2、0UTB3、0UTB4)在PCB板(31)上與外軸兩相線圈(28)的輸出引腳相連。 驅動晶片的輸入引腳對應有內外軸的方向控制引腳、轉角控制引腳、電源VDD引腳以及接
地vss引腳，共八個腳直接引出至電機外部，單片機i/o口無須另加驅動器即可直接控制內
外轉動軸的旋轉方向和旋轉度數，與現有儀用步進電機相比，本發明降低了電機控制的復 雜度，省去了步進電機外圍驅動電路，方便了步進電機在小型儀表上的應用與推廣。


圖l是本發明外觀圖； 圖2是本發明內部結構爆炸圖； 圖3是本發明齒輪系統結構示意圖； 圖4是本發明專用IC引腳接線圖； 圖5是本發明內置電機驅動PCB板的結構示意圖； 圖6是本發明定子鐵心體正視圖和側視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。 本發明的整體外形結構參見圖1，內部結構爆炸圖參見圖2，減速齒輪系統結構示 意圖參見圖3。由圖可見，本步進電機發明包括外殼上蓋(1)、外殼下蓋(2)、內轉動軸(3)、 內軸方向控制引腳(4)、內軸轉角控制引腳(5)、內軸地VSS(6)、內軸電源VDD(7)、內軸永磁 轉子(8)、內軸永磁轉子的轉軸(9)、內軸I級傳動齒輪組從動輪(10)與連為一體的內軸II 級傳動齒輪組主動輪(H)、內軸I級傳動齒輪組從動輪的轉軸(12)、內軸II級傳動齒輪 組從動輪(13)、內軸兩相線圈及支架(14)、內軸兩相線圈輸出引腳(15)、內軸定子鐵心體 (16);外轉動軸(17)、外軸方向控制引腳(18)、外軸轉角控制引腳(19)、外軸地VSS(20)、外 軸電源VDD(21)、外軸永磁轉子(22)、外軸永磁轉子的轉軸(23)、外軸I級傳動齒輪組從動 輪(24)與連為一體的外軸II級傳動齒輪組主動輪(25)、外軸I級傳動齒輪組從動輪的轉 軸(26)、外軸II級傳動齒輪組從動輪(27)、外軸兩相線圈及支架(28)、外軸相線圈輸出腳 (29)、外軸定子鐵心體(30)，電機驅動電路PCB板(31)、電機驅動晶片IC(32)組成。其中 內軸永磁轉子(8)與外軸永磁轉子(22)分別是由一個9齒的塑料齒輪為本體的外殼，內嵌 一個環型的永磁體。 圖1中，本電機所述的外殼上蓋(1)、外殼下蓋(2)採用卡扣裝配結構。內轉動軸 (3)為不鏽鋼針，外轉動軸(17)為塑料套。外轉動軸套於內轉動軸上，內轉動軸與外轉動軸 共軸心。內轉動軸與外轉動軸是相互獨立的兩根指針驅動軸，其中內轉動軸(3)與內軸II 級傳動齒輪組從動輪(13)同軸相連，外轉動軸(17)與外軸II級傳動齒輪組從動輪(27) 同軸相連，保證從動輪轉動時可同時帶動轉動軸。 圖2是本電機內部結構爆炸圖。圖中可見，以內轉動軸為中心線，左側安排的是內 軸驅動系統，右側安排的是外軸驅動系統，在結構上相對的獨立，以使相互的幹擾減少到最 小。 在內軸減速齒輪系統結構中，內軸永磁轉子(8)為內軸減速齒輪系的運動源，直 接由其定子相線圈所產生的磁場驅動。內軸永磁轉子(8)為9個齒，內軸I級傳動齒輪組 從動輪(10)為54個齒，內軸II級傳動齒輪組主動輪(11)為8個齒，內軸II級傳動齒輪 組從動輪(13)為80個齒。其嚙合的關係如下轉子(8)的齒輪與I級傳動齒輪組的從動 輪(10)嚙合傳動，組成一級減速傳動結構，I級減速比為54 :9 = 6:1。 II級傳動齒輪 組的主動輪(11)與II級傳動齒輪組從動輪(13)嚙合傳動，組成二級減速傳動結構，2級
減速比為80 : 8 = io : i。由於i級傳動齒輪組從動輪(io)與ii級傳動齒輪組主動輪
5(11)同軸且連為一體，因此，I級從動輪轉動時，同時帶動II級主動輪同軸轉動，形成I級傳動與II級傳動之間的聯動，由於外轉動軸(3)與II級傳動齒輪組從動輪(13)同軸相連，因此，從轉子(8)輸入到指針驅動軸(3)輸出形成兩級[(54 + 9)X(80 + 8)] : 1 = 60 : 1的減速齒輪系。 在外軸減速齒輪系統結構中，外軸永磁轉子(22)為外軸減速齒輪系的運動源，直接由定子相線圈所產生的磁場驅動。外軸永磁轉子(22)為9個齒，外軸I級傳動齒輪組從動輪(24)為54個齒，外軸II級傳動齒輪組主動輪(25)為6個齒，外軸II級傳動齒輪組從動輪(27)為80個齒。其嚙合的關係如下轉子(22)的齒輪與I級傳動齒輪組的從動輪(24)嚙合傳動，組成一級減速傳動結構，I級減速比為54 :9 = 6:1。 II級傳動齒輪組的主動輪(25)與II級傳動齒輪組從動輪(27)嚙合傳動，組成二級減速傳動結構，二級減速比為80 : 6 = 40 : 3。 I級傳動齒輪組從動輪(24)與II級傳動齒輪組主動輪(25)同軸且連為一體，因此，I級從動輪轉動時，同時帶動II級主動輪同軸轉動，形成I級傳動與II級傳動之間的聯動，由於外轉動軸(17)與II級傳動齒輪組從動輪(27)同軸相連，因此，從轉子(22)輸入到外轉動軸(17)輸出形成兩級[(54 + 9)X(80 + 6)] : 1 = 80 : 1的減速齒輪系。 可以看出，由於其內軸的減速比小於外軸的減速比，因此內軸帶動指針轉動的速度會略快於外軸帶動指針轉動的速度，使得內外指針轉動軸的固有步距角產生差異，其中內指針轉動軸的固有步距角為(360° +9)/60 = 2/3° ，外指針轉動軸的固有步距角為(360° +9)/80 = 1/2° 。由於內外轉動軸設計成異步速度，從而保證內、外指針轉動軸任何時候均會不同步轉動，有效地降低了內外軸同時轉動時帶來的共振，並大大降低電機的機械與電磁噪聲，其意義明顯。 所述的內軸定子鐵心體(16)和外軸定子鐵心體(30)分別是一個閉合的不規則環狀體(參加見圖6)，鐵心體是由三片坡莫合金板重疊而成。兩個鐵心體安排在內外轉動軸的兩側。左側安排的是內軸定子鐵心體(16)，右側安排的是外軸定子鐵心體(30)，它們並不是在一個平面內，在空間內實施上下錯層但其水平投影則是在一條直線上擺放，使得內、外相線圈組在距離上保持最遠，因此相互的磁場幹擾最小。在內軸鐵心體上，兩個相線圈及支架(14)均按90°夾角安置；在外軸鐵心體上，兩個相線圈及支架(28)也按90°夾角安置，互成犄角對稱(參見圖2和圖5)。 所述步進電機驅動電路PCB板(31)置於電機殼內，該電路板上焊接有定製的電機驅動晶片(32)，該晶片為16腳S0IC貼片封裝結構，IC內含兩路電機固有步距角六倍細分驅動電路，可同時驅動兩路指針。由於內指針轉動軸的固有步距角為(360° +9)/60 =2/3° ，外指針轉動軸的固有步距角為(360° +9)/80 = 1/2° ，因此，內指針轉動軸的微步距為(2/3)° Xl/6= (1/9)° ，外指針轉動軸的微步距為(1/2)° Xl/6= (1/12)。。在一個錶盤上有兩個刻度盤，其中內指針用於內刻度指示，而外指針用於外刻度指示。
從圖2、圖4可以看出，驅動電路PCB板上定製的16腳晶片其一路輸出引腳(0UTA1、 0UTA2、 0UTA3、 0UTA4)與內軸的相線圈輸出引腳(15)連接，另一路輸出引腳(0UTB1、0UTB2、0UTB3、0UTB4)與外軸的相線圈輸出引腳(29)連接，與兩路輸出引腳相對應的晶片輸入引腳CWA、FA、CWB、FB直接引申至電機外部，分別作為內軸方向控制引腳(4)、內軸轉角控制引腳(5)、內軸地VSS(6)、內軸電源VDD(7)，外軸方向控制引腳(18)、外軸轉角控制引腳(19)、外軸地VSS (20)、外軸電源VDD (21)。其中，CWA、CWB輸入引腳用於接收指針內、外軸旋轉方向控制信號、FA、 FB用於接收指針內、外軸旋轉角度控制信號。電機內軸的地引腳(6)與電機外軸的地引腳(17)共同連接至晶片的VSS，電機內軸的電源引腳(7)與電機外軸的電源引腳(18)共同連接至晶片的VDD，該4個引腳作為電機的電源輸入引腳。
IC(32)工作時，驅動晶片通過CWA、 FA與CWB與FB引腳接收外部單片機的控制信號，經過驅動晶片內部電路處理後，通過0UTA1、 0UTA2、 0UTA3、 0UTA4與0UTB1、 0UTB2、0UTB3、 0UTB4的八個輸出引腳產生精確控制的脈衝序列，使內軸與外軸相線圈內產生對應周期性變化的磁場，分別推動內轉動軸與外轉動軸在固有步距角的基礎上實現六倍細分的微步轉動，從而帶動指針平滑旋轉。 與現有儀用步進電機相比，本方案中步進電機的雙軸結構將兩種指示量顯示在同一個儀錶盤內，特別是內置可同時驅動兩路的微步細分驅動晶片，使得步進電機控制變得十分地簡單，這種免驅動的雙軸微型步進電機特別適用於微型儀表的指針控制。
權利要求
一種雙驅動軸的微型步進電機，其特徵在於同心雙指針軸(3)(17)輸出、內置驅動集成電路IC(31)、具有兩套兩級不同傳動減速比的齒輪系。
2. 根據權利要求l所述的雙驅動軸微型步進電機，其特徵在於步進電機具有內軸(3)和外軸(17)兩根同心指針驅動軸，可同時驅動兩路指針，並可集中獨立地顯示兩路信息。
3. 根據權利要求1與要求2所述的雙驅動軸的微型步進電機，其特徵在於內置驅動電路PCB板(31)，驅動電路板(31)上焊接有可同時驅動兩路指針微步轉動的16腳S0IC貼片封裝的IC晶片(32)，驅動晶片IC(32)的一路輸出引腳(0UTA1，0UTA2，0UTA3，0UTA4)直接與內軸定子磁場相線圈輸出引腳(15)相連，另一路輸出引腳(0UTB1，0UTB2，0UTB3，0UTB4)與外軸定子磁場相線圈的輸出引腳(29)相連。雙驅動軸的轉動方向控制FA與FB、轉角控制引腳CWA與CWB，電源VDD、地引腳VSS直接引申至電機外部。用戶可通過外部引腳直接控制電機內軸與外軸轉動，無需另外添加驅動電路。
4. 根據權利要求3所述的電機驅動電路，其特徵在於步進電機驅動晶片(31)在固有步距角的基礎上可提供6倍細分的驅動信號，使得內指針驅動軸(3)可實現(1/9) °微步距輸出，而外指針驅動軸(17)可實現(1/12)°微步距輸出。
5. 根據權利要求l所述的雙驅動軸的微型步進電機，其特徵在於驅動內軸(3)與外軸(17)減速齒輪系均包含轉子，I級傳動齒輪組，II級傳動齒輪組三部分。驅動內軸(3)與外軸(17)採用減速比不同的兩級減速齒輪系驅動，內軸減速齒輪系減速比為60 : l，外軸減速齒輪系減速比為80 : 1。
6. 根據權利要求5所述的內轉動軸(簡稱內軸)減速傳動齒輪系，其特徵在於齒輪系由內軸永磁轉子(8)、 I級傳動齒輪組從動輪(10)與連為一體的II級傳動齒輪組主動輪(11)、1I級傳動齒輪組從動輪(13)組成。內軸永磁轉子(8)為9個齒、與包含54齒內軸I級傳動齒輪組從動輪(10)嚙合，內軸II級傳動齒輪組主動輪(11)為8個齒，與包含80齒的內軸II級傳動齒輪組從動輪(13)嚙合。內軸I級傳動齒輪組從動輪(10)與內軸II級傳動齒輪組主動輪(11)由於連為一體，從而形成內軸的I級傳動與II級傳動之間的聯動。
7. 根據權利要求5所述的外轉動軸(簡稱外軸)減速傳動齒輪系，其特徵在於齒輪系由外軸永磁轉子(22)、外軸I級傳動齒輪組從動輪(24)與連為一體的外軸II級傳動齒輪組主動輪(25)、外軸II級傳動齒輪組從動輪(27)組成。外軸永磁轉子(22)為9個齒、與包含54齒的外軸I級傳動齒輪組從動輪(24)嚙合；外軸II級傳動齒輪組主動輪(25)為6個齒，與包含80齒的外軸II級傳動齒輪組從動輪(27)嚙合。外軸I級傳動齒輪組從動輪(24)與外軸II級傳動齒輪組主動輪(25)由於連為一體，形成外軸的I級傳動與II級傳動之間的聯動。
8. 根據權利要求6、7所述的內、外軸減速傳動齒輪系，其特徵在於內軸指針轉動軸(3)具有的固有步距角(360° +9)/60= (2/3)° 。外軸轉動軸(17)具有的固有步距角(360° +9)/80= (1/2)° 。由於其內軸的減速比小於外軸的減速比，因此內軸帶動指針轉動的速度會略快於外軸帶動指針轉動的速度，內、外轉動軸將以異步速度轉動。
全文摘要
本發明公開了一種雙驅動軸的微型步進電機，該步進電機包含兩根同心的內、外轉動驅動軸，可獨立驅動兩個指針以指示兩路信息。所述電機包括外殼(1)(2)、內轉動軸(3)、外轉動軸(17)、內外軸的定子鐵心體(16)(30)、內外轉動軸對應的兩級減速傳動齒輪系統、電機內置一塊驅動電路PCB板(31)以及對電機固有步距角六倍細分的驅動晶片(32)等多個部分。所述內驅動軸減速齒輪系的減速比為60∶1，外驅動軸減速齒輪系的減速比為80∶1。經IC晶片(32)細分後，每路均可實現在固有步距角基礎上的6倍細分精細控制，主要應用於汽車儀表和其它指針式儀表的雙指針驅動。
文檔編號H02K37/00GK101728926SQ20081014330
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月14日 優先權日2008年10月14日
發明者盧力, 盧文波, 盧芳雲, 彭希南, 程衛權, 荀慶來, 謝穩, 金鵬偉 申請人:彭希南