快速步进电机的制作方法

本实用新型涉及一种快速步进电机，尤其涉及一种应用于指示器特别应用于车辆仪表盘尤其跑车仪表盘的快速步进电机。

背景技术：

步进电机是一种用于将电脉冲信号转变为角位移或线位移的电机。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机经常被用于驱动指示器的指针，为此要求步进电机的输出轴不仅能够在顺时针方向上而且能够在逆时针方向上旋转，此外要求步进电机的精度尽可能高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种集成了齿轮传动机构的快速步进电机，这样可以更好地控制步进电机的输出速度和输出转矩。

根据本实用新型，该快速步进电机包括：右半壳；左半壳；定子组件，该定子组件产生交变电磁场；转子，该转子将定子组件的交变电磁场转换为旋转运动；以及齿轮传动机构，该齿轮传动机构传递转子的旋转能。该齿轮传动机构的传动比为1:30，由此可获得在输出速度和输出转矩之间的最佳平衡。

在本实用新型的一种优选实施方式中，齿轮传动机构包括输入齿轮，转子不可相对转动地与该输入齿轮相连接；输出齿轮；以及输出轴，该输出轴与输出齿轮相连接。由于转子的转速过高，为了降低电机的输出转速并提高电机的输出扭矩，齿轮传动机构通常构造成减速齿轮传动机构。为了实现相应的传动比，应选择合适的输入齿轮和输出齿轮的齿数比。另一方面为了避免输出齿轮过大，附加地齿轮传动机构还可包括至少一个中间齿轮，该中间齿轮的输入齿与输入齿轮相连接，而该中间齿轮的输出齿与输出齿轮相连接。

当快速步进电机应用于车辆仪表盘中时，通常在输出齿轮上设置有第一止挡，同时在左半壳上设置有第二止挡，因此在快速步进电机的运转过程中第一止挡可碰撞第二止挡，当发生碰撞时，第二止挡阻挡第一止挡，继而阻止输出轴(仪表指针通常装配在输出轴上)在同一方向继续转动。因而输出轴在同一方向上的转动范围不超过360^o，这避免仪表指针偏转超过最大允许角度而损坏。

在现有技术中，在第一止挡与第二止挡碰撞时，在输入齿轮或中间齿轮和输出齿轮的啮合部中产生的啮合力的作用线与第一止挡和第二止挡碰撞时在碰撞区域中产生的止挡力的作用线不位于同一垂直于输出轴的平面中即两个力作用线之间存在偏移，因而通过啮合力和止挡力产生倾斜力矩，该倾斜力矩导致输出轴在支承间隙内运动。因此这种碰撞是不精确的且为“软的”，这导致在定子组件的线圈绕组处待测量的电压的跃变值不稳定。不稳定的跃变值将导致仪表指针的指示误差。

根据本实用新型的一种实施方式，第一止挡和第二止挡设置成使得当第一止挡碰撞第二止挡时，在输入齿轮或中间齿轮和输出齿轮的啮合部中产生的啮合力的作用线与第一止挡和第二止挡碰撞时在碰撞区域中产生的止挡力的作用线位于同一垂直于输出轴的平面中。由此，不会产生倾斜力矩，继而在定子组件的线圈绕组处待测量的电压的跃变值保持稳定。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，输出齿轮在面对左半壳的一侧上设置有凹部，第一止挡设置在该凹部中，第二止挡设置在左半壳的面对输出齿轮的一侧上。

在仪表指针装配在输出轴的情况下，由于指针需要多次地安装到输出轴上或从输出轴上拆下，因此在输出轴和输出齿轮之间的连接必须足够牢固。在现有技术中，通过以下方式实现输出齿轮和输出轴的连接，即首先通过车削在输出轴上加工出凹陷部，然后将输出轴插入到注塑模具中，最后围绕凹陷部通过注塑成型加工出输出齿轮。因而输出齿轮注射包封输出轴，输出齿轮和输出轴之间通过材料配合的方式相互连接。然后这种连接方式的制造成本过高。此外，由于输出齿轮不可拆卸地与输出轴相连接，因此这不利于单个部件的回收和再利用。

根据本实用新型的一种实施方式，输出轴可拆卸地以形状配合的方式与输出齿轮不可相对转动地相连接。

在一种优选的实施方式中，输出轴构造成带有垫圈，首先优选地借助于焊接或粘接将输出轴与垫圈固定地相连接，然后在输出齿轮上在其面对垫圈的一侧上与输出齿轮的中央穿孔同心地构造凹口，该凹口的形状构造成与垫圈的形状相匹配，最后将输出轴以压配合的方式插入穿过中央穿孔，直至垫圈在准确的位置中以形状配合的方式不可相对转动地与凹口相连接。通过这种连接方式，实现了输出轴更大的拔出力，更大的扭转强度，更小的径向跳动和侧向跳动。此外，这种连接方式的制造成本大大降低。最后，由于输出轴和输出齿轮之间的可拆卸连接，实现了单个部件的更好的回收和再利用。例如当输出齿轮损坏时，只需更换输出齿轮，而无需如现有技术那样更换整个输出轴和输出齿轮。

在一种优选的实施方式中，垫圈构造成六角垫圈。备选地，垫圈也可构造成三角垫圈，四角垫圈，五角垫圈，八角垫圈等。

在现有技术中，输入齿轮的材料通常由聚甲醛(简称为POM)制成。这种材料的肖氏硬度值为90D。因此，输入齿轮对于降低电机的运转噪声没有任何贡献。必须采取附加的措施来降低齿轮啮合和轴承噪声。通过在这些区域中施加润滑脂或润滑油来降低运转噪声。然后这种措施不是持续的并且附加地不利地影响快速步进电机的性能参数。

根据本实用新型的一种实施方式，输入齿轮的材料由聚酯弹性体制成。由于聚酯弹性体的肖氏硬度最大值为50D，因此这种材料可实现持久地降低快速步进电机的背景运行噪声。

在本实用新型中，定子组件包括线圈绕组和定子片。

在本实用新型的一种实施方式中，设置这样的一种装配定子组件的方法，即将多个定子片堆叠成组，然后堆叠包围线圈绕组。另外已知的是，将定子片实施成两件式即包括第一部分和第二部分，首先将定子片的第一部分插入线圈绕组中，然后将第二部分与第一部分焊接在一起。

在本实用新型的一种备选的实施方式中，定子片构造成单件式。其中，定子片包括第一支腿和第二支腿，其中第一支腿构造成可弯曲的，在装配定子组件时，首先远离第二支腿弯曲第一支腿，以便线圈绕组能够插到第二支腿上，然后再次朝向第二支腿弯曲第一支腿，以便保持线圈绕组不从第一支腿上滑落并且可节省装配空间。由于仅使用单件式的定子片，而无需将多定子片堆叠在一起且无需使用焊接工艺，因此降低了构件的数量，继而降低了制造成本，此外节省了装配时间。

在现有技术中，定子片大多数情况下由磁性软铁制成。这样的定子片通常必须在经历高成本的退火过程的最后阶段之后才可具有所需的矫顽力(矫顽磁场强度)。根据本实用新型的一种优选的实施方式，定子片的材料由磁性钢带制成。在使用磁性钢带时在无需退火过程的最后阶段的情况下就可实现相应的矫顽力。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，快速步进电机还包括弹性垫片，该弹性垫片布置在输出齿轮和右半壳之间，并且构造成用于平衡齿轮传动机构的齿隙，以实现平稳的齿轮运转。

本实用新型的快速步进电机构造成尤其用于车辆仪表盘尤其跑车仪表盘的快速步进电机，其中输出轴的位于右半壳之外的端部与右半壳的用作仪表盘的印刷电路板的支撑面的外表面之间的间距尤其为13mm或19.85mm。当然其它间距也是可行的。

附图说明

根据在其中示出了本实用新型的实施例的图纸详细解释和描述本实用新型以及本实用新型的其它有利的设计方案和改进方案。其中：

图1为根据本实用新型的快速步进电机的分解图；

图2为转子组件的分解图；

图3为从右半壳侧观察的已装配的快速步进电机的视图；

图4为沿着线A－A穿过图3的快速步进电机的剖面图；

图5为沿着线B－B穿过图3的快速步进电机的剖面图；

图6为从左半壳侧观察的已装配的快速步进电机的视图，其中左半壳被取下；

图7a)和7b)分别显示了装配有输出轴的输出齿轮和左半壳的立体图；

图8显示了输出齿轮上的第一止挡与左半壳上的第二止挡相互碰撞，其中仅示意性地显示了左半壳上的第二止挡；

图9显示了沿着图8中的线c－c穿过中间齿轮和输出齿轮的截面图；

图10a)-10c)显示了拆卸状态下的输出齿轮和输出轴以及垫圈的立体图；

图11a)-11c)显示了输出齿轮和输出轴以及垫圈的装配过程；以及

图12a)-12c)显示了定子组件的装配过程。

在附图中利用相同的参考标号表示相同的或相同作用的结构元件或部件。所描述的实施形式示例性地表示本实用新型的对象并且不具有限制的作用。

参考标号列表

1 右半壳

2;2’ 定子组件

3;3’ 线圈绕组

4;4’ 定子片

5 转子

6 输入齿轮

7 中间齿轮

8 输出齿轮

9 输入齿轮6的齿

10 突出部

11 中间齿轮7的输入齿

12 中间齿轮7的输出齿

13 输出齿轮8的齿

14 输出轴

15 支承轴

16 支承轴

17 转子组件

18 弹性垫片

19 左半壳

20 凹部

21 周缘壁

22 第一止挡

23 内壁

24 第二止挡

25 垫圈

26 凹部底部

27 穿孔

28 凸起

29 凹口

30 第一支腿

31 第二支腿

40 快速步进电机。

具体实施方式

首先观察图1。图1显示了快速步进电机40的分解图。快速步进电机40包括：右半壳1，该右半壳1用作基体并且容纳快速步进电机的所有构件；定子组件2;2’，该定子组件包括线圈绕组3;3’和定子片4;4’，其中通过线圈绕组的相互极性在定子片中产生交变电磁场，该交变电磁场不仅可顺时针转动而且可逆时针转动；转子5(图2)，在本实施例中该转子构造成带有6个极即3个极对的磁体，其中，转子通过这3个极对将定子组件的交变电磁场转换为旋转运动，显然在本实用新型中，磁体也可构造成带有更少(例如2个或4个)或更多(例如10个)的极；齿轮传动机构，该齿轮传动机构包括输入齿轮6(图2)，中间齿轮7，输出齿轮8以及输出轴14，其中，输入齿轮6包括齿9(图2)和邻接地布置例如模制在齿9的一端侧处的突出部10(图2)，转子5不可相对转动地装配在突出部10上，从而转子5带动输入齿轮6一起转动，中间齿轮7包括输入齿11以及输出齿12，输出齿轮8包括齿13，指示元件例如指针装配到输出轴14上，通过输出轴的旋转带动指示元件一起运动；支承轴15;16，该支承轴借助于压配合而保持在右半壳1中，其中，支承轴15用于支承由转子5、输入齿轮6的齿9以及突出部10形成的转子组件17，而支承轴16用于支承中间齿轮7；弹性垫片18，其布置在输出齿轮8和右半壳1之间并且构造成用于平衡齿轮传动机构的齿隙，以实现平稳的齿轮运转；左半壳19，其用于形成定子组件2;2’、齿轮传动机构以及支承轴15;16的支座(图4和图5)。在图1中，输入齿轮6的齿9与中间齿轮7的输入齿11相啮合，而中间齿轮7的输出齿12与输出齿轮8的齿13相啮合。

图7a)和7b)分别显示了装配有输出轴14的输出齿轮8和左半壳19的立体图。输出齿轮8的在装配后面对左半壳19的端侧上设置有凹部20，在该凹部20中在其周缘壁21上设置例如模制有第一止挡22，该第一止挡在本实施例中构造成止挡肋条并且朝向输出轴14延伸。此外，在左半壳19的在装配后面对输出齿轮8的内壁23上设置例如模制有第二止挡24，该第二止挡构造成止挡销并且在装配状态下朝向输出齿轮8延伸。

从图8中可以看见，由于设置了第一止挡22和第二止挡24，当输出齿轮8转动直到第一止挡22碰撞第二止挡24时，第二止挡24将阻挡输出齿轮8继续转动，从而限制了输出轴14在一个方向上的转动角度范围。换句话说，输出轴14在顺时针或逆时针方向上的最大转动角度不超过360^o，这继而限制了指示元件的最大指示值，由此防止指示元件由于运动超过最大允许偏转角而损坏。

图9显示了沿着图8中的线c－c穿过中间齿轮7和输出齿轮8的截面图。第一止挡22和第二止挡24的位置如此设置且两者如此相互配合，即使得当第一止挡22碰撞第二止挡24时，在输出齿轮8的齿13与中间齿轮的输出齿12的啮合部中产生的啮合力的作用线与第一止挡22和第二止挡24碰撞时在碰撞区域中产生的止挡力的作用线位于同一垂直于输出轴14的平面中。由于啮合力和止挡力位于同一垂直平面中，因此不会产生倾斜力矩。

图10a)-10c)分别显示了拆卸状态下的输出齿轮和输出轴以及垫圈的立体图，而11a)-11c)显示了输出齿轮和输出轴以及垫圈的装配过程。设置有垫圈25，垫圈25在本实施例中构造成六角垫圈，当然垫圈25也可构造成三角垫圈，四角垫圈，八角垫圈等。在输出齿轮8的中央构造有穿孔27，输出轴14可插入穿过该穿孔27。自凹部底部26起与穿孔27同心地构造有凸起28。在凸起28中与穿孔27同心地构造有凹口29，凹口29的形状构造成与垫圈25的形状相匹配，从而凹口29可容纳垫圈25。在输出齿轮8的装配过程中，首先例如借助于焊接在输出轴14的适当位置处将输出轴14与垫圈25固定地相连接，然后从凹口29侧将由输出轴14与垫圈25形成的组件插入输出齿轮8中，其中输出轴14以压配合的方式插入穿过穿孔27，直到垫圈25在准确的位置中以形状配合的方式与凹口29不可相对转动地相连接。

在输出齿轮8与输出轴14的连接方面，本领域技术人员也可以构想在输出齿轮8的端侧中不设置凹部20和凸起28，而是与穿孔27同心地在输出齿轮8的装配后面对垫圈25的端侧上直接设置与垫圈的形状相匹配的凹口29。

图12a)-12c)显示了定子组件的装配过程。在该实施例中，定子片4构造成单件式。定子片4包括第一支腿30和第二支腿31。在装配过程中首先远离第二支腿31竖直地弯曲第一支腿30且之后将线圈绕组3推到第二支腿31上，然后朝向第二支腿31重新弯曲第一支腿30。备选地本领域技术人员也可以考虑水平地弯曲第一支腿。

此外，在本实用新型中使用磁性钢带例如M800作为定子片的材料。

最后在本实用新型中，为了降低快速步进电机的背景运行噪声，使用聚酯弹性体作为输入齿轮6的材料。

除了所描述的实施例之外，本实用新型也可包括其它优选的实施形式以及单个设计特征或改进方案的任意组合，只要其不相互矛盾。