本发明涉及电机工程技术领域，具体涉及一种步进电机。
背景技术：
步进电机主要包括两类：一类是用于输出扭矩的旋转步进电机，另一类是用于输出直线运动的直线步进电机。直线步进电机也可称为线性步进电机，是将电能直接转换成直线机械运动的一种推力装置。直线步进电机在汽车领域有着广泛的应用，例如，用于控制车灯的照射方向或者用于控制车轮的转向。随着技术的进步，线性步进电机有着往小型化、轻型化发展的趋势。
现有技术的步进电机的典型结构如下所述：由金属制成的导磁环内套装有定子，定子包括定子主体、极片和线圈。极片嵌设在定子主体内，线圈缠绕在定子主体上，定子主体和导磁环不可转动地配合。定子主体的后端设置有定子后盖，定子后盖用于固定插针。插针的一端和线圈的端部连接，另一端用于和电源连接。定子内套装有转子磁铁，当插针连电时，线圈产生旋转磁场，转子磁铁在旋转磁场的作用下旋转。转子磁铁的中间设置有与转子磁铁同轴转动的转子轴。旋转步进电机可以直接通过转子轴输出扭矩。直线步进电机还需在转子轴的中心设置螺纹孔，使转子轴的两端分别由轴承支承，使周向转动被限制的调节头穿设在转子轴的螺纹孔中且在调节头上设置外螺纹，外螺纹与螺纹孔啮合配合，使转子磁铁的转动转换成调节头的直线运动，通过调节头的前端向外施力。
现有技术的步进电机(包括直线步进电机和旋转步进电机)，定子主体和定子后盖采用相同的塑料在同一注塑模具内一体注塑成型，并在成型过程中与极片和插针结合成一体。具体地，在往定子主体和定子后盖的注塑模具内腔注入塑料之前，在定子主体和定子后盖的注塑模具内预先定位好多个极片和多个插针，再将塑料注入模具内腔，使定子主体、定子后盖、极片和插针在注塑模具内结合成为一体。
塑料在注塑模具内成型时，模具内的压力比较大，而且注塑过程中塑料会以液态的形式流动。应用于小型直线步进电机的插针尺寸比较小，尺寸小的插针在注塑模具内与注塑塑料结合成一体的过程中，受到模具内压力和流体的冲击，容易发生变形甚至移动，影响产品的成型合格率。另外，注塑成型的产品从模具内拿出后的冷却过程会发生收缩变形，使插针受到较大的变形力，也会影响插针的性能。
另外，现有技术的直线步进电机，因转子磁铁、转子轴和调节头同轴布置在导磁环的中心，致使导磁环的直径较大，不利于电机的小型化设计。当需要满足减小导磁环直径的需求时，则需要将调节头的直径做的尽量小。当调节头直径大幅减小时，为了满足调节头的推力要求，则对调节头的材料要求以及调节头的加工工艺要求都比较高，这会导致调节头的成本大幅提升，也就导致直线步进电机的成本大幅提升。
此外，现有技术中调节头为金属轴，工作过程中会产生比较大的振动和轴向移动。为改善这种情况，通常会在调节头的一端抵靠一弹簧，而弹簧施加给转子轴的预紧力，又会加剧转子轴的摩擦磨损。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种步进电机，以解决现有技术的步进电机存在的上述技术问题中的至少一个。
本发明提供的步进电机，包括：导磁环；定子，套设于导磁环内；定子包括定子主体、极片以及线圈；配置于定子主体后端的定子后盖；其特征在于，定子后盖与定子主体一体注塑成型，且定子主体通过包覆成型的方式与极片成为一体；定子后盖的后侧设置有开口卡槽，开口卡槽内卡接有插针，插针的第一端与线圈的端部连接，插针的第二端用于插接电源。
进一步地，该步进电机还包括：与定子后盖配合以封堵导磁环后端的保护盖；保护盖包括：端盖部，盖设在开口卡槽的开口上；弧形结合部，配置于端盖部的至少部分边缘并向前延伸，以与导磁环的后端接合。
进一步地，该步进电机还包括：连接器主体，包括环形套和与环形套一体注塑成型的连接端；连接器主体配置成使端盖部的至少部分外端面不被连接器主体的注塑材料覆盖的构型；环形套在注塑成型过程中包覆到已组装在一起的导磁环、定子后盖和保护盖的外周面上；导磁环的前端突出于环形套的前端；连接端自环形套上向远离环形套中心的方向延伸，连接端具有容纳插针的第二端的内部空间。
进一步地，端盖部位于环形套内，环形套的后端设置有朝向端盖部的开口。
进一步地，该步进电机还包括：转子磁体，套设在定子主体内；前轴套，相对于导磁环的中心线不可转动地配置于导磁环的前端；转子轴，配置于转子磁体的中心线上并与转子磁体不可转动地配合；转子轴的前端伸入到前轴套的中心孔内；调节头，可轴向滑动地套设在前轴套的中心孔中；其中，调节头的前端从前轴套的前端伸出，调节头的后端与转子轴通过螺纹结构配合。
进一步地，导磁环具有第一筒形部和位于第一筒形部前端的第一端壁，定子套设在第一筒形部内；前轴套具有第二筒形部和位于第二筒形部后端的第二端壁；第二筒形部穿设在第一端壁的中心孔中，调节头与第二筒形部的中心孔滑动配合；第二端壁具有夹持在第一端壁与定子主体之间的部分；在第二端壁与第一端壁之间和/或第二端壁与定子主体之间设置有相配合的凸块和凹部，以限制前轴套的转动。
进一步地，凸块设置在第二端壁的外周缘上并沿径向向外延伸。
进一步地，第二端壁的中心孔直径小于第二筒形部的中心孔直径，转子轴的中部由第二端壁的中心孔支承；定子后盖的前侧配置有用于支承转子轴后端的凹孔。
进一步地，该步进电机还包括设置有u形槽的卡板，卡板位于导磁环内并夹持在第二端壁和定子主体之间；转子轴上设置有环形槽，u形槽卡设在环形槽内以限制转子轴的轴向移动。
进一步地，第二筒形部的中心孔的孔壁和调节头的外周壁二者中的一者上设置有沿轴向延伸的导向槽，另一者上设置有与导向槽滑动配合的导向筋。
进一步地，转子轴上设置有与第二端壁抵靠的轴肩，凹孔内安装有与转子轴后端抵靠的钢球。
进一步地，转子磁体的材料为注塑磁体，转子轴为金属轴；或者，转子磁体的材料为注塑磁体，转子轴的材料为具有自润滑性的树脂；转子磁体与转子轴通过过盈配合、粘接或者包覆成型的方式成为一体。
进一步地，调节头的后端面设置有沿轴向延伸的螺纹孔，转子轴的位于前轴套的中心孔内的部分设置有外螺纹段，外螺纹段与螺纹孔啮合配合，以将转子轴的转动转换成调节头的直线运动。
本发明提供的步进电机，在注塑形成的定子后盖的后侧设置开口卡槽，插针在注塑模具外部通过与开口卡槽可拆卸地卡接的方式安装到定子后盖上，不但便于将插针组装到定子后盖上，还可以避免现有技术中插针在注塑模具内与定子后盖成为一体所容易发生的插针变形、插针移位等导致产品不合格的问题。此外，因注塑模具内不需要考虑插针的定位问题，还可以大幅降低注塑模具的制造难度以及制造成本。
附图说明
下文将参考附图进一步描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了本发明第一实施例提供的步进电机的剖视结构；
图2示出了本发明第一实施例提供的步进电机的卡板的立体结构，
图3示出了本发明第一实施例提供的步进电机的分解结构；
图4示出了本发明第一实施例提供的步进电机的立体结构；
图5示出了本发明第一实施例的步进电机的连接器主体的立体结构；
图6示出了本发明第一实施例的步进电机中，插针卡接在开口卡槽内的结构；
图7示出了本发明第一实施例的步进电机中，插针与开口卡槽分离的结构；以及，
图8示出了本发明第二实施例提供的步进电机的剖视结构。
具体实施方式
参见图1，示出了本发明第一实施例提供的步进电机的剖视结构。如图所示，该步进电机包括：导磁环1，定子2，转子磁体3，转子轴31，前轴套4，调节头5等。需要说明的是，除非另有解释，本发明实施例中所涉及的方向性词语“前”、“后”以图1中箭头a所指的方向为前，以图1中箭头b所指的方向为后作为参考方向。
在一种小型化的步进电机中，结合已知技术可知，导磁环1优选地由磁性金属(例如铁)制成。定子2套设于导磁环1内并与导磁环1不可转动地配合。定子2包括定子主体21、嵌设在定子主体21内的极片22，以及缠绕在定子主体21上的线圈23。定子主体21优选地由塑料注塑成型。极片22成对地布置，各极片22的外周缘贴紧导磁环1的内周壁，且各极片22沿周向分布有多个极齿。每对极片22之间的定子主体21上缠绕有一线圈23，在定子主体21的后端还配置有定子后盖7，定子后盖7用于封堵定子主体21的后端，还可以部分地封堵导磁环1的后端。定子后盖7还用于安装多个插针72。各插针72的第一端(图1中的上端)用于和线圈的端部连接，第二端722(图1中的下端)用于插接电源。
由图1和图3中还可以看出，本实施例中，定子后盖7与定子主体21的材料一致并一体注塑成型。另外在注塑成型定子主体21和定子后盖7之前，在注塑模具内对应定子主体21的腔室内，预先放置好各极片22，使得定子主体21通过包覆成型的方式与极片22成为一体。也即，通过一次注塑，使定子主体21和定子后盖7成型并与极片22结合成一体。结合参考图6和图7，定子后盖7的后侧设置有开口卡槽71。插针72可拆卸地卡接在开口卡槽71内，插针72与开口卡槽71之间优选地为过盈配合。可以理解，为使插针72的位置固定，一个插针42可以与多个开口卡槽71配合卡接。
本实施例提供的步进电机中，定子后盖7与定子主体21一体注塑成型，在注塑形成的定子后盖7的后侧设置开口卡槽71，插针72在注塑模具外部通过与开口卡槽71卡接的方式安装到定子后盖7上，而不是在注塑模具内与定子后盖7结合成一体。这样，不但可以避免现有技术中插针72在注塑模具内与定子后盖7成为一体时所容易发生的插针变形、插针移位等导致产品不合格的问题，还可以大幅降低注塑模具的制造难度以及制造成本。另外，插针72可以使用自动化设备自动卡入开口卡槽71内，不但便于将插针72组装到定子后盖7上，还能保证插针72的组装质量。此外，插针72与开口卡槽71卡接，不但便于对插针72的位置进行调整，还便于对损坏的插针72进行调换。
结合参考图1和图3，为避免插针72第一端与线圈端部的连接处裸露，以及避免插针72从开口卡槽71脱落，该步进电机还包括保护盖8，保护盖8与定子后盖7配合以封堵导磁环1的后端。保护盖8具有盖设在开口卡槽71的开口上的端盖部81，该端盖部81优选地与导磁环1的中心线相垂直。端盖部81可以封闭开口卡槽71的开口，防止插针72从开口卡槽71的开口脱落。端盖部81优选地呈圆形，形成步进电机的后端盖。端盖部81的部分边缘处设置有向前延伸的弧形结合部82，弧形结合部82用于和导磁环1的后端优选地以过盈配合的方式结合，从而使插针72第一端所在的空间相对封闭。端盖部81的另一部分边缘还可以设置有向前延伸的翻边83，翻边83用于与定子后盖7接合。
结合参考图1、图3至图5，该步进电机还包括连接器主体9，连接器主体9包括环形套91和与环形套91一体注塑成型的连接端92。连接器主体9配置成使端盖部81的至少部分外端面811不被连接器主体9的注塑材料覆盖的构型。
具体地，环形套91在注塑成型过程中包覆到已组装在一起的导磁环1、定子后盖7和保护盖8的外周面上，使连接器主体9、导磁环1、定子后盖7和保护盖8稳固地结合成一体。由图中可以看出，导磁环1的前端突出于环形套91的前端，使环形套91不完全覆盖导磁环1的外周面，有利于电机的散热。更为重要的是，环形套91的后端配置成使端盖部81的至少部分外端面811(例如外端面811的中心区域)不被注塑材料覆盖的构型，使端盖部81在步进电机的外部可以被观察到。本实施例中，端盖部81位于环形套91内，环形套91的后端设置有朝向端盖部81的开口910，透过开口910使端盖部81可见。优选地，开口910可以为圆孔，圆孔的直径可以等于圆形端盖部81的外周直径或者略小于圆形端盖部81的外周直径。可以理解，在其他实施例中，端盖部81可以从环形套91的后端向外突出，也可以使端盖部81可见。
现有技术中的连接器主体9的成型过程中，构成连接器主体9的注塑塑料完全覆盖保护盖8的外表面(包括保护盖8的端盖部81的全部外端面)，使得保护盖8的端盖部81在连接器主体9的成型模具内会受到较大的轴向压力并会将轴向压力传递给定子后盖7，又会通过定子后盖7传递给转子部件及其他部件，这样容易造成电机内部零件变形，以及造成转子轴31卡滞等问题。由图1中可以看出，本实施例通过将连接器主体9配置成使保护盖8的端盖部81不被形成连接器主体9的注塑材料覆盖的构型，可以避免连接器主体9的成型过程中使端盖部81承受较大轴向压力而导致的电机内部零件变形、转子轴卡滞等问题。另外，通过使端盖部81的外端面811外露，注塑成型连接器主体9时，端盖部81的外端面811可以在模具内作为定位面使用，对连接器主体9的成型尤其有利。
连接端92自环形套91上向远离环形套91中心的方向延伸。连接端92具有容纳插针72的第二端722的内部空间，以保护插针72的第二端722，避免其发生变形。
再来参考图1，本实施例中，转子磁体3套设在定子主体21内并由定子2驱动旋转。转子轴31配置于转子磁体3的中心线上并与转子磁体3不可转动地配合。优选地，转子磁体3的材料为注塑磁体通过注塑成型，转子轴31为金属轴，转子磁体3和转子轴31可以通过过盈配合、粘接或者包覆成型的方式成为一体。或者在其他实施例中，转子磁体3的材料为注塑磁体，转子轴31的材料为具有自润滑性的树脂(例如使用混合了固体润滑剂的聚苯硫醚)，转子磁体3和转子轴31二者可以分别注塑成型后再通过过盈配合或粘接的方式成为一体，或者其中一者注塑成型后，另一者以包覆成型的方式使二者结合成一体。
在导磁环1的前端配置有前轴套4，前轴套4相对于导磁环1的中心线不可转动地配置于导磁环1的前端。转子轴31的前端伸入到前轴套4的中心孔内。前轴套4的中心孔中设置有调节头5，调节头5的周向转动被限制，使调节头5可轴向滑动地套设在前轴套4的中心孔中。也即，本实施例的步进电机更具体地为直线步进电机。由图中可以看出，调节头5的前端从前轴套4的前端伸出，调节头5的后端位于前轴套4的中心孔内，调节头5的后端与转子轴31通过螺纹结构配合。优选地，本实施例中，在调节头5的后端面上设置有沿轴向延伸的螺纹孔50。转子轴31的位于前轴套4的中心孔内的部分设置有外螺纹段，外螺纹段与螺纹孔50啮合配合，以将转子轴31的转动转换成调节头5的直线运动，并通过调节头5的前端向受力件施加推拉力。可以理解，在其他实施例中，也可以将外螺纹段设置在调节头5的后端，螺纹孔设置在转子轴31上。优选地，调节头5可以采用注塑形成的塑料件。
采用本实施例提供的步进电机的工作原理如下所述：
插针72插接电源后线圈23通电，利用导磁环1的一部分、极片22上的极齿构成多极闭合旋转磁场，使转子磁体3在旋转磁场的作用下带动转子轴31一起旋转。因调节头5的转动被限制，在调节头5与转子轴31之间的螺纹结构作用下，转子轴31的转动被转换成调节头5的直线运动，使调节头5的前端相对于前轴套4伸缩，调节头5伸缩的同时向与调节头5前端连接或抵靠的受力件施加推拉力。
该步进电机通过将转子轴31与调节头5之间的螺纹传动结构移出到导磁环1的外部，这样既有利于降低导磁环1的径向尺寸，还不会造成调节头5直径的大幅降低，也就不会致使调节头5及步进电机的成本过高，解决了现有技术的直线步进电机不能兼顾导磁环直径减小和电机成本降低的难题。另外，通过将转子轴31与调节头5之间的螺纹传动结构中的外螺纹设置在转子轴31上，内螺纹设置在调节头5内，可以进一步降低转子轴31、调节头5的制造难度和成本。
本实施例中示出了导磁环1和前轴套4的优选结构。如图1所示，该导磁环1具有第一筒形部11和位于第一筒形部11前端的第一端壁12，定子2套设在第一筒形部11内，极片22的外周缘与第一筒形部11的内周壁贴紧。前轴套4具有第二筒形部41和位于第二筒形部41后端的第二端壁42。由图1中可以看出，第二筒形部41优选地位于第二端壁42的外周缘和内周缘之间的位置。第二筒形部41穿设在第一端壁12的中心孔中，调节头4与第二筒形部41的中心孔滑动配合。第二端壁42具有夹持在第一端壁12与定子2的定子主体21之间的部分，以实现前轴套4的轴向定位。
为限制前轴套4的转动，可以在第二端壁42与第一端壁12之间，和/或，第二端壁42与定子2的定子主体21之间设置相配合的凸块和凹部结构。该凸块例如可以是设置在第二端壁42端面上的端面齿，凹部为设置在第一端壁12或定子主体21上的用于容纳端面齿的凹形结构。或者如图3所示，本实施例中凸块421优选地设置在第二端壁42的外周缘上并沿径向向外延伸，凹部20则设置在定子主体21上并用于容纳凸块421。由图中可以看出，凸块421及凹部20分别为两个，可以理解，凸块421和凹部20的个数还可以分别为一个或更多个。另外，可以理解，在其他未示出的实施方式中，凸块421设置在第二端壁42的外周缘上并沿径向向外延伸时，凹部20也可以配置于第一端壁12的朝向第二端壁42的壁面上。此外，可以理解，凸块和凹部的构型还有很多种，只要能限制前轴套4相对于导磁环1的中心线转动即可。
本实施例中还示出了限制调节头5和前轴套4的相对转动的优选结构。如图3所示，在第二筒形部41的中心孔的孔壁上设置有沿轴向延伸的导向槽410，在调节头5的外周壁上设置有与导向槽410滑动配合的导向筋510。可以理解，在其他实施例中，导向槽和导向筋在第二筒形部41和调节头5上的位置可以互换。另外，相配合的导向槽410和导向筋510的个数也可以根据实际需要设定。
再来参见图1，本实施例中第二端壁42的中心孔直径小于第二筒形部41的中心孔直径，这样，转子轴31的中部穿设在第二端壁42的中心孔中并可由该第二端壁42的中心孔支承。同时，该第二端壁42还可起到限制调节头5收缩位置的作用。另外，在定子后盖7的前侧配置有用于支承转子轴31的后端的凹孔70。
本实施例中还示出了限制转子轴31的轴向移动的优选实施方式。结合参考图1至图3，该步进电机还包括设置有u形槽60的卡板6，卡板6位于导磁环1内并夹持在第二端壁42和定子2的定子主体21之间。在转子轴31上设置有环形槽310，卡板6的u形槽60卡设在环形槽310内以限制转子轴31的轴向移动，从而有效控制转子轴31的轴向窜动。通过设置卡板6，可以不在转子轴31的后端设置额外的弹簧件，能有效避免因弹簧件施加给转子轴31的预紧力而造成的磨损。优选地，卡板6可以选用带有自润滑性能的金属材料制成或者由具有自润滑性的树脂注塑形成，环形槽310和u形槽60为间隙配合。
本发明第一实施例提供的步进电机的组装过程如下所述：转子磁体3通过注塑或者过盈配合与转子轴31结合成一体。定子主体21和定子后盖7一体注塑成型，定子主体21成型过程中将极片22嵌设在其中。将插针72插入定子后盖7的开口卡槽71内，在定子主体21上绕线形成线圈23，将线圈23的端部和插针72的第一端连接。将卡板6插入转子轴31的环形槽310内后，将转子磁体3放入定子主体21内部，使转子轴31的后端插入定子后盖7的凹孔70内。将调节头5套设在前轴套4内，调节头5和转子轴31的螺纹啮合配合，将前轴套4在定子主体21上安装到位。之后，在定子主体21的前端安装导磁环1，在定子后盖7的后端安装保护盖8。然后，将上述装配在一起的组件进行局部外壳注塑，注塑成型连接器主体9，连接器主体9的成型过程与导磁环1、定子后盖7和保护盖8可靠地结合在一起，使保护盖8的端盖部81外露。
下面参见图8，示出了本发明的第二优选实施例。该第二优选实施例与上述第一优选实施例的主要不同之处在于转子轴31的轴向限位方式上。如图所示，该第二优选实施例中没有设置卡板，而是在转子轴31上设置有与前轴套4抵靠的轴肩311，以限制转子轴31的向前移动；定子后盖7的凹孔70内安装有与转子轴31后端抵靠的钢球61，用于限制转子轴31的向后移动。钢球61与转子轴31的接触面积小，对降低转子轴31的摩擦有利。该种限位方式尤其适用于转子轴31和转子磁体3均由塑料制成的电机中，这是因为塑料制成的转子轴31和转子磁体3质量较轻，在振动情况下，轴向冲击力更小，磨损也更小，此时通过轴肩311和钢球61对转子轴3进行轴向限位即可满足要求。
综上所述，本发明实施例提供的步进电机，可以不使用球轴承支承，制造及装配工艺简单，并降低了制造成本。通过将转子轴31与调节头5之间的螺纹传动结构移出到导磁环1的外部，既有利于降低直线步进电机的导磁环1的径向尺寸，还不会带来成本的大幅上升。插针72可拆卸地卡接在定子后盖7的开口卡槽71内，可以避免现有技术的旋转步进电机和直线步进电机中插针72通过包覆成型与定子后盖7成一体时出现插针变形、插针移位等问题。转子磁体3、转子轴31和调节头5可以均采用注塑件，使得该步进电机质量更轻，振动更小。此外，连接器主体9采用局部注塑成型，且使保护盖8的端盖部81外露，既能避免电机内部结构受力变形还有利于注塑时的定位。
可以理解的是，本发明的以上各实施例仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施例，本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为处于本发明的保护范围之内。本发明的保护范围仅由所附权利要求书的语言表述的含义及其等同含义所限定。