CN100416991C - 步进电机及制造步进电机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种步进电机，包括：一具有一永久磁体(1b)且多极磁化的转子(1)；一布置在转子(1)周围并缠绕在转子(1)的径向方向的多个线圈(2)；一用来支承多个线圈(2)的圆筒形支承件(3)；以及一用来包围永久磁体(1b)、线圈(2)和支承件(3)的外壳(4)，且外壳(4)固定到支承件(3)上，其特征在于，支承件(3)是由具有柔性的绝缘膜构成的柔性板，所述柔性板包括一布线图形，该布线图形的一端头部分与所述线圈电气连接，柔性板还包括一接线端部分，布线图形的另一端头部分聚集在该接线端部分。

Description

步进电机及制造步进电机的方法
技术领域
本发明涉及一种步进电机及制造步进电机的方法。
背景技术
在涉及的步进电机中，有一定子，其构造成在一转子的周围布置磁极齿，并绕转子的轴线方向缠绕有一线圈，以激励磁极齿，在永久磁体转子和定子之间产生起动转矩。
此外，已知起动转矩同样产生在所谓的混合型的电机中，该种电机具有这样构造的一电机定子：设置多个侧磁极并绕有如下列专利所介绍的步进电机中的多相的励磁绕组，这些专利是日本特许公开昭64-30672A，或日本实用新型审查公开平7-33583B。
起动转矩还可在电流未导入线圈时产生，因此，这就达到转子能自持的优点。
此外，在日本实用新型专利公开平5-67187A中，文中介绍一种滚子，其具有沿厚度方向磁化的永久磁体和一对沿厚度方向从两端插入磁体的感应器板。
然而，例如，当使用产生这样起动转矩的步进电机进行微步进驱动时，会产生这样的情况：在高速转动时，由于起动转矩的影响，难于定位转子的位置，这是构成妨碍步进电机高速响应的一个因素。另一方面，还要求步进电机成形为有较小的尺寸。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种步进电机，其通过限制起动转矩来促使高速响应，并能达到小尺寸的构造。
为了解决上述的目的，本发明的特征在于，具有下列的结构：
方面1一种步进电机，包括：
一包括一永久磁体且多极磁化的转子；
布置在转子周围并缠绕在转子的径向方向的多个线圈；
一用来支承线圈的圆筒形支承件；以及
一用来包围永久磁体、线圈和支承件并固定有支承件的外壳，
支承件是由具有柔性的绝缘膜构成的柔性板，柔性板包括一布线图形，该布线图形的一端头部分与线圈电气连接，柔性板还包括一接线端部分，布线图形的另一端头部分聚集在该接线端部分。
方面2如方面1所述的步进电机，其特征在于，接线端部分突出到外壳的外面。
方面3如方面1所述的步进电机，其特征在于，一圆筒形件形成在所述支承件与所述外壳之间，并且通过将表面绝缘的带形的软磁性材料卷绕成螺旋形而构成该圆筒形件。
方面4如方面1所述的步进电机，其特征在于，所述转子包括：
沿轴线方向在一单一磁极上磁化的所述永久磁体；
布置在永久磁体周围并沿永久磁体的轴线方向延伸的多个磁极齿；以及
分别与永久磁体的两端头部分连接、用来支承磁极齿的一对圆形板件，
与一个所述圆形板件连接的一部分磁极齿和与另一个所述圆形板件连接的其余部分的磁极齿交替配置。
方面5如方面1所述的步进电机，其特征在于，绝缘膜的厚度落入0.1mm至0.2mm的范围内。
方面6一种制造步进电机的方法，包括下列诸步骤：
提供一条带形的绝缘膜；
将多个线圈固定到绝缘膜上；
将绝缘膜卷绕成圆筒形，且使固定的多个线圈设置在绝缘膜的内侧；
在卷绕步骤之后，将圆筒形绝缘膜插入一圆筒形外壳，以使接线端部分以与设置在一托座上的切口结合的方式将该托座安装到圆筒形外壳上，所述接线端部分聚集了所述绝缘膜的布线图形的端头部分。
方面7如方面6所述的方法，还包括设置包括一永久磁体的一转子、以使外壳包围永久磁体和多个线圈的步骤。
方面8如方面6所述的方法，其特征在于，在卷绕步骤中，绝缘膜的一端固定到绝缘膜的另一端，以形成圆筒形。
附图说明
图1A是根据本发明实施例的一步进电机A的结构的视图(左半部示出外形，右半部示出截面)，而图1B是沿图1A的X-X线截取的截面图(端面视图)。
图2是步进电机A分解图。
图3是一设有线圈2的支承件3的展开图。
图4A是根据本发明另一实施例的一步进电机B的结构的视图(左半部示出外形，右半部示出截面)，而图4B是沿图4A的Y-Y线截取的截面图(端面视图)。
图5是圆筒形件9的外形图。
图6A是根据本发明的另一实施例的转子10的正视图，图6B是沿图6A的Z-Z线截取的截面图(端面视图)，图6C是转子10的分解图。
具体实施方式
参照附图，将对本发明的一优选实施例说明如下。
(第一实施例)
图1A是根据本发明一实施例的一步进电机A的结构的视图(左半部示出外形，右半部示出截面)，而图1B是沿图1A的X-X线截取的截面图(端面视图)。图2是步进电机A的分解图。步进电机A是永久磁体(PM)型二相步进电机，并设置有下列结构。
一转子1包括一轴1a和一呈圆筒形的永久磁体1b，并通过将永久磁体1b穿入轴1a构成。如图1B所示，永久磁体1b在多极上磁化，在周向方向上交替地布置N极和S极，并总共磁化8个磁极。转子1由轴承6a和6b支承可平顺地转动，垫圈7a和7b设置在转子1和轴承6a和6b之间。
在转子1的永久磁体1b的周围，以一预定的相位布置，设置绕转子1的径向方向(换句话说，绕横穿由永久磁体1b产生的磁场的方向)卷绕的4个线圈2a至2d(下文中，一般称之为线圈2)以构成一定子。根据该实施例，线圈2是通过卷绕铜导线或诸如此类导线的多匝线圈材料来构成，并在线圈的中央部分形成一孔洞。
使用这样一个空气芯(无芯)的线圈2，磁极齿不呈现在定子的一侧，因此，不再引起起动转矩这样的传统问题，并可实现步进电机A的高速响应。此外，尽管根据实施例，线圈2的中心是中空的，但中心可设置由树脂或诸如此类的非磁性材料制成的芯，且在这种情形中也不产生起动转矩，线圈被包括在本发明的线圈范围内。
此外，线圈2a和2c关于轴向中心对称布置，以形成第一相的线圈对，同样地，线圈2b和2d关于轴向中心对称布置，以形成第二相的线圈对。此外，通过形成一90度电气角的移位来布置各相。
接下来，线圈2由呈圆筒形的支承件3支承。支承件3通过卷绕具有柔性的呈条带形的绝缘膜而形成圆筒形。作为这样的一个膜，例如，可首选一柔性板，且根据实施例，假设为使用柔性板作为支承件3的情况。例如，柔性板是由绝缘材料、铜箔、基底材料(基底件)或类似的材料构成，柔性板的厚度一般约为0.1mm至0.2mm，并具有柔性和绝缘特性。尽管可以使用不是柔性板的膜作为支承件3，但膜的厚度一般最好取大约0.1mm至0.2mm。
这里，图3是设置有线圈2的支承件3的展开图。线圈2用粘结剂、双面胶带或诸如此类的粘结方法固定到支承件3的表面上。支承件3设置有接线端部分3a，其中，与各自线圈2电气地连接的布线图形的端头部分聚集在这里。接线端部分3a突出到步进电机A的外面，以便于与控制线路的电气连接。
如图3所示，在展开支承件3构成一条带形的状态下，线圈2固定到支承件3上。接下来，支承件3卷绕以构成圆筒形，使线圈2设置在支承件3的内侧。在这种情形下，支承件3的两个端头部分3b可用粘结剂或诸如此类的材料粘结。其后，支承件3插入外壳4(将在下文中说明)，支承件3的外周面用粘结剂或诸如此类的材料固定到外壳4的内周面，由此，将线圈2固定到外壳4上。
采用这样的支承件3来支承线圈2的优点在于下列几点。第一，因为支承件3固定在外壳4上，所以不需要支承件3本身的强度，其厚度可以减薄，因此，步进电机A的直径可以减小并实现其小尺寸的构造。反过来，对于相同的尺寸，可确保用于沿半径方向进一步加厚线圈2的厚度的空间，可增加线圈绕组的匝数，并可进一步加厚线圈材料的厚度，由此，可提供较大的转动力。此外，线圈2可在支承件3展开在一个平面的状态下附连到支承件3上，因此，线圈的定位、布线或诸如此类的操作变得简便，并进一步简化诸部件的集成。
下面，回过来参照图1和图2，外壳4大致上由圆筒形构成，并包围上述的永久磁体1b、线圈2和支承件3。外壳4确保步进电机A的强度，并起一磁路的作用。一托座5连接在外壳4的下端，并用作为外壳4的盖。托座5设置有一切口5a，而支承件3的接线端部分3a从此切口突出到步进电机A的外面。
在具有这样结构的步进电机A中，磁场从永久磁体1b始沿径向方向产生。当在此状态下将电流导入线圈2时，由于流过线圈2的电流分量正交于从永久磁体1b发出的磁场(法莱明左手定则)，在线圈2和永久磁体1b之间作用一沿周向的力。另外，因线圈2是固定的，所以，转子1开始转动。
在该实施例结构的情形中，通过提供脉冲的相互移位90度的多相电压，在二相激励中步进角变为22.5度。此外，半步进驱动也可通过1-2相激励。此外，也可采用一微步进驱动系统。
此外，永久磁体1b的磁极数和线圈2的个数并不分别地限定为8和4，但可在这样的范围内有关连地选定，即线圈2的个数：n/2，相对于永久磁体1b的磁极数：4×n(n为等于或大于1的整数)。
(第二实施例)
在上述第一实施例中，通过转动永久磁体1b产生一交变的磁场，并在外壳4上产生涡流。首先，当一较强的磁体用作为永久磁体1b时，涡流损失也随之增加。与此同时，尽管众所周知可提供一层合的多层磁性体片的背轭件来阻止涡流损失，但其制造和组装集成花费时间和劳力，这种情形不适合小尺寸的结构。因此，根据实施例提供一种步进电机，其能实现小尺寸的结构且阻止涡流的产生。
图4A是根据本发明另一实施例的一步进电机B的结构的视图(左半部示出外形，右半部示出截面)，而图4B是沿图4A的Y-Y线截取的截面图(端面视图)。下面将给出不同于上述步进电机A的结构的说明。
一圆筒形件9设置在支承件3和外壳4之间。圆筒形件9利用在其外周面上的粘结剂或诸如此类的材料，固定到外壳4的内周面，而支承件3固定到圆筒形件9的内周面上。因此，在该实施例的情形中，支承件3通过圆筒形件9固定到外壳4。
图5是圆筒形件9的外形图。通过卷绕一磁性材料9a，圆筒形件9构造成一圆筒形，磁性材料的表面以螺旋形方式绝缘地覆盖以便紧密接触。作为磁性材料9a，可以首选如轭材料那样的磁性特性极佳的材料，其中，材料的导磁性高、磁通密度大以及矫顽磁力低，例如，铁或诸如此类的软磁性材料是较佳的。
此外，如图5所示，通过将磁性材料9a的横截面构造成一四边形，圆筒形件9的外周面和内周面可构造成光滑面，支承件3和圆筒形件9之间，以及外壳4和圆筒形件9之间的间隙可以减小，磁效率也可得到提高。顺便提一下，也可采用具有圆形横截面的圆筒形件，这样可有望降低成本，因为具有这种横截面的线材在市场上是普遍可见。
当设置圆筒形件9时，与层合轭的效能等同的效能可在与交变磁场的磁通正交的圆筒形件的一部分上达到，因此，可增加磁阻，涡流的产生可受到抑制，从而涡流损失可减小。此外，由于圆筒形件9是通过将呈条带形的磁性材料9a卷绕成螺旋形来形成的，因此，制造和集成更为简单，较之通过层合多层磁性体来构成圆筒形件9的情形，圆筒形件9更适于形成小尺寸结构，并且可实现步进电机B的总体的小尺寸结构。
(第三实施例)
尽管根据上述的第一和第二实施例，转子1由轴1a和永久磁体1b构成，但为了促使步进电机的高速响应，最好减小转子1的转动惯量。在这种情形中，通过减小每个磁极的表面积，对多极磁化的永久磁体来说，不易保证足够的磁通量，反过来说，当通过放大永久磁体的直径来加大每个磁极的表面积时，转动惯量极大地增加。因此，根据实施例，提供一种步进电机，其能减小一转子的转动惯量并促使高速响应。
图6A是根据本发明另一实施例的一转子10的正视图，而图6B是沿图6A的Z-Z线截取的截面图，图6C是转子10的分解图。
转子10设置有一轴11a和一沿轴线方向在2个极上磁化的永久磁体11b，轴11a穿过永久磁体11b。在永久磁体11b的周围，具有圆弧段形截面的板形状的多个磁极齿12b和13b交替地布置成环形，通过一体地连接在圆形板件12a上，诸磁极齿12b构造成一元件12，且诸磁极齿13b连接在圆形板件13a而与之一体地构造成元件13。
圆形板件12a连接并固定在永久磁体11b的上端，而圆形板件13a连接并固定在永久磁体11b的下端。此外，用来穿过轴11a的孔设置在对应的圆形板件12a和13a的中心。
两个元件12和13均由软磁性材料构成，且连接到永久磁体11b上端的元件12设置有N极磁性，而连接到下端的元件13设置有S极磁性。因此，从永久磁体11b产生的沿轴线方向的磁通转换到由磁极齿12b和13b产生的沿径向方向的磁通。其结果，分别连接到圆形板件12a和13a上的磁极齿12b和13b交替地构成多极的转子面，并交替地磁化成N极和S极。
因此，由于转子10由沿轴线方向磁化为2极的永久磁体构成，而诸元件插入永久磁体，所以，也可增加一中空部分，由此，较之上述第一和第二实施例仅使用多极磁化的永久磁体的情形，转动惯量减小，且更加高速响应的性能提高。此外，通过压制成形，元件12和13可相当容易和高精度地形成，因此，也可制造出不是用多极磁化永久磁体的方法来提供的高分辨度(resolution)的转子。
在该实施例的情形中，多极磁化的转子是通过使用如永久磁体11b那样的单极磁化的永久磁体形成，即使通过增加转子10的外周缘以增加磁极齿12b和13b的表面积，来增加磁通，但转动惯量增加的量仍很小，通过与抑制起动转矩的步进电机一起使用该转子，可保持高速响应，并且便于微步进的驱动。
如上所述，根据本发明的步进电机，通过抑制起动转矩来促成高速响应，并且实现其小型化的结构。

Claims (8)

1. 一种步进电机，包括：
一包括一永久磁体且多极磁化的转子；
布置在所述转子周围并缠绕在所述转子的径向方向的多个线圈；
一用来支承所述线圈的圆筒形支承件；以及
一用来包围所述永久磁体、所述线圈和所述支承件并固定有所述支承件的外壳，
其特征在于，所述支承件是由具有柔性的绝缘膜构成的柔性板，所述柔性板包括一布线图形，该布线图形的一端头部分与所述线圈电气连接，柔性板还包括一接线端部分，布线图形的另一端头部分聚集在该接线端部分。
2. 如权利要求1所述的步进电机，其特征在于，接线端部分突出到外壳的外面。
3. 如权利要求1所述的步进电机，其特征在于，一圆筒形件形成在所述支承件与所述外壳之间，并且通过将表面绝缘的带形的软磁性材料卷绕成螺旋形而构成该圆筒形件。
4. 如权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述转子包括：
沿轴线方向在一单一磁极上磁化的所述永久磁体；
布置在所述永久磁体周围并沿所述永久磁体的轴线方向延伸的多个磁极齿；以及
分别与所述永久磁体的两端头部分连接、用来支承所述磁极齿的一对圆形板件，
与一个所述圆形板件连接的一部分磁极齿和与另一个所述圆形板件连接的其余部分的磁极齿交替配置。
5. 如权利要求1所述的步进电机，其特征在于，绝缘膜的厚度落入0.1mm至0.2mm的范围内。
6. 一种制造步进电机的方法，包括下列诸步骤：
提供一条带形的绝缘膜；
将多个线圈固定到绝缘膜上；
将绝缘膜卷绕成圆筒形，且使固定的多个线圈设置在绝缘膜的内侧；
在卷绕步骤之后，将圆筒形绝缘膜插入一圆筒形外壳，以使接线端部分以与设置在一托座上的切口结合的方式将该托座安装到圆筒形外壳上，所述接线端部分聚集了所述绝缘膜的布线图形的端头部分。
7. 如权利要求6所述的方法，还包括设置包括一永久磁体的一转子、以使外壳包围永久磁体和多个线圈的步骤。
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，在卷绕步骤中，绝缘膜的一端固定到绝缘膜的另一端，以形成圆筒形。
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