CN101127475B

CN101127475B - 定子具远程成对辅助磁极的步进马达

Info

Publication number: CN101127475B
Application number: CN2007100291064A
Authority: CN
Inventors: 李正隆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2027-07-10
Also published as: WO2009006796A1; CN101127475A

Abstract

一种定子具远程成对辅助磁极的步进马达，通过在定子配置有线圈组的主磁极旁，设置对应且成对的辅助磁极，且主磁极及远主磁极辅助磁极分别与转子枢轴联线夹一钝角，使各作用磁极的合力减小，有效减少转子受定子吸引偏斜的偏振；但各作用磁极的合力矩增大，使得定子被致能时，转子受定子吸引的旋转效率提升，有效利用由主磁极逸散至辅助磁极的磁力线，降低马达无谓振荡而更完全运用磁能效率。

Description

定子具远程成对辅助磁极的步进马达

技术领域

本发明是关于一种步进马达，特别是一种定子具远程成对辅助磁极的步进马达。

背景技术

步进马达由于可被程序化精密控制，在许多领域中已被广泛接纳应用，例如事务机器、精密机械、机动车辆用仪表及部件、自动启闭门窗或其它自动控制设备等，无论型态为何，都展现比传统马达更精确优秀的效能。如图1所示美国第6,043,574号专利的内转子步进马达，其定子10具有复数呈「M」型的铁芯12、14，在「M」型铁芯12、14的中央柱122、142上套设线圈组124、144，当致能线圈组144时，中央柱142接近永磁转子16端会形成例如一N磁极，磁力线并经由硅钢材质的铁芯14，在左右两磁靴146、148面向转子16端形成相反的S极，从而吸引或排斥转子16上的对应磁极，驱动转子16绕枢轴旋转。而各「M」型铁芯12、14设置的夹角，则需与永磁式转子16的磁极错开，亦即，当铁芯14正对转子的一磁极时，另一铁芯12则并未正对转子的任一磁极，而是面向磁极间的缓冲区。

但如图2所示，由于定子实际具有八处突出部，各突出部间隔45度，而转子具有十个磁极，各磁极间距为36度，因此，中央柱142与磁靴146、148的间距其实略大于转子的磁极间距，并未完全对应；亦即，当「M」型铁芯14的中央柱142对准转子磁极时，磁靴146、148分别偏离对应转子磁极9度，更向外侧的铁芯12及外加定子磁轭，则分别偏离18度(恰位于两转子磁极间)、及9度，由于各定子磁轭均非正对转子磁极，不仅分别使能量运用效率被大打折扣，而且所导引出的磁力将产生不必要的侧向分量。依照上述结构，当转子磁极磁力达900Gauss，驱动电流为30安培时，其转矩为3.56×10^-6mN-m。

为切合以上需求，本发明创作人另申请中国台湾第96201295号新型专利如图3所示，该新型揭露定子具两辅助磁轭部的步进马达，主要包含一转子22及一定子2。在该新型创作中，转子22是选择一18极转子，其N、S磁极两两间隔地沿一枢轴放射状设置于面向转子22外侧，因此在图式及计算过程中，每一磁极约占20°(360°/18＝20°)。

该例的定子2设置有两主磁轭部26、两辅助磁轭部28及一高磁阻段24，主磁轭部26与辅助磁轭部28的相互关系为主磁轭部26与转子枢轴20的联线，及辅助磁轭部28与转子枢轴20联线夹一钝角；两主磁轭部26对应转子22的磁极不同，当主磁轭部26的一对应转子22的N或S极时，另一主磁轭部26则对应转子22的N与S极间的缓冲区。依照该案的揭露，不仅同一组的主磁轭部与辅助磁轭部会同时正对转子磁极，使得磁能运用效率较高；更于辅助磁轭部处，捕捉利用主磁轭部致能磁极逸散的磁力线，辅助增加磁能的运用效率；尤其辅助磁轭部与主磁轭部间夹一钝角，有效减少转子的偏振，让转子枢轴相关零件寿命得以延长。

然而，当步进马达体积逐渐微型化，转子及定子尺寸都需减小，每一转子磁极所对应的弧长随之缩短，亦即，当主磁轭部是由本体及磁靴所构成时，本体及磁靴间距亦随之减小，若仍想维持原有的线圈尺寸，将在制造方面产生困扰，但减少匝数势必削弱磁力。

因此，在不缩减线圈尺寸前提下，主磁轭部的结构必须作一变更，才能容许维持原尺寸的线圈顺利套入本体中，且辅助磁轭部亦有些许变化，以提供减振效果，延长产品寿命。

发明内容

因此，本发明的目的之一，在提供一种扩大主磁极与辅助磁极间距比例，容许整体体积能更微型化的步进马达。

本发明的另一目的，在提供一种通过辅助磁极与转子磁极的感应，减低偏心振动、使运转更宁静的步进马达。

本发明的再一目的，在提供一种可减少振动摩擦、提升能量运用效能的步进马达。

本发明的又一目的，在提供一种减少枢轴相关部件无谓磨耗，运作年限得以延长的步进马达。

本发明的定子具远程成对辅助磁极的步进马达，包含：供沿枢轴旋转的转子，具有复数沿该枢轴径向设于该转子表面、且相邻者磁性相反的磁极，各该磁极间距相等；与该转子共圆心且间隔一气隙的定子，包括：两组分别具有本体、及一套设于该本体的线圈组的主磁极，且当该两组主磁极之一是对应于一转子磁极时，该另一主磁极是偏离对应该转子磁极位置；及两组分别对应上述主磁极、并与上述主磁极夹一对应奇数转子磁极间距的近主磁极辅助磁极；及两组分别与该近主磁极辅助磁极成对配置、并夹对应转子磁极间距的远主磁极辅助磁极。

通过成对辅助磁极的配置，不仅使磁能得以充分利用，且在成对辅助磁极可与转子磁极间相互感应吸引，此吸引力与主磁极合力矩相加乘、合力相抵销状况下，可降低耗能、提升转子旋转效率、且在未致能时增加转子稳定性；反之，可减少偏斜吸引力，降低振动耗能及随之而来对于轴承部分的摩擦；另因定子内部空间配置，使微型步进马达的线圈组的安装更加顺畅，充分达到发明的目的。

附图说明

图1是美国第6,043,574号专利的步进马达一较佳实施例俯视示意图；

图2是图1步进马达实施例的磁力线分布示意图；

图3是中国台湾申请第96201295号中的步进马达俯视示意图；

图4是本发明第一较佳实施例的步进马达俯视示意图，说明定子、各磁极与转子的关系；

图5是图4实施例磁漏磁力线示意图；

图6是图4实施例的磁力合力示意图；

图7是本发明第二较佳实施例的俯视示意图；及

图8是本发明第三较佳实施例的俯视示意图；

附图标记：

2、10、5、5’、5”：定子；

122、142：中央柱；

124、144、52、52’、52”：线圈组；

146、148：磁靴；

16、22、3、3’、3”：转子；

12、14：铁芯；

20、30：枢轴；

24、6、6’、6”：高磁阻段；

26：主磁轭部；

28：辅助磁轭部；

32、32’、32”：转子磁极；

4、4’、4”：气隙；

50、50’、50”：本体；

54、54’、54”：主磁极；

55、57：磁力线；

56：近主磁极辅助磁极；

58、58’、58”：远主磁极辅助磁极；

F1～F3：力。

具体实施方式

有关本发明的技术内容、特点与功效，配合下列参考图式所示较佳实施例及其详细说明，将可清楚的呈现。此外在各实施例中，相同的组件将以相似的标号标示。

如图4所示，本发明揭露的定子具远程成对辅助磁极的步进马达，主要包含转子3及定子5，两者以气隙4相隔且共圆心。本实施例中，转子3以一个12磁极转子为例，其N、S磁极两两间隔地沿枢轴放射状设置于面向转子3外侧，因此在图式中，每一磁极约占

。

本发明的定子是由，例如多片硅钢片的铁磁性材料堆叠而成。本发明的定子具两本体50、两成对辅助磁极及高磁阻段6，两本体50各套置有线圈组52以提供致能能量，藉此形成两主磁极54，成对的辅助磁极则因与主磁极54的位置关系分别有近主磁极辅助磁极56及远主磁极辅助磁极58，主磁极54与远主磁极辅助磁极58的相互关系为主磁极54与转子枢轴30的联线，及远主磁极辅助磁极58与转子枢轴30联线夹一钝角；两主磁极54对应转子磁极32不同步，例如当主磁极54之一对应转子3的N或S极时，另一主磁极则对应转子3的N与S极间的缓冲区，偏离任何N或S磁极，藉此在轮流致能两线圈组52时，转子3得以顺利转动，高磁阻段6之于定子5制作时成形，形成减少磁能逸散的空气空间。

如图5所示，致能线圈组52所生的磁力线，主要分布如粗虚线-磁力线55所示，会在主磁极54处产生对于转子磁极的强大吸引力，从而造成如图6所示偏向的吸引力F1。但当设置有本发明中的成对近主磁极辅助磁极56、远主磁极辅助磁极58后，辅助吸引转子磁极32，从而感应产生如同细虚线所示磁力线57分布，因而分布于定子5周围及成对的辅助磁极回路。依照图2的相同环境条件下进行实验，此时，转子磁极仍为900Gauss，流经线圈的电流亦为30安培，此时的转矩升高为5.86×10^-6mN-m，明显较图2结构提升约60％。

经由本案结构，转子除受原磁力F1的吸引；面对成对辅助磁极的转子磁极32亦受近主磁极辅助磁极56、及远主磁极辅助磁极58的合力吸力F2吸引，两吸引力的合力为F3；由于「主磁极与转子枢轴联线和「远主磁极辅助磁极与转子枢轴联线」的夹角θ为钝角，使得F2会存在与F1相抵消的反向分量，合力F3因而小于原本F1。此即意谓，由合力所造成的转子单方向磁吸情况减轻，振动及噪音减小、轴承磨耗减缓、马达寿命从而增长。

另一方面，由于F1所造成的力矩与F2所造成的力矩同方向(例如均为顺时针方向)，合力矩因而增大，超过原本F1所造成的力矩，即使致能的能量大小相同，转子转动仍因而更有效率。

为更进一步验证上述实施例的构思，本发明创作人分别以传统无辅助磁极的步进马达、及本发明具成对辅助磁极的步进马达两个模块进行分析，分别以通电、不通电状况取得X、Y、Z三轴向的力矩量。数据显示，在无辅助磁极状况下，即便改选择转子磁极为1100Gauss者，并维持定子线圈的电流为30安培，由F1所造成的转矩仍仅有3.93×10^-6mN-m，与本案结构所造成的合力矩相较，仅为本案结构67％效能。亦即，依照本案揭露，有辅助磁极的步进马达表现确实优于传统步进马达或没有辅助磁极者。另在两者处于未通电状况时，Z轴取得的数据亦显示本发明创作具有可更有效保持转子位置的优势。

此外，因主磁极54与远主磁极辅助磁极58的相对间隔扩大，使得线圈组52可轻易于步进马达制程中，以自动化机具套设安装于本体50上，丝毫不受定子尺寸微型化的干扰，使步进马达的微型化更进一步实现。

本发明的结构除适用于如上述实施例的具12磁极的转子，亦能将概念应用于多磁极转子的步进马达，如图7所示的本发明实施例二，定子5’设置在转子3’外侧，两者间隔一气隙4’，定子5’具有两本体50’及高磁阻段6’，本体50’套设有线圈组52’，转子3’具有二十个交错磁极，两主磁极54’所对应的转子磁极32’不同，当一主磁极54’对应转子磁极32’之时，另一主磁极则对应转子磁极32’的缓冲区；主磁极54’与远主磁极辅助磁极58’维持夹一钝角，藉以有效利用辅助磁极受转子磁极感应的吸引力，以减少偏心的合力，从而减弱转子的偏振旋转。

当然，如熟于此技者所能轻易理解，本发明的结构并非局限于内转子马达，亦可轻易转换至外转子马达，故如图8所示，定子5”设置在外转子3”中，两者间隔一气隙4”，定子5”具有两本体50”及高磁阻段6”，两线圈组52”各自套设于本体50”上提供致能能量，外转子3”具有十二个交错磁极，两主磁极54”所对应的外转子磁极32”不同，当一主磁极54”对应外转子磁极32”时，另一主磁极则对应外转子磁极32”的缓冲区；主磁极54”与远主磁极辅助磁极58”仍维持夹一钝角，藉以有效减少偏心的合力、及所造成的振动与磨耗。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims

1.一种定子具远程成对辅助磁极的步进马达，包含：

供沿枢轴旋转的转子，具有复数沿该枢轴径向设于该转子表面、且相邻者磁性相反的磁极，各该磁极间距相等；

与该转子共圆心且间隔一气隙的定子，包括：

两组分别具有本体、及一套设于该本体的线圈组的主磁极，且当该两组主磁极之一是对应于转子磁极时，该另一主磁极是偏离对应该转子磁极位置；及

两组分别对应所述主磁极、并与所述主磁极夹一对应奇数转子磁极间距的近主磁极辅助磁极；及

两组分别与该近主磁极辅助磁极成对配置、并夹对应转子磁极间距的远主磁极辅助磁极。

2.根据权利要求1所述的步进马达，其特征是，所述主磁极与该转子枢轴联线，是与该远主磁极辅助磁极与该转子枢轴联线夹一钝角。

3.根据权利要求1所述的步进马达，其特征是，所述定子是一具有封闭磁回路的环状体。

4.根据权利要求3所述的步进马达，其特征是，所述定子在所述两主磁极间形成有高磁阻段。

5.根据权利要求1所述的步进马达，其特征是，所述定子是铁磁性材料定子。

6.根据权利要求5所述的步进马达，其特征是，所述铁磁性材料定子是复数堆栈的硅钢片。