CN101232231A - 步进电机 - Google Patents

Abstract

一种步进电机，其具有：定子；以及转子，其被布置成绕定子。定子包括：第一和第二环状定子磁轭，其被布置成彼此面对，每个定子磁轭具有沿其周部形成的多个极齿；以及环状定子线圈，其被布置在所述第一和第二定子磁轭之间。转子包括：环状磁体，其被布置成绕第一和第二定子磁轭，所述环状磁体具有沿其周部形成的多个磁极；以及轴，其被布置在所述磁体的中央部。第一定子磁轭的多个极齿的一部分是宽度不同于其它极齿的宽度的第一换向极。第二定子磁轭的多个极齿的一部分是宽度不同于其它极齿和第一换向极的宽度的第二换向极，并且邻近第一换向极布置第二换向极。第一定子磁轭的极齿之间的间隔的中心线相对于第二定子磁轭的极齿的中心线移位。

Description

步进电机

技术领域

本发明涉及一种包括被布置成绕定子的转子的步进电机。

背景技术

步进电机具有简单的结构并且容易控制，因此用于各种领域。特别地，可以以低成本地制造使用永久磁体的PM(永磁)步进电机，因此PM步进电机广泛用于各种领域。

在该类型的步进电机中，可靠性很重要，特别地，要求该步进电机在所有条件下都能正常起动。为了确保步进电机正常起动，必须控制步进电机在正确的预定位置停止。为了高精度地控制停止位置，通常将定位转矩(detent torque)调整得很小。这是因为定位转矩是转动负载。

然而，如果负载重，例如，如果在步进电机中将用于产生振动的配重用作负载，则当不给电机通电时，难以在期望的停止位置准确地停止电机。因此，已经提出当电机未通电时通过增加定位转矩可靠地停止负载的技术(参见日本特开平(JP-A)60-43059号公报、JP-A 6-78513号公报、JP-A 9-308214号公报)。

在PM步进电机的外转子型单相步进电机中，将转子布置成绕环状定子。定子具有形成有多个极齿的定子磁轭，转子具有磁体，沿该磁体的圆周交替布置具有不同极性的磁极。

在外转子型步进电机中，保持转矩的稳定位置(停止位置)是磁体的相邻磁极之间的边界与定子磁轭的极齿的中心线基本上匹配的位置。该位置被设置成与磁体的磁极数相等。另一方面，定位转矩的稳定位置(停止位置)是磁体的相邻磁极之间的边界或者各磁极的中心线与定子磁轭的极齿的中心线基本上匹配的位置。该位置被设置成是磁体的磁极的两倍。

如果保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置彼此匹配，则步进电机在停止后可能不能正常起动。因此，可以设想设置通过扩大或缩小关于多个极齿的一部分的极齿的宽度获得的换向极。设置换向极是因为，如果没有换向极，则当使电机从稳定位置起动时单相步进电机可能不能正常起动，或者可能仅起动半步。通过设置换向极，可以使保持转矩的稳定位置与定位转矩的稳定位置彼此移位，从而稳定起动。

单相步进电机的换向极被设置到布置在定子线圈的相反侧的一对定子磁轭的多个极齿的一部分。通过设置换向极，两个定子磁轭之间的极齿的相位改变，并且增强了起动性能。

然而，即使换向极被设置成调整相位，保持转矩和定位转矩的稳定位置由于换向极的位置或尺寸而改变。而且，保持转矩和定位转矩的稳定位置还由于制造和组装过程中的变化而改变。

而且，即使设置换向极，在一些情况下，在摩擦损失等的影响下，保持转矩和定位转矩的稳定位置可能被加宽以致产生所谓的死区。如果死区的宽度扩大，则保持转矩和定位转矩的稳定位置可能彼此匹配，以致损害起动性能。

发明内容

考虑到上述问题，已经提出本发明，本发明的目的是提供一种具有良好的起动性能的步进电机。特别地，本发明的目的是使保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置彼此移位。而且，本发明的目的是缩小保持转矩和定位转矩的死区的宽度。

根据本发明的一方面，一种步进电机，其具有：定子(1)和布置成绕定子的转子(2)，

其中定子包括：

第一和第二环状定子磁轭(6和8)，其被布置成彼此面对，每个定子磁轭具有沿该定子磁轭的周部形成的多个极齿；以及

环状定子线圈(9)，其被布置在第一和第二定子磁轭之间。

其中转子包括：

环状磁体(12)，其被布置成绕第一和第二定子磁轭，环状磁体具有沿该环状磁体的周部形成的多个磁极；以及

轴(14)，其被布置在磁体的中央部；

第一定子磁轭的多个极齿的一部分是宽度不同于其它极齿的宽度的第一换向极(21)；

第二定子磁轭的多个极齿的一部分是宽度不同于其它极齿和第一换向极的宽度的第二换向极(22)，并且邻近第一换向极布置第二换向极；并且

第一定子磁轭的极齿之间的间隔的中心线相对于第二定子磁轭的极齿的中心线移位。

根据本发明的一方面，一种步进电机，其包括：

定子(1)；以及

转子(2)，其被布置成绕定子。

其中定子包括：

第一和第二环状定子磁轭(6和8)，其被布置成彼此面对，每个定子磁轭具有沿该定子磁轭的周部形成的多个极齿；以及环状定子线圈(9)，其被布置在第一和第二定子磁轭之间。其中转子包括：

环状磁体(12)，其被布置成绕第一和第二定子磁轭，环状磁体具有沿该环状磁体的周部形成的多个磁极；以及轴(14)，其被布置在磁体的中央部；

其中第一定子磁轭的多个极齿的一部分是宽度不同于其它极齿的宽度的第一换向极(21)；

第二定子磁轭的多个极齿的一部分是宽度不同于其它极齿和第一换向极的宽度的第二换向极(22)，并且邻近所述第一换向极布置第二换向极；并且

第二换向极被布置成在与第一换向极相邻的间隔中存在偏移。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的步进电机的定子的平面图；

图2是图1所示的步进电机的分解立体图；

图3是图2所示的步进电机的定子的组装状态的立体图；

图4是用于比较的没有换向极的步进电机的定子的立体图；

图5是第一和第二换向极21、22被无偏移地布置在极齿之间的间隔中的比较例的平面图；

图6是示出图5所示的保持转矩和定位转矩的稳定位置的图；

图7是示出极齿之间的间隔被缩小的例子的图；

图8是示出极齿的齿根被加宽、而极齿之间的间隔与图7所示的间隔相同的例子的图；

图9是示出极齿的齿顶被加宽、而极齿之间的间隔与图7所示的间隔相同的例子的图；

图10是示出通过使用与图6所示的第一和第二定子磁轭相同的第一和第二定子磁轭6、8偏移地布置包括第一和第二换向极21、22的所有极齿的例子的图；

图11是示出在与图8相同的条件下偏移地布置包括第一和第二换向极21、22的所有极齿的例子的图；

图12是示出第一和第二定子磁轭6、8的极齿沿与图10所示的方向相反的方向彼此移位的例子的图；

图13是示出从图6至图12获得的结果的表；以及

图14是示出在极齿之间的间隔中偏移地布置第一和第二换向极21、22的步进电机的磁场分析结果的图。

具体实施方式

下面将参考附图说明本发明的实施例。

图1是示出根据本发明的实施例的步进电机的定子的平面图。图2是图1所示的步进电机的分解立体图。图3是图2所示的步进电机的定子的组装状态的立体图。图4是用于比较的没有换向极的步进电机的定子的立体图。

首先，将利用图2说明根据实施例的步进电机的结构。图2所示的步进电机是外转子型，并且包括：定子1；转子2，其被布置成绕定子1；支架(底板)3，其用于保持定子1并且具有用于供给电力的端子；以及盖4，其用于保护转子2。

定子1包括：第一环状定子磁轭6，其具有沿周部的多个极齿5；第二环状定子磁轭8，其被布置成面对第一定子磁轭6并且具有多个极齿7；定子线圈9，其被布置在第一和第二定子磁轭6、8之间；铁芯10，其被装配并插入到形成在定子线圈9的中央部的孔中；以及金属轴承11，其被装配并插入到形成在铁芯10的中央部的孔中。

转子2包括：环状磁体12，其被布置成绕第一和第二定子磁轭6、8；架13，其用于保持磁体12；轴14，其被安装在架13的中央部；以及偏心配重15，其用于产生振动。在磁体12中，沿其圆周交替地形成与定子磁轭的极齿数相等的磁极。架13形成为覆盖磁体12的外周部，并且将偏心配重15安装在架13的外周面的一部分上。

通过组装图2的各构件，获得图3所示的步进电机的定子。图3示出盖4被拆除的状态。

第一和第二定子磁轭6、8相互交叉，第二定子磁轭8的多个极齿7布置在第一定子磁轭6的多个极齿5之间的间隔中，并且第一定子磁轭6的多个极齿5布置在第二定子磁轭8的多个极齿7之间的间隔中。

在图2所示的步进电机中，如果通过定子线圈9供给电流，则产生根据电流的方向的磁通量，并且第一和第二定子磁轭6、8的极齿5、7被磁化。极齿5、7面对磁体12的磁极，并且极齿5、7和磁极在一些位置彼此吸引而在其它位置彼此排斥。从而，磁体12转动一个磁极(一步)。然后，如果改变通过定子线圈9供给的电流的方向，则磁体12进一步转动一步。这样，通过交替地改变通过定子线圈9供给的电流的方向，磁体12转动每一步。

接着，将利用图1详细地说明作为本发明的特征部的第一和第二定子磁轭6、8的结构。图1示出将第二定子磁轭8布置在第一定子磁轭6的下方、使定子线圈9夹持在第一定子磁轭6与第二定子磁轭8之间的例子。

如图1所示，第一定子磁轭6的多个极齿的一部分是换向极(下文称为第一换向极21)，并且第一换向极21比其它极齿5更宽。同样，第二定子磁轭8的多个极齿7的一部分是换向极(下文称为第二换向极22)，并且第二换向极22比其它极齿7更窄。尽管图1示出设置一个第一换向极21和一个第二换向极22的例子，但是可以设置多个换向极(假设第一换向极的数量与第二换向极的数量相等)。

第一换向极21和第二换向极22彼此相邻布置。更具体地，第二换向极22布置在形成于第一换向极21与相邻极齿5之间的间隔中。如果设置多个第一换向极21，则邻近各第一换向极21布置第二换向极22。

在本实施例中，第二换向极22不是布置在形成于第一换向极21与相邻极齿5之间的间隔的中央，而是偏移地布置到间隔中的一侧。例如，在图1中，沿间隔的下边界布置第二换向极22。

从而，如图1所示，第二定子磁轭8的多个极齿7偏移地布置在第一定子磁轭6的多个极齿之间的各间隔中，并且具有不同宽度的间隙23形成在每个极齿7的相反侧。结果，第一和第二定子磁轭6、8的保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置彼此不匹配，由此增强了起动性能。

如上所述，本实施例的特征在于第一定子磁轭6的多个极齿5之间的间隔的中心线相对于第二定子磁轭8的极齿的中心线移位。第一换向极21和第二换向极22不必一定布置在图1所示的位置。

图5是第一和第二换向极21、22被无偏移地布置在极齿之间的间隔中的比较例的平面图，而图6是示出图5所示的保持转矩和定位转矩的稳定位置的图。在图6中，在圆周c1上示出磁体12的磁极，在圆周c2上涂黑保持转矩的稳定位置，在圆周c3上涂黑定位转矩的稳定位置。如图所示，磁体12总共有十个磁极，总共有五个保持转矩的稳定位置，并且总共有十个定位转矩的稳定位置。在图6的例子中，相邻极齿之间的角度是36°，并且第一和第二换向极21、22之间的角度也是36°。在图6的情况下，相邻极齿之间的间隔被设定为是转子2与第一和第二定子磁轭6、8之间的间隔的大约三倍宽。

如图6所示，如果将包括第一和第二换向极21、22的所有极齿无偏移地布置在间隔中，则在少数位置(图6中的位置L1)保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置彼此匹配。

图7是示出极齿之间的间隔比图6的极齿之间的间隔更窄的例子的图。在该情况下，所有极齿再次被无偏移地布置在间隔中。然而，由于极齿之间的间隔变窄，因此保持转矩的稳定位置的宽度、即死区的宽度扩大。优选使死区的宽度尽可能地窄。在图7的情况下，相邻极齿之间的间隔被设定为是转子2与第一和第二定子磁轭6、8之间的间隔的大约两倍宽。如从图7可以看到的那样，通过缩小极齿之间的间隔，死区的宽度扩大。因此，极齿之间的间隔越宽，死区的宽度越窄。更具体地，优选极齿之间的间隔是转子2与第一和第二定子磁轭6、8之间的间隔的大约三倍宽。

图8是示出极齿的齿根被加宽、而极齿之间的间隔与图7的极齿之间的间隔相等的例子的图。在该情况下，所有极齿再次被无偏移地布置在间隔中。然而，如图8所示，通过加宽极齿的齿根，死区的宽度变得比图7的死区的宽度窄。这表明极齿的齿根越宽越好。

图9是示出极齿的齿顶被加宽、而极齿之间的间隔与图7的极齿之间的间隔相等的例子的图。在该情况下，所有极齿再次被无偏移地布置在间隔中。然而，如图9所示，通过加宽极齿的齿顶，死区的宽度变得比图7的死区的宽度宽。这表明极齿的齿顶越窄越好。

图10是示出通过使用与图6相同的第一和第二定子磁轭6、8偏移地布置包括第一和第二换向极21、22的所有极齿的例子的图。在该情况下，与图6的情况不同，保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置彼此不匹配。因此，明显地是，如果偏移地布置第一和第二换向极21、22，则增强了起动性能。

图11是示出在与图8相同的条件下偏移地布置包括第一和第二换向极21、22的所有极齿的例子的图。在该情况下，由于保持转矩的死区宽度大，因此不可能使保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置彼此完全移位。

从上面的说明中，明显地是，在图6至图11的情况中，就起动性能而言，图10的情况是最佳的。在图10中，通过在极齿之间的间隔中偏移地布置第一和第二换向极21、22，使保持转矩的稳定位置与定位转矩的稳定位置彼此移位。而且，通过调整极齿之间的每个间隔的宽度、每个极齿的齿根的宽度、以及每个极齿的齿顶的宽度中的至少一个，来调整保持转矩和定位转矩的死区的宽度。

图12是示出第一和第二定子磁轭6、8的极齿沿与图10的方向相反的方向彼此移位的例子的图。在图12的情况下，尽管使第一定子磁轭6的极齿和第二定子磁轭8的极齿彼此移位的量等于图10的情况中的移位的量，但是保持转矩的死区的宽度比图10的保持转矩的死区的宽度大，并且保持转矩的稳定位置与定位转矩的稳定位置彼此重叠。

如上所述，第一和第二定子磁轭6、8的极齿彼此简单的移位未必能产生效果。移位的方向也重要。更具体地，如图10所示，极齿应该沿第一和第二换向极21、22之间的间隔加宽的方向彼此移位。

图13是示出从图6至图12获得的结果的表，并且获得以下结论(a)至(d)。

(a)如果使极齿之间的间隔小，则保持转矩的死区的宽度增加(参见图6和图7)。然而，通过简单地改变间隔，保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置不改变。

(b)极齿的齿根的宽度越窄，极齿的齿顶的宽度越宽，保持转矩的死区的宽度越宽(参见图8和图9)。然而，通过简单地改变极齿的形状，保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置不改变。

(c)如果第一定子磁轭6的极齿和第二定子磁轭8的极齿相对于彼此的位置从图6的状态移位以加宽第一和第二换向极21、22之间的间隔，则如图10所示，虽然保持转矩的值相等，但保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置相对彼此移位。另一方面，如果第一定子磁轭6的极齿和第二定子磁轭8的极齿相对于彼此的位置从图8的状态移位以加宽第一和第二换向极21、22之间的间隔，则如图11所示，保持转矩的死区的宽度被加宽，但是保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置不改变。

(d)如果第一定子磁轭6的极齿和第二定子磁轭8的极齿相对于彼此的位置从图6的状态移位以缩小第一和第二换向极21、22之间的间隔，则如图12所示，虽然保持转矩的值相等，但保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置更可能彼此重叠。

图14是示出在极齿之间的间隔中偏移地布置第一和第二换向极21、22的步进电机的磁场分析结果的图。曲线“a”是保持转矩的特征曲线，而曲线“b”是定位转矩的特征曲线。在图14中，水平轴表示圆周上的位置(角度)[deg.]，而垂直轴表示转矩[Nm]。

曲线“a”、“b”与转矩＝0的直线的交点表示稳定位置。如图所示，保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置彼此不匹配。

如上所述，在本实施例中，因为第一和第二定子磁轭6、8沿预定方向彼此移位，以使第一定子磁轭6的极齿之间的间隔的中心线相对于第二定子磁轭8的极齿的中心线移位，所以可以使保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置彼此可靠地移位，并且可以解决步进电机不能起动的问题，由此增强了起动性能。

而且，通过调整极齿5、7之间的每个间隔的宽度、每个极齿5、7的齿根的宽度、以及每个极齿5、7的齿顶的宽度中的至少一个，可以缩小保持转矩和定位转矩的死区的宽度，并且可以减小保持转矩的稳定位置和定位转矩的稳定位置的匹配的可能性，以进一步增强起动性能。

Claims (14)

1.一种步进电机，其具有定子(1)和布置成绕所述定子的转子(2)，

其中，所述定子包括：

环状的第一和第二定子磁轭(6和8)，其被布置成彼此相面对，每个定子磁轭具有沿该定子磁轭的周部形成的多个极齿；以及

环状定子线圈(9)，其被布置在所述第一和第二定子磁轭之间；

所述转子包括：

环状磁体(12)，其被布置成绕所述第一和第二定子磁轭，所述环状磁体具有沿该环状磁体的周部形成的多个磁极；以及轴(14)，其被布置在所述磁体的中央部；

所述第一定子磁轭的所述多个极齿的一部分极齿是宽度不同于其它极齿的宽度的第一换向极(21)；

所述第二定子磁轭的所述多个极齿的一部分极齿是宽度不同于其它极齿和所述第一换向极的宽度的第二换向极(22)，并且与所述第一换向极相邻地布置所述第二换向极；并且

所述第一定子磁轭的所述极齿之间的间隔的中心线相对于所述第二定子磁轭的所述极齿的中心线移位。

2.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，

与在所述第一定子磁轭的所述极齿之间的间隔中均匀地布置所述第二定子磁轭的所述极齿的情况下的所述第一和第二换向极之间的间隔相比，所述第一和第二定子磁轭被布置成加宽所述第一和第二换向极之间的间隔。

3.根据权利要求1或2所述的步进电机，其特征在于，

与在所述第一定子磁轭的所述极齿之间的间隔中无偏移地布置所述第二定子磁轭的所述极齿的情况下的保持转矩和定位转矩的死区的宽度相比，调整所述多个极齿之间的间隔以缩小所述死区的宽度。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的步进电机，其特征在于，

调整所述多个极齿的齿根的宽度，以使保持转矩和定位转矩的死区的宽度最小。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的步进电机，其特征在于，

调整所述多个极齿的齿顶的宽度，以使保持转矩和定位转矩的死区的宽度最小。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的步进电机，其特征在于，还包括：

产生振动的偏心配重。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的步进电机，其特征在于，

所述第一定子磁轭和所述第二定子磁轭被布置成使所述保持转矩的所述死区和所述定位转矩的所述死区的位置相移位。

8.一种步进电机，其包括：

定子(1)；以及

转子(2)，其被布置成绕所述定子；

其中，所述定子包括：

环状的第一和第二定子磁轭(6和8)，其被布置成彼此相面对，每个定子磁轭具有沿该定子磁轭的周部形成的多个极齿；以及

环状定子线圈(9)，其被布置在所述第一和第二定子磁轭之间；

其中，所述转子包括：

环状磁体(12)，其被布置成绕所述第一和第二定子磁轭，所述环状磁体具有沿该环状磁体的周部形成的多个磁极；以及轴(14)，其被布置在所述磁体的中央部；

其中，所述第一定子磁轭的所述多个极齿的一部分极齿是宽度不同于其它极齿的宽度的第一换向极(21)；

所述第二定子磁轭的所述多个极齿的一部分极齿是宽度不同于其它极齿和所述第一换向极的宽度的第二换向极(22)，并且与所述第一换向极相邻地布置所述第二换向极；并且

所述第二换向极被布置成在与所述第一换向极相邻的间隔中存在偏移。

9.根据权利要求8所述的步进电机，其特征在于，

与在所述第一定子磁轭的所述极齿之间的间隔中均匀地布置所述第二定子磁轭的所述极齿的情况下的所述第一和第二换向极之间的间隔相比，所述第一和第二定子磁轭被布置成加宽所述第一和第二换向极之间的间隔。

10.根据权利要求8或9所述的步进电机，其特征在于，

与在所述第一定子磁轭的所述极齿之间的间隔中无偏移地布置所述第二定子磁轭的所述极齿的情况下的保持转矩和定位转矩的死区的宽度相比，调整所述多个极齿之间的间隔以缩小所述死区的宽度。

11.根据权利要求8～10中任一项所述的步进电机，其特征在于，

调整所述多个极齿的齿根的宽度，以使保持转矩和定位转矩的死区的宽度最小。

12.根据权利要求8～10中任一项所述的步进电机，其特征在于，

调整所述多个极齿的齿顶的宽度，以使保持转矩和定位转矩的死区的宽度最小。

13.根据权利要求8～12中任一项所述的步进电机，其特征在于，还包括：

产生振动的偏心配重。

14.根据权利要求8～13中任一项所述的步进电机，其特征在于，

所述第一定子磁轭和所述第二定子磁轭被布置成使所述保持转矩的所述死区和所述定位转矩的所述死区的位置相移位。

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