CN102160267B - 永磁型步进电动机 - Google Patents

Abstract

一种永磁型步进电动机(20)，广义地包括：在其表面上具有许多磁极(21)的可动元件(例如转子)，相邻的极具有相反的极性，极的数量是常数、相数和需要的步进间距的函数；和固定元件(例如定子)，其具有多个等间隔的齿(22)，所述齿布置为面向所述可动元件的表面，每个所述齿具有多个指状件(23)，所述指状件设置为面向所述可动元件的表面，所述齿的数量是完整的整数，该整数是常数、所述极的数量、在每个定子齿上的所述指状件的数量和相数的函数。

Description

永磁型步进电动机

技术领域

本发明总体涉及分度和步进电动机，更具体地，涉及改进的永磁型步进电动机，其具有在更小的壳体中提高性能(例如转矩)的能力。所述性能的提高通过创造性的设计而从两方面的优点中获得：(a)提高电动机转矩密度特征，和(b)改进步进同步性和稳定性。

背景技术

通常存在三类步进电动机：变磁阻型、混合型和永磁型。通过合适的驱动器(也即控制器)，所有三种类型提供宽范围的角度步进或分度运动和特性的能力。关于步进电动机的控制的一般参考可以在Douglas W.Jones的http://www.cs.uiowa.edu/～jones/step/在线找到。本发明关注永磁型步进电动机。

混合型和永磁型步进电动机都采用在运动的结构(例如转子)和固定的结构(例如定子)中的永磁体。它们在电动机驱动器的观点上没有区别。传统地，混合型步进电动机的转子构建为在两个转子极的中心具有环形的磁体，导致主要从磁体到两个转子极的轴向磁通量流。有关永磁体的各种步进电动机设计从极和磁体的磁路处理中获得。本发明主要关注的永磁型步进电动机代表性地由Schaeffer在美国专利第4190779和4315171号中示出和描述，所述专利的总的公开通过参考结合于此。

通过Schaeffer公开的永磁型步进电动机具有大量的定子齿和在转子上的大量径向磁化的磁体，以提供小的步进角度。这些电动机具有的优点有：高的无动力和动力定位转矩(detent torque)，相对短的轴向电动机长度(也即薄饼型)，小的转子惯性，和转子上大的通孔方案。这些电动机在过去三十年中在空间应用中取得了很大的成功，例如为太阳能电池组驱动和天线指向机构供应动力。这样的应用要求轻的质量、高的动力和无动力定位转矩、小的转子惯性，大的轴和/或转子上大量导线馈通(harness feedthrough)。

有利的应用要求现有技术的步进电动机设计具有更大的转矩、减小的尺寸和质量、更高的转矩密度、更小的转子惯性、减小的成本、恒定的峰值动力和无动力定位转矩，和恒定的峰值运行转矩(runningtorque)。步进电动机设计固有地关注维持同步性，也即电动机和输出负载响应于每个电动机输入命令信号而保持一起旋转的能力。假定典型地没有反馈以确保步进电动机和负载的该同步运行发生，则步进电动机的输出不仅依赖于转矩生产能力，还依赖于电动机在驱动负载时响应于步进命令的动作稳定性。步进电动机开环运行，所以诸如谐振的系统问题可能通过提高电动机的稳定性而减轻。因此，存在改进转矩密度和步进稳定性的必要性，以改进现有技术的步进电动机技术。

发明内容

通过对公开的实施方式(其仅仅出于示例而不是限定的目的)的相应部件、部分或表面的解释性参考，本发明广泛地提供改进的永磁型步进电动机(例如20)，其具有可动元件和固定元件。该改进的电动机广泛地包括：在其中一个元件的表面(例如24)上的多个磁极(例如21)。相邻的转子极具有相反极性。极数是常数、相数和需要的步进间隔的函数。本发明还包括在另一个所述元件上的多个等间隔的齿(例如22)，所述齿设置为面向所述其中一个元件的表面，所述齿的每个具有设置为面向所述一个元件的表面的多个指状件(例如23)。所述齿的数量是完整的整数，该整数是常数、所述极的数量、在每个定子齿上的指状件的数量和相数的函数。所述指状件互相间隔开，从而使得在任意给定齿上的指状件将与相同极性的极对齐。

该可动元件可以是具有外表面的转子。所述固定元件可以是定子。所述需要的步进间距可以是需要的步进角度。所述齿围绕着所述定子圆形地间隔开，以面向所述转子的外表面。

用于单极电动机驱动器的转子极的数量必须是从以下等式确定的偶整数：

(1)

用于双极电动机驱动器的转子极的数量必须是从以下等式确定的偶整数：

(2)

所述转子极可以围绕着所述转子支撑件(24)相等地间隔开，所述转子支撑件能够由固体软磁钢、电叠片材料或这些材料的组合形成。

每相的定子齿的最大数量(m)可以通过以下等式确定：

(3)

其中该表达式中，int(x)是整数函数，其返回其自变量(x)的整数部分。在给定的定子齿上的两个相邻指状件之间的距离可以是这样的，使得当两指状件与转子极对齐时，它们将与相同极性的转子极对齐。

所述齿优选围绕着所述定子相等地间隔开。

所述定子可以由固体软磁钢、铁心硅钢叠片材料或这些材料的组合形成。

所述转子和定子可以构建和布置为，使得对于具有相A和相B的两相电动机，当在定子齿上的相A的指状件与转子极对齐时，每个相B的指状件将与两个相邻的转子极的中心对齐。

所述转子和定子可以构建和布置为，使得对于具有相A、B和C的三相电动机，当相A的定子指状件与一个极性的转子极对齐时，每个相B和相C的定子指状件将与相反极性的转子极对齐。如果每个相B的定子指状件与一相关的转子极的前边缘对齐，则每个相C的指状件可以与一相关的转子极的后边缘对齐。相反地，如果每个相B的定子指状件与一相关的转子极的后边缘对齐，则每个相C的指状件可以与一相关的转子极的前边缘对齐。

所述转子和定子可以构建和布置为，使得对于具有相A、B、C和D的四相电动机，当在定子齿上的相A的指状件与转子极对齐时，每个相B的指状件将与两个相邻的极的中心对齐，每个相C的指状件将与对齐相A的那些极相反的极对齐，且每个相D的指状件将与对齐相B的那些极相反的极对齐。

相应地，本发明的总的目的在于提供改进的步进电动机。

另一个目的在于提供改进的永磁型步进电动机。

这些和其他目的和优点将从前面和下面书面的说明、附图和后面的权利要求中变得显而易见。

附图说明

图1是改进的三引线、星形连接、三相、1.5°每步、双极步进电动机的第一形式的示意横截面图，该电动机具有八十个交替磁化的转子极和二十四个等间隔的定子齿，在每个定子齿上具有两个指状件。

图2是表示图1所示的步进电动机的定子齿上的物理布线图的示意图。

图2A是在图2中指示的圆内的部分的放大视图。

图2B是用于图2中所示的形式的示意电布线图。

图2C表示用于图2A中所示的替换转子，用于减小磁体中的磁强变化的技术，以建立具有更恒定的无动力峰值定位转矩、动力峰值定位转矩和峰值运行转矩的转子。

图3如图1中那样，是改进的三引线、星形连接、三相、1.5°每步、双极步进电动机的第二形式的示意横截面图，该电动机同样具有八十个交替磁化的转子极，但是具有十五个等间隔的定子齿，在每个定子齿上有三个指状件。

图3A是在图3中指示的圆内的部分的放大视图。

图4是两相或四相步进电动机的示意横截面图，该电动机具有一百二十个交替磁化的转子极和十六个等间隔的定子齿，在每个定子齿上有三个指状件。

图4A是在图4中指示的圆内的部分的放大视图。

图5是表示在五引线、四相、1.5°每步、双极步进电动机的图4的步进电动机上的物理布线图的示意图。

图5A是在图5中指示的圆内的部分的放大视图。

图5B是用于图5中所示的形式的示意电布线图。

图6是表示在四引线、两相、1.5°每步、双极步进电动机的图4相同的步进电动机上的物理布线图的示意图。

图6A是在图6中指示的圆内的部分的放大视图。

图6B是用于图6中所示的形式的示意电布线图。

图7是大致类似于图4的两相或四相步进电动机的另一个形式的示意横截面图，该电动机具有一百二十个交替磁化的转子极和十六个等间隔的定子齿，在每个定子齿上具有四个指状件。

图8是三相步进电动机的示意横截面图，该电动机具有如同图4和7的转子，该转子具有一百二十个交替磁化的转子极，但是具有十八个等间隔的定子齿，且在每个定子齿上具有三个指状件。

图9是如同在图8的三引线、三相、1.0°每步、双极步进电动机中的定子齿上的示意物理布线图。

具体实施方式

在开始处需要清楚地理解的是，在所有几个附图中，类似的参考数字旨在一致地表示相同的结构元件、部分或表面，因为这样的元件、部分或表面可能通过整个书面说明而进一步描述或解释，该详细的说明是完整的部分。除非另外地指出，附图旨在结合说明阅读(例如剖面线、部件的设置、比例、度等)，并认为是本发明整个书面说明的一部分。如在下面的说明中使用的，术语“水平的”、“竖直的”、“左”、“右”、“上”和“下”，以及其形容词和副词派生词(例如“水平地”、“向右地”、“向上地”等)，简单地指所示结构的方位(在特定的附图面对读者时)。类似地，术语“内部地”和“外部地”总体指表面相对于其合适的伸长轴线或旋转轴线的方位。

为了实现高的运行转矩，同时保持高的动力和非动力定位转矩，如在这里公开的，开发了新的永磁型步进电动机。

公开了许多不同形式的改进的步进电动机。第一形式公开在图1、2、2A、2B和2C中；第二形式在图3和3A中；第三形式在图4和图4A中；第四形式在图5、5A和5B中；第五形式在图6、6A和6B中；第六形式参考第一和第四形式；第七形式在图7中；而第八形式在图8和9中。

这些不同的形式示出1.5°每步的分度运动对于两相、三相和四相双极或单极电动机驱动器是如何实现的。这些形式也示出具有一百二十个交替磁化极的同一转子如何能够用于两相、三相和四相电动机。单个形式将示例定子齿能够设计为具有两个、三个、四个或更多个指状件。这些形式还将示出电动机激励顺序和具有四个、五个、六个和八个引线构造的线圈，这些普遍地用于可变磁阻型、混合型和永磁型步进电动机中。

尽管这里只示例了用于两相、三相和四相步进电动机的八十和一百二十个极的转子，但是其他的形式，例如那些在表1中列出的，为步进电动机设计领域中的本领域技术人员容易地理解。

在转子外周表面上所需的磁极数通过需要的步进角度、相数和电动机驱动器构造而确定。北极和南极磁极的数量必须相等。相邻的北极和南极磁极示意性地在附图中示出，分别指向里面和外面的相邻的极的径向的箭头指示相反的极性。因此，由于北极和南极磁极的数量是相等的，转子极的总数量必须是偶数整数。

对于双极电动机驱动器，转子极的数量必须是如下等式确定的偶数整数：

(4)

例如，对于通过双极驱动器驱动的三相、1.5°每步的步进电动机，所需的转子极数量是：360°/(3×1.5°)＝80。这个例子在图1和3的设计中示出。

对于通过双极驱动器驱动的两相、1.5°每步的步进电动机，所需的转子极数量是：360°/(2×1.5°)＝120。这个例子在图4和7的设计中示出。

对于单极电动机驱动器，转子极的数量必须是从如下等式确定的偶数整数：

(5)

例如，对于通过单极驱动器驱动的四相、1.5°每步的步进电动机，所需的转子极数量是：2×360°/(4×1.5°)＝120。这个例子在图4和7的设计中示出，在没有线圈的情况下，这些设计是与上述两相例子的设计相同的设计。

上面三个例子示范了对于通过两相和三相双极电动机驱动器和四相单极电动机驱动器驱动的1.5°每步的电动机所需的转子极的数量。

所有磁极可以围绕着转子相等地间隔开，其中相邻的极指向相反或交替磁化的方向，并能够用粘合到支撑转子的表面的预先磁化的元件制造，这些元件可以由软磁钢、铁心硅钢叠片或这些材料的不同组合制成。可选地，磁极可以由施加到转子外表面的未磁化的磁性材料制成，并本地磁化以具有交替的极性。然而，只有有限数量的极能够通过该方法在转子外表面上磁化，大量的极将使得该方法或者不可能或者不实际。

通过在转子支撑件上的磁体槽获得的相邻磁极之间充足的间隔可以分配为使得相等间隔的极能够容易地获得。在相邻磁体极之间没有间隔，例如那些在之前的美国专利第6329729和6657353号中示出的，这将使得相等地间隔开的极难以实现，因为极间隔依赖于磁体的宽度。甚至，如果转子制成为没有极间隔，如在上述专利中所示的，将由于磁体变化而难以获得恒定的峰值动力和无动力的定位转矩和恒定的峰值运行转矩。

在大直径转子上的少量的磁极将在相邻磁极之间留下空的间隔，从而使得步进电动机不太紧凑。另一方面，在小直径转子上的大量的磁极将要求薄的磁体，使其制造不实际。

表1列出了用于双极和单极电动机驱动器的、根据前面的等式(1)和(2)计算得出的一些选择的转子极、步进角度和相关系。分数的步进角度在计算中是不可避免的，但是可以出于实际理由(例如分数角度的机械加工或技术精度)而避免。

表1

对于相同数量的5转子极和相，具有双极电动机驱动器的步进电动机以具有单极驱动器的步进电动机的一半的角度步进。相反地，为了实现相同的步进角度，具有单极驱动器的步进电动机需要的转子极是具有双极驱动器的步进电动机所需的转子极的数量的两倍。

用于双极和单极电动机驱动的每相定子齿的最大数量，m，必须满足等式：

(6)

其中，在该表达式中，int(x)是整数函数，其返回自变量(x)的整数部分。该等式可以简化为：

(7)

在给定定子齿上的两个相邻指状件之间的距离必须使得当指状件与转子极对齐时，它们必须与相同极性的转子极对齐。因此，在上述等式(6)和(7)中，

[2×(每个定子齿的指状件数量)-1]

的表达式是由每个定子齿覆盖的转子极的总数。

对于具有每定子齿两个指状件的三相、1.5°每步、八十个极、双极步进电动机，每相的最大定子齿数是(之前的等式7)：

(8)

因此，定子齿的最大数是：

(9)max.定子齿数＝(3相)×(8齿/相)＝24齿。

该例子在图1的设计中示出。

对于相同的三相、1.5°每步、八十个极、双极步进电动机，但是具有每定子齿三个指状件，每相的最大定子齿数是：

(10)

因此，定子齿的最大数是：

(11)max.定子齿最大数＝(3相)×(5齿/相)＝15齿。

该例子在图3的设计中示出。

对于具有每定子齿四个指状件的四相、1.5°每步、一百二十个极、单极步进电动机设计，每相的最大定子齿数是：

(12)

因此，定子齿的最大数是：

(13)max.定子齿数＝(4相)×(4齿/相)＝16齿。

该例子在图7的设计中示出。

可选地，采用定子齿的最大数和指状件数，只要满足等式(7)。图1和3都表示具有相同的八十个交替磁化转子极的三相步进电动机。图1的设计采用具有二十四个相等间隔的齿和在每个齿上有两个指状件的定子。然而，图3的设计采用具有十五个相等间隔的齿和在每个齿上有三个指状件的定子。显然的是，图3的设计也可以在十五个等间隔的定子齿的每个上采用两个指状件。类似地，图4和7都表示两相或四相步进电动机，其具有相同的一百二十个交替磁化的转子极和十六个等间隔的定子齿。图7中所示的设计在每个定子齿上具有四个指状件，而图4中的设计在每个定子齿上具有三个指状件。

如果线圈首先缠绕在芯轴上然后传送到定子齿上的话，则定子齿数和在每个齿上的指状件数的选择将影响电动机定位转矩、电动机运行转矩和线圈阻抗。对于相同的两相或四相、1.5°每步的步进电动机，具有四个指状件的图7所示的设计将比具有三个指状件的图4所示的设计具有更大的无动力定位转矩。然而，如果线圈缠绕在芯轴上然后传送到定子齿上的话，用于图7所示设计的所需的线圈端转弯长度将比图4所示设计的要大。这导致图7的线圈比图4的线圈具有更大的相阻抗。

这些不同的形式将在下面逐一讨论。

第一形式(图1、2、2A、2B和2C)

在图1中总体指示为20的三引线、星形连接、三相、1.5°每步、双极步进电动机设计比相同相阻、机械尺寸和无动力定位转矩的Schaeffer型步进电动机(例如见上文的美国专利第4190779号和第4315171号)产生多几倍的转矩，该Schaeffer型步进电动机由Schaeffer Magnetics/Moog Inc.在最近三十年中生产。

图1表示三相步进电动机20的横截面图，其具有八十个交替磁化的转子极，某些指示为21，并具有二十四个等间隔的定子齿，某些指示为22。每个定子齿具有两个指状件，某些指示为23。定子上的普通的安装凸缘和普通的安装孔以及转子上的轴对于这里示例的所有电动机是相同的。定子和安装凸缘(它们对于这里公开的所有其它电动机是也相同的)可以由一片固体软磁钢制成，用于小步进速率应用。也可以以铁心硅钢叠片材料层叠并/或安装在结构外壳里面，用于高步进速率应用。

图2表示在如图1中所示的具有八十个转子极和二十四个定子齿的星形连接、三引线、三相、1.5°每步、双极步进电动机的定子齿上的物理布线图。由于具有二十四个定子齿和三个相，因此每个相具有八个串联的线圈。有六个激励状态。连续的步进要求重复这六个激励状态。在每个激励状态，具有相同极性的两个终端连接在一起，导致两个线圈中从系结中心(也即A2、B2和C2)到两个终端的平行的电流路径。该激励顺序在表2中示出：

表2

从状态1到6的次序的该激励顺序将导致转子在图2中以顺时针(“CW”)方向旋转。上述激励顺序的逆转将导致转子在图2中以逆时针(“CCW”)方向旋转。类似地，如图2和2A所示，在每个定子齿上的缠绕方向逆转到相反方向将导致旋转方向逆转。

图2A表示图1和2中所示的转子极、定子齿和物理线圈之间的物理关系的靠近视图。当相A的定子指状件对齐一个极性的转子极时，每个相B或相C的定子指状件将与对齐相A的那些转子级的极性相反的转子极的前边缘(或后边缘)或者后边缘(或前边缘)对齐。这样，三个不同定位的定子齿(每相一个)相对于转子极而产生。因此，二十四个等间隔的定子齿是三个不同定位的定子齿的八次重复。这样的定子指状件和转子极的对齐对于这里公开的所有三相步进电动机都是需要的，用于旋转的、线性的、局部的或部分的、逆的和轴向的气隙形式。

磁强度中的变化将引起峰值动力和无动力的定位转矩的变化和电动机峰值运行转矩的变化。图2C表示在磁体中减小磁强度变化的技术，以建立具有更恒定峰值动力和无动力的定位转矩和峰值运行转矩的转子。对比于在图2A、3A、4A、5A和6A中所示的转子的靠近视图，图2C中在软磁钢或层叠的铁心硅钢叠片转子支撑件上的磁体凹槽更深和更宽。

图2B是具有共同系结中心的星形连接线圈的电布线图。

第二形式(图3和图3A)

图3表示另一个三相步进电动机的横截面图，该步进电动机总体指示为30，类似于图1、2和2A所示的设计，具有相同的八十个交替磁化的转子极(某些指示为31)，但是具有十五个等间隔的定子齿(某些指示为32)，在每个定子齿上具有三个指状件(某些指示为33)。如图3A中所示，具有三个相对于转子极不同定位的定子齿，每相一个。因此图3中的十五个等间隔的定子齿是那些三个不同定位的定子齿的五次重复。因此，物理和电布线图是基于如图2、2A和2B中讨论的相同的原理，这里略去。

第三形式(图4和4A)

图4表示两相或四相步进电动机的横截面图，该步进电动机总体指示为40，具有一百二十个交替磁化的转子极(某些指示为41)，和十六个等间隔的定子齿(某些指示为42)。每个定子齿具有三个指状件(某些指示为43)。图4A表示在转子极和定子齿中的物理对齐关系的靠近视图。详细的对齐关系将在下面结合物理布线图做出解释。

第四形式(图5、5A和5B)

图5表示在五个引线、四相、1.5°每步、单极步进电动机的图4的定子齿上的物理布线图，该步进电动机总体指示为50，具有一百二十个转子极(某些指示为51)，和十六个定子齿(某些指示为52)，每个定子齿具有三个指状件(某些指示为53)。每相具有四个串联的线圈。有四个激励状态，每相一个。中心抽头(CT)电压可以是正的或负的，其中激励表只示出了在中心抽头上的正电压极性。

该激励顺序示出在表3中：

表3

从状态1到4的次序下的激励顺序将导致转子在图5中以顺时针(“CW”)方向旋转。上述激励顺序的逆转将导致转子在图5中以逆时针(“CCW”)方向旋转。类似地，如图5和5A中所示，在每个定子齿上的缠绕方向逆转到相反方向将导致转子旋转方向逆转。

图5A表示图5中转子极、定子齿和物理线圈中的关系的靠近视图，用于四相、1.5°每步、单极步进电动机，总体指示为50。该布置具有一百二十个转子极(某些指示为51)，十六个定子齿(某些指示为52)，和每个齿具有三个指状件(某些指示为53)。当在定子齿上的相A指状件与转子极对齐时，每个相B指状件将对齐在两个相邻极的中心，每个相C的指状件将与对齐相A的那些极相反的极对齐，而每个相D的指状件将与对齐相B的那些极相反的极对齐。这样，四个不同定位的定子齿(每相一个)相对于转子极产生。因此，图5中十六个等间隔的定子齿是那些四个不同定位的定子齿的四次重复。图5A中这样的定子指状件和转子极的对齐对于这里公开的所有四相步进电动机都是需要的，用于旋转的、线性的、局部的或部分的、逆的和轴向的气隙形式。

图5B是具有共同中心抽头的图5的电布线图。另一种普遍采用的四相单极电动机驱动器需要带两个中心抽头的六个引线。例如在图5和5B中，这能够这样实现，通过连接A2和B2到一个中心抽头，和连接C2和D2到另一个中心抽头。这两个中心抽头起着如同图5B中所示的一个中心抽头相同的功能。四状态激励极性顺序保持与表3相同，但是具有额外的中心抽头。

第五形式(图6、6A和6B)

图6表示在四个引线、两相、1.5°每步、双极步进电动机构型的图4和图4A的定子齿上的物理布线图，该步进电动机总体指示为60，具有一百二十个转子极(某些指示为61)，十六个定子齿(某些指示为62)，每个齿具有三个指状件(某些指示为63)。激励顺序示出在表4中：

表4

从状态1到4的次序下的激励顺序将导致转子在图6中以顺时针(“CW”)方向旋转。上述激励顺序的逆转将导致转子在图6中以逆时针(“CCW”)方向旋转。类似地，如图6和6A中所示，在每个定子齿上的缠绕方向逆转到相反方向将导致转子旋转方向逆转。

图6A表示图6中转子极、定子齿和线圈中的关系的靠近视图，用于两相、1.5°每步、双极步进电动机，图6A表示图6中转子极、定子齿和线圈中的关系的靠近视图，用于两相、1.5°每步、双极步进电动机，总体指示为60。该布置具有一百二十个转子极(某些指示为61)，十六个定子齿(某些指示为62)，且每个齿具有三个指状件(某些指示为63)。当在定子齿上的相A指状件与转子极对齐时，每个相B指状件将对齐在两个相邻转子极的中心。下一个相A的指状件将与对齐相A的那些极相反的极对齐，而下一个相B的指状件将与对齐相B的那些极相反的极对齐。当布线为如图6所示，相A为+A、-A、+A、-A等的形式，相B为+B、-B、+B、-B等的形式时，两个不同定位的定子齿(每相一个)相对于转子极而产生。因此，图6中十六个等间隔的定子齿是图6A中那些两个不同定位的定子齿的八次重复。这样的定子和转子极的对齐对于这里公开的所有两相步进电动机都是需要的，用于旋转的、线性的、局部的或部分的、逆的和轴向的气隙形式。

在上述三类物理布线图的示例中，图2和2A用于三相，图5和5A用于四相，而图6和6A用于两相，用于每相的每个齿上的布线方向由转子极的极性确定，所述转子极与用于每相的定子齿指状件对齐。例如，在图2中，在用于相A的所有八个定子齿上的定子指状件与相同的转子极极性对齐，因此，用于所有八个定子齿的布线方向是相同的。相B或C是这样的。图5也是相同的布线方向。然而，图6中所示的相A的布线图每隔一个齿要求逆向，因为对于相A，转子极极性每隔一个定子齿而改变。相B也是这样的。

第六形式

八个引线(每相两个)的构造可以制成为没有中心抽头(相反于图5、5A和5B所示的中心抽头)，致使更加灵活，以便作为单极或双极电动机四相电动机来驱动。类似地，对于三相电动机，六个引线(每相两个)可以制成为没有系结中心(相反于图2和2B中所示的系结中心A2、B2和C2)，致使更多的电动机驱动灵活性，以便作为单极或双极电动机三相电动机来驱动。

根据用于上述四相电动机的表1，八个引线的双极驱动方案将产生0.75度/步的步进角度，是由单极驱动器产生的步进角度的一半。类似地，对于上述三相电动机，六个引线的单极驱动方案将是双极驱动方案的步进角度的两倍。

第七形式(图7)

图7是两相或四相步进电动机的另一种形式的横截面图，总体类似于图4，同样具有一百二十个交替磁化的转子极和十六个等间隔的定子齿，但是每个定子齿上具有四个指状件。物理和电布线图以及激励极性顺序相同于那些在用于四相的图5、5A、5B中所示和用于两相电动机的图6、6A和6B中所示的物理和电布线图以及激励极性顺序。

第八形式(图8、9)

图8表示三相、1.0°每步、双极步进电动机的横截面图，其总体指示为80，具有与图4和7中相同的转子，该转子具有一百二十个交替磁化的转子极(某些指示为81)，但是具有十八个等间隔的定子齿(某些指示为82)。每个定子齿具有三个指状件(某些指示为83)。

图9表示Y连接、三引线、三相、1.0°每步、双极步进电动机的物理布线图，该步进电动机具有一百二十个转子极和十八个定子齿，如图8中所示。每个相具有六个串联的线圈。该电线图与在图2B中所示的那些相同，而激励极性顺序与表2所示的相同。

所有上面的例子示出定子齿是等间隔的，定子齿的数量是相数的整数倍(例如，等式6)。然而，步进电动机可以设计为(但是不推荐)具有不等间隔的定子齿，或者定子齿的数量不是相数的整数倍。例如，四相、3.0°每步、六十个转子极、单极步进电动机能够设计为具有十六个定子齿和每个定子齿两个指状件，以满足定子齿指状件和转子极的对齐要求，如上文在段落[0075]以及下文中所述的。在该设计中，定子齿中具有十五个21.0°的间隔和一个45.0°的间隔。该设计具有两个大的缺点。一个是由于定子齿不相等的间隔引起的不均匀的峰值无动力和动力的定位转矩。另一个是在45.0°齿间隔位置处定子缠绕空间的浪费。在具有45.0°齿间隔位置处增加额外的定子齿，这使得定子具有十七个齿和在定子齿中十六个21.0°的间隔和一个24.0°的间隔，将改进不均匀的峰值无动力和动力定位转矩，但是额外的定子齿不用于线圈。因此，不推荐具有这些定子齿数量的设计，其中定子齿不等间隔，或者不是相数的整数倍。例如，上述四相、3.0°每步、六十个转子极、单极步进电动机能够设计为具有八个等间隔的定子齿，每个定子齿具有三个指状件。

所有上述例子和等式3、6和7示出，在给定定子齿上的两个相邻指状件之间的距离是这样的，当指状件与转子极对齐时，它们将与相同极性的极对齐。这意味着相反极性的转子极将在两个相邻的指状件之间被跳过。然而，齿指状件能够设计为(但是不推荐)，对于这里公开的步进电动机不具有这样的极跳跃。例如，图1中每个定子齿两个指状件的设计可以是每个定子齿三个指状件的设计，其在现有的两个指状件之间中具有一个额外的指状件。该额外的指状件将与图1中对齐两个指状件的转子极相反的转子极对齐。类似地，图4中每个定子齿三个指状件的设计可以是具有两个额外指状件的每个定子齿五个指状件的设计。对比于这里公开的优选实施方式，这样的具有额外指状件的设计具有三个缺点。首先，由于转子极和定子齿指状件中的磁短路，产生非常高的无动力定位转矩。第二，由于在转子极和定子指状件中的磁通量的取消，产生非常低的动力定位转矩和运行转矩。第三，并且可能是最重要的是，由于非常高的无动力定位转矩之间和非常低的动力和运行转矩的混合，步进电动机可能在步进尺寸方面不规则地步进。因此，定子齿指状件不应当互相间隔开以与相反极性的转子极对齐。而是，它们应间隔开以与相同极性的转子极对齐。

具有五个或更多个相的步进电动机，尽管如在表1中列出那样，对于五相转子极是可能的，但是没有在这里示例，因为它们很少采用，这是由于它们相对于通常采用的两相、三相或四相电动机驱动器的高的电动机驱动器成本。

采用本发明设计理念的线性步进电动机是特定的情况。通过打开步进电动机并拉直定子和转子，旋转步进电动机变为了线性步进电动机。然而，线性步进电动机没有在这里示例，因为这样的事实，定子齿指状件和转子极的对齐、电布线图和激励极性顺序与这里对于旋转步进电动机所公开的那些保持相同。定子齿指状件和转子极中的对齐、电部线图和激励极性顺序分别在上面示出：(a)段落[0067]以及以下的段落、图2B和表2，用于三相双极步进电动机；(b)段落[0075]以及以下的段落、图5B和表3，用于四相单极步进电动机；和(c)段落[0079]以及以下的段落、图6B和表4，用于两相双极步进电动机。

基于本发明的原理的步进电动机设计的一些其他变化没有在这里示出。它们包括：(a)部分或局部步进电动机，其中只采用了整个360°定子和转子的一些部分；(b)具有逆的、旋转的和固定的元件的步进电动机，其中内部固定元件是定子，而另一旋转元件是转子；(c)具有轴向气隙的步进电动机，其中转子和定子都是平面形式，它们在共同的轴线上并排对齐。比较于在第一到第八形式中的圆形和径向气隙，轴向气隙设计对于转子极需要轴向磁化方向，而不是以在第一到第八形式中的径向方向，而定子齿和指状件设置为在轴向上面向转子极。在这些设计变化中，线圈方案和定子齿指状件和转子极的对齐将与上面关于两相、三相和四相电动机讨论的那些保持相同。

双线线圈和冗余线圈还有的其他特征，其能够容易地应用于所有上述线圈方案。它们没有在这里示例，因为他们是普通的缠绕技术，只是对上面公开的线圈方案有微小的变化。

采用固体软磁钢以制造具有齿的单件固体定子堆叠，或者甚至制造单件固体定子外壳和齿，这是另一个特征，其能够在这里公开的本发明中用于小步进速率的应用。固体软磁钢可以包括但是不限于模制的铁粉合成材料、低碳钢(例如美国钢铁协会(AISI)指定为1010、1015或1018钢等)、固体马氏体耐腐蚀钢(例如416不锈钢等)，或者固体高渗透性镍-铁或铁-钴合金等。那些固体软磁钢不同于普通采用的用于高频磁路应用的铁心硅钢叠片材料(例如AISI M-15、M-19等)，或者高渗透性的镍-铁或铁-钴合金等。那些固体软磁钢对于磁设计者来说，已知用于低频应用，其中涡流和磁滞损失是不显著的。该特征已经证明对于低步进速率的电动机和致动器是非常有用的，因为其排除了去叠片问题，降低了成本(尤其当采用普通的1018低碳钢或416不锈钢的时候)，并简化了制造工艺。

基于上述说明，本发明与现有技术(例如参见在前的美国专利第4190779和4315171号)的主要区别在于定子设计，并可以总结如下：(a)本发明中的定子齿是等间隔的，其中在现有技术中的定子齿被分组成段，所述段通过通常的定子齿间隔和额外的角度(典型地，一个步进角度)而间隔开；(b)通过相等的定子齿间隔，相比在现有技术中所公开的那些步进电动机，本发明的步进电动机产生更加恒定的峰值无动力定位转矩和动力定位转矩；(c)本发明在定子齿上采用指状件，而现有技术中没有；(d)对于小步进角度，本发明采用比现有技术中所需的更少的定子齿；(e)通过更少的定子齿，本发明的设计具有更多空间用于提高每相的匝数，或以用于线圈的粗口径的线而减小相阻，同时保持每相的匝数，并且因此增加电动机转矩或转矩密度；(f)通过定子中更多的空间，本发明中的定子齿能够比现有技术中的那些更厚，因此更坚固，改进步进稳定性、精确性和制造能力；(g)通过更少的定子齿，每个本发明的设计的定子质量将比现有技术中的更小，以及(h)通过更少的定子齿和相等的磁间隔，缠绕工艺将比现有技术的更容易。

本发明和现有技术之间的另一个区别是深的和更宽的槽的转子支撑件设计，以减小转子磁体中磁强的变化，从而建立更加恒定的峰值无动力和动力定位转矩和峰值运行转矩。

此外，工作建立了转子极、定子齿和指状件、步进角度、相和双极或单极驱动器构造之间的关系，即上面等式1、2和3。已经示范了对于两相、三相和四相，且具有三个、四个、五个、六个或八个引线的步进电动机的缠绕方案，和对于其他商业型步进电动机普通的驱动极性顺序，以及用于可变阻抗型、混合型和永磁型的双极或单极电动机驱动器。

因此，尽管改进的步进电动机的许多实施方式已经示出和描述，并且讨论了某些改变和变形，本领域技术人员将容易理解的是，不同另外的改变和变形可在不脱离本发明精神的情况下进行，如同通过下面的权利要求所限定和区分的那样。

Claims (12)

1.具有可动元件和固定元件的永磁型步进电动机，包括：

在所述可动元件和固定元件其中一个元件的表面上的多个磁极，相邻的磁极具有相反的极性，磁极的数量随常数、相数和需要的步进间距而变；和

在所述可动元件和固定元件中的另一个元件上的多个等间隔的齿，所述齿设置为面向所述其中一个元件的表面，所述齿中的每个具有设置为面向所述其中一个元件的表面的多个指状件，所述齿的数量是完整的整数，该整数随常数、所述磁极的数量、在每个齿上的指状件的数量和相数而变；且

其中所述指状件互相间隔开，从而使得在任何给定齿上的指状件将与相同极性的磁极对齐，

其中所述其中一个元件是具有外表面的转子，所述另一个元件是定子，其中所述需要的步进间距是需要的步进角度，且所述齿围绕着所述定子圆形地间隔开，以面向所述转子的外表面，

其中每相的定子齿的最大数量m通过以下等式确定：

其中该表达式中，int（x）是整数函数，其返回其自变量（x）的整数部分。

2.根据权利要求1所述的永磁型步进电动机，其中用于单极电动机驱动器的转子极的数量是从以下等式确定的偶整数：

3.根据权利要求1所述的永磁型步进电动机，其中用于双极电动机驱动器的转子极的数量是从以下等式确定的偶整数：

4.根据权利要求1所述的永磁型步进电动机，其中转子极围绕着所述转子的外表面相等地间隔开。

5.根据权利要求1所述的永磁型步进电动机，其中转子支撑件能够由固体软磁钢形成，或以铁心硅钢叠片堆叠，或由这些材料的组合形成。

6.根据权利要求1所述的永磁型步进电动机，其中所述齿围绕着所述定子相等地间隔开。

7.根据权利要求1所述的永磁型步进电动机，其中所述定子能够由固体软磁钢、铁心硅钢叠片或这些材料的组合形成。

8.根据权利要求1所述的永磁型步进电动机，其中所述转子和定子构建和布置为使得对于具有相A和相B的两相电动机，当在定子齿上的相A的指状件与转子极对齐时，每个相B的指状件将与两个相邻的转子极的中心对齐。

9.根据权利要求1所述的永磁型步进电动机，其中所述转子和定子构建和布置为使得对于具有相A、相B和相C的三相电动机，当相A的定子指状件与一个极性的转子极对齐时，每个相B和相C的定子指状件将与相反极性的转子极对齐。

10.根据权利要求9所述的永磁型步进电动机，其中如果每个相B的定子指状件与一相关的转子极的前边缘对齐，则每个相C的指状件与一相关的转子极的后边缘对齐。

11.根据权利要求9所述的永磁型步进电动机，其中如果每个相B的定子指状件与一相关的转子极的后边缘对齐，则每个相C的指状件与一相关的转子极的前边缘对齐。

12.根据权利要求1所述的永磁型步进电动机，其中所述转子和定子构建和布置为使得对于具有相A、相B、相C和相D的四相电动机，当在定子齿上的相A的指状件与转子极对齐时，每个相B的指状件将与两个相邻的磁极的中心对齐，每个相C的指状件将与对齐相A的那些磁极相反的磁极对齐，且每个相D的指状件将与对齐相B的那些磁极相反的磁极对齐。

Images