CN102239626B - 带有小步幅间隔的步进马达 - Google Patents

Abstract

一种改进的步进马达(90)总体上包括被安装成相对于彼此运动的第一构件(30)和第二构件(20)。第一构件具有基本等距间隔的多个极(32)。第二构件具有多个臂(22)。每个臂包括多个指状件(27)、永磁体(29)和线圈(25)。指状件被布置为使得它们的远端大体面对第一构件上的极。每个永磁体具有大于极的间距的宽度。每个臂与多个相中的一个关联。在特定相内的臂的指状件被布置为使得当第一和第二构件处于相对于彼此的一个位置时与各自的极同时对准。

Description

带有小步幅间隔的步进马达

技术领域

本发明总体上涉及电动马达，尤其涉及带有很小步幅间隔或增量的改进的步进马达。

背景技术

步进马达有三种一般的类型：可变磁阻型、混合型和永磁体型。使用适当的电动马达驱动器(即，控制器)，所有三种类型提供多种多样的角步进或分度运动和特性的能力。可以在线在由爱荷华大学的Douglas W.Jones编写的http://www.cs.uiowa.edu/～jones/step找到关于步进马达的控制的常用参考文献。

可变磁阻型(“VR型”)马达传统上构建有凸转子极和凸定子指状件(或齿)，但是不带有磁体。VR型马达因它缺少定位扭矩和低扭矩密度而众所周知。为了提高扭矩密度，混合型和永磁体型步进马达使用移动元件(例如，转子)和/或固定元件(例如，定子)上的永磁体(一个或多个)。从马达驱动器的观点来看它们是不可区分的。传统上，混合型步进马达的转子构建有在两个转子盘的中心的圆环形磁体，其导致从磁体到两个转子盘的基本轴向磁通流。

混合型步进马达的步幅间隔典型地为大约0.9°每步幅(即，对于每个转子盘具有100个转子极的马达)，或大约1.8°每步幅(即，对于每个转子盘具有50个转子极的马达)，甚至更大。与步进运动关联的固有机械共振随着步幅间隔和转子惯性而增加。对于更小的步幅间隔，转子尺寸必须增加以适应所需转子极的增加数量。这导致增加的马达尺寸、重量和成本。由于磁体的强磁力和易碎性质，用于混合型的转子的大圆环磁体的使用和操作会是有问题的。用于更小步幅间隔和更平滑步进运动的常规解决方案是使用微步马达控制器将步幅间隔从完整基本步幅减小到完整基本步幅的1/2、1/4、1/8、1/16，甚至更小的分数。然而，微步进因步幅间隔不相等和转子运动的不稳定抖动而众所周知。可以在US 2007/0013237 A1中找到微步进的全面综述。

涉及永磁体的各种步进马达设计源自极和磁体的磁路操作。在与该改进的马达相关的马达设计当中，Mastromattei(美国专利No.4,713,570)，Horber(美国专利No.4,712,028)和Gamble(美国专利No.4,728,830)提供了带有夹在定子指状件之间的永磁体的磁强化可变磁阻马达设计。Shibayama(美国专利No.6,262,508)使用定子和转子两者中的磁体来增加马达扭矩。Horst(美国专利No.6,777,842)使用定子臂内部的磁体来最小化磁体材料和制造成本。

然而，所有引用的现有技术设计中的永磁体与定子臂上的定子指状件(一个或多个)关联，并且每个定子指状件与转子极关联。由于小磁体的设计的限制，在设计具有很小步幅间隔(典型地需要大量转子极和定子指状件)的马达中使用以前述现有专利作为典型的马达设计是不可行的。

由Schaeffer(美国专利No.4,190,779和4,315,171)和由申请人(例如参见国际申请PCT/US08/010246)发明的步进马达具有在转子上的大量交替磁化磁体以提供小步幅间隔。对于两、三和四相马达，步幅间隔典型地为1.0°每步幅，1.5°每步幅，或更高。这些马达提供的优点在于不带电或带电高定位扭矩、用于小尺寸和重量的较短轴向马达长度、小转子惯性和转子上的大通孔解决方案。已发现这些马达在近三十年来在空间应用中取得很大成功，例如为太阳阵列驱动器供电、天线指向机构和其它导向、部署和定位系统。

当期望小步幅间隔和低的运动相关干扰时，转子极的所需数量急剧增加。例如，三相、1.5°每步幅、双极步进马达可以具有80极转子。然而，三相、1.0°每步幅、双极步进马达可能需要120极转子。在空间、半导体、打印设备和其它自动化领域中的高级应用可能需要现有技术的步进马达在机械尺寸和质量减小的情况下具有更加小的步幅间隔、更低的转子惯性、更平滑的步进运动、更高的分辨率和更大的步幅稳定性等。步幅间隔的进一步减小将需要容易断裂的很薄磁体，所以增加了制造成本和难度。

发明内容

用括号引用仅仅用于举例说明而不是作为限制的公开实施例的相应部件、部分和表面，本发明总体上提供了一种改进的电动马达。改进的马达90总体上包括被安装用于相对于彼此运动的第一构件30和第二构件20。第一构件具有沿着第一构件基本等距间隔的多个极31、32、33、34、37、38。第二构件20具有多个臂21、22、24。每个臂包括多个指状件27、28、永磁体29和线圈25。指状件27、28被布置为使得它们的远端大体面对第一构件上的极37、38。每个永磁体具有大于极间距的宽度。每个臂与多个相中的一个关联。在特定相内的臂的指状件被布置为使得当第一和第二构件处于相对于彼此的一个位置时它们同时与各自的极对准。

臂上的指状件可以被布置为使得当相组的指状件与任何所述各自极对准时，任何其它相组的指状件然后将不与任何所述各自极对准。每个永磁体可以布置在永磁体与其关联的臂上的某些指状件之间。

线圈可以共用公共接线端。在一个相中的线圈可以被配置为不接线到在另一个相中的线圈。每个永磁体可以相对于第一构件沿相同的方向被磁化。在给定臂中的每个永磁体可以沿与相邻臂中的永磁体相反的方向被磁化。

相的数量可以为二、三、四、五或更多。在三相马达中，线圈可以以Y形(“Y”)、Δ形或六引线构造被接线。三相马达可以被配置为遵循六态激励序列。

每个臂可以包括由模制铁粉复合物、固体软磁钢或电层叠材料形成的一部分。每个指状件可以具有多个永磁体。极的数量可以为至少两百五十个。臂可以由护铁23连接。

第一构件和第二构件可以被布置为相对于彼此围绕轴线旋转。第一构件可以相对于第二构件线性地移动。

臂可以沿着第二构件基本等距地被定位。每个相可以具有与它关联的相等数量的臂。每个线圈可以围绕它的关联臂相对于第一构件沿相同方向卷绕。第一或第二构件可以包含模制铁粉复合物、软磁钢或导电钢层叠物。马达可以被配置为由双极马达驱动器驱动。

对于三相马达配置，指状件可以被布置为使得当在第一相中的指状件的中心与关联极中心对准时，在第二相中的指状件的中心通过偏移与关联极的前缘基本对准，并且在第三相中的指状件的中心通过偏移与关联极的后缘基本对准，其中所述偏移可以小于极间距。

第一构件的极的数量是奇数。

根据本发明的一个方面，与现有技术认为需要的相反，相邻第二构件的指状件不与相邻第一构件凸极关联。在改进的马达的一些实施例中，两个相邻第二构件的指状件与由多个第一构件极间隔开的两个第一构件极关联。这允许带有用于小步幅尺寸的大量转子极(例如，250，300或更多)的马达的设计，但是使用在两个相邻第二构件的指状件之间的合适尺寸的永磁体。使用这样的设计，磁体尺寸可以大于一个第二构件的指状件节距。

根据本发明的另一个方面，与现有技术中需要的交替反向磁化相反，所有第二构件磁体的磁化方向可以相对于第一构件沿相同方向。

本发明的另一个方面提供了一种能够以基本步幅间隔的一半步进而不使用微步驱动器的马达。

根据本发明的另一个方面，利用本发明的设计思想的其它马达也是可能的，包括：(a)分段或部分步进马达，其中完整360°定子和转子的仅仅部分被使用；(b)带有反向旋转和固定元件的步进马达(即，其中内固定元件是定子，并且外旋转元件是转子)；和(c)带有轴向气隙(一个或多个)的步进马达，其中都采用平面形式的转子和定子在公共轴线上并排对准。

根据本发明的另一个方面，双线绕组和冗余绕组可以容易地实现而不脱离本发明的思想。通过一半马达使用初级绕组和一半马达使用冗余绕组而不使用并排形式的两个马达，可以机械地和电气地实现马达设计中的进一步冗余设计以减小尺寸和重量。

根据本发明的进一步方面，使用固体软磁钢(一个或多个)来制造整体固体定子堆，甚至制造整体固体定子外壳和堆以减小制造成本，可以在滞后和涡流效应极小的低步进速率应用中实现。

附图说明

图1是具有300个转子极、18个定子臂和18个永磁体的三相、双极、0.20°每步幅马达设计的第一形式的示意性横截面图。

图2A是三相、0.20°每步幅马达设计的另一种形式的示意性横截面图，该实施例具有300个转子极、36个定子臂和36个永磁体。

图2B是具有300个转子极、9个定子臂和9个永磁体的三相、0.20°每步幅的另一种形式的示意性横截面图。

图3是显示图1中所示的马达设计的定子臂上的物理接线图的示意图。

图4A是图3的一部分的放大断片详图，显示了转子极、物理绕组、定子磁体以及定子指状件和转子极的对准。

图4B是图4A的一部分的放大图，显示了转子极和定子指状件的对准。

图5是图3和4中所示的形式的示意性电接线图。

图6显示了图1-5中所示的步进马达设计的方形激励波形、激励序列、供电状态和旋转方向。

图7A是基于图2A中所示的步进马达设计的有限元分析模型的不带有绕组或没有电供应给绕组的磁通分布的断片示意图。

图7B是基于图2A中所示的步进马达设计的有限元分析模型的有电供应给绕组的磁通分布的断片示意图。

图8是扭矩(纵坐标)与旋转角(横坐标)的关系的示例性曲线图，并且显示了当按照图6供电时图1-5中所示的步进马达设计的示意性不带电和带电定位扭矩剖面。

图9A-9F是定子臂设计的第二形式的放大详图。

图10是具有250个转子极、30个定子臂和30个永磁体的三相、双极、0.24°每步幅马达设计的第三形式的示意性横截面图。

图11是图10中所示的步进马达设计的示意性物理接线图。

图12是图11中所示的结构的一部分的断片放大详图，显示了转子极、物理绕组、定子磁体以及定子指状件和转子极的对准。

图13是具有处于交替取向的磁体的改进的马达的另一种形式的示意性横截面图。

图14是扭矩(纵坐标)与旋转角(横坐标)的关系的示例性曲线图，并且显示了当用三态驱动器供电时图13中所示的步进马达设计的示意性不带电和带电定位扭矩剖面。

具体实施方式

在开始，应当清楚地理解相似的附图标记应当在若干附图中始终一致地指示相同的结构元件、部分或表面，原因是这样的元件、部分或表面可以由整个文字说明书进一步描述或解释，该详细描述是说明书的整体部分。除非另外指出，附图应当与说明书一起进行阅读(例如，画斜交平行线阴影、部件的布置、比例、度数等)，并且应当被视为本发明的整个文字描述的一部分。当在以下描述中使用时，术语“水平”、“竖直”、“左”、“右”、“上”和“下”以及它们的形容词和副词衍生词(例如，“水平地”、“向右”、“向上”等)简单地表示当特定附图面对读者时所示结构的取向。类似地，视情况而定，术语“向内”和“向外”通常表示表面相对于它的伸长轴线或旋转轴线的取向。

本发明总体上提供具有从可变磁阻型步进马达和永磁体型步进马达取得的特征和属性的改进的马达。

改进的马达总体上包括被安装用于相对于彼此运动的两个构件。两个构件可以被布置用于如图1中所示的旋转运动，图1显示了具有第一构件30和第二构件20的第一实施例90。在第一实施例90中，第二构件20被配置为定子，并且是固定的。第一构件30被配置为转子并且被安装以围绕由72标示的中心轴线旋转。两个构件也可以以其它配置被布置以提供不同类型的相对运动，例如线性移位。第二构件可以由模制铁粉复合物、固体软磁钢(一个或多个)、导电钢层叠材料(一个或多个)或这些材料的组合形成，带有或不带有附加支撑结构(一个或多个)。第二构件20具有围绕它的内表面布置的多个臂，例如臂22和24。改进的马达可以被设计为带有不同数量的臂，如图2A和2B中的实施例所示。通过改变臂的数量，可以调节马达运转扭矩与马达定位扭矩的比率。图2A中所示的马达具有36个定子臂和36个永磁体，而图2B中所示的马达仅仅具有9个定子臂和9个永磁体。在图2A所示的实施例中，有较少的空间用于绕组，但是永磁体比图1实施例中的更多。然而在图2B中的实施例中，有更多的空间用于绕组，但是永磁体比图1实施例中的更少。第二构件臂优选地围绕第二构件基本相等地被间隔。

如图3中所示，每个第二构件具有线圈或物理绕组，例如在臂22上的线圈25。在该实施例中，有三组臂，每个臂被标记为“A”、“B”或“C”。单个臂组也被称为相或相组。每个相的臂的数量优选地相等，从而实现相之间的电和性能平衡。在一个相中的所有线圈被电连接使得它们同时被供电。例如，在实施例90中，所有A线圈串联地被连接。A相的绕组线41开始于电接线端A1并且然后围绕臂21卷绕。相A绕组线41然后跳过臂22和24并且继续围绕下一个相A臂(臂26)卷绕。线41继续相对于第一构件30沿相同的顺时针绕组方向围绕每逢的第三个臂卷绕。在其它实施例中，线圈可以沿交替方向被卷绕。线圈可以首先在心轴上被卷绕并且然后被转移到臂上。每个相的绕组可以被电连接以共用公共接线端。例如，在图3所示的实施例中，在A2，B2和C2之间有连接(在图5中也被显示为三引线Y形(“Y”)连接)。备选地，三相实施例的相可以在三引线Δ形连接中被连接。相可以被布置为在相之间没有连接，每个相产生两个引线，例如三相实施例的六引线构造。

图4A显示了图1中所示的马达的右下象限的放大图。图4B是图4A中的定子臂和转子极的进一步放大图。沿着第一构件30的一个表面布置有多个极，例如极32，34，37和38。极通常被定义为磁导率大于1的区域。第一构件极相等地被间隔并且具有相同的形状。在实施例90中，极为在第一构件上朝着第二构件延伸的大体矩形突出部，在两个相邻极之间有狭槽。可以更好地帮助磁通流的交替狭槽形状(例如倒角、方形、圆形、卵形等)未在本文中示出，原因是它们是该改进的马达所属领域的技术人员通常能够想到的。在图2A和2B中，在每个定子臂上显示有两个耳部。这些耳部提供用于将绕组固定在狭槽内部的机械特征。

第一构件可以由模制的铁粉复合物、固体的软磁钢(一个或多个)、导电的钢层叠材料(一个或多个)或这些材料的组合形成，带有或不带有附加支撑结构(一个或多个)。第一构件可以由这样的材料(一个或多个)制造为整体。第一构件也可以由这样的材料(一个或多个)的套筒制造，所述套筒用轻框架支撑以减小第一构件重量和惯性。

每个臂具有被布置为面对转子极的多个指状件。指状件的远端被定义为最靠近第一构件的指状件的一端。指状件广义地被定义为臂上磁导率大于1的突出区域。例如，在图4A所示的实施例90中，每个臂具有两个指状件，臂26具有指状件27和28，所述指状件被布置为分别面对第一构件极37和38。每个臂也具有与其关联的至少一个永磁体。在图4A和4B中的实施例90中，每个臂具有布置在它的两个指状件之间的一个永磁体，例如永磁体29。

指状件沿着臂被间隔使得给定臂中的每个指状件的中心将同时与各自转子极的中心对准。例如，在指状件51与极31对准的同时指状件53与极33对准。另外，给定相的所有臂中的指状件被间隔使得它们同时与各自第一构件极对准。例如，在图4A中，当相A臂26的指状件与极37和38对准时，相A臂21的指状件与极31和33对准。

在一个相中的臂将典型地使它们的指状件处于与其它相中的指状件不同的对准偏移。当第一构件相对于第二构件移动时，每个相的指状件将顺序地与各自极对准。

例如，如图4A所示的三相实施例中所示，当相A指状件与极对准时，每个相B和相C指状件将脱离与各自极对准。相B指状件具有相对于最近第一构件极的逆时针偏移，而相C指状件具有相对于它们的最近极的顺时针偏移。当第一构件30逐步地顺时针旋转时，相C的指状件将在两个步幅中与各自极对准，并且相B的指状件将在两个以上步幅中与各自极对准。

第二构件臂、永磁体和每个臂上的指状件的数量将影响马达定位扭矩、马达运转扭矩和绕组电阻。

极和指状件间距可以根据节距被定义。在旋转马达中，第一构件极节距是在相邻第一构件的极的中心的第一构件外径的表面宽度。对于线性步进马达，第一构件的极的节距是两个相邻转子极中心之间的线性距离。极沿着第一构件在每个连续整数倍的极节距被间隔。

对于线性步进马达，定子指状件节距等于转子极节距。对于旋转马达，指状件节距将与极节距成线性比例使得极和指状件对准。指状件节距是第一构件极节距乘以第二构件(定子)内径与在马达气隙的第一构件(转子)外径的比率的乘积。

[方程1]

不同于第一构件极，臂中的指状件可以不在连续整数倍的指状件节距被间隔，而是可以跳过多个位置以适应磁体宽度。例如，在图4B中，指状件51和53被放置为间隔是指状件节距的三倍。磁体宽度大于一个指状件节距，但是小于三个指状件节距。然而在图12中，磁体宽度被设计为适应两个指状件节距。所以，永磁体宽度可以大于一个指状件节距。这是将该改进的马达与需要磁体宽度小于一个指状件节距的现有技术区分开的一个特征。

第一构件极的数量根据常数、相的数量和预期步幅间隔被设计。双极马达驱动器的第一构件极的数量必须是从以下方程确定的偶数整数或奇数整数：

[方程2]

其中基本步幅角被定义为两个相邻基本定位位置之间的角。第一构件极在偶数或奇数配置中的使用是将该改进的马达与需要偶数数量的转子极的现有技术区分开的另一个特征。

表1列出了根据方程2计算的双极马达驱动器的一些选择的第一构件极数量、基本步幅角和相关系。分数基本步幅角在计算中是不可避免的，但是可以由于实际原因而避免，例如加工或分数角的技术精度。

表1

在实施例90-93中，每个永磁体沿从中心旋转轴线径向向外指向的方向被定向。备选地，每个磁体可以沿从中心旋转轴线径向向内指向的方向被定向。使所有永磁体沿相同取向的能力不同于需要交替永磁体取向的现有技术。定子臂的数量可以为偶数整数或奇数整数。当使用双极多态驱动器时，步幅角将为从方程3确定的基本步幅角的一半：

[方程3]

该步幅角是将该改进的马达与现有技术区分开的又一个特征。改进的马达在没有微步驱动器的情况下实现了基本步幅角的一半的微步进。

在实施例94中，相邻定子臂上的定子磁体沿交替方向，参考马达中心旋转轴线向内和向外被磁化。由于明显的原因定子臂的数量可以仅仅是偶数整数以允许带有向内磁化方向和向外磁化方向的相同数量的臂。实施例94可以用双极多态驱动器进行驱动使得步幅角将与基本步幅角相同：

[方程4] 步幅角＝基本步幅角

在本文中公开了带有小步幅间隔的步进马达的四种不同形式。在图1-8中公开了第一形式，在图9中公开了第二形式，在图10-12中公开了第三形式，并且在图13-14中公开了第四形式。

这些各种例子显示了具有臂的三相实现方式，所述臂带有夹在两个或以上指状件之间的一个或多个永磁体。例子也显示了在可变磁阻型、混合型和永磁体型步进马达中常用的马达激励序列和带有三引线构造的绕组。

尽管仅仅300和250极转子在本文中被示出用于三相步进马达，但是本领域的技术人员容易理解带有不同数量的极和相(例如表1中列出的那些)的马达。

第一形式(图1-8)

图1显示了带有300个相同转子极、18个等间隔定子臂和夹在每个定子臂上的两个定子指状件之间的18个永磁体的三相、0.20°每步幅(即，0.40°基本步幅尺寸)、双极步进马达的横截面图。定子和转子的轴上的通用安装凸缘和通用安装孔是本文中所示的所有马达通用的。对于本文中公开的所有其它马达也通用的定子和安装凸缘可以由模制铁粉复合物或固体软磁钢制造为整体以用于低步进速率应用。它也可以与导电钢层叠材料层合和/或安装在结构外壳内部以用于高步进速率应用。

图2A和2B显示了用于相同步进马达的两个设计变型。图2A中所示的马达具有36个定子臂和36个永磁体，而图2B中所示的马达仅仅具有9个定子臂和9个永磁体。图3显示了在如图5中所示的Y形(“Y”)连接中的定子臂中的线圈的物理接线图。由于有18个定子臂和三个相，因此每个相具有六个串联连接线圈。

图4A显示了图3中的一部分的放大图，显示了转子极、物理绕组、定子磁体以及定子指状件和转子极的对准。图4B是定子臂21的一部分以及关联转子极的进一步放大图。图4A和4B中所示的磁体宽度大于一个定子指状件节距，但是小于三个定子指状件节距。

改进的马达可以用若干类型的驱动器进行驱动。例如，改进的马达可以用双极多态驱动器进行驱动。图6显示了用于图1-5中所示的三相步进马达设计的六态双极驱动器的方形激励波形、激励序列和旋转方向。对于图1-5中的实施例，按照从状态1到状态6的顺序激励将导致沿顺时针方向的转子旋转。激励序列的反向将导致沿相反方向的转子旋转。类似地，每个定子臂上的绕组方向反向到相反方向将导致转子旋转的方向的反向。

图7A和7B显示了基于图2A中的一部分的有限元分析模型的磁通分布的两种情况。当没有绕组或绕组不带电并且处于开路时，如图7A中所示，臂和定子护铁23携带最少的磁通线。多数磁通线是独立的，并且在定子指状件、定子磁体和转子极之间形成闭环。然而，当电被供应到绕组时，取决于激励状态，由绕组生成的磁通线将增加或消除由定子磁体生成的磁通线。取决于马达位置和激励状态生成净旋转扭矩。通过在每个激励状态的多个旋转角对磁通进行有限元分析来评价由每个激励状态根据旋转角生成的扭矩。例如，图7B表示在给定转子角的激励状态的磁通分布。如图7B中进一步所示，每个指状件的几何形状有助于将来自指状件的磁通流再引导到第一构件极。缺口(例如75和76)可以布置在指状件旁边以帮助控制它们的形状和磁通分布。

图8示出了例如图1-4中的三相旋转设计的每个状态的不带电和带电扭矩与转子旋转的关系。不带电定位扭矩是当所有马达绕组不带电并且处于开路时的扭矩。不带电和带电定位剖面的波形是示例性的，并且本质上不是限制扭矩形成。实际波形可以具有与正弦波形重叠的更高阶谐波。在图8中显示了总共七个带电定位位置(零交叉点)，四个在横坐标上标记有大圆圈(即，在标记有“0”，“2”，“4”和“6”的位置)，并且三个未标记(即，在标记有“1”，“3”和“5”的位置)。四个圆圈标记位置也是在0.40°每步幅间隔的基本定位位置。基本定位位置是马达的停止和保持位置。绘制了每个状态的带电扭矩与旋转角的关系。曲线图的上部分上阴影区域(横坐标之上)显示了当转子沿顺时针方向旋转时在从状态1到状态6的六个状态的扭矩。在曲线图的下部分上的双阴影区域(横坐标之下)显示了当转子沿逆时针方向旋转时沿相反旋转方向在从状态6到状态1的六个状态的扭矩。

当马达在运转期间突然断电时，马达将仅仅停止和保持在标记有圆圈的四个基本定位位置中的一个(即，在标记有“0”，“2”，“4”和“6”的位置)。它将由于来自转子、定子或两者的马达负荷扭矩或滞后从三个未标记定位位置中的一个(带电定位位置；即，在标记有“1”，“3”和“5”的位置)退回到标记定位位置中的一个以停止和保持。也有可能大负荷惯性会迫使马达从三个未标记定位位置中的一个向前移动到标记定位位置中的一个以停止和保持。因此，如果开始位置为计数“0”，则偶数的步幅计数是马达基本定位位置，或停止和保持位置；然而，奇数的计数是带电定位位置。

第一形式马达设计在一个完整旋转中具有900个基本定位位置，但是将需要1800个步幅以完成一个完整的旋转一周。

第二形式(图9)

改进的马达的第二形式与第一形式共用相同的转子并且因此在一个完整旋转中具有900个基本定位位置，但是将需要1800个步幅以完成一个完整的旋转一周。

图9A-9F显示了与本发明的第一形式的图4B中的圆形定子臂比较的定子臂设计的放大示意性横截面图的六个例子。每个例子显示了定子臂、定子磁体(一个或多个)、定子指状件以及转子极和定子指状件的对准的不同形式。图9A显示了带有两个定子磁体的定子臂。每个磁体宽度大于一个指状件节距，但是小于三个指状件节距。两个磁体由两个定子指状件分离，在其间有狭槽。可以更好地帮助磁通流的交替狭槽形状(例如倒角、方形、圆形、卵形等)未在本文中示出，原因是它们是该改进的马达所属领域的技术人员通常能够想到的。每个定子指状件具有缺口以避免定子指状件和转子极之间的交迭以用于更好对准。图9B示出了分离两个磁体的三个定子指状件。图9C将图9A中的两个磁体增加到三个，并且图9E将定子磁体的数量增加到四。图9D在磁体的两侧具有比图9A和9B中所示的更多的定子指状件。类似地，图9F在每个磁体的两侧具有比图9A中所示的更多的指状件。

这些例子本质上是示例性的而不是限定性的。它们揭示了改进的马达的第一形式怎样可以扩展到每个定子臂使用一个或多个定子磁体。可以有分离和夹住定子磁体的一个或多个定子指状件。每个永磁体沿从中心旋转轴线径向向外指向的方向被定向。备选地，每个磁体可以沿从中心旋转轴线径向向内指向的方向被定向。磁体的数量、定子指状件的数量和定子臂的数量的组合可以多于图9中所示的那些而不脱离实施例的第一和第二形式的精神。实施例的第二形式的元件也可以适用于以下所述的实施例。

对于相同的马达尺寸，定子磁体的数量将改变马达运转扭矩和马达定位扭矩的比率。对于需要高运转与定位扭矩比率的应用，定子磁体的数量或磁体材料(磁体尺寸)的量需要被减小。相反地，对于需要高定位扭矩的应用，更多的定子磁体或磁通材料的增加量在定子臂设计中将是必要的。

第三形式(图10-12)

图10是具有250个转子极、30个定子臂和30个永磁体的三相、双极、0.24°每步幅(即，0.48°基本步幅尺寸)马达设计的第三形式的示意性横截面图。在图11中显示了在Y形(“Y”)连接中的步进马达的示意性物理接线图。在图5中显示了电气图。为了，在图12中进一步显示了图11中的结构的一部分的放大详图，显示了转子极、定子磁体、定子臂、定子臂上的物理绕组以及定子指状件和转子极的对准。第三形式具有750个基本定位位置，将需要1500个步幅以完成一个完整的旋转一周。

磁体宽度使得对于每个相A定子臂，在与两个定子指状件对准的两个转子极之间有一个转子极。所以，磁体宽度大于一个指状件节距，但是小于两个指状件节距。这与图4B中被夹在与相A定子指状件对准的两个转子极之间的两个转子极形成比较。由于图示中的磁体的宽度是两个定子指状件之间需要的宽度，因此与图4A，4B，7和9中所示的相反，没有交迭并且在定子指状件上不需要缺口。

当相A定子指状件与转子极对准时，每个相B或相C定子指状件将通过在前缘或后缘的偏移与关联转子极对准。因此，产生相对于转子极的三个不同的对准组(每个相一个)。所以三十个等间隔定子臂是三个不同定位定子臂的十次重复。

第四形式(图13和14)

图13是马达的右下象限的放大图，表示类似于图1和3中的第一形式中所示的实施例，区别在于定子臂上的磁体的磁化方向。相邻定子臂上的定子磁体参考马达中心旋转轴线向内和向外沿交替方向被磁化。物理绕组将与图3中所示的相同，其中每个相组中的所有定子臂的绕组方向应当相对于第一构件沿相同的顺时针或逆时针方向。

图11和12中的第二形式中的设计可以类似地实现为相邻臂上的磁体的磁化方向相反。当每个定子臂使用一个以上磁体时，如图9A-9C，9E和9F中的第二形式中所示，每个定子臂上的所有磁体应当沿相同的向内或向外方向被磁化。

图14示出了如图13中的部分视图所示的带有交替磁化的步进马达设计当使用三态驱动器时怎样可以在每个状态中形成扭矩。不带电定位和带电定位剖面的波形是示例性的，并且本质上不是限制扭矩形成。实际波形可以具有与如图14中所示的正弦波形重叠的更高阶谐波。

不带电定位剖面与用于图1和3中的设计的图8中所示的相同。在0.40°每步幅间隔总共有四个带电定位位置(零交叉点)，在横坐标上标记有大圆圈(即，在标记有“0”，“1”，“2”和“3”的位置)。这四个带电定位位置与四个基本定位位置重合。所以，马达将以0.40°每步幅的完整基本步幅尺寸步进。带有900个基本定位位置的图13中的设计将需要900个步幅以完成一个完整的旋转一周。

类似于图10和11中的第三形式中的设计，当相邻定子臂上的定子磁体参考马达中心旋转轴线向内和向外沿交替方向被磁化时，基本定位位置将与在0.48°间隔的带电定位位置重合。马达将以0.48°每步幅的完整基本步幅尺寸步进并且将需要750个步幅以完成一个完整的旋转一周。

当使用三态驱动器时，三个激励状态的重复将导致马达的连续旋转。具有如图6中所示的六态激励序列的常用步进马达驱动器可以作为三态驱动器用于驱动马达。

所述实施例中的所有以上例子表明定子臂相等地被间隔，并且定子臂的数量是相的数量的整数倍。然而，步进马达可以被设计为定子臂不相等地被间隔或者定子臂的数量不是相的数量的整数倍，只要第一构件极和第二构件指状件对准如上所述。然而，等间隔定子臂可能产生不均匀的峰值不带电和带电定位扭矩，减小马达扭矩密度，和浪费有用的绕组空间。

利用以上例子的设计思想的线性步进马达可以实现。通过打开旋转步进马达并且拉直定子和转子，旋转步进马达变为线性步进马达。尽管方程1不适用于线性实施例，但是第二构件指状件和第一构件极之间的对准、电接线图、激励极性序列和方程2-4依然与本文中公开的用于旋转步进马达的相同。

基于这些实施例的原理的步进马达设计的若干其它变型未在本文中说明。这些包括：(a)分段或部分步进马达，其中完整360°定子和转子的仅仅部分被使用；(b)带有反向、旋转和固定元件的步进马达，其中内固定元件是定子，并且其它旋转元件是转子；(c)带有轴向气隙(一个或多个)的步进马达，其中都采用平面形式的转子(一个或多个)和定子(一个或多个)在公共轴线上并排对准；和(d)用微步驱动器驱动的步进马达。与第一至第三形式中的圆形和径向气隙比较，轴向气隙设计需要磁体的轴向磁化方向而不是第一至第四形式中的径向方向，并且定子臂和指状件被布置为沿轴向方向面对转子极。在这些设计变型中，绕组方案以及定子指状件和转子极的对准将依然与上面三相马达所述的相同。

双线绕组和冗余绕组是可以容易地实现所有以上绕组方案的另外特征。通过一半马达使用初级绕组和一半马达使用冗余绕组而不使用并排形式的两个马达，可以机械地和电气地实现马达设计中的进一步冗余设计以减小尺寸和重量。

使用固体软磁钢(一个或多个)来制造带有臂和指状件的整体固体定子堆，甚至制造整体固体定子外壳、堆、臂和指状件，是可以实现本文中公开的改进的马达的低步进速率应用的又一个特征。所述软磁钢可以包括但不限于模制铁粉复合材料，低碳钢(例如，美国钢铁协会指定的1010，1015或1018号钢等)，固体马氏体耐腐蚀钢(例如416号不锈钢等)，或固体高磁导率镍铁或铁钴合金(例如等)，等等。那些固体软磁钢与常用的导电钢层叠材料(例如，AISIM-15，M-19等)，或用于高频磁路应用的高磁导率镍铁或铁钴合金等不同。磁设计者知道那些固体软磁钢用于涡流和滞后损失不明显的低频应用。该特征证明对于低步进速率马达和致动器是非常有用的，原因是它消除了层合堆叠过程和剥离问题，减小了成本(尤其当使用常用的1018号低碳钢或416号不锈钢时)，并且简化了制造过程。

基于以上描述，该改进的马达举例说明了马达怎样被设计为带有小步幅尺寸以用于常用的双极马达驱动器。尽管显示和描述了带有小步幅尺寸的步进马达的多个实施例，论述了它们的某些变化和修改，但是本领域的技术人员将容易理解可以进行各种附加变化和修改而不脱离在以下权利要求中限定和区分的本发明的精神。

Claims (26)

1.一种马达（90），其包括：

第一构件（30）；

第二构件（20）；

所述第一构件和第二构件被安装成能够相对于彼此运动；

所述第一构件具有多个极（31，32，33，34，37，38）；

所述多个极沿着所述第一构件（30）基本等距地间隔；

所述第二构件具有多个臂（21，22，24，26）；

每个所述臂（21，22，24，26）具有：多个指状件（27，28）、定位在所述指状件之间的永磁体（29）、以及绕在所述臂周围的线圈（25）；所述指状件（27，28）具有被布置成大体面向所述多个极的远端；每个永磁体（29）具有大于第一构件的极节距的宽度；

其中每个所述臂（21，22，24，26）与多个相中的一个相关联；

其中在特定相内的所述臂（21，22，24，26）的所述指状件（27，28）被布置成，在所述第一构件和第二构件相对于彼此处于一个位置时，与各自的极同时对准。

2.根据权利要求1所述的马达，其中所述指状件被布置成使得当一个相组的所述臂上的所述指状件与所述各自的极中的任何一个对准时，任何其它相组的所述指状件将不与所述各自的极中的任何一个对准。

3.根据权利要求1所述的马达，其中每个所述永磁体布置在所述臂上的与所述永磁体相关联的一些指状件之间。

4.根据权利要求1所述的马达，其中所有线圈共用公共接线端。

5.根据权利要求1所述的马达，其中在一个相中的所述线圈没有被接线到在另一个相中的所述线圈。

6.根据权利要求1所述的马达，其中每个永磁体相对于第一构件沿相同的方向被磁化。

7.根据权利要求1所述的马达，其中在给定的所述臂中的每个永磁体沿与相邻臂中的永磁体相反的方向被磁化。

8.根据权利要求1所述的马达，其中所述相的数量为三。

9.根据权利要求8所述的马达，其中所述线圈以Y形、Δ形或六引线构造被接线。

10.根据权利要求8所述的马达，其中所述臂被构造成遵循六态激励序列。

11.根据权利要求1所述的马达，其中所述相的数量为二、四或五。

12.根据权利要求1所述的马达，其中每个所述臂还包括由模制的铁粉复合物、固体的软磁钢或导电的层叠材料形成的一部分。

13.根据权利要求1所述的马达，其中每个所述指状件被构造成作为凸极。

14.根据权利要求1所述的马达，其中每个所述臂包括多个永磁体。

15.根据权利要求1所述的马达，其中所述多个极的数量为至少两百五十个。

16.根据权利要求1所述的马达，其中所述臂由护铁连接。

17.根据权利要求1所述的马达，其中所述第一构件和所述第二构件被布置为相对于彼此围绕一个轴线旋转。

18.根据权利要求1所述的马达，其中所述第一构件相对于所述第二构件线性地移动。

19.根据权利要求1所述的马达，其中所述臂沿着所述第二构件基本等距地被定位。

20.根据权利要求1所述的马达，其中每个相均具有与该相相关的相等数量的臂。

21.根据权利要求1所述的马达，其中每个线圈围绕该线圈相关的臂相对于所述第一构件沿相同方向卷绕。

22.根据权利要求7所述的马达，其中每个线圈沿与相邻臂中的线圈相反的方向被磁化。

23.根据权利要求1所述的马达，其中所述第一构件和第二构件包括模制的铁粉复合物、软的磁钢或导电的钢层叠物。

24.根据权利要求1所述的马达，其中所述马达被构造成由双极马达驱动器驱动。

25.根据权利要求8所述的马达，其中所述指状件被布置为使得当在第一相中的所述指状件的中心与相关极的中心对准时，在第二相中的所述指状件的中心以存在一个偏移量的方式与相关极的前缘基本对准，并且在第三相中的所述指状件的中心以存在一个偏移量的方式与相关极的后缘基本对准，所述偏移量小于所述极节距。

26.根据权利要求1所述的马达，其中所述第一构件的极的数量为奇数。