CN1023172C - 多极步进电动机 - Google Patents

Abstract

一沿轴向磁化的多极电动机转子(11)，它包括在一个面对两极靴(1和2)的面上的，沿其外缘交替分布的南极和北极。每个极靴具有设置了由中介区域(6)隔开的齿(5)的内部中凹齿环。其上装有线圈(4)的铁心(3)，将所述极靴磁性耦合到该线圈。极靴的齿的齿距α₁不同于转子的极距α_r。

Description

本发明涉及电动机，更具体地说，涉及如下这种多极步进电动机，即，该电动机具有带有围绕一中心轴分布的并以平行该轴的方向磁化的N对极的永久磁化转子，和一个定子磁路，该磁路包括装在一铁心上的绕组和两个位于垂直于所述中心轴的同一平面上彼此面对面地延伸的主极靴，而每个极靴被连接到铁心的一端，所述极靴还具有设置了围绕所述中心轴分布的极齿的中凹齿环，而所述转子在平行于所述极靴平面的一个平面上延伸。

长期以来，人们一直想设计一类能有较大量的磁极对同时仍能保持制造成本不高以及结构紧凑的多极步进电动机。

在599，707号瑞士专利，4，713，565号美国专利和2，406，907号法国专利中详细地揭示了几种多极步进电动机。上述瑞士专利中的附图1-2和5-6分别描述和图示了两个实施例。在其图1和2所示的实施例中，一个盘状转子放置于由极靴1a和5，5a所形成的气隙中。而且由这三个元件构成的组件被置于一个圆筒形线圈6上和一个环形部件2上。这种配置在其高度上的空间上有极大浪费并且装配复杂。在其图5和6所示的实施例中，也存在有极靴51a和55a的相同的叠置结构。

在4，713，565号美国专利中所描述的电动机中，其定子极靴同样置于磁铁平面的任一侧上的不同平面上，这也表现出在高度上的空间浪费。而且，标号为14a和14b的内部定子臂的宽度实际上与一个转子极宽相同。由于这些内部定子每个仅通过一个臂连接到定子支架，因而很明显，这种设计会导致制造时的种种问题，以及如果当该转子极数多而 连接臂所能用的宽度窄时，势必会产生机械稳定性和磁饱和问题。

第2，406，907号法国专利所描述的多极步进电动机也属于这种类型，即，该电动机包括具有围绕一中心轴分布的并以平行该轴方向磁化的N对极的永久磁化转子，和一个包含装在铁心上的一绕组的定子磁路。此外，还包括两个位于垂直于所述中心轴的同一平面上彼此面对面的主极靴，每个所述极靴连接到所述铁心的一端并具有配备了围绕所述中心轴分布的极齿的一个中凹齿环，而所述转子在一个平行于所述极靴平面的平面上延伸。

然而，这一设计方案并未将上述诸项缺点，特别是4，713，565号美国专利中所揭示方案的缺点弥补到完全理想的程度。特别是，总不能令人满意地解决转子轴的底部轴承固定的问题。

本发明的一个目的就是提供这样一种改进型多极步进电动机，即其转子相对于定子有更精确的定位，而且在脉冲时间出现的磁通形状得到了改善，从而实现了该种电动机的精确和可靠的驱动。

本发明的另一目的是提供一种以简单的低标准设计方案在不显著影响输出的情况下每圈走60步的步进电动机。

为此，在开始所述的那种根据本发明的多极步进电动机中，一个中间极靴放置在主极靴之间，并且它具有位于所述极齿对面并在所述极齿之间啮合的中间齿。

现参照附图描述本发明的一个最佳实施例，附图中：

图1是磁路的一概略顶视图，

图2是沿图1Ⅱ-Ⅱ线所取的概略截面图，

图3，4和5是借以说明电动机工作情况的下面将描述的电动机的磁路和转子的简略平面图和立体图，

图6，7和8分别是待说明的电动机的总体顶视图、沿Ⅶ-Ⅶ线和Ⅷ-Ⅷ线所取的截面图，

图9是说明对该电动机结构特点最佳化研究的曲线图，

图10同样是涉及对特性最佳化研究的另一曲线图。

待说明的电动机是一个包括有两个主极靴1和2的单相多极电动机，这两个极靴以磁的方式连接到载有一励磁线圈4的铁心3的二端。就图1所示而言，极靴1和2完全是平的并通过叠合连接到铁心3。所述连接可通过焊接或类似方式来实现。这一种改型而言，一个极靴可以通过例如马铁芯整体冲切下料成形的，在此情况下，另一极靴应该有一弯头，以使其连接舌片同铁心的一个端面接触。制造极靴1和2以及铁心3的材料是具有高饱和极限和低剩磁的铁磁金属。

一个电子装置（图中未示）周期地发送极性交变的脉冲通过线圈4，使两个主极靴1和2各自交替地充当北磁极和南磁极。正如可从图2见到的，两个主极靴1和2是在同一平面上的。它们彼此相对定位并各有呈凹形的内齿环，做成有许多间隔的板齿的形状。在图1所示情况下，极齿5呈梯形并由其间区域6所隔开，极齿的边缘为圆心在垂直于极靴1和2的平面的一个轴上的圆的圆弧段。该中心轴与电动机的转子轴相重合。

在所述实施例中，两极靴1和2各自的极齿构成一组定子极距为α_s的七个齿，如图1所示，在每个极靴1和2的极齿组两端的极齿5面对对面的极靴的相应的极齿5，每对所述相应极齿5划定了一个有一定宽度的气隙。正如由图1清楚可见，所讨论的两气隙的宽度不是相同的，但这种安排不是为实现本发明目的关键因素。事实上，在极靴1和2之间有一中介极靴7，该中介极靴是与极靴1和2厚度相同的一块平板，而且也同样是具有高饱和极限的低剩磁铁磁材料。该中介极靴通常呈圆形并带有两组中介齿8，这些齿8沿圆周以其轮廓线与极齿5的轮廓线互补并啮合的形式配置，以在极靴7和每个极靴1和2之间限定了宽度基本恒定而窄的两个曲折状气隙9和10。

在脉冲时刻，伸入毗连气隙9和10的空间的磁场同包括一永久磁化的平盘或环的转子11相配合，该平盘或环具有沿按平行于所述中心轴（即垂直于磁路1，7，2，3平面）的磁化方向的沿转子圆周分布的以交替南、北极方式的多极磁化。

图3、4和5以简略方式示出转子11怎样同极靴1和2相配合。由图4和5所见，转子11的磁化是如此设想的，即在转子一个面13上，极12是完全可见的。因此，沿这个面13的边缘，北极和南极是以极距值α_r而交替地分布的。在图示的该实施例中，转子11为30对磁极所磁化，因此角距α_r等于2π/15。图5概略地示出了由极12在空间内所产生的磁场外观。

图3示出现正描述的这种电动机的任一选择特性。正如由图4所见，虽然转子11的极对的角距等于α_r，但每个极靴1和2的极齿的角距α_s与极距α_r稍有不同。事实上，正如下面将要看到的，为将可能干扰电动机工作的干扰转距降至最理想的程度，通常在0.8和1.2×α_r的范围内选取一个角距α_s的值。

工作原理如下：

假设一个持续时间长的宽脉冲极化作为北极的极靴2和作为南极的极靴1（图3），转子11（图4）就要停在这样一个位置上即使得由两个相对极Sa和Sb之间的一条径向线所限定的转子磁轴是位于相对于极靴1和2的定子磁轴的对称的位置上。由常识可知，对这种类型的电动机，必须采取措施使在步进运行期间无脉冲时，其转子自然地取不同于停转位置的方向。为此，例如，在极靴1，2和/或7的特定位置上设置孔洞或另外成形的不对称形状的轮廓部分，以迫使转子呈现一个稍微不同于图3所示位置的静止位置。可以理解，一旦加上脉冲，若极靴1被极化为北极而极靴2极化为南极，则转子将受到一个使其转动一步的驱动转矩的作用，即，转过一个等于1/2α_r＝2π/2N的角度，这样极Sb被对称 地置于极靴1的一个齿5上。

由于定子齿的角距稍微不同，这里稍大于转子极对的角距，故邻近图4中示为Sa和Sb的那些极将不处在与它们所在的极靴1和2（图3）上的齿5成对称的位置上。正如下面将看到的，这种配置具有衰减或甚至一定程度地消除干扰转矩的效果。

在更详细说明使所述干扰转矩受到控制的条件的确定以前，现先参照图6，7和8说明该电动机的一个实际应用例子。极靴1和2通过螺柱15和16固定到底板14上，以使它们处于平行于底板14所处平面的同一平面上。它们以图1和图3的同样方式配置，螺柱16也同样相对于底板14将铁心3固定，铁心3上装有励磁线圈4。中介极靴7固定在装配在板14的中心孔中的一由几部分组成的支架17上，而支架17同时充当转子21的轴18的轴承的充当中介极靴7的固定部件。另一引导轴18的轴承19由螺钉15固定在与底板14相隔一定距离的一块矩形盖板20上。

所述电动机的转子组件21包括一电枢22，其外形示于图8中，在该电枢中设置有转子的磁环11，同时轴18穿过该电枢。轴18伸出板20外，并可接收用以支承由该转子驱动的任何元部件的耦合另件。在成批生产时，转子组件21可整体产生或例如通过诸如塑性铁氧体之类的磁性材料的注射成型工序而分部产生。

现我们再来看所述的设计方案的一个特征，该特征使其能独立地确定某些作为所需性能的一个函数的结构参数。

如图3所示，由于中介极靴7的存在，在脉冲出现时产生于所述空间的磁通是绝对由曲折形气隙9来引导的。

图9表示设计该类电动机时必须考虑的不同转矩曲线。转矩曲线MI表示在有脉冲时，施加在该转子上的力矩与转子相对于定子的角位置的函数关系。这是一个周期等于α_s＝2π/N的一条周期性曲线。曲线Mp表示确保在两个脉冲之间的时段内转子定位的阻塞转矩。它的周期等于 α_s/2或2π/2N。示为Mpar的曲线表示大量干扰转矩之一，其存在取决于图1中用标号5表示的这些齿组的间距和极齿的形状。通过审慎地选择给出极齿间距和转子极距之比的参数k，便可修正曲线Mpar的形状。这些干扰转矩是定位转矩MI的较高次谐波。是去除2次谐波还是4次谐波要视情况而定。这结果是通过细心地选择比值k而可获得。最后Mr线表示归因于轴承的摩擦部分系数。转矩Mm表示作用在转子上的外部机械转矩，如齿轮的摩擦转矩，指针不平衡转矩等之和。

对一个模型机所进行的实验研究已经证明，相对一个已知模型机是可能建立如图10所示的曲线关系，图10示出表示转矩MI和Mpar的幅度变化对所选参数k值的函数关系的曲线。在图10情况下，干扰转矩是Mp的2次谐波转波;同时可以看出，这个干扰转矩可因选择参数k值等于1.04而被去除。虽然系数k的这一选择导致MI的幅度稍微减小，但这一减小并不重要。

因此，上面所描述的配置使以下事实成为可能，即，不仅能生产易于构成每转走许多步，尤其易于达到每转60步的一种小型的特别低矮的电动机，而且能对这种电动机的尺寸进行研究，以使其运转状态处于最佳，特别是能使其能耗尽可能地低。这种新颖的电动机使能生产秒针可直接安装在驱动轴上，因而大大减少了必需齿轮的数目的钟表。

正如由图5已看到的，在所描述的实施例中，转子的磁化效果是所有的极一个连一个地处于磁化环的同一面上。然而，可设想另一实施例，它包括一个只有平行于轴线的磁化强度的转子，即该转子两面被磁化，其一个面的扇形极齿板总是与另一面上的相反极性的扇形极齿板直接相对。在又一改型实施例中，用于阻挡转子使其在两脉冲之间停止旋转的装置可通过在极靴对面面对转子齿环或转子正面设置的铁磁元件来构成。

对上述实施例的大量改型是可能存在的。

Claims (9)

1、一种多极步进电动机，它包括：一中心轴，一个具有围绕所述中心轴分布的并以平行其方向磁化的N对极的永久磁化转子和一个定子磁路，该磁路包括一铁心，安装在所述铁心上的绕组，和在垂直于所述中心轴的同一平面上彼此面对着的两个主极靴，每个所述的极靴各连至所述铁心的相应各端并有一个中凹齿环，该中凹齿环设置有围绕所述轴分布的极齿，而所述转子位于平行于所述极靴平面的一个平面上，该步进电动机的特征在于：

还包括一个设置在所述主极靴之间并包含位于所述极齿对面并与其啮合的中介齿的中介极靴。

2、如权利要求1的电动机，其特征在于所述中介极靴的外形轮廓和所述主极靴的外形轮廓是互补的，并界定了一个具有基本恒定宽度的曲折形气隙。

3、如权利要求2的电动机，其特征在于所述极齿的角距不同于所述转子的所述极的角距。

4、如权利要求3的电动机，其特征在于，所述极齿的角距α_s是由等式α_r＝k·2π/N确定的，其中k为0.8和1.2之间的一个系数，而2π/N等于所述转子的所述极的角距α，N为极对数。

5、如权利要求1的电动机，其特征在于，所述定子磁路的至少一个所述齿包括一个不对称形状的轮廓部分，因此在两脉冲之间的期间将该转子保持在某个角位上，以使电流通过所述绕组时能将一驱动转矩作用在所述转子上。

6、如权利要求5的电动机，其特征在于：所述不对称形状的轮廓部分是由设在所述主极靴中的一系列孔洞所构成。

7、如权利要求5的电动机，其特征在于：所述不对称形状的轮廓部分是由设在所述主极靴和所述中介极靴中的一系列孔洞所构成。

8、如权利要求5的电动机，其特征在于：所述不对称形状的轮廓部分是由设在所述中介极靴中的一系列的孔洞所构成。

9、如权利要求1的电动机，其特征在于：所述转子包括30对所述极对，所述极被分布在所述转子的同一个面上，所述面朝向所述主极靴。

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