CN104022609B - 新型双定子低脉动转矩步进电动机 - Google Patents

Abstract

一种新型双定子低脉动转矩步进电动机，主要包括电动机转轴、内定子套筒、内定子铁心及绕组、空心杯形转子、外定子铁心及绕组和驱动控制电路。电动机的内、外定子铁心同轴心，内、外定子齿在空间上错开一定的角度，内、外定子绕组分别为三相对称绕组。电动机的空心杯形转子为内、外双齿转子，内、外双齿的轴线在空间上位置对齐，空心杯形转子同轴心的置于内、外定子铁心的间隙内。通过驱动控制电路的控制，通入电动机对应的内、外定子三相对称绕组的电压在时间上存在一定的相位差，使得内、外定子绕组对空心杯形转子形成的电磁驱动转矩中的脉动转矩分量存在180°的相位差，叠加后脉动转矩可以得到很好地抑制，能够提高步进电动机的运行性能。

Description

新型双定子低脉动转矩步进电动机

技术领域

本发明涉及一种步进电动机，更具体的是涉及一种新型双定子低脉动转矩的步进电动机。

背景技术

步进电动机是一种将电脉冲转化成角位移或者线位移的微电机，其角位移与脉冲数成正比，在负载能力范围内与电压、环境无关，主要作为开环控制系统的执行元件，广泛应用与打印机、数控机床、机器人关节等需要实现精确定位的场所，但是步进电动机在连续运行过程中存在明显的振荡，表现为电动机转速的波动(谐振或抖动)，极端情况下甚至导致位移的前后振动，是影响步进电动机转速稳定度的主要因素，造成该现象的首因是步进电动机的矩角特性近于正弦函数，且定子磁场以跳跃方式转动。

发明内容

本发明提供了一种新型双定子低脉动转矩步进电动机，主要包括电动机转轴、内定子套筒、内定子铁心及绕组、空心杯形转子、外定子铁心及绕组和驱动控制电路。电动机的内、外定子铁心同轴心，内、外定子齿在空间上错开一定的角度，内、外定子绕组分别为三相对称集中绕组。电动机的空心杯形转子为内、外双齿转子，内、外双齿的轴线在空间上位置对齐，空心杯形转子同轴心的置于内、外定子铁心的间隙内。通过驱动控制电路的控制，通入电动机对应的内、外定子三相对称绕组的电压在时间上存在一定的相位差，使得内、外定子绕组对空心杯形转子形成的电磁驱动转矩中的脉动转矩分量存在180°的相位差，叠加后可以很好地抑制脉动转矩分量，能够提高步进电动机的运行性能。

本发明的目的采取下述技术方案实现：

一种新型双定子低脉动转矩步进电动机，主要包括前端盖及轴承、电动机转轴、空心杯形转子、内定子套筒、内定子铁心及绕组、外定子铁心及绕组、后端盖及轴承、机壳和驱动控制电路；

电动机转轴穿过前后端盖的中心，通过轴承与前后端盖固定且可以相对前后端盖转动；

空心杯形转子与电动机转轴同轴心，空心杯形转子的左端与电动机转轴固定，右端为开口的杯形，空心杯形转子为内、外双齿转子，且内、外双齿的轴线在空间上位置对齐；

内定子套筒与后端盖固定，且与电动机转轴同轴心，电动机转轴穿过内定子套筒的中心孔，内定子套筒位于杯形转子的内侧；

内定子铁心同轴心的固定在内定子套筒的外侧，内定子铁心外侧均匀分布六个大齿，每个大齿的两侧嵌放定子绕组，且每个大齿的表面均匀分布若干小齿；

外定子铁心同轴心的固定在机壳的内侧，外定子铁心内侧均匀分布六个大齿，每个大齿的两侧嵌放定子绕组，且每个大齿表面均匀分布若干小齿；

内定子大齿表面的小齿与外定子大齿表面的小齿在空间上错开一定的角度；

固定在内定子中的绕组和固定在外定子铁心中的绕组同为三相对称集中绕组，在空间上为三相对称分布，且两组三相对称集中绕组均采用星形连接；

杯形转子的杯壁放置在内定子铁心和外定子铁心的夹隙中，且杯形转子相对内定子铁心和外定子铁心可以转动；

驱动控制电路产生两组具有一定相位差的脉冲，按照特定规律通入到内定子三相对称集中绕组和外定子三相对称集中绕组，使得内、外定子绕组对杯形转子产生的电磁驱动转矩中的脉动转矩分量在时间上存在180°的相位差，叠加后可以较好地抑制脉动转矩分量。

如上述的结构，本发明的双定子低脉动转矩步进电动机，其工作原理为：

首先由步进电动机驱动控制电路同时产生六路方波信号，每个方波信号高电平的时间为T，低电平的时间为2T。其中三路方波信号通入到内定子中的三相对称集中绕组，该三路方波信号的相位依次落后时间T，使得内定子中的三相对称集中绕组依次轮流通电，另外三路方波信号通入到外定子中的三相对称集中绕组，该三路方波信号的相位同样依次落后时间T，使得外定子中的三相对称集中绕组依次轮流通电。通入到内定子三相对称集中绕组中的三路方波信号与通入到外定子三相对称集中绕组中的三路方波信号，在相位上错开0.5T的时间。

内定子三相对称集中绕组依次轮流通入三路方波信号后，首先是通电的某一相绕组产生磁场，经过内定子铁心、空气间隙和杯形转子后形成闭合回路，同时产生类似正弦规律变化的电磁驱动转矩，三相绕组依次轮流通电，在空间中会产生旋转的电磁驱动转矩，带动杯形转子转动，由于旋转磁场以跳跃的方式前进，导致电动机转动时存在转速的波动，即电磁驱动转矩中存在脉动转矩分量，该脉动转矩分量近似成正弦规律变化。

与此同时，外定子三相对称集中绕组同样依次轮流通入三路方波信号，首先是通电的某一相绕组产生磁场，经过外定子铁心、空气间隙和杯形转子后形成闭合回路，同时产生类似正弦规律变化的电磁驱动转矩，三相绕组依次轮流通电，在空间中会产生旋转的电磁驱动转矩。

由于通入到外定子三相对称集中绕组中的三路方波信号与通入到内定子三相对称集中绕组中的三路方波信号，在相位上错开0.5T的时间，且外定子大齿表面的小齿与内定子大齿表面的小齿在空间上错开一定的角度，最终导致外定子三相对称集中绕组形成的电磁驱动转矩中的脉动转矩分量，与内定子三相对称集中绕组形成的电磁驱动转矩中的脉动转矩分量，在时间上互相错开180度的电角度，相互叠加后可以较好地抑制电磁驱动转矩中的脉动转矩分量。

附图说明

图1为本发明双定子低脉动转矩步进电动机的结构示意图；

图2为图1实施的A-A面的剖视图；

图3为图2剪开后沿圆周展成直线的结构示意图；

图4为本发明双定子低脉动转矩步进电动机驱动控制电路产生的一个周期的方波电信号；

图5为本发明双定子低脉动转矩步进电动机的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明双定子低脉动转矩步进电动机的结构特征。

图1为本发明双定子低脉动转矩步进电动机的结构示意图，包括电动机转轴1、轴承2、前端盖3、机壳4、外定子三相对称集中绕组5、外定子铁心6、杯形转子7、内定子铁心8、内定子三相对称集中绕组9、内定子套筒10、后端盖11和轴承12。

前端盖3位于机壳4的前端，后端盖11位于机壳4的后端，电动机转轴1穿过前端盖3和后端盖11的中心，轴承2置于电动机转轴1与前端盖2之间，轴承12置于电动机转轴1和后端盖11之间。

内定子套筒10的中心为通孔，内定子套筒10的右端与后端盖11同轴心固定，电动机转轴1从内定子套筒10的左端通孔穿过。

内定子铁心8同轴心的固定在内定子套筒10的外侧，内定子铁心8设有绕组槽，内定子三相对称集中绕组9固定在内定子铁心8的绕组槽中，且内定子三相对称集中绕组9以星形方式连接。

杯形转子7的左端固定在电动机转轴1上，右端为开口杯形，杯形转子7为内、外双齿转子，内定子铁心8及三相对称集中绕组9置于杯形转子7的杯壁内侧。

外定子铁心6固定在机壳4的内侧，外定子铁心6设有绕组槽，外定子三相对称集中绕组5固定在外定子铁心6的绕组槽中，且外定子三相对称集中绕组5以星形方式连接。

杯形转子7的杯壁位于内定子铁心8和外定子铁心6的空气夹隙中。

图2为步进电动机结构示意图1的A-A面的剖视图，包括电动机转轴1、外定子三相对称集中绕组5、外定子铁心6、杯形转子7、内定子铁心8、内定子三相对称集中绕组9和内定子套筒10。

内定子铁心8固定在内定子套筒10的外侧，内定子铁心8外侧均匀分布六个大齿，分别是U、V、W、X、Y、Z，且每个大齿的表面均匀分布若干个小齿。

内定子三相对称集中绕组9为三相绕组，分别是UX相、VY相和WZ相，在空间上对称分布，轴线互相错开120度的空间机械角，其中UX相绕组固定在U、X两个大齿的两侧，VY相绕组固定在V、Y两个大齿的两侧，WZ相绕组固定在W、Z两个大齿的两侧。

外定子铁心6固定在机壳的内侧，外定子铁心6内侧均匀分布六个大齿，分别是A、B、C、D、E、F，且每个大齿的表面均匀分布若干个小齿。

外定子三相对称集中绕组5为三相绕组，分别是AD相、BE相和CF相，在空间上对称分布，轴线互相错开120度的空间机械角，其中AD相绕组固定在A、D两个大齿的两侧，BE相绕组固定在B、E两个大齿的两侧，CF相绕组固定在C、F两个大齿的两侧。

杯形转子7为内、外双齿转子，内齿和外齿的轴线在空间上位置对齐，杯形转子7的内齿和外齿的个数均为四十个，在空间上均匀分布。

外定子铁心6的小齿的轴线与内定子铁心8的小齿的轴线在空间上错开一定的角度。

图3为图2剪开后沿圆周展成直线的结构示意图，包括外定子大齿A、F、E、D、C和B，内定子大齿U、Z、Y、X、W和V，杯形转子7置于内定子铁心8和外定子铁心6之间的空气夹隙中，外定子大齿A表面的小齿与杯形转子的小齿对齐，内定子铁心和外定子铁心在空间上错开六分之一转子的齿距角，即半个步距角。

图4为本发明双定子低脉动转矩步进电动机驱动控制电路产生的一个周期的方波电信号图：驱动控制电路产生的方波电信号分别为AD、BE、CF、UX、VY和WZ，六路方波信号分成两组，第一组方波信号AD、BE和CF分别连接至外定子绕组5的AD相、BE相和CF相，第二组方波信号UX、VY和WZ分别连接至内定子绕组9的UX相、VY相和WZ相。

方波信号AD、BE、CF、UX、VY和WZ，每个信号一个周期的时间为3T，每个信号的高电平时间为T，每个信号的低电平时间为2T。第一组方波信号AD、BE和CF，依次轮流滞后时间T，第二组方波信号UX、VY和WZ，同样依次轮流滞后时间T。第二组方波信号UX、VY和WZ，分别滞后第一组方波信号AD、BE和CF时间0.5T。

图5为本发明的双定子低脉动转矩步进电动机的工作原理图，由于步进电动机每相定子绕组通电后，都会产生类似正弦规律变化的电磁驱动转矩，即转子每经过一个步距角，都会存在呈正弦规律变化的脉动转矩分量。

本发明的双定子低脉动转矩步进电动机，工作时都是有两相对应的内、外定子绕组同时通电，为了保证两相对应的内、外定子绕组对转子产生的脉动转矩分量能够合理叠加，两相绕组对应的内定子齿和外定子齿需要错开六分之一倍的转子齿距角，即0.5倍的转子步距角。

如图5所示，在双定子步进电动机运行时，在0.5T至T时间段中，绕组AD通电转子产生的脉动转矩分量，与绕组UX通电转子产生的脉动转矩分量相叠加；在T至1.5T时间段中，绕组BE通电转子产生的脉动转矩分量，与绕组UX通电转子产生的脉动转矩分量相叠加；在1.5T至2T时间段中，绕组BE通电转子产生的脉动转矩分量，与绕组VY通电转子产生的脉动转矩分量相叠加；在2T至2.5T时间段中，绕组CF通电转子产生的脉动转矩分量，与绕组VY通电转子产生的脉动转矩分量相叠加；在2.5T至3T时间段中，绕组CF通电转子产生的脉动转矩分量，与绕组WZ通电转子产生的脉动转矩分量相叠加。

如图5所示，双定子步进电动机通电运行的一个周期中，各相内定子绕组对杯形转子产生的脉动转矩与各相外定子绕组对杯形转子产生的脉动转矩相互叠加，基本可以抵消，从而达到抑制电动机脉动转矩的目的。

Claims (4)

1.一种新型双定子低脉动转矩步进电动机，主要包括前端盖及轴承、电动机转轴、空心杯形转子、内定子套筒、内定子铁心及绕组、外定子铁心及绕组、后端盖及轴承、机壳和驱动控制电路；

其特征在于：电动机转轴穿过前后端盖的中心，通过轴承与前后端盖固定且可以相对前后端盖转动，空心杯形转子与电动机转轴同轴心，空心杯形转子的左端与电动机转轴固定，右端为开口的杯形，空心杯形转子为内、外双齿转子，且内、外双齿的轴线在空间上位置对齐，内定子套筒与后端盖固定，与电动机转轴同轴心，电动机转轴穿过内定子套筒的中心孔，内定子套筒位于杯形转子的内侧，内定子铁心同轴心的固定在内定子套筒的外侧，内定子铁心外侧均匀分布六个大齿，每个大齿的两侧嵌放定子绕组，且每个大齿的表面均匀分布若干小齿，外定子铁心同轴心的固定在机壳的内侧，外定子铁心内侧均匀分布六个大齿，每个大齿的两侧嵌放定子绕组，且每个大齿表面均匀分布若干小齿，内定子大齿表面的小齿与外定子大齿表面的小齿在空间上错开一定的角度，所述角度为0.5倍转子步距角；

所述驱动控制电路同时产生六路方波信号，每个方波信号高电平的时间为T，低电平的时间为2T，其中三路方波信号通入到所述内定子中的三相对称集中绕组，所述三路方波信号的相位依次落后时间T，另外三路方波信号通入到所述外定子中的三相对称集中绕组，所述另外三路方波信号的相位同样依次落后时间T；通入到所述内定子三相对称集中绕组中的三路方波信号与通入到外定子三相对称集中绕组中的三路方波信号，在相位上错开0.5T的时间。

2.根据权利要求1所述的步进电动机，其特征在于：固定在内定子中的绕组和固定在外定子铁心中的绕组同为三相对称集中绕组，在空间上为三相对称分布，且两组三相对称集中绕组均采用星形连接。

3.根据权利要求1所述的步进电动机，其特征在于：杯形转子的杯壁放置在内定子铁心和外定子铁心的夹隙中，且杯形转子相对内定子铁心和外定子铁心可以转动。

4.根据权利要求1所述的步进电动机，其特征在于：驱动控制电路产生两组具有一定相位差的脉冲电压信号，并按照特定规律分别通入到内定子三相对称集中绕组和外定子三相对称集中绕组，使得内、外定子绕组对杯形转子产生的电磁驱动转矩中的脉动转矩分量在时间上存在180°的相位差。