CN105099121A - 混合步进电机 - Google Patents

Abstract

一种步进电机设有夹在定子绕组组件的外部部分之间的环状永磁体，该定子绕组组件远离转子齿和定子齿之间的间隙定位，以便间隙里的磁通受通电定子线圈的安培圈支配，因此在低步进速度时，降低振动能较容易地控制。转子无需包含任何盘状永磁体。如果提供了一个永磁体，其可以完全嵌入到转子里并仅仅从定子供给主磁通以提高扭矩。在多数情况下，转子缺少任何永磁体，电机的轴向转轴可具有较大直径并可与转子一起构成线性致动器。

Description

混合步进电机

技术领域

本发明涉及步进电机，尤其是需要平滑运动的步进电机设计。

背景技术

在步进电机运动控制工业中低速振动是难题之一。步进电机的应用可能需要平滑运动，包括扫描仪，打印机，X-Y工作台，转台，CNC机器，分配器，喷射泵，诸如安全摄像头之类的光学设备，以及任何运动控制系统的精密装置。

控制振动的困难是由于在转子和定子之间的空气间隙中强烈的磁性，由此使得通过从定子产生的安培圈单独控制磁通变得极为困难。因而，采用电子和机械阻尼以提高平滑运动。

发明内容

通过意识到难以控制空气间隙里的磁通是由于在转子中盘状永磁体的使用可实现平滑运动，并且通过意识到这种永磁体不需要出现在转子中但可移动到定子中而远离间隙。具体地说，本发明从环状永磁体提供了足够的磁性，该环状永磁体夹在两个定子堆叠体的外部部分之间。这个在定子中而不是在转子中的永磁体远离空气间隙定位，即位于绕组外部的定子周界内。因此，现在是空气间隙里的磁通支配，而不是绕组。这使得定子绕组产生的安培圈磁通较容易地控制磁通。在非通电电极的磁通交叉用于具有在低和高的步进速度时较少振动和噪声的平滑运动减少。步进精度也提高，因为较少杂散磁通。

步进电机包括转子和定子绕组组件。转子具有多个转子齿并适于在定子绕组组件中转动，且籍由轴承安置在轴向转轴上。定子绕组组件包括带有定子极组的定子，所述定子极组具有定子齿组。定子极缠绕有线圈，该线圈可在一系列的相位被驱动，以便其与转子相互磁性作用。此外，如本发明所述的定子，其特征在于，所述定子具有夹在线圈定子外部的两个定子堆叠元件之间的环状永磁体。这样，在相应的转子齿和定子齿之间的间隙里的磁通受由通电定子线圈的安培圈产生的磁通支配，具有从任何相位下的非通电电极减少的磁通交叉。

步进电机包括转子和两个定子堆叠体。转子可以是两个偏移1/2齿距的堆叠体，而两个定子堆叠体具有相互对齐的定子齿。替代地，转子可以是一个堆叠体，而两个定子堆叠体组件使得其偏移1/2齿距。步进电机包括其形状与定子磁轭形状相符合的永磁体，该永磁体定位在定子绕组外部并夹在两个定子堆叠体之间。这就不再需要在转子内部的永磁体。

转子可包括转子堆叠元件，该堆叠元件相对于另一个堆叠元件偏移二分之一的齿距，相应的定子堆叠元件具有相互对齐的定子齿。替代地，定子堆叠元件可具有相对于另一个定子齿偏移二分之一齿距的定子齿，而转子是与转子齿对齐的单个元件。

环状永磁体优选地具有与定子堆叠元件相符合的形状。定子可进一步具有非金属间隔件，该间隔件夹在定子堆叠元件之间并定位在环状永磁体内。通常地，转子缺少任何永磁体。

永磁体的磁性可由从定子产生的安培圈控制，因此提供了平滑运动。所有的磁通接着通电定子极。这不再需要、通常地不用任何在转子内的永磁体。这允许构建较小尺寸的电机并仍然保持合理的扭矩。因此可以获得每个惯性电机用于较快的加速的较高扭矩。此外，因为磁通路径减少，电机将会较高效。

替代地，可接受较大直径的轴(或中空轴)。在步进电机中，轴向转轴的直径不再受需要在转子中出现环状永磁体而被限制。因而，轴向转轴的尺寸可具有至少是转子直径一半的直径。这导致了若干新可能，其中转子和轴向转轴一起形成了线性致动器，例如导螺杆，滚珠丝杠和行星滚柱螺杆中的任何一个，由此转子的转动转变为轴向转轴的直线运动。因此，由转子和轴向转轴的组合成型的线性致动器可以是滚珠丝杠，所述转子限定了球形螺母，所述球形螺母包含通过球返回系统再循环的球形轴承，所述轴向转轴限定了在球形螺母内配合球状轴承具有螺旋凹槽沟的螺杆。

附图说明

图1A是现有技术的步进电机的侧剖图，包括转子的环状永磁体，其平面图如图1B所示。

图2A是根据本发明步进电机第一实施例的侧剖图，包括定子的环状永磁体(其平面图如图2B所示)。在图2A中，偏移齿是位于转子上并与在定子极上的齿对齐。

图3A是根据本发明步进电机第二实施例的侧剖图，包括定子的环状永磁体(其平面图如图3B所示)。在图3A中，对齐齿是在转子上，偏移齿则在定子极上。

图4A是根据本发明的步进电机第三实施例的侧剖图，包括定子的环状永磁体(其平面图如图4B所示)。附连在转子的轴向转轴的直径至少具有转子直径的一半。

图5A是根据本发明步进电机第四实施例的侧剖图，包括定子的环状永磁体(其平面图如图5B所示)。环状永磁体(其平面图如图5C所示)也嵌入在转子中。

图6是根据本发明的步进电机的定子组件的立体图。

图7A-7C示出了三个环状永磁体的不同示例形状的平面图，根据定子的周界形状，所述永磁体可使用在定子中，以便环状磁体与定子的形状相符合。

图8是转子和轴向转轴一起形成线性致动器的一个示例的立体图，在这个情况下是一个滚珠丝杠。

图9是步进发动机包括图8所示线性致动器第五实施例的侧剖图。

图10是标准化速度随步进电机每秒转动(RPS)而变化的图，所述发动机是根据本发明具有环状永磁体在定子内的64-微步－驱动0.9°的步进电机。

图11是三个不同种类电机的振动振幅相对步进电机速度(RPS)的图，对比两个现有技术电机和一个本发明电机的结果。

具体实施方式

参照附图1A和1B，传统步进电机设计利用两个转子堆叠件13和14相对于转子齿15和16偏移1/2齿距并把盘状永磁体17夹在堆叠件13和14之间。转子安装在轴向转轴19上。定子组件21也设置采用一个单独的包括线圈绕组的定子堆叠件，所述线圈绕组限定了具有定子齿的定子极，所述定子齿与相对间隙25的对应转子齿相互磁性作用。因转子的永磁体盘的磁通路径23被看到穿过间隙25。这使得通过通电定子绕组的相互磁作用难以被控制，因为间隙25里的磁通受永磁体17的磁通贡献23支配，导致了在低速步进时不期望的振动。

参照附图2A和2B，本发明步进电机31的实施例将永磁体47移到了定子组件40的周界。同样，两个转子部分33和34具有相应的偏移1/2齿距的转子齿35和36，但是部分33和34没有夹任何盘状永磁体。转子安装在轴向转轴39上。在定子组件40(也见图6)中，环状磁体47夹在两个定子堆叠体41和42之间。非金属间隔件49可定位在环状磁体47的径向内部，并且也可夹在定子堆叠件41和42之间。如通常的步进电机定子组件，与外部导线38联接的线圈绕组44(见图6)设置围绕定子极组46，具有定子齿48的极46与相对间隙25的对应转子齿35和36相互磁性作用。在这个情况下，堆叠部分41和42中的定子齿48对齐。环状磁体47与定子堆叠41和42的形状相符合，在这个示例里，如图7A所示相对应于磁体形状。由于定子的环状永磁体47的磁通路径43被看到穿过间隙45，但因为环状磁体47在间隙45的远侧，间隙45中的磁通现在受通电定子线圈44的支配，由此允许增长的步进控制和较少振动。

图3A和3B示出了步进电机51的另一实施例，其中单个转子部分53具有单独一组对齐的转子齿55。同样，没有永磁体嵌入在转子中。在定子组件中，环状磁体67夹在两个定子堆叠件61和62之间。非金属间隔件材料69被用来分离定子极之间。定子组件也具有围绕定子极的线圈绕组，定子齿在这些极上，在这种情况下，每个定子齿偏移1/2的定子齿距。因此，当转子和定子都具有齿，并且在其中一个上的齿对齐，在另一个上的齿具有两组偏移1/2齿距的齿，转子或定子具有偏移齿和转子或定子具有基本不相关的对齐齿。在图2A和2B中，转子具有两组偏移齿，定子具有对齐齿，在图3A和3B中的布置相反。在两个实施例中，在定子中永磁体的位置在远离转子定子间隔的周界位置，其特征为本发明的改进。图4A和4B示出了附加的优势，其为在定子79内定位永磁体77，而不是在转子73内。具体地说，不像如图1所示的现有技术步进电机设计，轴向转轴的直径不再受到需要容纳盘状磁体在转子中的限制。所以，用于特殊的应用，转子73可接受带有较大直径的轴71(包括下面所述用于如图7和8中的步进电机的中空轴和球状螺杆线性致动器)。从永磁体77在定子中的磁通75将与转子73远程地相互作用。图5A,5B和5C示出了根据本发明的另一种步进电机81，说明了永磁体83的选择性使用嵌入到转子85的内部，额外地，环状永磁体97设置在定子91内。两个磁体83和97具有相对的磁化方向，使得他们相应的磁通贡献87和95在转子齿89附近加强彼此，提供了用于步进电机应用可能要求的额外的保持扭矩。为了仍然保持本发明尽可能多的振动减少的优点，在转子81中的选择性磁体83应该完全嵌入，该永磁体的外部直径位于内部尽可能远离转子齿89。

提高扭矩和提高步进准确度通常是彼此有冲突的。在图5A-5C的构造通过保持在转子85内从转子的盘状磁体83而不是在转子和定子齿之间的间隙90的备用(standby)磁通87克服困难。该备用磁通87只从定子添加到主磁通95，并受到在通电定子线圈中的安培圈的控制。因此，该设计添加扭矩并仍然保持好的步进准确度。

待用磁通的长度可在工厂设定，使得保持完全在转子内，没有磁通泄漏到主磁通95，当没有载荷在心轴上时，存在“平衡状态”。当施加一个在临界数目的载荷时，心轴速度试图降低。这在转子－定子中被自动感应，并且通向定子的电流需要增加(增加安培圈)。通向定子的电流会通过回路的抵抗需要而增加，增大安培圈并保持新的平衡状态，直到再次被干扰。

微步进电机也可运行良好。待用磁通将只提供用于较高扭矩的必要磁通量，而不是弄乱微步进的合适的磁通率(以匹配当前的比率)。

图7A,7B和7C示出了环状永磁体不同的形状，所述永磁体可用在不同形状定子中。通常地，磁体匹配定子磁轭的轮廓是所期望的。

参照附图8和9，根据本发明的步进电机101形成了混合线性致动器。如在其它实施例中，电机101具有转子103，该转子具有多个转子齿105。转子103在定子绕组组件111内配合，借助轴承107在轴向转轴109上定座，以便在定子绕组组件111内转动。在传统的步进电机中，定子绕组组件111包括缠绕有线圈的定子极组的定子，该定子可在一系列的相位被驱动，以便与转子103相互磁性作用。如本发明的实施例中，定子的特征在于具有夹在两个定子堆叠元件112A和112B的外部部分之间的环状永磁体113。非金属间隔元件115也可夹在环状永磁体113的堆叠体内部之间。在转子和定子齿之间的空气间隙117的磁通受磁通支配，后者的磁通是通过从非通电电极带有减少的磁通交叉的通电定子线圈的安培圈产生。

在所说明的示例中，球形螺杆从转子103和轴向转轴109形成。类似的采用导螺杆或行星滚柱螺杆的实施例也是可能的。在任何情况下，转子103的转动可转变成轴向转轴109的直线运动。这使得消除在转子103中盘状永磁体的需要是可能的，为直线运动的放大轴109释放空间。因此，由转子103和轴向转轴109的组合成型的线性致动器可以是球形螺杆，所述转子103限定了球形螺母121，所述球形螺母包含通过球返回系统127再循环的球形轴承129，所述轴向转轴109限定了在球形螺母121内配合球状轴承125具有螺旋凹槽沟123的螺杆。球形螺杆的螺母121安装在转子103内。球形螺母121的尺寸，不再由之前由在转子103中使用的盘状磁体的内直径限定而限定。

图10和11示出了因永磁体在定子里的定位使得振动减少。在图10中，标准化速度随步进电机每秒转动(RPS)而变化，所述发动机是根据本发明具有环状永磁体在定子内的64-微步－驱动0.9°的步进电机，其在低RPS是很少有峰值。在图11中，三个不同类型的电机的振动振幅对步进电机速度(RPS)示出了通过比较本发明的具有永磁体在定子中的电机的振动(噪声)远小于两个现有技术永磁体在转子中的电机。(注意的是传统电机的大振幅峰值)

Claims (9)

1.一种步进电机，包括：

转子，所述转子具有多个转子齿，所述转子装配在定子绕组组件内并籍由轴承安置在轴向转轴上，以便在所述定子绕组组件内转动；以及

所述定子绕组组件，所述定子绕组组件包括从缠绕有线圈的定子极组的定子，其可在一系列的相位中驱动，以便与所述转子相互磁性作用，所述定子极具有定子齿组，所述定子的特征在于具有夹在两个定子堆叠元件的外部部分之间位于所述线圈外侧的永磁体，以便在转子齿与定子齿的空气间隙中的磁通受由从非通电电极与减少的磁通相互作用的通电定子线圈的安培圈产生的磁通控制。

2.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述转子包括转子堆叠元件，所述转子堆叠元件具有相对于另一个齿偏移二分之一齿距的齿，并且所述定子堆叠元件具有相互对齐的定子齿。

3.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述定子堆叠元件具有相对于另一个定子齿偏移二分之一齿距的定子齿，并且所述转子是与转子齿对齐的单个元件。

4.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述环状永磁体具有与所述定子堆叠元件相符的形状。

5.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述定子进一步具有夹在所述定子堆叠元件之间并定位在所述环状永磁体内部的非金属间隔件。

6.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述转子缺少任何永磁体。

7.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述轴向转轴的直径至少是所述转子直径一半。

8.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述转子和轴向转轴一起构成了线性致动器，其包括导螺杆、滚珠丝杠和行星滚柱螺杆中的任何一个，由此所述转子的转动转变为所述轴向转轴的直线运动。

9.根据权利要求8所述的步进电机，其特征在于，由所述转子和轴向转轴的组合所构成的所述线性致动器是球形螺杆，同时所述转子限定球形螺母，所述球形螺母包含通过球返回系统再循环的球形轴承，并且所述轴向转轴限定在所述球形螺母内接合所述球状轴承且具有螺旋状凹槽沟的螺杆。