CN105610258B - 一种永磁步进伺服电机 - Google Patents

Abstract

把m台具有2n个定子极和转子磁极的双凸极单相无刷直流电机或盘式电机，安装在同一根轴上，其中所有子电机的定子和转子构成一个整体定子和整体转子；如果各子电机的启动死点至少有一台或多台不重叠，各子电机独立运行，则构成无死点m相无刷直流电机；如果各子电机之间分别依次旋转360/2mn度，则构成步进电机，有2m、4m步、连续步进运行的运行方式，其步距角为360/2mn度或360/4mn度；取m=2，增加一个角度传感器和一个电机制动器，则构成步进伺服电机，以连续步进运行的方式启动运行到比指定步距差小于一步的位置，再调节两相的电流大小及方向，使转子转动到指定位置，制动后断电，从而实现伺服电机的功能。

Description

一种永磁步进伺服电机

技术领域

本发明涉及一种永磁步进电机、一种永磁步进伺服电机及一种无死点的永磁直流电机，属于特种电机技术领域。

背景技术

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机按构造主要分为磁阻式步进电机、永磁式步进电机和混合（励磁）步进电机三类。其中，磁阻式步进电机虽精度较高，但功耗大、效率低 ；传统的永磁式步进电机功耗小、体积小，但精度低、运行频率低、力矩小。相比之下，混合步进电机是磁阻式步进电机和永磁式步进电机的结合，兼具两者优点，因体积小、性价比高、可靠性好、运行平稳、易于控制而逐步处于主导地位。虽然混合步进电机已广泛应用，但仍然有个显著的缺点，主要表现在： 1．如果控制不当容易产生共振；2．难以运转到较高的转速； 3.难以获得较大的转矩；4.在体积重量方面没有优势，能源利用率低；5.超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。这些缺点限制了步进电机的一些应用，尤其是机器人的关节驱动电机要求重量轻、转矩大、震动小、转速调节范围大，现有步进电机很难达到这个要求。

伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。但目前的伺服电机控制复杂，导致价格昂贵；重量扭矩比大，导致体积重量大，很多应用场合受到限制，尤其是在机器人应用上；电机效率较低。

单相无刷电机具有很多优点：1、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；2、体积小、重量轻、出力大； 3、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；4、无级调速，调速范围广，过载能力强5、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置6、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%，仅节电一项一年收回购置成本；7、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；8、耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；9、无电磁干扰，不产生火花，特别适合爆炸性场所。但是，因为存在启动死点，并没有得到广泛应用。

电工技术学报2013年11期，第28卷第11期刊登了一篇名为《定子单元铁心轴向类分布排列的横向磁通永磁直线电机》的文章，以及，名称为《一种轴向分布的双凸极无刷直流电机》的专利申请提出了同一种相同的新型电机的设想，该电机可以提供较大扭矩和较大的调速范围，而且其线圈可以全部同时工作，有较高的功率体积比，对其进一步开发，可以得到性能优秀的永磁步进电机、永磁步进伺服电机及一种无死点的永磁直流电机。

发明内容

本发明的步进电机包含内转子和外转子步进电机，电机由m（m为大于1的整数）个相同的双凸极单相无刷直流电机组成，即相数为m。每个子电机的定子包含数量相同的2n(n为大于0的整数)个定子齿，齿上缠绕漆包线做成的线圈，相邻齿的漆包线绕制放线相反，所有线圈依次串联；每个子电机包含数量相同的2n块弧形磁钢，相邻磁钢极性相反，磁力线从弧面到弧背，或磁力线从弧背到弧面，2n块磁钢均匀分布地安装在和该子电机定子对应的环面上，构成该子电机转子。各子电机的所有定子安装在非磁性材料制作的定子安装座上，固定为一个刚性整体，中间有非磁性材料构成的隔板，以减弱各定子互相干扰，形成激波；各子电机的磁钢安装在同一个磁性材料制作的转子座上；选择转子或定子中的一个，通常是选择转子，在安装时依次在垂直于轴的平面方向旋转360/2mn度的角度定位，另外一个未选择的保持各子件对齐。配上端盖、轴承、轴等需要的配件并安装好，一台永磁步进电机就制作好了。必须要说明的是，本发明的核心思想是把m个2n极的双凸极无刷直流电机，依次旋转360/2mn度，安装在同一根轴上，用于步进电机，显然，稍微具有步进电机技术水平的人，可以在该思想指导下，变通出不同结构，比如子电机旋转平面和轴不垂直；比如定子和转子都不对齐，但各子电机依次相差360/2mn度等；比如定子隔板制作成不同形状，甚至由空气构成，或者隔板和定子座做成整体；比如转子或定子子件相隔很远，中间有其他装置，但是各子件还是用刚性机构连接起来等等，这些似乎和权利要求书有不同之处，但是只要本发明核心思想用于步进电机，这些都视为在本发明权利保护范围内。

针对以上设计，采用2m拍的控制方式，可得到：步距角=360度/2nm的永磁步进电机。所谓2m拍的控制方式，即依次通电，使各子电机的转子极依次和各子电机定子极对齐，假定初始位为第m个子电机的定子转子对齐，然后只给第1个电机通电，直到第1个子电机的定子转子对齐，转子整体旋转360/2mn度；然后只给第2个电机通电，直到第2个子电机的定子转子同向对齐，转子整体再旋转360/2mn度，这样直到第m个子电机的定子转子再次对齐，转子转过360/2n度，如此循环，电机就正常工作了。根据本发明的永磁步进电机的步距角公式，很显然，其步进角没有下限，当前的混合步进电机的步距叫通常为1.2度，如果取永磁步进电机的n=45，m=4，那么步距角就是：360/（2×45×4）=1.0度，在步距角上本发明可以超越传统的混合步进电机。把双凸极无刷直流电机换成盘式电机，采用同样的结构特征，也可以实现本发明的思想。

以上控制方法比传统电机的步距角优势不大，那么还可以采用4m拍运行方式。所谓4m拍运行方式，就是在2m拍运行方式的各步中插入一步，在前面子电机对齐后，下一步后面子电机和前面子电机同时通电，这两个子电机都不会对齐，而使转子整体再同向转过360/4mn度，这样依次在2m拍运行方式每拍后面插入这样一步，步进电机的步距角将变为360/4mn，同样，取永磁步进电机的n=45，m=4，那么步距角就是：360/（4×45×4）=0.5度，这种控制方式也有缺点，那就是插入的步没有锁定力矩，断电后将回到有锁定力矩的2m控制方式的步位置。

以上2种运行方式都只有1相通电，其他相不通电，这种通电方式和传统步进电机一样，也是传统步进电机扭矩不大的原因。传统电机由于结构原因不能所有相同时通电，但本发明可以所有相同时通电运行，从而把扭矩增大到约m倍，同时能以5000r/min以上的高速运行。这种控制方式必须增加一个转子角度传感器，各子电机作为单相无刷直流电机独立运行，在运行到指定步数时，转换为2m或4m拍运行方式进行刹车，电机会停止在指定步数位置。

本发明的永磁步进电机的步距角公式决定了步距角和子电机的极数和子电机的数量成反比，本发明增大扭矩也很容易，增加子电机的直径，可以增大扭矩，并减小步距角；增大子电机的定子厚度，增加子电机扭矩；增加子电机数量，可以增大扭矩，并减小步距角。

以上几种永磁步进电机的运行方式，电机专业技术人员可以轻易地提出一些修改或组合，如：把某个波提前关断；把一个pwm波和前述波形叠加进行调速；根据前述思想做出其他波形等等，都视为本发明的权利要求保护范围内。

本发明的永磁步进电机有以下优点：1、步距角可以做到很小；2、扭矩/体积比大，体积小、重量轻、出力大，转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大；3、可以低速大功率运行；4、无级调速，调速范围广，过载能力强；5、制动特性好；6、效率高；在以上步进电机中，取m=2，同时增加一个转子角度传感器，一个电机制动器，构成一个永磁步进伺服电机。其工作原理是：步进到和指定角度差小于一步的位置，根据角度传感器的数值，调节两相的电压或电流的大小及方向，从而改变两个子电机的扭矩大小及方向，使电机的转子在1步之内转动，当转到指定角度时，制动电机，从而让电机停在指定位置，实现伺服电机的功能。显然，本永磁步进伺服电机，比交流伺服电机结构更简单，控制更容易，运行更平稳。本永磁伺服电机的核心思想是：1）其结构特征是：至少且不限于具有两台具有2n（n为大于1的整数）定子极的双凸极单相无刷电机或盘式电机，一个用于测量转子旋转角度的角度传感器，一个电机制动器；2）其装配特征是：把两台双凸极单相无刷电机安装在同一轴上，电机制动器可以安装在两台子电机中间或任意一边，传感器亦然，2台电机在垂直于轴向的平面上相互错开90/n度；3）其控制特征是：步进到和指定角度的差小于一步的位置，再根据角度传感器的值，调节两相的电压或电流的大小及方向，从而改变两个子电机的扭矩大小及方向，使电机的转子在1步之内转动，当角度传感器位置指示到指定角度时，制动电机，从而让电机停在指定位置，实现伺服电机的功能。电机技术领域的技术人员都可以根据这一思想做一些变化，比如，不用同一根轴，用两根轴，中间用联轴器连接起来；不只用2台电机，而用多台电机分成两部分，每个部分同时同步运行而构成一台电机；不只用一台制动器或角度传感器；子电机错开角度不等于90/n度，而角度在90/n度附近；步进到与设定角度差大于1步附近再进行伺服控制；把永磁极换成线圈励磁极；把单相无刷直流电机换成多相无刷直流电机等等，但这些都视为没有离开本发明的权利要求保护范围。同样的，采用盘式电机作为子电机，也可以实现这一功能。

本发明的永磁步进伺服电机的优点有：1、结构简单，生产成本低；2、控制简单；3、扭矩/体积比大，体积小、重量轻、出力大，转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大；3、可以低速大功率运行；4、无级调速，调速范围广，过载能力强；5、效率高。

传统的单相无刷直流电机存在启动死点，制约了该电机的普遍应用。本把m个相同或不同的单相无刷直流电机或盘式电机安装在通一根轴上，各子电机的死点不对齐，所有的子定子和子转子分别构成一个刚性整体，各子电机按照单相无刷直流电机的运行方式独立运行，构成无死点的永磁无刷直流电机。这种设计，发挥了无刷电机的优点，同时克服了无刷电机的死点。对于经济应用，可以取m=2，n尽量小一点，比如1，安装时各子电机的死点错开一定角度，这样将构成简单的2相2极无刷直流电机。对于大型电机，根据需要取舍子电机数量，对不同子电机可以设计不同的转子定子，比如，一个子电机为主电机，另一个子电机为辅助电机等等，这将极大地提高单相无刷电机的应用。对于目前应用广泛的3相无刷直流电机，由于同时通电的只有2相，显然其扭矩比不上无死点的永磁无刷直流电机，尤其是航模无人机电机，它对扭矩重量比有严格的要求，只要本电机推出市场，将迅速替代传统的3相无刷电机。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是 二相12极步进电机组装图；

图2 是二相6极步进电机4拍控制波形图；

图3 是二相6极步进电机8拍控制波形图；

图4 是二相6极步进电机全定子通电运行图；

图5 是二相12极步进伺服电机剖切图；

图6 是二相4极无死点无刷直流电机剖切图；

图7 是二相24极步进电机调试图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：二相12极外转子永磁步进电机。附图1、2、3、4分别给出了二相12极外转子永磁步进电机的结构及运行方式。图1二相12极外转子永磁步进电机的结构图，包含由硅铁片制作的子定子4和子定子5、漆包线线圈6、铝制定子座7、不锈钢材料制作的轴8、轴承9等零件构成了二相12极外转子永磁步进电机的整体内定子，两个子定子的极齿是对齐的；转子给出了磁钢2、3由2x12块磁钢构成，相邻磁钢的极性相反，均匀分布在环面上，每块磁钢之间有间隙，两个磁钢环安装角度差为15度，一个磁钢环之中的所有间隙对齐另一个磁钢环中的所有磁钢的中间线。磁块环固定在磁性材料制作的外壳上，和各自的子定子对齐。

图2是2相6极步进电机2m拍即本例4拍控制波形图，该运行方式和传统的2相混合步进电机运行方式相似。如图，A、B表示两个子电机的定子转子相对位置图，定子固定不动，两个子转子连接成刚性整体，即一个转子动，另外一个转子跟着动，每一列两个子电机图案表示在该角度的两子电机的定子转子相对位置。假定电机线圈通正向电流某定子极表现为N极（图中深色部分定子或转子部分），由于相邻线圈绕向相反，则相邻定子极为S极（图中浅灰色部分定子或转子部分），定子极S、N极交替排列。在0度位置时，A定子不通电流，B定子通反向电流，一直维持到30度位置或附近，根据磁性同极相斥，异极相吸，B转子受到顺时钟力矩，A转子只受到磁铁和转子材料相吸的锁定力矩，当前者大于后者，电机将顺时钟转过30度；到达30度位置后或附近时，给A定子通正向电流，B定子不通电流，转子继续受到顺时钟力矩，转子继续顺时钟转30度到60度位置；到达60度位置前或附近时时，给B定子通正向电流，A定子不通电流，转子继续受到顺时钟力矩，转子继续顺时钟转30度到90度位置；到达90度位置前或附近时时，给A定子通反向电流，B定子不通电流，转子继续受到顺时钟力矩，转子继续顺时钟转30度到120度位置；如此转子转过120度机械角度，完成一个电气角度360度循环，走完4步。如此循环直到完成指定步数。如图可知，任何位置停止供电，由于磁铁对定子的吸引，所以存在一个静态锁定力矩，当外力矩小于该力矩时，电机将稳定在一个和外力矩平衡的位置。

图3是2相6极步进电机4m拍即本例8拍控制波形图。在2m运行方式时，如果电机完成1拍到达定子极和转子极异极相对时不断电，即到达通电锁定位置时，另一相也通电，根据通电的方向，将在原来的基础上产生和原来力矩相同或相反的力矩，我们取相同的力矩，电机将再转15度左右达到新的平衡位置，但是这个位置只能在通电状态下存在，断电后又回到锁定力矩位置。如果在2m运行方式的每一拍插入这么一拍，那么就构成4m运行方式。

图4是2相6极步进电机全定子通电运行图；由图可知，本例的每一个电气360度角是2m方式下的4步，4m方式下的8步，4m拍运行不是可控的步进脉冲控制，因此必须增加一个步数计量器，可以是霍尔开关、光栅传感器、角度传感器等等，用来测定电机转过的步数。当采用本方式运行，在传感器测量到到达指定步数前数步时，用2m或4m运行方式刹车锁定，电机将停止在指定步数位置，同样能达到2m或4m运行精度，但是其输出扭矩是它们的m倍即本例的2倍左右。

实施例2：二相12极内转子步进伺服电机 。如图，包含由磁性材料制作的子定子3和5、两个转子13，由永磁材料制作的磁钢环11和12，由非磁性材料制作的轴1、端盖2和6、定子隔板4、转子座14，以及两个轴承10、制动器外壳7、制动器8、角度传感器9组成。每个定子上上有12个极齿，极齿绕有线圈，相邻极齿的绕向相反，两个子定子中间有定子隔板，用于隔离两个定子磁路，两个定子极齿是对齐的；每个子转子上均匀分布12块磁钢，相邻磁钢极性相反，磁力线穿过弧面，磁钢固定在转子上；两个转子之一绕轴旋转15度，固定安装在转子座上，子转子垂直于轴的中心面和各自的定子垂直于轴的中心面重叠；转子座安装在轴上，并和轴成刚性整体，转子两端的轴上有轴承，轴承安装在端盖的轴承座上，制动器安装在后端盖上并套在轴上，角度传感器安装在轴上。

假设要求步进伺服电机运行1356.420度，也就是2m方式的90步又6.420度，先按2m步进方式或全定子通电步进方式步进90步，当角度传感器指示到达90步后，不再步进，调节两相的电压或电流的大小及方向，使转子转到90步后的6.420度，制动电机后再断电，转子即停留在1356.420度的位置。用4m和连续运行方式，也可达到目的。

实施例3：二相四极无死点外转子无刷电机。如图，1根非磁性材料制作的轴1，2个含有轴套2，一个定子座3，2个线圈4和10，2个霍尔元件5，2个4极定子6和9，一个转子座7，8块磁钢8，1根轴销11构成；两个转子相互错开30-60度；定子对齐。由于死点不对齐，因此，任何时刻都有一台子电机能正常启动，而且可以在运行中变换方向。本实施例适用于经济运行，无死点，启动迅速，噪音小，能效高，制造简单，造价便宜，适用于对运行精度要求不高但又要求调速的家电领域如电风扇、航模电机、汽车配件等。

实施例4：是二相24极步进电机调试图。本样机采用4008云台无刷直流电机零件改造而成，定子直径40mm，厚度8mm，调速范围5-50转/秒，步进角度7.5度和3.75度，输入电压160V，2m及4m步进转速200r/min，全速步进转速6000 r/min，功率650W，200 r/min步进时扭矩2.43N.m。

Claims (4)

1.一种永磁步进电机，由m个双凸极单相无刷直流子电机或m个盘式子电机安装在同一根轴上组成，每个子电机有2n个转子永磁极和2n个定子齿极；各子电机的所有子定子构成一个刚性整体定子，所有子转子构成一个刚性整体转子；定子和转子中选择一个使其各子件之间在垂直于轴的平面上依次旋转360 /（2mn）度的角度定位，而另外的未选择的定子或转子是对齐的；各子定子之间有非磁性材料构成的隔板，其特征在于：其运行方式1是，采用2m步的控制方法，即各子电机的定子依次加电使其定子齿和转子磁钢对齐而使整个转子每步转动360 /（2mn）度，其步进角为360 /（2mn）度，其中m为大于1的整数，n为大于0的整数。

2.一种永磁步进电机，由m个双凸极单相无刷直流子电机或m个盘式子电机安装在同一根轴上组成，每个子电机有2n个转子永磁极和2n个定子齿极；各子电机的所有子定子构成一个刚性整体定子，所有子转子构成一个刚性整体转子；定子和转子中选择一个使其各子件之间在垂直于轴的平面上依次旋转360 /（2mn）度的角度定位，而另外的未选择的定子或转子是对齐的；各子定子之间有非磁性材料构成的隔板，其特征在于：其运行方式2是，采用4m步的控制方法，即在权利要求1 所述的2m步控制方法的各步之间，把对齐的子电机和下一个将要对齐的子电机同时通电，使电机整个转子在2m步方式的位置上再旋转一个360/（4mn）度的角度，从而在每一步2m步的后面再插入一步，其步进角为360 /（4mn）度，其中m为大于1的整数，n为大于0的整数。

3.一种永磁步进电机，由m个双凸极单相无刷直流子电机或m个盘式子电机安装在同一根轴上组成，每个子电机有2n个转子永磁极和2n个定子齿极；各子电机的所有子定子构成一个刚性整体定子，所有子转子构成一个刚性整体转子；定子和转子中选择一个使其各子件之间在垂直于轴的平面上依次旋转360 /（2mn）度的角度定位，而另外的未选择的定子或转子是对齐的；各子定子之间有非磁性材料构成的隔板，其特征在于：其运行方式3是，增加一个步数计量传感器，在步进启动时，各子电机按照单相无刷电机或盘式电机运行方式分别独立控制，同时通电，以增大步进电机扭矩，在步数计量传感器计量到步进即将结束前多步的时候按照2m或4m步控制方法进行刹车，从而达到指定步数位置，其中m为大于1的整数，n为大于0的整数。

4.一种永磁步进伺服电机，具有两台双凸极单相无刷电机或盘式电机，一个用于测量转子旋转角度的角度传感器，一个电机制动器；把两台双凸极单相无刷电机或盘式电机安装在同一轴上，两台子电机定子及转子分别构成一个刚性定子整体及刚性转子整体，选择定子整体或转子整体之一的两个子件 在垂直于轴向的平面上相互错开90/n度，未选择者两个子件是对齐的；其特征是：先采用权利要求1、2、3所述的步进运行方式之一使步进伺服电机步进到和指定角度差小于一步的位置，再根据角度传感器指示的角度值，调节两相的电压或电流的大小及方向，从而改变两个子电机的扭矩大小及方向，使电机的转子在1步之内转动，当传感器角度指示到指定角度时，用电机制动器制动电机，从而让电机停在指定位置，实现伺服电机的功能。