CN106849601B - 单相多极永磁步进电动机 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种单相多极永磁步进电动机，其涉及一种电动机，包括定子部件、转子部件。所述电动机只有一个集中式单相定子绕组，定子结构简单、容易制造。所述电动机磁极数为四极或者六极，电动机步距角小，不容易导致失步或超步。所述电动机气隙采用混合气隙，磁极一的气隙均匀段和磁极二的气隙均匀段的电机气隙小，并且，气隙均匀段的宽度较大，因此电机磁路磁阻较小，电机效率较高。磁极一的气隙不均匀段和磁极二的气隙不均匀段的电机气隙逐渐增大，所述电动机气隙中的磁场畸变小，定子磁动势谐波损耗小。单相多极永磁步进电动机能够满足电子钟表对高精度稳定运行步进电动机技术的需求。
Description
技术领域
本发明是一种单相多极永磁步进电动机，其涉及一种电动机，特别是涉及一种应用于电子钟表的单相多极永磁步进电动机。
背景技术
应用于电子钟表的电动机采用单相二极永磁步进电动机。该电动机采用不均匀气隙，步距角为一百八十度，每一个脉冲信号使转子沿着转子旋转方向旋转一百八十度。单相二极永磁步进电动机的步距角较大，容易发生失步现象，即电机转子还未完成一次步进时，第二个脉冲信号接踵而至，使转子少走一步，造成计时误差。步距角较大的电机转子容易产生较大的振荡，转子在稳定位置前后振荡的幅度较大，也容易导致失步或超步，造成计时误差。另外，不均匀气隙的磁路磁阻较大，电机效率较低。
普通多极永磁步进电动机的磁极数多，能够降低电动机的步距角，从而确保电动机高精度稳定运行。普通多极永磁步进电动机有两个以上的定子绕组，定子结构复杂、制造困难。若有一种采用一个集中式定子绕组的单相多极永磁步进电动机，则能够满足电子钟表对高精度稳定运行步进电动机技术的需求。
发明内容
本发明的目的是克服单相二极永磁步进电动机的步距角较大，容易发生失步现象，以及克服普通多极永磁步进电动机定子结构复杂、制造困难的缺点，提供一种采用一个集中式定子绕组的单相多极永磁步进电动机。本发明的实施方案如下：
单相多极永磁步进电动机包括定子部件、转子部件。所述电动机由电子钟表的脉冲电源驱动。定子部件中只有一个集中式单相定子绕组。所述电动机磁极数为四极或者六极。定子部件的磁极铁芯一径向内侧的磁极一数量为二个或者三个，定子部件的磁极铁芯二径向内侧的磁极二数量为二个或者三个。磁极一与磁极二的磁极数量相等。绕组线圈接通正向脉冲电流或负向脉冲电流时，磁极一的极性与磁极二的极性互为异性磁极。所述电动机气隙采用混合气隙，磁极一和磁极二径向内表面分为气隙均匀段和气隙不均匀段两部分，气隙均匀段的电机气隙最小，气隙不均匀段的电机气隙由小变大。
定子部件包括定位销、磁极铁芯二、隔磁板、磁极铁芯一、绕组铁芯、半片绕组骨架、绕组线圈。定位销呈圆柱形，定位销材质是非导磁材料。隔磁板呈圆环形，隔磁板径向外侧均布有若干个固定孔，隔磁板材质是非导磁材料。半片绕组骨架上有骨架中心槽、骨架线槽。
磁极铁芯一中间是呈圆环形的磁极环一，磁极环一径向内侧边缘均布二个或者三个磁极一，相邻两个磁极一之间是磁极槽一。每个磁极一径向内表面分为气隙均匀段和气隙不均匀段两部分，每个磁极一的气隙均匀段和气隙不均匀段沿着转子旋转方向依次交替排列。每个磁极一的气隙均匀段径向内表面直径最小，气隙不均匀段径向内表面直径随着该气隙不均匀段远离相邻的气隙均匀段而逐渐增大。磁极环一径向外侧均布有若干个铁芯销孔一。磁极环一径向外侧上端有凸台一，凸台一上端表面有连接隼头一。
磁极铁芯二中间是呈圆环形的磁极环二，磁极环二径向内侧边缘均布二个或者三个磁极二，相邻两个磁极二之间是磁极槽二。每个磁极二径向内表面分为气隙均匀段和气隙不均匀段两部分，每个磁极二的气隙均匀段和气隙不均匀段沿着转子旋转方向依次交替排列。每个磁极二的气隙均匀段径向内表面直径最小，气隙不均匀段径向内表面直径随着该气隙不均匀段远离相邻的气隙均匀段而逐渐增大。磁极环二径向外侧均布有若干个铁芯销孔二。磁极环二径向外侧下端有凸台二，凸台二下端表面有连接隼头二。
绕组铁芯呈U形，绕组铁芯下端是下磁轭，绕组铁芯上端是上磁轭，绕组铁芯右侧从上至下分别是竖磁轭、斜磁轭，上磁轭右侧一端与竖磁轭上端连接在一起，下磁轭右侧一端与斜磁轭下端连接在一起，斜磁轭从上至下向前倾斜。下磁轭左侧一端的上表面有连接隼槽二，连接隼槽二截面与磁极铁芯二的连接隼头二截面相啮合。上磁轭左侧一端的下表面有连接隼槽一，连接隼槽一截面与磁极铁芯一的连接隼头一截面相啮合。
定子部件装配时，把两个半片绕组骨架的骨架中心槽安装在绕组铁芯的竖磁轭前后两侧，然后在两个半片绕组骨架的骨架线槽内缠绕绕组线圈。把磁极铁芯一的连接隼头一安装在绕组铁芯的连接隼槽一中，使磁极铁芯一的凸台一的上端面与绕组铁芯的上磁轭的下端面相互接触安装在一起。把磁极铁芯二的连接隼头二安装在绕组铁芯的连接隼槽二中，使磁极铁芯二的凸台二的下端面与绕组铁芯的下磁轭的上端面相互接触安装在一起。把隔磁板安装在磁极铁芯一的磁极环一与磁极铁芯二的磁极环二之间，把若干个定位销从前向后依次穿过并安装在磁极铁芯二的铁芯销孔二、隔磁板的固定孔、磁极铁芯一的铁芯销孔一中。定子部件装配后，磁极铁芯二的每个磁极二与磁极铁芯一的磁极槽一沿着轴向对齐。磁极铁芯二的每个磁极槽二与磁极铁芯一的磁极一沿着轴向对齐。在若干个磁极一和磁极二径向内侧形成定子气隙内腔。
转子部件从内向外依次包括转轴、隔磁衬套、转子铁芯、永磁环。转轴呈圆柱形，隔磁衬套呈圆筒形，隔磁衬套材质是非导磁材料。转子铁芯呈圆筒形，永磁环呈圆筒形，永磁环径向外表面均布四个或六个转子磁极，相邻两个转子磁极互为异性磁极。所述电动机装配时，把转子部件安装在定子部件的定子气隙内腔中。
所述电动机步进运行过程是：所述电动机在绕组线圈接通正向脉冲电流前，转子部件处于稳定位置时，磁极一的气隙均匀段和磁极二的气隙均匀段电机气隙最小，转子部件的N极转子磁极几何中心线与磁极一的气隙均匀段几何中心线重合，并且，转子部件的S极转子磁极几何中心线与磁极二的气隙均匀段几何中心线重合。当绕组线圈接通一个正向脉冲电流时，绕组线圈上端为n极, 绕组线圈下端为s极, 磁极一为n极，磁极二为s极，在同性相斥异性相吸的磁力作用下，转子部件沿着转子旋转方向旋转一个步距角。该步距角等于转子部件相邻两个转子磁极几何中心线的夹角。此时，转子部件的S极转子磁极几何中心线与磁极一的气隙均匀段几何中心线重合，并且，转子部件的N极转子磁极几何中心线与磁极二的气隙均匀段几何中心线重合。转子部件稳定在新的位置，所述电动机完成一次步进运行。
当绕组线圈接通一个负向脉冲电流时，绕组线圈上端为s极, 绕组线圈下端为n极, 磁极一为s极，磁极二为n极，在同性相斥异性相吸的磁力作用下，转子部件沿着转子旋转方向旋转一个步距角。此时，转子部件的N极转子磁极几何中心线与磁极一的气隙均匀段几何中心线重合，并且，转子部件的S极转子磁极几何中心线与磁极二的气隙均匀段几何中心线重合。转子部件稳定在新的位置，所述电动机完成一次步进运行。至此，所述电动机完成一个正、负脉冲循环周期的步进运行。
单相多极永磁步进电动机只有一个集中式单相定子绕组，定子结构简单、容易制造。所述电动机磁极数为四极或者六极，电动机步距角小，不容易导致失步或超步。所述电动机气隙采用混合气隙，磁极一的气隙均匀段和磁极二的气隙均匀段的电机气隙小，并且，气隙均匀段的宽度较大，因此电机磁路磁阻较小，电机效率较高。磁极一的气隙不均匀段和磁极二的气隙不均匀段的电机气隙逐渐增大，所述电动机气隙中的磁场畸变小，定子磁动势谐波损耗小。单相多极永磁步进电动机能够满足电子钟表对高精度稳定运行步进电动机技术的需求。
附图说明
说明书附图是单相多极永磁步进电动机的结构图和示意图。其中图1是单相多极永磁步进电动机的轴测图。图2是定子部件的轴测图。图3是磁极铁芯一的轴测图。图4是磁极铁芯二的轴测图。图5是绕组铁芯的轴测图。图6是隔磁板的轴测图。图7是半片绕组骨架的轴测图。图8是绕组线圈的轴测图。图9是转子部件的轴测图。图10是永磁环的轴测图。图11是所述电动机在绕组线圈接通正向脉冲电流前，转子部件处于稳定位置时，转子部件与磁极铁芯一的相对位置示意图。图12是所述电动机在绕组线圈接通正向脉冲电流前，转子部件处于稳定位置时，转子部件与磁极铁芯二的相对位置示意图。图13是所述电动机在绕组线圈接通负向脉冲电流前，转子部件处于稳定位置时，转子部件与磁极铁芯一的相对位置示意图。图14是所述电动机在绕组线圈接通负向脉冲电流前，转子部件处于稳定位置时，转子部件与磁极铁芯二的相对位置示意图。
说明书附图中大写字母N和S代表转子磁极极性，小写字母n和s代表定子磁极极性。
图中标注有下磁轭1、定位销2、转子部件3、磁极铁芯二4、磁极二5、隔磁板6、磁极铁芯一7、上磁轭8、半片绕组骨架9、绕组线圈10、斜磁轭11、磁极一12、定子气隙内腔13、气隙均匀段14、气隙不均匀段15、铁芯销孔一16、凸台一17、连接隼头一18、磁极槽一19、磁极环一20、连接隼头二21、凸台二22、铁芯销孔二23、磁极环二24、磁极槽二25、连接隼槽二26、竖磁轭27、连接隼槽一28、固定孔29、骨架中心槽30、骨架线槽31、转轴32、隔磁衬套33、转子铁芯34、永磁环35、转子旋转方向36。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步叙述。
参照图1至图10，单相多极永磁步进电动机包括定子部件、转子部件3。所述电动机由电子钟表的脉冲电源驱动。定子部件中只有一个集中式单相定子绕组。所述电动机磁极数为四极或者六极。定子部件的磁极铁芯一7径向内侧的磁极一12数量为二个或者三个，定子部件的磁极铁芯二4径向内侧的磁极二5数量为二个或者三个。磁极一12与磁极二5的磁极数量相等。绕组线圈10接通正向脉冲电流或负向脉冲电流时，磁极一12的极性与磁极二5的极性互为异性磁极。所述电动机气隙采用混合气隙，磁极一12和磁极二5径向内表面分为气隙均匀段14和气隙不均匀段15两部分，气隙均匀段14的电机气隙最小，气隙不均匀段15的电机气隙由小变大。
定子部件包括定位销2、磁极铁芯二4、隔磁板6、磁极铁芯一7、绕组铁芯、半片绕组骨架9、绕组线圈10。定位销2呈圆柱形，定位销2材质是非导磁材料。隔磁板6呈圆环形，隔磁板6径向外侧均布有若干个固定孔29，隔磁板6材质是非导磁材料。半片绕组骨架9上有骨架中心槽30、骨架线槽31。
磁极铁芯一7中间是呈圆环形的磁极环一20，磁极环一20径向内侧边缘均布二个或者三个磁极一12，相邻两个磁极一12之间是磁极槽一19。每个磁极一12径向内表面分为气隙均匀段14和气隙不均匀段15两部分，每个磁极一12的气隙均匀段14和气隙不均匀段15沿着转子旋转方向36依次交替排列。每个磁极一12的气隙均匀段14径向内表面直径最小，气隙不均匀段15径向内表面直径随着该气隙不均匀段15远离相邻的气隙均匀段14而逐渐增大。磁极环一20径向外侧均布有若干个铁芯销孔一16。磁极环一20径向外侧上端有凸台一17，凸台一17上端表面有连接隼头一18。
磁极铁芯二4中间是呈圆环形的磁极环二24，磁极环二24径向内侧边缘均布二个或者三个磁极二5，相邻两个磁极二5之间是磁极槽二25。每个磁极二5径向内表面分为气隙均匀段14和气隙不均匀段15两部分，每个磁极二5的气隙均匀段14和气隙不均匀段15沿着转子旋转方向36依次交替排列。每个磁极二5的气隙均匀段14径向内表面直径最小，气隙不均匀段15径向内表面直径随着该气隙不均匀段15远离相邻的气隙均匀段14而逐渐增大。磁极环二24径向外侧均布有若干个铁芯销孔二23。磁极环二24径向外侧下端有凸台二22，凸台二22下端表面有连接隼头二21。
绕组铁芯呈U形，绕组铁芯下端是下磁轭1，绕组铁芯上端是上磁轭8，绕组铁芯右侧从上至下分别是竖磁轭27、斜磁轭11，上磁轭8右侧一端与竖磁轭27上端连接在一起，下磁轭1右侧一端与斜磁轭11下端连接在一起，斜磁轭11从上至下向前倾斜。下磁轭1左侧一端的上表面有连接隼槽二26，连接隼槽二26截面与磁极铁芯二4的连接隼头二21截面相啮合。上磁轭8左侧一端的下表面有连接隼槽一28，连接隼槽一28截面与磁极铁芯一7的连接隼头一18截面相啮合。
定子部件装配时，把两个半片绕组骨架9的骨架中心槽30安装在绕组铁芯的竖磁轭27前后两侧，然后在两个半片绕组骨架9的骨架线槽31内缠绕绕组线圈10。把磁极铁芯一7的连接隼头一18安装在绕组铁芯的连接隼槽一28中，使磁极铁芯一7的凸台一17的上端面与绕组铁芯的上磁轭8的下端面相互接触安装在一起。把磁极铁芯二4的连接隼头二21安装在绕组铁芯的连接隼槽二26中，使磁极铁芯二4的凸台二22的下端面与绕组铁芯的下磁轭1的上端面相互接触安装在一起。把隔磁板6安装在磁极铁芯一7的磁极环一20与磁极铁芯二4的磁极环二24之间，把若干个定位销2从前向后依次穿过并安装在磁极铁芯二4的铁芯销孔二23、隔磁板6的固定孔29、磁极铁芯一7的铁芯销孔一16中。定子部件装配后，磁极铁芯二4的每个磁极二5与磁极铁芯一7的磁极槽一19沿着轴向对齐。磁极铁芯二4的每个磁极槽二25与磁极铁芯一7的磁极一12沿着轴向对齐。在若干个磁极一12和磁极二5径向内侧形成定子气隙内腔13。
转子部件3从内向外依次包括转轴32、隔磁衬套33、转子铁芯34、永磁环35。转轴32呈圆柱形，隔磁衬套33呈圆筒形，隔磁衬套33材质是非导磁材料。转子铁芯34呈圆筒形，永磁环35呈圆筒形，永磁环35径向外表面均布四个或六个转子磁极，相邻两个转子磁极互为异性磁极。所述电动机装配时，把转子部件3安装在定子部件的定子气隙内腔13中。
参照图11至图14，所述电动机步进运行过程是：所述电动机在绕组线圈10接通正向脉冲电流前，转子部件3处于稳定位置时，磁极一12的气隙均匀段14和磁极二5的气隙均匀段14电机气隙最小，转子部件3的N极转子磁极几何中心线与磁极一12的气隙均匀段14几何中心线重合，并且，转子部件3的S极转子磁极几何中心线与磁极二5的气隙均匀段14几何中心线重合。当绕组线圈10接通一个正向脉冲电流时，绕组线圈10上端为n极, 绕组线圈10下端为s极, 磁极一12为n极，磁极二5为s极，在同性相斥异性相吸的磁力作用下，转子部件3沿着转子旋转方向36旋转一个步距角。该步距角等于转子部件3相邻两个转子磁极几何中心线的夹角。此时，转子部件3的S极转子磁极几何中心线与磁极一12的气隙均匀段14几何中心线重合，并且，转子部件3的N极转子磁极几何中心线与磁极二5的气隙均匀段14几何中心线重合。转子部件3稳定在新的位置，所述电动机完成一次步进运行。
当绕组线圈10接通一个负向脉冲电流时，绕组线圈10上端为s极, 绕组线圈10下端为n极, 磁极一12为s极，磁极二5为n极，在同性相斥异性相吸的磁力作用下，转子部件3沿着转子旋转方向36旋转一个步距角。此时，转子部件3的N极转子磁极几何中心线与磁极一12的气隙均匀段14几何中心线重合，并且，转子部件3的S极转子磁极几何中心线与磁极二5的气隙均匀段14几何中心线重合。转子部件3稳定在新的位置，所述电动机完成一次步进运行。至此，所述电动机完成一个正、负脉冲循环周期的步进运行。
单相多极永磁步进电动机只有一个集中式单相定子绕组，定子结构简单、容易制造。所述电动机磁极数为四极或者六极，电动机步距角小，不容易导致失步或超步。所述电动机气隙采用混合气隙，磁极一12的气隙均匀段14和磁极二5的气隙均匀段14的电机气隙小，并且，气隙均匀段14的宽度较大，因此电机磁路磁阻较小，电机效率较高。磁极一12的气隙不均匀段15和磁极二5的气隙不均匀段15的电机气隙逐渐增大，所述电动机气隙中的磁场畸变小，定子磁动势谐波损耗小。单相多极永磁步进电动机能够满足电子钟表对高精度稳定运行步进电动机技术的需求。
Claims (1)
1.一种单相多极永磁步进电动机，包括定子部件、转子部件(3)；其特征在于所述电动机由电子钟表的脉冲电源驱动；定子部件中只有一个集中式单相定子绕组；所述电动机磁极数为四极或者六极；定子部件的磁极铁芯一(7)径向内侧的磁极一(12)数量为二个或者三个，定子部件的磁极铁芯二(4)径向内侧的磁极二(5)数量为二个或者三个；磁极一(12)与磁极二(5) 的磁极数量相等；绕组线圈(10)接通正向脉冲电流或负向脉冲电流时，磁极一(12)的极性与磁极二(5)的极性互为异性磁极；所述电动机气隙采用混合气隙，磁极一(12)和磁极二(5)径向内表面分为气隙均匀段(14)和气隙不均匀段(15)两部分，气隙均匀段(14)的电机气隙最小，气隙不均匀段(15)的电机气隙由小变大；
定子部件包括定位销(2)、磁极铁芯二(4)、隔磁板(6)、磁极铁芯一(7)、绕组铁芯、半片绕组骨架(9)、绕组线圈(10)；定位销(2)呈圆柱形，定位销(2)材质是非导磁材料；隔磁板(6)呈圆环形，隔磁板(6)径向外侧均布有若干个固定孔(29)，隔磁板(6)材质是非导磁材料；半片绕组骨架(9)上有骨架中心槽(30)、骨架线槽(31)；
磁极铁芯一(7)中间是呈圆环形的磁极环一(20)，磁极环一(20)径向内侧边缘均布二个或者三个磁极一(12)，相邻两个磁极一(12)之间是磁极槽一(19)；每个磁极一(12)径向内表面分为气隙均匀段(14)和气隙不均匀段(15)两部分，每个磁极一(12)的气隙均匀段(14)和气隙不均匀段(15)沿着转子旋转方向(36)依次交替排列；每个磁极一(12)的气隙均匀段(14)径向内表面直径最小，气隙不均匀段(15)径向内表面直径随着该气隙不均匀段(15)远离相邻的气隙均匀段(14)而逐渐增大；磁极环一(20)径向外侧均布有若干个铁芯销孔一(16)；磁极环一(20)径向外侧上端有凸台一(17)，凸台一(17)上端表面有连接隼头一(18)；
磁极铁芯二(4)中间是呈圆环形的磁极环二(24)，磁极环二(24)径向内侧边缘均布二个或者三个磁极二(5)，相邻两个磁极二(5)之间是磁极槽二(25)；每个磁极二(5)径向内表面分为气隙均匀段(14)和气隙不均匀段(15)两部分，每个磁极二(5)的气隙均匀段(14)和气隙不均匀段(15)沿着转子旋转方向(36)依次交替排列；每个磁极二(5)的气隙均匀段(14)径向内表面直径最小，气隙不均匀段(15)径向内表面直径随着该气隙不均匀段(15)远离相邻的气隙均匀段(14)而逐渐增大；磁极环二(24)径向外侧均布有若干个铁芯销孔二(23)；磁极环二(24)径向外侧下端有凸台二(22)，凸台二(22)下端表面有连接隼头二(21)；
绕组铁芯呈U形，绕组铁芯下端是下磁轭(1)，绕组铁芯上端是上磁轭(8)，绕组铁芯右侧从上至下分别是竖磁轭(27)、斜磁轭(11)，上磁轭(8)右侧一端与竖磁轭(27)上端连接在一起，下磁轭(1)右侧一端与斜磁轭(11)下端连接在一起，斜磁轭(11)从上至下向前倾斜；下磁轭(1)左侧一端的上表面有连接隼槽二(26)，连接隼槽二(26)截面与磁极铁芯二(4)的连接隼头二(21)截面相啮合；上磁轭(8)左侧一端的下表面有连接隼槽一(28)，连接隼槽一(28)截面与磁极铁芯一(7)的连接隼头一(18)截面相啮合；
定子部件装配时，把两个半片绕组骨架(9)的骨架中心槽(30)安装在绕组铁芯的竖磁轭(27)前后两侧，然后在两个半片绕组骨架(9)的骨架线槽(31)内缠绕绕组线圈(10)；把磁极铁芯一(7)的连接隼头一(18)安装在绕组铁芯的连接隼槽一(28)中，使磁极铁芯一(7)的凸台一(17)的上端面与绕组铁芯的上磁轭(8)的下端面相互接触安装在一起；把磁极铁芯二(4)的连接隼头二(21)安装在绕组铁芯的连接隼槽二(26)中，使磁极铁芯二(4)的凸台二(22)的下端面与绕组铁芯的下磁轭(1)的上端面相互接触安装在一起；把隔磁板(6)安装在磁极铁芯一(7)的磁极环一(20)与磁极铁芯二(4)的磁极环二(24)之间，把若干个定位销(2)从前向后依次穿过并安装在磁极铁芯二(4)的铁芯销孔二(23)、隔磁板(6)的固定孔(29)、磁极铁芯一(7)的铁芯销孔一(16)中；定子部件装配后，磁极铁芯二(4)的每个磁极二(5)与磁极铁芯一(7)的磁极槽一(19)沿着轴向对齐；磁极铁芯二(4)的每个磁极槽二(25)与磁极铁芯一(7)的磁极一(12)沿着轴向对齐；在若干个磁极一(12)和磁极二(5)径向内侧形成定子气隙内腔(13)；
转子部件(3)从内向外依次包括转轴(32)、隔磁衬套(33)、转子铁芯(34)、永磁环(35)；转轴(32)呈圆柱形，隔磁衬套(33)呈圆筒形，隔磁衬套(33)材质是非导磁材料；转子铁芯(34)呈圆筒形，永磁环(35)呈圆筒形，永磁环(35)径向外表面均布四个或六个转子磁极，相邻两个转子磁极互为异性磁极；所述电动机装配时，把转子部件(3)安装在定子部件的定子气隙内腔(13)中。
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2017
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