CN112054611A - 一种定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种定子嵌有条型永磁体的混合式步进电机，包括转子，包括转子铁心和转子转轴，其中，所述转子叠压所述转子铁心，所述转子铁心内部设置有转子转轴，所述转子的外圆周上均匀分布有齿轮；定子，包括定子铁心、定子绕组、永磁体和机壳；其中，所述定子铁心内周分布有磁极，每个所述磁极的极靴上均匀分布有与所述转子上齿轮齿距相同的小齿，每个所述磁极的极身安装有一相定子绕组；永磁体槽设置在所述定子铁心轭部，用于放置条形永磁体；所述永磁体每间隔一个磁极放置，所述永磁体按一定顺序交替排序。

Description

一种定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机
技术领域
本发明涉及混合式步进电机设备技术领域，具体为一种定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机。
背景技术
混合式步进电机是综合了永磁式和反应式的优点而设计的步进电机。它又分为两相、三相和五相，两相步进角一般为1.8度，三相步进角一般为1.2度，而五相步进角一般为0.72度，混合式步进电机的转子本身具有磁性，因此在同样的定子电流下产生的转矩要大于反应式步进电机，且其步距角通常也较小，因此，经济型数控机床一般需用混合式步进电机驱动。但混合转子的结构较复杂、转子惯量大，其快速性要低于反应式步进电机，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设备中。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。
现有的混合式步进电机转子铁心分为两段，永磁体置于转子上两段叠压的铁心之间，形成前后两段转子铁心的轴向充磁。两段转子铁心上的小齿互相错开1/2的齿距，因此存在如下问题，转子结构复杂，加工难度高；而且由于永磁体是轴向充磁，但是转子和定子均是硅钢片叠压而成，相邻的硅钢片会存在不导磁的气隙，且定子绕组产生的磁场是径向的，因此永磁体利用率低，且不利于有限元分析。最后是随着转速的永磁体置于两段转子之间，散热困难，容易退磁，这容易导致混合式步进电机内部高温，电机转子和电机定子受高温影响受损或运转失效，且产生退磁后不易更换。
发明内容
为此，本发明提供一种定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机，用以克服上述加工难度高、永磁体利用率低、散热差、不易维修更换的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种定子嵌有条型永磁体的混合式步进电机，包括，
转子，包括转子铁心和转子转轴，其中，所述转子叠压所述转子铁心，所述转子铁心内部设置有转子转轴，所述转子的外圆周上均匀分布有齿轮；
定子，包括定子铁心、定子绕组、永磁体和机壳；其中，所述定子铁心内周分布有磁极，每个所述磁极的极靴上均匀分布有与所述转子上齿轮齿距相同的小齿，每个所述磁极的极身安装有一相定子绕组；
永磁体槽设置在所述定子铁心轭部，用于放置条形永磁体；所述永磁体每间隔一个磁极放置，所述永磁体按一定顺序交替排序。
进一步地，所述定子铁心包括第一定子铁心和第二定子铁心，其中，所述第一定子铁心和所述第二定子铁心的绕圈绕组同相相反。
进一步地，所述第一定子铁心的磁极包括第一定子磁极、第二定子磁极、第三定子磁极、第四定子磁极、第五定子磁极、第六定子磁极、第七定子磁极和第八定子磁极，其中，所述第一定子铁心的磁极对应的永磁体极性依次为N、S、N、S、S、N、S、N。
进一步地，所述第二定子铁心的磁极包括第二定子的第一定子磁极、第二定子的第二定子磁极、第二定子的第三定子磁极、第二定子的第四定子磁极、第二定子的第五定子磁极、第二定子的第六定子磁极、第二定子的第七定子磁极和第二定子的第八定子磁极，其中，所述第一定子铁心的磁极对应的永磁体极性依次为S、N、S、N、N、S、N、S。
进一步地，所述永磁体槽为条形槽。
进一步地，所述定子铁心外设置有机壳，所述机壳为不导磁的。
进一步地，所述定子铁心通过螺钉与电机的端盖固定连接。
进一步地，所述转子是硅钢片迭压构成，所述定子是硅钢片迭压构成。
进一步地，所述定子铁心磁极的转子极靴上小齿为5个。
进一步地，所述转子的齿轮为50个。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供了一种定子嵌有条型永磁体的混合式步进电机，由于永磁体置于定子内，简化了所述步进电机的结构，由于将永磁体放置在定子内，降低了转子加工的难度，提高了利用率，磁通量大，磁链短。
进一步地，永磁体是放置在永磁体槽内，槽内与永磁体之间有间隙，一方面保护永磁体不容易退磁，且易于更换，另一方面可以更加有效的对混合式步进电机内部进行有效散热，避免了由于电机转子和电机定子在运作时产生大量的高温，导致电机转子和电机定子受高温影响受损或运转失效的问题。
进一步地，本发明采用的是条形永磁体，通过条形永磁体紧贴结构使得磁场为径向，永磁体利用率高，易于有限元分析。尤其，电机磁场叠加且第一定子铁心和第二定子铁心产生转矩叠加，所以电机转矩大。
附图说明
图1为本发明所述实施例的混合式步进电机径向剖面图；
图2为本发明所述实施例的混合式步进电机轴向剖面图；
图3为本发明所述实施例的混合式步进电机第一定子铁心的永磁体磁极分布及绕组各线圈结构示意图；
图4为本发明所述实施例的混合式步进电机第二定子铁心的永磁体磁极分布及绕组各线圈结构示意图；
图5为本发明所述实施例的混合式步进电机定子绕组各线圈接线示意图；
图6为本发明所述实施例的混合式步进电机预设的初始位置图；
图7为本发明所述实施例的混合式步进电机从初始位置步进β/2角度后的位置图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1－2所示，一种定子嵌有条型永磁体的混合式步进电机，包括：转子和定子，其中，所述转子由转子铁心3和转子转轴4构成，定子铁心的外围套有不锈钢的机壳5，定子铁心通过螺钉与电机的端盖连接，所述定子包括第一定子铁心2－1和第二定子铁心2－2。
具体而言，本发明实施例中，本发明实施例中，所述混合式步进电机选用的是二相8极混合式步进电机，本发明并不限定所述步进电机的具体类型，一切以具体实施为准。
具体而言，本发明实施例中，所述转子包括转子铁心3和转子转轴4，转子铁心3叠压在所述转子铁心3，所述转子铁心3内部设置有转子转轴4，而且所述转子的外圆周上均匀的分布有齿轮，所述齿轮的数量为50个。
具体而言，本发明实施例中，所述定子包括定子铁心、定子绕组、永磁体2和机壳5；其中，所述定子铁心内周分布有磁极，每个所述磁极的极靴上均匀分布有与所述转子上齿轮齿距相同的小齿，所述小齿为5个。而且，每个所述磁极的极身安装有一相定子绕组；永磁体2槽设置在所述定子铁心轭部，用于放置条形永磁体2；所述永磁体2每间隔一个磁极放置，所述永磁体2按一定顺序交替排序。每个定子磁极1的极靴上分布有与转子的转齿齿距相同的5个小齿，每个定子磁极1的极靴安装有一相定子绕组。其中，所述永磁体2槽为条形槽，用于放置条形永磁体2。
具体而言，本发明实施例中，所述转子和所述定子的材质是硅钢片迭压构成，所述定子铁心外设置有机壳5，所述机壳5为不导磁的，本发明并不限定具体的材质，一切以具体实施为准。
请参阅图3－4所示，所述定子铁心包括第一定子铁心2－1和第二定子铁心2－2，其中，所述第一定子铁心2－1和所述第二定子铁心2－2的绕圈绕组同相相反。其中，所述第一定子铁心2－1的磁极包括第一定子磁极3－1、第二定子磁极3－2、第三定子磁极3－3、第四定子磁极3－4、第五定子磁极3－5、第六定子磁极3－6、第七定子磁极3－7和第八定子磁极3－8，其中，所述第一定子磁极3－1对应的永磁体2极性为N、第二定子磁极3－2对应的永磁体2极性为S、第三定子磁极3－3对应的永磁体2极性为N、第四定子磁极3－4对应的永磁体2极性为S、第五定子磁极3－5对应的永磁体2极性为S、第六定子磁极3－6对应的永磁体2极性为N、第七定子磁极3－7对应的永磁体2极性为S和第八定子磁极3－8对应的永磁体2极性为N。所述第二定子铁心2－2的磁极包括第二定子的第一定子磁极4－1、第二定子的第二定子磁极4－2、第二定子的第三定子磁极4－3、第二定子的第四定子磁极4－4、第二定子的第五定子磁极4－5、第二定子的第六定子磁极4－6、第二定子的第七定子磁极4－7和第二定子的第八定子磁极4－8，其中，第二定子的第一定子磁极4－1对应的永磁体2极性为S、第二定子的第二定子磁极4－2对应的永磁体2极性为N、第二定子的第三定子磁极4－3对应的永磁体2极性为S、第二定子的第四定子磁极4－4对应的永磁体2极性为N、第二定子的第五定子磁极4－5对应的永磁体2极性为N、第二定子的第六定子磁极4－6对应的永磁体2极性为S、第二定子的第七定子磁极4－7对应的永磁体2极性为N和第二定子的第八定子磁极4－8对应的永磁体2极性为S。
请参阅图5所示，所述定子铁心内周分布有磁极，每个所述磁极的极身安装有一相定子绕组；其中，第一定子铁心2－1的第一定子磁极3－1的定子绕组为A、第二定子磁极3－2的定子绕组为B、第三定子磁极3－3的定子绕组为-A、第四定子磁极3－4的定子绕组为-B、第五定子磁极3－5的定子绕组为-A、第六定子磁极3－6的定子绕组为-B、第七定子磁极3－7的定子绕组为A和第八定子磁极3－8的定子绕组为B。
所述第二定子的第一定子磁极4－1对应的永磁体2极性为-A、第二定子的第二定子磁极4－2对应的永磁体2极性为-B、第二定子的第三定子磁极4－3对应的永磁体2极性为A、第二定子的第四定子磁极4－4对应的永磁体2极性为B、第二定子的第五定子磁极4－5对应的永磁体2极性为A、第二定子的第六定子磁极4－6对应的永磁体2极性为B、第二定子的第七定子磁极4－7对应的永磁体2极性为-A和第二定子的第八定子磁极4－8对应的永磁体2极性为-B。
具体而言，本发明实施例中，电机绕组包括A相绕组8－1和B相绕组8－2，其中，电机定子A相绕组8－1包括所述第一定子磁极3－1的定子绕组为A相线圈与第三定子磁极3－3的定子绕组为-A相线圈反向串联，再与第五定子磁极3－5的定子绕组为-A相线圈反向串联，再与第七定子磁极3－7的定子绕组为A相线圈正向串联，再与第二定子的第七定子磁极4－7对应的永磁体2极性为-A相线圈反向串联，再与第二定子的第五定子磁极4－5对应的永磁体2极性为A相线圈正向串联，再与第二定子的第三定子磁极4－3对应的永磁体2极性为A线圈正向串联，再与第二定子的第一定子磁极4－1对应的永磁体2极性为-A相线圈反向串联构成；
具体而言，本发明实施例中，电机定子B相绕组8－2包括第二定子磁极3－2的定子绕组为B相线圈与第四定子磁极3－4的定子绕组为-B相线圈反向串联，再与第六定子磁极3－6的定子绕组为-B相线圈反向串联，再与第八定子磁极3－8的定子绕组为B相线圈正向串联，再与第二定子的第八定子磁极4－8对应的永磁体2极性为-B相线圈反向串联，再与第二定子的第六定子磁极4－6对应的永磁体2极性为B相线圈正向串联，再与第二定子的第四定子磁极4－4对应的永磁体2极性为B相线圈正向串联，再与第二定子的第二定子磁极4－2对应的永磁体2极性为-B相线圈反向串联构成。
请参阅图6－7所示，预设所述电机初始位置和状态，A相绕组8－1线圈通正相电，B相绕组8－2线圈断电，第一定子磁极3－1、第五定子磁极3－5、第二定子的第一定子磁极4－1和第二定子的第五定子磁极4－5的磁场由于线圈磁场和永磁体2磁场方向相同，叠加达到最大，定子和转子齿中心线对齐；第三定子磁极3－3和第七定子磁极3－7、第二定子的第三定子磁极4－3和第二定子的第七定子磁极4－7的磁场由于线圈磁场和永磁体2磁场方向相反，抵消达到最小，定子和转子齿中心线错开一个齿的角度β。第二定子磁极3－2、第四定子磁极3－4、第六定子磁极3－6、第八定子磁极3－8、第二定子的第二定子磁极4－2、第二定子的第四定子磁极4－4、第二定子的第六定子磁极4－6和第二定子的第八定子磁极4－8只有永磁体2的磁场，因此处于中等水平，定子和转子齿中心线错开角度β/2。此时各处转矩为0，此时Tmech3-1＝Tmech3-3＝Tmech3-5Tmech3-7＝Tmech4-1＝Tmech4-3＝Tmech4-5 Tmech4-7＝0，Tmech3-2＝Tmech3-6＝Tmech4-2＝Tmech4-6＝-Tmech3-4＝-Tmech3-8＝-Tmech4-4＝-Tmech4-8，电机处于平衡位置。
具体而言，当A相绕组8－1线圈断电，B相绕组8－2线圈通正相电，第二定子磁极3－2、第六定子磁极3－6、第二定子的第二定子磁极4－2和第二定子的第六定子磁极4－6上的磁场由于线圈磁场和永磁体2磁场方向相同，叠加达到最大；第四定子磁极3－4、第八定子磁极3－8、第二定子的第四定子磁极4－4和第二定子的第八定子磁极4－8上的磁场由于线圈磁场和永磁体2磁场方向相反，抵消达到最小；第一定子磁极3－1、第三定子磁极3－3、第五定子磁极3－5、第七定子磁极3－7、第二定子的第一定子磁极4－1、第二定子的第三定子磁极4－3、第二定子的第五定子磁极4－5和第二定子的第七定子磁极4－7上只有永磁体2的磁场，因此处于中等水平，此时各处转矩：
Tmech3-1＝Tmech3-3＝Tmech3-5＝Tmech3-7＝Tmech4-1＝Tmech4-3＝Tmech4-5＝Tmech4-7＝0，
Tmech3-2＝Tmech3-6＝Tmech4-2＝Tmech4-6>Tmech3-4＝Tmech3-8＝Tmech4-4＝Tmech4-8
所以转子产生力矩，转动过β/2个角度达到平衡位置。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定子嵌有条型永磁体的混合式步进电机，其特征在于，包括，
转子，包括转子铁心和转子转轴，其中，所述转子叠压所述转子铁心，所述转子铁心内部设置有转子转轴，所述转子的外圆周上均匀分布有齿轮；
定子，包括定子铁心、定子绕组、永磁体和机壳，其中，所述定子铁心内周分布有磁极，每个所述磁极的极靴上均匀分布有与所述转子上齿轮齿距相同的小齿，每个所述磁极的极身安装有一相定子绕组；
永磁体槽设置在所述定子铁心轭部，用于放置条形永磁体；所述永磁体每间隔一个磁极放置，所述永磁体按一定顺序交替排序。
2.根据权利要求1所述的定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机，其特征在于：所述定子铁心包括第一定子铁心和第二定子铁心，其中，所述第一定子铁心和所述第二定子铁心的绕圈绕组同相相反。
3.根据权利要求2所述的定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机，其特征在于：所述第一定子铁心的磁极包括第一定子磁极、第二定子磁极、第三定子磁极、第四定子磁极、第五定子磁极、第六定子磁极、第七定子磁极和第八定子磁极，其中，所述第一定子铁心的磁极对应的永磁体极性依次为N、S、N、S、S、N、S、N。
4.根据权利要求2所述的定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机，其特征在于：所述第二定子铁心的磁极包括第二定子的第一定子磁极、第二定子的第二定子磁极、第二定子的第三定子磁极、第二定子的第四定子磁极、第二定子的第五定子磁极、第二定子的第六定子磁极、第二定子的第七定子磁极和第二定子的第八定子磁极，其中，所述第一定子铁心的磁极对应的永磁体极性依次为S、N、S、N、N、S、N、S。
5.根据权利要求1所述的定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机，其特征在于：所述永磁体槽为条形槽。
6.根据权利要求1所述的定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机，其特征在于：所述定子铁心外设置有机壳，所述机壳为不导磁的。
7.根据权利要求1所述的定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机，其特征在于：所述定子铁心通过螺钉与电机的端盖固定连接。
8.根据权利要求1所述的定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机，其特征在于：所述转子是硅钢片迭压构成，所述定子是硅钢片迭压构成。
9.根据权利要求1所述的定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机，其特征在于：所述定子铁心磁极的转子极靴上小齿为5个。
10.根据权利要求1所述的定子嵌有条形永磁体的混合式步进电机，其特征在于：所述转子的齿轮为50个。
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