CN1147719A - 电机结构 - Google Patents
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Abstract
一种电机结构具有在电机相邻的定子组件(5，6；5A，6A)的相应爪极(13，13A，113，113A)的中心线间限定的相位角(фE)，使该相位角等于理论相位角(θE/2)减去一个大于0°且小于10°的范围内的电角。
Description
本发明涉及电机结构，更具体来说，涉及爪极式同步电机，特别是爪极式步进电机的结构。
爪极式同步电机包括永磁式两相步进电机因其制造价格低廉而得到广泛应用。牛津大学1986年(再版)的“步进电机及其微处理机控制机构”第40-43页公开了一种典型的普通爪极式步进电机。
作为一种爪极式同步电机的两相步进电机具有两个定子组件， 包括A相定子组件和B相定子组件，每个定子组件具有相同结构，背对背共轴布置且在圆周方向等间距形成的爪极。
为了减小普通电机中的振动，爪极在背对背布置的A相和B相定子组件上分度，使两定子组件的相邻爪极的中心线之间的分隔角(即A相和B相的爪极之间的夹角)尽可能精确地等于360°/n的机械角(n为级数)。
尽管对分隔角进行这种严格的控制，电机每移动一步仍会产生振动。另外，因为反电动势(BEMFs)波形的平方和是非线性的，波动大等因素，使振动的减小受到限制。这种限制借助减频设施而不是电机而得到某种程度的补偿。
在光学技术的最新进展过程中，已研制出进行高密度记录的记录设备。虽然普通爪极式步进电机具有制造成本低廉的极好特点，但是仍无法应用于上述高效记录设备，这是由于必须极严格地防止电机中出现振动的缘故。
本发明的目的是提供一种电机结构，它通过使两相的相邻的定子组件的爪极中心线之间的电分隔角(机械分隔角)比理论相位角(理论步进角)小一个预定角度范围内的角度的方式，使电机结构转动平稳，振动极小。
为了实现本发明的目的，按照本发明的电机结构包括一个具有多极磁化的永久磁铁的转子，多个相邻布置且与转子轴线共轴的定子组件，而对转子形成、在每个定子组件上与转子轴线平行布置且在圆周方向上等间距分布的爪极，以及在相邻定子组件的相应爪极的中心线之间以下述方式形成(θE/2+αE)的电分隔角，即，使得在电角中θE/2为90°，而αE在-10°＜αE＜0°的电角范围内。
由于电机具有按照本发明的上述结构，在每相的线圈中激励的反电动势的平方和的波形呈线性，波动小，因此，减小了振动，使电机转动平稳。这是因为每相的反电动势的平方和与波形为正弦时在任意位置作用在转子(磁铁)上的转矩大小成正比，而且波形越呈线性，所产生的转矩越均匀一致。
以下是附图的简要说明：
图1是按照本发明第一实施例的爪极式步进电机的局部剖开的立体图；
图2是图1中电机的纵剖图；
图3是表示图1中电机的视图，其上半部为电机本身的平面图，而下半部是除去凸缘后的平面图；
图4是图1的纵剖图；
图5是图1中电机的A相定子组件和B相定子组件的爪极的杆的局部包络图；
图6表示图1中电机和普通电机的反电动势的平方和的波形；
图7表示与相应相的相邻定子组件的爪极之间电调节有关的振荡水平特征；
图8是按照本发明第二实施例的爪极式步进电机的视图，上半部表示电机本身的平面图，而下半部表示沿图9中Z-Z线的剖视图；
图9是按照本发明的爪极式步进电机的纵剖图。
现参阅附图描述本发明的推荐实施例。即，作为一种爪极式同步电机的两相爪极式步进电机。
首先参阅图1至5描述本发明的第一实施例。
如图1至4所示，按照本发明的第一实施例的爪极式步进电机是内转子式的，具有一对相互间隔开来的凸缘1和15，和一根可转动地通过轴承2和16设置在凸缘中部的轴3。一个圆筒形转子4具有多极磁化的永久磁铁，通过套筒17固定地装在轴3上。
两个定子组件5和6共轴地绕轴4背对背布置。定子组件5构成A相定子组件，定子组件6构成B相定子组件。绕在U形架18上的线圈8设置在每个定子组件中。寻出线7从线圈8拉出。
如图2所示，每个定子组件5和6具有两个相互平行布置的定子9和10。一个定子9在圆筒形壁11的外缘形成。在定子9的圆形内缘和定子10的圆形内缘都形成在圆周方向等间隔布置的基本呈等边三角形的爪极13和113。
爪极13和113的底分别在相应定子9和10的内缘12和112上形成，并从那里伸向另一定子9和10的内缘112和12。
如图2和4所示，一个定子9的爪极13和另一定子10的爪极13交错围绕转子4布置。
图5是A相定子组件5和B相定子组件6的爪极13和113的组合的包络视图。在该图中，在A相定子5外侧的定子9的每个爪极13的中心线14A和B相定子组件6外侧的定子9的相应的一个爪极113的中心线14B形成一个在定子组件5和6的中轴线延伸的机械角(机械分隔角)φM，等于(θM/2+αM)。其中θM/2是理论步进角(stepangle)，等于360°/n， n为级数，αM是从步进角θM/2测得的机械调节角。
当中心线14A和中心线14B之间的夹角小于级角θM/2时，αM为负值。当中心线114A和中心线114B之间的夹角小于级角θM/2时，A相定子组件5的内定子10的每个爪极113的中心线和B相定子组件6的内定子10的相应一个爪极113的中心线114B之间的机械分隔角也为负值。
在中心线14A和14B之间和在中心线114A和114B之间形成的电分隔角φE等于理论相位角θE/2加电调节角αE，其中，θE/2＝90°。
如上所述，普通的爪极式步进电机制造得使一对定子组件的相应爪极之间有夹角保持为Φm＝θM/2(ΦE＝θE/2)。即，αM＝0(αE＝0)为减小振荡精度极高。但是，由于在两相的圈中激励的反电动势的平方和的波形不是线性的，而是周期性变化，如图6中I所示，峰对峰值大，波动大，因而电机工作时产生大的振动。
本发明的发明人曾对两相的反电动势平方和之间的关系进行过研究和试验。结果发现，如图5所示，在B相定子组件6的爪极13和113的中心线14B和114B从A相定子组件5的相应爪极13和113的中心线14A和114A提前一个比理论相位角大0°而小10°的电角的情形中，即，在电调节角α E大于-10°且小于0°的情形中，振荡水平减小，在已认为振荡增加的振荡水平范围内，使振荡水平小于理论位角θE/2时的振荡水平。
具体来说，已经发现，在电角中相位角提前大约5.9°时(即在电调节角大约为负5.9°时)的振荡水平比相位角不变的情况中的振荡水平小大约4.8dB。
如图6中II所示，在电调节角为-5°时，在A相和B相线圈8中激励的反电动势的平方和所代表的波形大致为线性，峰对峰值变小，而使波动变小，从而使电机振荡减小。在这种情形中，相应于该αE的αM值大于-40°/n且小于0°。
因此，无需专门的装置，只要将相位角ΦE提前一个上述范围的角度，与普通电机相比，就可以减小电机工作时的振荡，换言之，就可以得到一种可以用在对振荡敏感的设备中的，成本低的两相爪极式步进电机。
图8和9中表示按照本发明第二实施例的双相爪极式步进电机。这种电机是外转子式的，具有背对背布置的两个定子组件，即，A相定子组件5A和B相定子组件6A。每个定子组件具有两个定子9A和10A。
在每个定子的内缘上形成圆筒形壁11A。下面还要讲到，定子9A和10A装在轴承24上。在每个定子组件的定子9A和10A之间设有绕在具有U形截面的线圈架18A上的线圈8A。
爪极13A在定子9A和10A的外缘19和119上形成，在周向上等间隔分布由并伸向相对的定子10A和9A的外缘119和19。定子组件5A和6A的爪极13A和113A与第一实施例一样交错布置。中空圆筒形转子4A共轴地围绕两个定子组件5A和6A。
杯状电机壳22在其开口端具有一凸缘，内装定子组件5A和6A，以及转子4A。轴承24具有一套筒，并共轴地穿过电机壳22。轴承24的内端固定在电机壳22的底部上。轴3A穿过轴承24的中心孔和靠近电机壳22开口端的端板23的中部。轴3A的外周面和下端可转动地由轴承24固定。
定子组件5A和6A，其内周面固定于轴承24，从而固定地设置在电机壳22中。围绕定子组件5A和6A的转子4A固定在轴3A上以便随其转动。图5至7也适用于第二实施例。
本发明不仅可适用于三相或更多相爪极式步进电机，而且也适用于电机，包括多相爪极式电机。
由于相邻定子组件的相应爪极的中心线之间限定的分隔角设定得使调节角处在预定的角度范围内，因而减小了本发明电机结构的振动。因此，本发明的电机可以低成本地制造，无需使用其它专门装置，并且可以用在要求低振动的设备上，特别是进行微步进驱动的电机具有显著的减振效果。
Claims (4)
1.一种电机结构，其特征在于它包括：
一个转子(4；4A)，它具一条轴线和一个多极磁化的永久磁铁；
相互邻近设置且与所述转子(4；4A)共轴的多个定子组件(5，6；5A，6A)；
而对所述转子(4；4A)形成且在每个所述定子组件(5，6；5A，6A)上与所述转子(4；4A)的所述轴线平行的，周向等间隔分布的爪极(13，113，13A，113A)；以及
一个电分隔角(θE/2+αE)在所述相邻定子组件(5，6；5A，6A)的相应爪极(13，113；13A，113A)的中心线(14A，14B；114A，114B)之间限定，使得在电角中θ/2为90°，且αE处于-10°＜αE＜0°的电角范围内。
2.如权利要求1所述的电机结构，其特征在于：在电角中，所述αE基本在-4°至-6°之间。
3.如权利要求1或2所述的电机结构，其特征在于：所述定子组件(5，6；5A，6A)包括A相定子组件和B相定子组件。
4.如权利要求3所述的电机结构，其特征在于：所述电机结构是微步进驱动式的。
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