CN1176520A - 包括两个具有永磁铁转子的机电换能器 - Google Patents

Abstract

特别是时钟机构驱动转子的换能器,包括形成两个定子部分(16和26)的定子(2)和分别连接三个磁极(28,29,30)的三个磁心(18,19,20),由第一定子部分(16)到第二定子部分(26)限定用于闭合换能器的磁路。线圈(22和24)用于提供给换能器,以便分别驱动两个转子(4和6)的旋转。线圈(23)连接到检测装置(72)用于检测一个或另外两个转子(4和6)的旋转,特别是,检测在线圈(23)中感应电压(或类似的感应电源)的零交叉。

Description

包括两个具有永磁铁转子的机电换能器

本发明涉及包括两个具有永磁转子的机电换能器。尤其是，本发明涉及包括两个永磁转子的电机装置，该电机装置具有平面结构。根据本发明的电机装置，尤其是可用于手表和时钟方面的应用。

本发明的目的是提供一种包括相同结构的两个永磁转子能够相互独立控制，以前进工作方式或以加速或连续工作方式的机电换能器。

本发明的一个特别目的是在一个或另外两个转子在加速或连续方式工作期间，提供具有高可靠水平的这种类型的机电换能器。

本发明另一个目的是提供上述类型的机电换能器，其中两个转子中的每一个都能在它的两个旋转方向上可靠地转动。

由于工作的可靠性，尤其应明白的是，选择地控制的转子使控制电路在预定的方向上确定前进数和转数。

因此本发明涉及包括定子和包括分别具有径向磁化的第一和第二双极永磁的第一和第二转子、限定在定子孔中的定子分别位于的第一和第二永磁的第一和第二孔的机电换能器。该定子包括限定第一、第二和第三磁极的第一部分，所述第一和第二磁极完全限定第一定子孔和所述第二和第三磁极完全限定第二定子孔。第一，第二和第三磁极分别连接到分别带有第一，第二和第三线圈的第一，第二和第三磁心的第一端，这些第一、第二和第三磁心的第二端连接到用于闭合该机电换能器的磁路的定子的第二部分。

根据第一实施例，第一和第三线圈连接到安排供给这些第一和第三线圈的电源装置，以便分别驱动第一和第二转子旋转。第二线圈连接到用于检测所述第一转子或所述第二转子旋转的装置。在优先可选择的实施例中，当所述第一和第二转子被安排该用途的电源装置有选择地以快速或连续工作方式驱动时，检测装置安排检测在第二线圈中感应电压的零交叉。当在第二线圈中感应电压过零时，检测装置电连接到电源，它们就能提供一个输入信号。当它们接收一个所述输入信号时，电源就被安排使电源电压的极性相反。

在本发明换能器的第二实施例中，第二线圈可选择地连接到电源，以便接收电流，或连接到检测选择地驱动第一或第二转子旋转的装置。

在优先可选择的第二实施例中，根据第一或第二转子是否在步进工作方式被驱动转动，第二线圈串联或并联电连接到第一或第三线圈，当快速或连续工作方式启动时，连接到上述检测装置。

在下面利用随后的描述，参考附图将详细描述本发明，给出不受限的例子，其中：

图1是根据本发明连接到两个独立的同轴轮的机电换能器的顶视示意图；

图2是沿图1和16线II-II的截面图；

图3是图1换能器的定子的第一部分的顶视图，示意地表示换能器两个转子的永磁铁；

图4、5和6分别表示在选择4的供电线圈中的电流，在检测线圈中感应电压作为时间的函数，在快速或连续正向工作方式中，驱动转子的角旋转速度为旋转角的函数；

图7、8和9分别表示在选择的供电线圈中的电流，在检测线圈中感应电压作为时间的函数，在快速或连续向后工作方式中，驱动转子的角旋转速度作为旋转角的函数；

图10、11和12分别表示如图7、8和9的相同变化，但在快速工作方式中两个反向步进指令情况就导致转子的附加旋转步进；

图13、14和15分别表示如图10、11和12的相同变化，同样对在快速工作方式中的两个反向步进指令，对这种情况，正确地产生转子的预期步进数，和

图16是根据本发明的机电换能器第二实施例的顶视示意图。

下面将参考图1到3说明本发明机电换能器的第一实施例。在该实施例中，转能器工作与电机一样。

换能器包括定子2和分别安装在由第一定子部分16限定的两个定子开口或孔12和14的两个转子罩8和10中分别放置的两个转子4和6。

定子2包括分别支承三个线圈22、23和24的三个磁心18、19和20，第二定子部分26用于闭合在此说明的换能器的磁路或通路。第一定子部分16限定第一，第二和第三磁极28，29和30。磁极28电连接到磁心18的第一端18a，同时磁极29和30分别连接到磁心19和20的第一端19a和20a。各个磁心18，19和20的第二端18b，19b和20b磁性地连接到第二定子部分26。

第一和第二磁极28和29由形成高磁阻区域的两个颈部32和33互相磁绝缘，同时第二和第三磁极29和30由形成高磁阻区域的两个颈部34和35互相磁绝缘。两个定位凹口36和37，38和39分别设置在各个定子开口12和定子开口14的边缘上。两个颈部32和33限定转子4的线圈22和永磁铁42之间的第一零耦合在，颈部34和35限定转子6的线圈24和永磁铁46之间的第二零耦合方向。

应注意的是，永磁铁42和46是具有径向磁化的双极磁铁，这些磁铁分别位于定子孔12和14中。

转子4耦合到附接到第一指针52的第一轮50以及第二转子6附接到与轮50同轴的第二轮54并附接到指针56。应注意的是，轮50和54设置在第一定子部分16的两侧。然而，轮50和54直径相等。轮54径轴58连接到指针56，能在附接到定子2的管60中自由转动。这种特别的安排，于是允许单独驱动同轴旋转的指针52和56。

凹口36和37限定永磁铁42的第一最小能量方向64，同时凹口38和39限定永磁铁46的第二最小能量方向66。第一零耦合方向40和第一零能量方向64，相应的第二零耦合方向44和第二最小能量方向66以不是零的角α交错。应注意的是，由颈部32和33，34和35分别限定的几何方向，以及由凹口36和37、38和39分别限定的几何方向之间的角β具有大体上等于角α的值，在目前所描述的实施例中，角α的值稍为小于角β的值。

线圈22和24连接到电源装置70，线圈23连接到用于根据一个或另一个这种转子被驱动来检测转子4或转子6旋转的装置72。检测装置72由在图1中表示的电线74连接到电源70，以允许在检测装置72和电源70之间传送电信号。

上文已描述了换能器的工作，现在将详细说明其中控制换能器的方法。基本上记录有四种工作方式。第一种工作方式是两个转子4和6的一个或另一个在正向旋转方向的步进方式。第二种工作方式是两个转子4和6的一个或另一个在反向旋转方向的步进方式。第三种工作方式是两个转子4和6的一个或另一个在正向旋转方向的快速或连续工作方式(也称为加速工作方式)。第四种工作方式是两个转子4和6的一个或另外在反向旋转方向的快速或连续工作方式。

转子4和6的正向和反向旋转方向由上文中描述的换能器的结构限定。在目前说明的实施例中，正向方向相应于正旋转方向，即，反时钟方向。因此，反向旋转方向，是负旋转方向，即，顺时钟方向。

在上文中描述的换能器的结构允许两个转子的一个或另外在经过由各个供电线圈提供的单个脉冲以步进方式正向移动，反过来，就必需使转子振荡，以便使它在反向旋转方向驱动，通常要求提供以三个连续脉冲的形式，如在本说明的剩下部分将更正确地说明。

在正向步进方式中，线圈22以已知的方式提供具有交替极性的连续脉冲，以驱动转子4旋转。为驱动转子6旋转，线圈24以相同方式提供。

根据可选择的实施例，线圈23和检测装置72不用于本工作方式。在另一个可选择实施例中，当可选择地驱动转子4或6旋转时，检测装置72被用于分析在线圈23中产生的感应电压信号。上述感应电压信号的分析是有效果的，以便在每个步骤上确定驱动转子的永磁铁的工作性能，以检测是否已经发生旋转或是否没有发生旋转。在本专业领域的熟练技术人员都知道如何用与供电线圈有关的检测装置进行这种分析。在现在的情况下，在辅助线圈，即线圈23中产生的感应电压(或感应电流)的分析是有效果的。然而，控制装置72的安排和电设计，使上述的分析类似于上述的本领域中的熟练技术人员所已知的。

图4到6示意地说明在正向快速或连续方式上换能器的工作。如上所述，转子4是由序列极性交替的脉冲驱动正向旋转方向，每个这种脉冲通过一个步进，在现在的情况是通过180°角度驱动转子旋转。在下文，将对转子4描述正向快速或连续方式的换能器的工作，在这种工作方式中，转子6的驱动是相同的，但是使用供电线圈24代替供电线圈22。

图4表示由电源70给线圈22提供电源电流122。由于电源电流，由于电压加到这种线圈的结果使电流流进线圈。这种电流具有交替极性和大体上相同的形状的序列脉冲76。图5表示在线圈23中作为时间函数的感应电压U23(或类似感应电流I23)。根据本发明，每当感应电压U23(或感应电流I23)具有零值时，电源电压的极性反相，就导致电源电流I22的极性反向。因此，就保证电源电流I22的脉冲76的序列是比较最佳状态，以保证以可靠和有效的方式快速或连续工作。感应电压U23的零交叉大体上对应于与零耦合方向40一致的永磁铁42的磁化轴78。如在图3中所见，这样的指令可保证转子42旋转大于90°并通过由凹口36和37限定的几何轴。这样，就保证每个脉冲经过一个步进，即，经过180°的角度驱动转子4。然后，在永磁铁42的磁轴78与最小能量方向64调准之后，电源电压的极性变化基本上能实现。因此，转子4的连续或准连续旋转以可靠均匀方式被保证，当在快速或连续方式工作时，根据本发明，电流消耗可降低以及换能器的产量可增加。

同样的分析应用到由箭头80表示磁轴的永磁铁46。

图6表示转子4和附着在那里的永磁铁42，在快速或连续正向旋转期间作为转子4的角度位置θ的函数的角旋转速度。图6表示由本发明人测量的曲线，表示在准恒速时旋转是连续达到的，其优点是为了节省能量和快速的目的，特别是在驱动表针的情况，使装有根据本发明的电机装置的产品有吸引力。

在反向跃变工作方式中，在本领域中熟练的人都知道，在一个转子的简单单相电机情况下，如何经过叫做振荡的技术要求提供三个连续脉冲的形式来获得反向旋转。第一个脉冲是用于以角程小于90°的正方向驱动电机。然后，第二脉冲是是供反向极性，于是就能以反向旋转方向驱动。最后，与第一脉冲同极性的第三脉冲提供到供电线圈，以保证反向步进的执行。

在反向步进方式中，线圈23连接到检测装置72，可有利地用于确定第二脉冲的结束和第三脉冲的开始。应注意的是，为了反向旋转方向的驱动可靠性的目的是有利，因为第二脉冲有足够的持续期间，以便选择的电机的永磁铁的磁轴通过上述的零耦合方向，但是它不是太长，也就是说，第二脉冲的持续期间不是足够长的以允许选择电机的永磁铁的磁轴本身以准静态方式与上述零耦合方向调准。为满足这些情况，根据本发明建议，在第二脉冲是由电源70产生的时间周期期间，在可选择的实施例中，检测在线圈23中感应电压的零交叉。在上述周期期间，当线圈23中感应电压过零时，电源电压反向，由此结束第二脉冲，以产生上述第三脉冲。因此，就保证转子4和6的一个或另一个在反向旋转方向中的步进旋转。

上面提到的，为了提高可靠性的目的，从第一脉冲的开始计算，当感应电压的零交叉周期大约等于第一脉冲持续时间的两倍期间，保持在线圈22或24提供的控制下它没有影响，驱动转子的永磁铁的减速或加速，尤其是跟随在第一脉冲结束时旋转方向的改变都可能在线圈23中产生感应电压的零交叉。为补救这种偶然性事件，于是在检测零交叉的装置不起作用期间，提供一种起始瞬时脉冲。

图7到9示意地表示两个选择地驱动转子4和6一个或另一个的反向快速或连续工作方式。为了简化的目的，将在反向快速或连续工作方式中再一次驱动转子4，转子6孤驱动与代替线圈22的线圈24相同。

图7表示作为时间函数的供电电流I22和图8表示线圈23中作为时间函数的感应电压U23(或类似感应电流I23)。电流I22具有交替极性的脉冲序列。第一脉冲78和最后脉冲80不同于中间脉冲82。在类似于反向步进工作方式中，第一脉冲78是驱动转子正向方向的振荡脉冲。脉冲78的持续期间是固定的和确定的，因此，正向驱动不会导致通过正向一步的转子的旋转，在正向方向驱动转子将代替在要求的反向方向驱动它。

在本领域中的熟练人员都知道这个问题并且知道如何确定脉冲78的持续时间以及它的应用情况，尤其是用采样型脉冲，以保证驱动转子所要求的振荡和反向的工作。跟随第一脉冲78的极性交替的序列脉冲82加到线圈22。每个中间脉冲82的持续时间由线圈23中的感应电压的零交叉确定，如图7和8中所示。当线圈23中的感应电压过零时，由于上述对正向快速或连续工作方式的相同原因，根据本发明提供电压的极性反向。

在以前描述的正向快速或连续工作方式中，如果正确地得到所要求的步进数并与以前的脉冲大体相同的长度的最后脉冲的方式，发明人已经注意到，在反向快速或连续工作方式中不会发生情况。在正向旋转方向中，基于永磁铁必须经受跟随最后脉冲的旋转大于90°的事实，为了不发生所产生的附加旋转步进，使其在最后脉冲的终端未通过最后的最小能量方向。然后，在反向旋转方向中，大体上等同的最后脉冲到先前驱动永磁铁的持续时间超出了所期望的最后的最小能量方向，因此角度保持的行程产生的附加步进小于90°。于是，由电原提供到线圈的最后脉冲80大于先前脉冲的持续时间。下面参考图10到15将更详细说明。

图9表示作为这种转子的角度位置θ函数的驱动转子的角旋转速度Vr。我们记得相当于负旋转方向的反向旋转方向。于是，在图9中，驱动的转子从角位置θ1开始。如前面说明的，图9表示转子旋转首先在正方向超过曲线的第一部分84，然后在负旋转方向超过该曲线的第二部分86，在旋转的终端，相当于图9中所示的曲线的最后部分88，转子经受振荡。如在图9曲线的部分88中所示的，最后脉冲80比较长，转子首先停在相当于上面描述的零耦合方向的第一位置θ2，然后在最后脉冲80的终端，转子达到相当于上述最小能量方向的最后位置θ3。

参考图10到15，将说明在反向快速或连续工作方式中附加最后步进的问题以及由本发明建议的解决办法，如已经在本文上面所讲的。

图10-12分别说明了如图7-9的相同变量。为简化的目的，在此仅说明在反向快速方式中的两个步进指令。如从图10和11清楚地看到，最后脉冲80’也被感应电压U23零交叉终止。于是，脉冲80’的持续时间大体等于前面脉冲82的持续时间。应注意的是，感应制动电流84在目前考虑中并不重要。从图12的分析可清楚地看到，根据图10和11提供的方式，导致通过一个意外的附加步进的旋转。事实上，所示曲线的88’部分的终端没有表示转子返回到预期的最后位置θ3的振荡，而转子的最后位置是相当于180°的附加旋转的θ4。

当克服上述的主要缺点，本发明建议增加最后脉冲的持续时间，这样就可保证转子的适当的性能，以便正确地产生所需要的旋转步进。再一次表示，在图7-9中所示的变量分别与图7-9所示的变量相同。其标记已经说明，在此将不再说明。

如在图13中示意地表示，最后供给的脉冲80具有前面脉冲82大体两倍的持续时间，最后脉冲80的持续时间被固定在包括在电源70中的换能器控制电路中。从根据图13和14表示的供给方式的结果来分析图15的曲线，仅仅是实现180°的两个步进，转子在它旋转所要求的角位置θ3。应注意的是，与图9相反，当磁轴与相当于图9中θ2的零耦合方向调准时，转子并没有停止。

根据本发明人得到的结果分析，当最后脉冲80的持续时间等于前面脉冲的持续时间1.5倍时，就能足够使转子在旋转终端时的适当工作。然而，为了可靠性的目的，因此建议，在优先可选择的实施例中，最后脉冲80的持续时间至少比前面脉冲82的持续时间长两倍。

参见图16，下面将说明本发明的换能器的第二实施例。与图1-3有关的标记已经说明，在此就不再详细说明。根据与共有两个转子4和6有关的磁极29的线圈23中以前描述的第一实施例不同的第二实施例的换能器可利用图16中示意地表示的开关90选择地连接到电源70或检测装置72。

在可选择的实施例中，当要求正向步进工作方式时，建议把第二线圈连接到电源70。在第一可选择实施例中，线圈23根据是否转子4或6被选择驱动来并联连接到线圈22或24，同时非提供的线圈24或22被短路。在第二可选择实施例中，线圈23根据是否转子4或6被选择驱动，串联接到线圈22或接到线圈24，同时非提供的线圈24或22被短路。于是，就可能使用线圈23作为电源，驱动转子4或转子6旋转。

在反向旋转方向步进工作方式中，就可能把线圈23接到电源70，在另一个实施例中，把线圈23接到检测装置72，以便以第一实施例在向后步进工作方式中描述的类似方式使用线圈23和这些检测装置72。

在快速或连续工作方式中，线圈23连接到检测装置72并在第一实施例的正向或反向快速或连续工作方式所说明中起同等作用。

最后，当然还将讲到检测装置72被安排向电源70提供输入信号，尤其是，当在线圈23中的感应电压过零时的输入信号。检测装置72不限于在线圈23中的感应电压(或感应电流)的零交叉的检测，而且还允许与感应电压或感应电流有关的其它信息的检测，尤其是在差错步进情况下的检测。

Claims (21)

1、机电换能器包括定子(2)和包括具有径向磁化的第一和第二双极永磁铁(42和46)的第一和第二转子(4和6)，所述定子限定在定子孔(12和14)中分别位于的所述第一和第二永磁铁的第一和第二定子孔(12和14)，该定子包括限定第一，第二和第三磁极(28，29，30)的第一部分，所述第一和第二磁极完全限定所述第一定子孔和所述第二和第三磁极完全限定所述第二定子孔，所述第一，第二和第三磁极分别连接到分别带有第一，第二和第三线圈(22、23、24)的第一，第二和第三磁心(18、19、20)的第一端(18a、19a、20a)，这些第一，第二和第三磁心的第二端(18b，19b，20b)连接到用于闭合所述机电换能器磁路的定子的第二部分(26)。

2、根据权利要求1的换能器，其中，所述第一和第二磁极(28和29)用两个第一颈部(32、33)互相磁绝缘，所述第二和第三磁极(29和30)用两个第二颈部(34、35)互相磁绝缘，两个第一设置的凹口(36、37)排列在所述第一定子孔(12)的边缘，以便限定所述第一永磁铁(42)磁轴(78)的最小能量方向(64)，两个第二设置的凹口(38，39)也排列在所述第二定子孔(14)的边缘，以便限定所述第二永磁铁(46)磁轴(80)的第二最小能量方向(66)。

3、根据权利要求2的换能器，其中，当所述第一永磁铁的磁轴与所述第一方向调准时，所述第一颈部(32，33)限定在所述第一线圈(22)和所述第一永磁铁(42)之间的第一零耦合方向(40)，当所述第二永磁铁的磁轴与所述第二方向调准时，所述第二颈部(34，35)也限定在所述第三线圈(24)和所述第二永磁铁(46)之间的第二零耦合方向(44)，所述第一和第二零耦合方向分别在所述第一和第二最小能量方向不是零的角度交错。

4、根据前面的权利要求的任何的换能器，其中所述第一和第二转子(4和6)机械地耦合到排列在所述定子的所述第一部分(16)两侧的第一和第二同轴轮(50、54)。

5、根据前面的权利要求的任何换能器，其中所述第一和第三线圈(22和24)连接到安排供给所述第一和第三线圈的电源(70)，以便分别驱动所述第一和第二转子(4和6)。

6、根据权利要求5的换能器，其中所述第二线圈(23)连接到用于检测所述第一转子和所述第二转子旋转的装置(72)。

7、根据权利要求6的换能器，其中所述检测装置(72)安排用于检测由所述电源(70)以步进工作方式选择驱动的所述第一转子(4)或所述第二转子(6)的每个差错或故障步进，这种安排允许对所述第一和第二转子步进工作方式。

8、根据权利要求6或7的换能器，其中，当所述第一和第二转子(4和6)由安排允许所述第一和第二转子的快速或连续工作的所述电源(70)以快速或连续工作方式选择驱动时，所述检测装置(72)安排用于检测在所述第二线圈(23)中感应电压(023)的零交叉，当所述感应电压过零时，所述检测装置电连接到提供输入信号的所述电源，当接收一个所述输入信号时，所述电源安排能够使供给电压的极性相反。

9、根据权利要求8的换能器，其中所述电源(70)被安排在所述第一和第二转子的每一个的两个旋转方向上允许快速或连续工作方式。

10、根据权利要求9的换能器，其中，当快速或连续工作方式在正方向被驱动时，电源(70)的安排使得在接收一个所述输入信号的每个时刻，感应电压的极性反相。

11、根据权利要求9或10的换能器，其中，当所述第一和第二转子(4，6)之一在反向方向旋转方向以快速或连续工作方式被驱动时，在持续时间大于第一脉冲的持续时间的最初时期期间接收的所述输入信号在换能器的供给上无效，在驱动转子停止之前，提供的最后脉冲的持续时间大于前面的脉冲。

12、根据权利要求11的换能器，其中所述最后脉冲至少大体两倍长于所述前一个脉冲。

13、根据权利要求5的换能器，其中所述第二线圈(23)可选择地连接到所述电源(70)，以接收提供的电流或连接到检测所述选择驱动的第一转子(4)和第二转子(6)旋转的装置。

14、根据权利要求13的换能器，其中，当所述第二线圈(23)连接到所述电源时，当所述第一转子(4)旋转驱动时，所述第二线圈以串联电连接到所述第一线圈(22)，然后所述第三线圈(24)被短路，当所述第二转子(6)旋转驱动时，连接到所述第三线圈，然后所述第一线被短路。

15、根据权利要求12的换能器，其中，当第二线圈(23)连接到所述电源时，当所述第一转子(4)旋转驱动时，所述第二线圈以并联电连接到所述第一线圈(22)，然后所述第三线圈(24)被短路，当所述第二转子(6)旋转驱动时，连接到所述第三线圈，然后所述第一线圈被短路。

16、根据权利要求13-15中的一个的换能器，其中所述电源(70)被安排允许所述换能器的步进工作方式和快速或连续工作方式，当步进工作方式驱动时，所述第二线圈(23)连接到所述电源，以及当快速或连续工作方式被驱动时，连接到所述检测装置(72)。

17、根据权利要求16的换能器，其中，当快速或连续工作方式驱动时，当一个或另一个所述第一和第二转子驱动时，所述检测装置(72)被安排检测在所述第二线圈(23)中感应电压(U23)的零交叉，所述检测装置电连接到所述感应电压一旦每次零交叉时提供输入信号的所述电源(70)，当接收一个所述输入信号时，所述电源安排能够使供电压的极性反相。

18、根据权利要求17的换能器，其中所述电源(70)被安排允许所述第一和第二转子的每一个在两个旋转方向上快速或连续工作方式。

19、根据权利要求18的换能器，其中，当快速或连续工作方式在正向方向被驱动时，电源(70)的安排，使得在每次接收一个所述输入信号时，供电压的极性反相。

20、根据权利要求18或19的换能器，其中，当所述第一和第二转子(4和6)中的一个在向后方向以快速或连续工作方式被驱动时，在具有保持时间大于第一脉冲的持续时间在换能器的供给上无效的最被时间期间，接收所述输入信号，在驱动的转子停止之前，最后提供的脉冲的持续时间大于前面脉冲的持续时间。

21、根据权利要求20的换能器，其中所述最后脉冲至少大体两倍长于所述前面的脉冲。

Images