CN1267948A - 一种机电式单相步进电动机 - Google Patents

Abstract

本发明的机电式单相步进电动机包括定子、转子和凸轮、弹簧拨杆机构,定子采用通孔式结构,转子位于定子的通孔内,转子铁芯套在电机轴上;在电机轴上固定有一个凸轮;凸轮与弹簧拨杆机构的滚子端相联;弹簧拨杆机构的另一端固定在定子上。本发明具有结构简单、控制方便、体积小、输出力矩大、步矩精度高、环境适应能力强等优点。

Description

一种机电式单相步进电动机

本发明涉及步进电机领域，具体涉及一种机电式单相步进电动机。

单相步进电动机在仪表及钟表制造工业中被广泛应用。从采用材料来看，单相步进电动机基本分为两种形式，一种采用永磁材料，称为永磁单相步进电机；另外一种不采用永磁材料，称为机电式单相步进电动机。

单相步进电机制造的主要困难在于如何使其具有启动能力，以及保证稳定的单方向转动。普通的单相步进电动机大多采用加入永磁磁极(如石英电子手表用单相永磁步进电动机)来辅助启动；不用永磁材料的单相步进电动机，都必须加入附加的机械装置来保证电动机的启动能力。

普通的机电式单相步进电动机是采用各种措施使转子回到初始位置，例如用一根弹簧将电动机转子拉回到初始位置。此类机电式单相步进电动机的输出是一个摆动角位移，若将摆动信号转换为常用的旋转运动，还需借助棘轮、棘爪、弹簧等附加装置，使得这类机电式单相步进电动机结构复杂，动作速度慢，响应频率低，磨损及动态问题多，可靠性差且有轴向串动。

本发明的目的在于提供一种结构简单、输出力矩大、启动快的机电式单相步进电动机。

本发明的机电式单相步进电动机包括定子、转子和凸轮、弹簧拨杆机构。定子采用通孔式结构，由定子铁芯、定子绕组、前端盖、后端盖及机壳组成；转子由电机轴、转子铁芯组成；定子铁芯与转子铁芯都为凸极结构；定子铁芯凸极上绕有定子绕组；转子位于定子的通孔内；在电机轴上固定有一个凸轮，凸轮与弹簧拨杆机构的一端滑动相连，弹簧拨杆机构的另一端固定在定子上。本发明的定子采用通孔式结构，定子绕组绕在定子铁芯的凸极上构成下线定子；前、后端盖及下线定子都依次装配在机壳内，并与机壳固定成一体；定子内孔为通孔；转子位于定子的通孔内，由转子铁芯套在电机轴上组成；弹簧拨杆机构含有弹簧、拨杆、滚子及滚子轴；采用销钉将弹簧拨杆机构固定在定子上，销钉的尾部带有螺纹盖；电机轴上固定的凸轮与弹簧拨杆机构的滚子端滑动相连；凸轮上有键槽和固定孔。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1  本发明机电式电动机结构原理图

图2  图1所示沿A-A线的剖视图

从图1、图2中可以看出，本发明的机电式单相步进电动机包括定子、转子和凸轮、弹簧拨杆机构。其中定子包括定子铁芯3、定子绕组5、前端盖1、后端盖6及机壳2等部件，采用通孔式结构，绕组5绕在定子铁芯3的凸极上构成下线定子；前、后端盖及下线定子都依次装配在机壳2内，并与机壳连成一体；定子内孔为通孔，可以进行磨削、精车等精加工；转子位于定子的通孔内，由转子铁芯4套在电机轴16上组成；凸轮9和电机轴16上分别开有键槽17和8；在电机轴16上固定连接有一个凸轮9，凸轮9与弹簧拨杆机构的滚子端滑动连接，弹簧拨杆机构含有弹簧11、拨杆10、滚子12及滚子轴13；弹簧拨杆机构的另一端由销钉7固定在定子上，销钉7的尾部带有螺纹盖。

在最初装配时，可由键14插入电机轴16上的键槽8和凸轮9上的键槽17组成的沟槽将两者固定在一起。在需要调试时，拔掉键14，便可以转动凸轮9，调整其与电机轴16的相对角度。凸轮9侧面台阶上还开有一个固定孔18，可用于本发明调试完成后，将凸轮9固定在电机轴16上。将弹簧拨杆机构固定在定子上的销钉7的尾部带有螺纹盖的目的是使其调试、拆卸、更换方便，也可以采用其它方式的固定形式。

当定子绕组未通电时，由于凸轮弹簧机构的定位作用，使转子齿中心线与定子槽中心线形成一个夹角，从而获得电动机初始启动角。

当定子绕组通电时，定、转子间产生电磁力矩，凸轮弹簧机构也产生弹簧力矩，其方向与电磁力矩方向相反，电动机此时一方面克服负载力矩开始转动，一方面克服弹簧力矩。

当电动机转到弹簧处于凸轮最高点时，弹簧力矩方向开始改变，开始变为正值，帮助电磁力矩推动负载继续向前转动。

当电动机转到定转子齿极对正时，电磁力矩变为零。由于初始启动角的存在，为了保证步距角的精度，设计时需要利用弹簧力矩继续推动电动机转子运行，使其完成所需的步矩角。而此时电磁力矩方向开始变为负，所以要求弹簧力矩运时既要克服负载力矩又要克服电磁力矩，直到达到所需的步矩角位置时，通过设计使弹簧力矩与电磁力矩在此点平衡，等待下一个控制信号到来(脉冲的断电)，至此电动机完成一个步进运动。

当脉冲断电后，前一步矩角位置的机电平衡状态被打破，电动机依靠弹簧储存的能量带动负载转完又一个步矩角，并使电动机定位于下一个起始位置，等待下一个脉冲的到来。

弹簧拨杆机构有两个主要功能，一是使电动机静态时获得一个启动角，二是当电动机断电时，由弹簧驱动电机轴使电动机再走一步，并为第三步准备好加电可启动位置。

本发明的机电式单相步进电动机不是利用弹簧将转子拉回初始位置，而是利用弹簧继续推动转子前进又一个步矩角，直接使机电式单相步进电机的输出为连续的旋转运动，从而避免使用棘轮棘爪机构再转换。也就是说，当电机加电运行时，用一部分能量来驱动负载，把另一部分能量储存在弹簧中，当脉冲断电时，不是将转子拉回到初始位置，而是利用弹簧储存的能量，继续推动电机转子带动负载前进又一个步矩角，并停在下一个可启动位置，这样电机不仅具有连续启动的能力而且输出的是一个单向的旋转运动，不需再转换。

电动机的步矩角可以根据设计需要来确定，其公式为：其中Z，为转子齿数，分母2的意义是指一个电脉冲对应两个步矩角，从另外一个意义讲，也可以说是两拍运行，一拍为电脉冲，一拍为弹簧力矩。

电动机通电以后，电动机中存在磁场能量与弹簧因变形而吸收的弹性势能，磁场能量可用如下的表达式表达： $W_m={\∫}_0^i\mathrm{\ψdi}$ 式中Ψ为定转子间的磁链，i为绕组电流，Ψ即为绕组电流的函数，也是定转子间相对转角的函数。

凸轮弹簧机构具有的弹性势能为： $W_p={\∫}_0^{\mathrm{\θ}}{T}_p\mathrm{d\θ}$ 式中T_p为弹簧力矩曲线，它是转角θ的函数。

系统所具有的总能量为

              W＝W_m+W_p按虚位移原理，系统对外输出的机械功等于系统的能量的增量：

             TΔθ＝ΔW考虑上述各式，最后得到输出力矩为： $T=\frac{1}{\∂\mathrm{\θ}}[{\∫}_0^i\mathrm{\ψdi}+{\∫}_0^{\mathrm{\θ}}{T}_p\mathrm{d\θ}]$

上式中第一项为电磁力矩，第二项为弹簧力矩，二者的曲线必需寻求一个最佳配合，才能使电动机能够可靠启动并可靠运转，同时获得一个精确的步距精度。

经实验室验证，本发明的机电式单相步进电动机结构简单，效率高，体积小，输出力矩大、步距精度高，控制简单可靠，动态及磨损问题较少，不采用永磁材料，环境适应力强，在仪表控制、负载驱动以及数字控制系统等领域均有较好的应用前景。

实施例1

如图1、图2所示，本发明的机电式单相步进电动机包括定子、转子和凸轮、弹簧拨杆机构，其中定子铁芯3与转子铁芯4都为凸极结构，定子、转子齿数相等，均为4。定子采用通孔式结构，包括定子铁芯3、前端盖1、后端盖6、机壳2及定子绕组5，定子铁芯3上绕有定子绕组5，磁极依N-S-N-S相间绕制。其中转子4由电机轴16、转子铁芯4组成，并在电机轴16上固定有一个凸轮9，凸轮9与弹簧拨杆机构的滚子端滑动连接，弹簧拨杆机构含有弹簧11、拨杆10、滚子12及滚子轴13，弹簧拨杆机构的另一端由尾部销钉7固定在定子3上，销钉7的尾部带有螺纹盖，便于弹簧拆卸。凸轮9上有键槽17和固定螺孔18。

在最初装配时，可由键14插入电机轴16上的键槽8和凸轮9上的键槽17组成的沟槽将两者固定在一起。在需要调试时，拔掉键14，便可以转动凸轮9，调整其与电机轴16的相对角度。凸轮9侧面台阶上还开有一个固定孔18，可用于本发明调试完成后，用螺钉或螺栓15通过凸轮9上的固定螺孔18将凸轮9固定在电机轴16上。

经实验测定，各项指标如下：

性能指标	尺寸	负载转矩	步矩角	运行电压	电流	响应频率
							数    据	φ28×30	＞150gcm	45°±2°	12V	＜1A	50HZ

本发明机电式单相步进电动机可以采用通孔式结构的定子，也可以采用螺管结构的定子；定子、转子齿数可以相同也可以不相同；步距角可以根据需要选定设计，电机运行原理不变。

Claims (6)

1、一种机电式单相步进电动机，含有定子、转子和凸轮、弹簧拨杆机构，其特征在于

定子采用通孔式结构，由定子铁芯3、定子绕组5、前端盖1、后端盖6及机壳2组成；转子由电机轴16、转子铁芯4组成；定子铁芯3与转子铁芯4都为凸极结构；定子铁芯3凸极上绕有定子绕组5；转子位于定子的通孔内；在电机轴16上固定连接有一个凸轮9，凸轮9与弹簧拨杆机构的一端滑动相连，弹簧拨杆机构的另一端固定在定子上。

2、根据权利要求1所述的单相机电式步进电动机，其特征在于弹簧拨杆机构包括弹簧11、拨杆10、滚子12及滚子轴13。

3、根据权利要求1所述的单相机电式步进电动机，其特征在于电机轴16上有一键槽8。

4、根据权利要求1所述的单相机电式步进电动机，其特征在于凸轮9上有键槽17和固定孔18。

5、根据权利要求1所述的单相机电式步进电动机，其特征在于可用销钉7将弹簧拨杆机构固定在定子上。

6、根据权利要求5所述的单相机电式步进电动机，其特征在于销钉7的尾部带有螺纹盖。

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