CN1276571C - 步进电机 - Google Patents

Abstract

一种能够防止定位转矩的产生和任意设定定位转矩的步进电机。这种步进电机包括转子和定子，其中，转子通过可旋转地支撑轴来构成，在轴上固定了多极的永久磁铁(3)；而定子由多个空心线圈(4、5)所组成，且每个线圈都由绕在垂直于转子旋转中心轴的轴上的预定匝数的导线所制成，沿着永久磁铁(3)的外围表面以面对面的方式均匀地设置。

Description

步进电机

技术领域

本发明涉及步进电机。

背景技术

根据常规的步进电机，常常由于结构的影响而产生旋转的预防转矩(在下文中，有时称之为定位转矩)，在这种结构中，轭磁极的齿分别对应于定子的电枢绕组设置。通过有效地利用这种定位转矩，常规的步进电机在将要驱动的物体保持在预定位置方面具有优势。然而，例如，当进行微步驱动操作时，在定位转矩的影响下，它就难以实现转子的高速定位。

也就是说，所构成的常规的步进电机是采用在每个轭磁极齿周围缠绕线圈，且轭磁极齿是以与转子同轴方式设置，以及通过对每个线圈施加脉冲电压来产生旋转的磁场，这样，就驱动转子旋转预定的步进角。因此，转子旋转的步进角是根据定子磁极和转子磁极两者的数量来确定的。此外，要使得转子的旋转能以精细的步进角度来进行驱动操作，就必须增加转子磁极的数量和轭齿的数量。或者，设计了一种激磁的方法。

此外，即使是在非激磁的时间期间，吸力作用于多极化的永久磁铁和每个磁极齿之间，使之产生定位转矩。于是，常规的步进电机具有自动夹紧转子旋转角位置的功能。

由定位转矩所产生的转子吸持力能使得在非激磁的时间期间中具有旋转角度位置的自动夹紧功能，然而，这种吸持力有时又会成为驱动转子旋转的阻力。

同时，由步进电机所驱动的物体可以是，例如，在JP-A-2000-251270和JP-A-2000-293864中披露的光学拾波器。这类光学拾波器可以在适用于高速旋转光盘的记录/重现的表面的径向方向上高速驱动。另外，还要求这类光学拾波器能瞬间停止。于是，就要求步进电机快速响应。然而，有时定位转矩会成了提高这种响应速度的障碍。同时，根据适用于光学照相机的自动聚焦装置中的步进电机，要进行微步驱动的操作。于是，就要求能进行以步进角度为单位执行转子旋转的驱动操作，这种操作要比常规采用步进角度的操作更加精细。

正如以上所讨论的，需要能够实现不受定位转矩影响的驱动操作的步进电机。

发明内容

因此，在考虑上述问题的基础上，完成了本发明。本发明的一个目的是提供在驱动操作时期和在停止时期避免定位转矩影响的步进电机，从而，有利于微步驱动操作和提高启动特性。

此外，本发明的另一个目的是提供能够任意设置定位转矩产生点以便在指定角度位置使转子停止的步进电机。

另外，本发明的另一个目的是提供能够在沿着转子旋转轴的纵向方向上构成紧凑型和扁平型的步进电机。

为了能解决上述的目的，本发明具有以下结构的特征：

(1)一种步进电机，该步进电机包括：

转子，它包括轴和固定在轴上多极化的永久磁铁；

定子，它包括多个空心线圈，每个空心线圈都由绕在垂直于转子旋转中心轴的轴上的预定匝数的绕组所组成，且沿着永久磁铁的外表面以相互面对面的方式设置。

(2)根据(1)的步进电机，其基本的特征在于：

多个空心线圈是以第一空心线圈组和第二组空心线圈组的方式来配置的，

第一空心线圈组面对着永久磁铁且以圆周等间距的位置来设置，

第二空心线圈组以圆周等间距的位置来设置，但与第一线圈组在角度上间隔一个角度偏差，该角度偏差为90度的电角度。

(3)根据(1)的步进电机，其基本的特征在于：

永久磁铁的磁极的数目为2、4、6、8、10和12中的一个数字，以及，

空心线圈的数目设定为2、4、6和8中的一个数目，且空心线圈沿着永久磁铁的外周被分别均匀地分配成第一和第二相位线圈。

(4)根据(1)的步进电机，其基本的特征在于：

每个空心线圈都在角度位置上缠绕，在该位置上，在转子旋转方向上有助于转子旋转的直线构件部分的中心与永久磁铁的N极和S极中的一个重合。

(5)根据(1)的步进电机，其基本的特征在于：

位于转子旋转方向上的空心线圈的直线构件部分的长度等于或长于其沿着永久磁铁旋转轴的纵向方向上的长度。

(6)根据(1)的步进电机，进一步包括：

用于设置定位转矩的产生点的辅助轭，所述辅助轭固定于定子上。

(7)根据(1)的步进电机，其基本的特征在于：

定子包括整体制成的臂部分的树脂部件，它在与转子旋转中心同心的环表面上从内径侧向外径侧径向延伸，以及，

树脂部件固定着空心线圈，以便于保持在空心线圈和永久磁铁的磁极之间的角度位置关系。

(8)根据(7)的步进电机，其基本的特征在于：

将用于任意设置定位转矩的产生点以便在指定角度位置上使转子停止的辅助轭嵌入在树脂部件之中。

(9)一种2相励磁型PM步进电机，该步进电机包括：

转子，它包括轴和固定在轴上的永久磁铁，且所述永久磁铁具有6、8、10和12中的一个数字的磁极；

定子，它包括总数为4个的空心线圈，每个空心线圈都由绕在垂直于所述转子旋转中心轴的轴上的预定匝数的绕组所组成，且沿着永久磁铁的外表面来放置，并将空心线圈分成各为两个空心线圈的两组以相互面对面的方式设置；其中将所述空心线圈沿着永久磁铁的外周分别均匀地分配以具有90°的电气角度作为角度偏差，以及，

作为轭的主体部分，具有将面对面设置的空心线圈之间的空间部分扁平化而获得的扁平部分。

附图说明

图1A是显示步进电机的半剖面图，它是本发明实施例所共有的。

图1B是解释步进电机工作原理的示意图。

图1C是通过放大步进电机的部分剖面来解释其工作原理的示意图，其剖面采用沿图1A中X-X线的箭头所示意的方向。

图2A是解释本发明第一实施例的示意图，其剖面采用沿图1A中的线X-X的箭头所示意的方向。

图2B是解释本发明第二实施例的示意图，其剖面采用沿图1A中的线X-X的箭头所示意的方向。

图3A是解释本发明第三实施例的示意图，其剖面采用沿图1A中的线X-X的箭头所示意的方向。

图3B是解释本发明第四实施例的示意图，其剖面采用沿图1A中的线X-X的箭头所示意的方向。

图4是解释转子的永久磁铁的磁极数目和分别对应于第一和第二相位线圈的每个相位线圈数目之间的关系的图表。

图5是显示步进电机的立体分解图。

图6是解释本发明第五实施例的示意图，其剖面采用沿图1A中的线X-X的箭头所示意的方向。

图7是解释本发明第六实施例的示意图，其剖面采用沿图1A中的线X-X的箭头所示意的方向。

图8显示了在磁光盘装置中使用的步进电机典型例子的方框图。

具体实施方式

下文将参照附图来讨论本发明的推荐实施例。图1A是显示步进电机的半剖面图，它也共同适用于本发明的实施例。图1B是解释步进电机工作原理的示意图。图1C是通过放大步进电机的部分剖面来解释工作原理的示意图，其剖面采用沿图1A中的线X-X的箭头所示意的方向。

参照图1A，它显示了2相励磁PM步进电机，它具有采用浸油金属或径向的滚珠轴承所构成的一个轴承8，固定在圆柱形主体部分1上，所述主体部分1作为轭，它还具有采用浸油金属或径向的滚珠轴承所构成的另一个轴承8’，固定在罩子部件11中，该罩子部件采用包括在压配合之后的卷边的固定方法来保护该主体部分1。轴7受到两个轴承8和8’的两边支撑状态的可旋转支撑。多极化的永久磁铁3固定在轴7的中间部分，如图中所示意的位置，且构成了步进电机的转子。预定的功率传输部件(例如，齿轮)可以固定在从主体部分引出的轴7上。

导线在垂直于该转子旋转的中心轴CL1的轴CL2上绕上预定的匝数。利用树脂部件2以沿着永久磁铁3的外周表面延伸的方式来固定多个空心的线圈4和5。于是，就构成了电机的定子。

采用上述讨论的结构时，根据弗莱明(Fleming)左手法则，通过在磁场中从该图的纸平面方向向纸的背后方向对空心线圈(导体)施加电流I，就会在垂直于磁通量B的方向上产生力，该力由下述公式表示：F＝B(磁通量)·I(电流)·L(导体的长度)，在磁场中由永久磁铁6产生磁通量B，正如图1B所说明的，该图是解释电机工作原理的示意图。

接着，正如图1C所示，通过激励虚线所示的空心线圈5，在各个空心线圈4和5中产生转矩，类似于图1B中所解释的。顺便说说，空心线圈是固定的，使得永久磁铁3承受转矩，该转矩作为反作用力在箭头方向上作用，从而使得转子旋转。另外，空心线圈4采用与空心线圈5在角度间隔上偏差一个角度偏差来设置和固定，该偏差为90°电角度。因此，就能够实现预定的步进激励。于是，转子也能实现连续的旋转。上述所讨论的原理是根据本发明的步进电机的工作原理。

第一实施例

再参照图2A，它显示了沿着图1A中X-X线的箭头方向的剖面图，且用于说明第一实施例。在图2A中，已经讨论过的部件仍采用图1A至1C中所使用的相同字符来表示。此外，下文将省略这类部件的讨论。

转子的永久磁铁3采用8极的多极化处理，正如图中所说明的，并且可旋转地配置在树脂部件2的内周表面中，使得在它们之间存在着间隙。在该树脂部件2中，四个臂部分2a至2d是采用诸如注模的方式来整体制成。正如图中所说明的，各个臂部分是以面对一个对应的臂部分的方式来设置的。对应着相位的线圈绕组的直线构件部分4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c和5d保持在均匀角度间隔的位置上，使得每组的两个臂都关于一点对称，该点即旋转中心。

主体部分1制成类似于由磁性材料所制成的圆筒，以防止磁泄漏的发生，并形成闭环的磁路。

在上述结构的电机中，第一空心线圈和第二空心线圈的定位和固定的状态是，通过将部件4a、4b、4c和4d设定为作为第一空心线圈的第一相位空心线圈4的绕组的直线构件部分以及将部件5a、5b、5c和5d设定为作为第二空心线圈的第二相位空心线圈5的绕组的直线构件部分，使每个第二空心线圈与所对应的一个第一空心线圈在角度上间隔一个角度偏差，该偏差为90°电角度。顺便说说，2相励磁型PM步进电机的步距角为22.5度，它可以采用在相位上彼此不同90度的电压波形来激励线圈的方式构成。而且，也可以在1-2相激励的模式中进行半步驱动操作。此外，尽管没有示出，但是，也能够容易地实现微步驱动型的步进电机。

第二实施例

接着再参照图2B，它是以图1A中X-X线箭头所示方向的剖面图，用于说明本发明的第二实施例。在该图中，已经讨论过的部件仍采用图1A至2A中所使用的相同字符来表示。此外，下文将省略这类部件的讨论。永久磁铁3采用以30度相等角间隔排列的12极的多极化处理。

线圈4和5相互面对面且均匀地设置，使得三个线圈的各组4和5(都能关于转子旋转的中心对称)对应于一个单相，正如图中所说明的。

步进电机(它的步距角为15度)可以通过采用图2A所示波形的信号激励上述结构的电机的第一相位的三个线圈4(由实线所指示的)和第二相位的三个线圈5(由虚线所指示的)来构成。

第三实施例

参照图3A，它是以图1A中X-X线箭头所示方向的剖面图，用于说明本发明的第三实施例。正如该图所示，永久磁铁3以12极的方式来多极化。

线圈4和5相互面对面且均匀地设置，使得四个线圈的各组4和5(关于转子旋转中心对称)对应于一个单相，正如图中所说明的。

步进电机(它的步距角为15度)具有更大的转矩，可以通过采用图2A所示波形的信号激励上述结构的电机的第一相位的四个线圈4(由实线所指示的)和第二相位的四个线圈5(由虚线所指示的)来构成。

第四实施例

接着参照图3B，它是以图1A中X-X线箭头所示方向的剖面图，用于说明本发明的第四实施例。正如该图所示，永久磁铁3以12极的方式来多极化。

线圈4和5相互面对面且均匀地设置，使得两个线圈的各组4和5(关于转子旋转的中心对称)对应于一个单相，正如图中所说明的。

步进电机(它的步距角为15度)具有更大转矩，可以通过采用图2A所示波形的信号以垂至于该图纸平面的方向激励上述结构的电机的第一相位的两个线圈4(由实线所指示的)和第二相位的两个线圈5(由虚线所指示的)来构成。

图4是说明转子的永久磁铁的磁极数目和分别对应于第一和第二相位线圈的各个相位的线圈数目之间关系的图表。图4说明了另一个实施例的结构，在该结构中，第一相位线圈和第二相位线圈均匀设置，使得第一相位线圈和第二相位线圈关于一点对称；在该实施例中，具有上述结构的步进电机的磁极数目为2。

还有另一种结构，在该结构中，一组第一相位的两个线圈和一组第二相位的两个线圈均匀地排列，且每个组的两个线圈都关于一点对称，在该情况中，磁极的数目为6。然而，还有另一种结构，在该结构中，一组第一相位的两个线圈和一组第二相位的两个线圈均匀地排列，且每个组的两个线圈都关于一点对称，在该情况中，磁极的数目为10。此外，存在另一种结构，在该结构中，第一相位的两个线圈、三个线圈和四个线圈组，以及第二相位的两个线圈、三个线圈和四个线圈组都均匀地排列，且各组的线圈都关于一点对称，在该情况中，磁极的数目为12。接着再参照图5，它显示了图2A所说明结构的步进电机的立体分解图。

在图5中，已经讨论过的部件仍采用图1A至4中所使用的相同字符来表示。此外，下文将省略这类部件的讨论。主体部分1采用类似于圆筒的结构构成，正如在该图中所说明的，在图中它采用部分剖面示意图来显示电机。在主体部分1中，上端开口部分1a用于固定轴承8；而下端开口部分1b是贯通的，它用于固定上端开口部分1a和罩子部件11。此外，相对地在该图下半部分所示的罩子部件11中形成用于固定轴承8’的开孔部分11a以及用于支撑主体部分1的下端开口部分1b的法兰部分11b，它们相邻接。在上述预定的部分都装配之后，这些部分就以图1A所说明的条件相互固定着。

轴7(将多极化的永久磁铁3固定在上面)在径向方向上由上端和下端的轴承8和8’可旋转支撑。另一方面，每个垫片9和9’(它们套在轴7上)配置在永久磁铁和轴承8和8’中对应的一个之间，垫片用于接收在推进方向上所施加的负载或防止在推进方向上反冲的发生。这样，就完成了电机。

树脂部件2能够使得臂2a至2d如该图所示的那样面对面及均匀地排列，也能够使得对应于这些相位的线圈绕组的直线构件部分4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c和5d保持在预定位置上。

分别对应于这些相位的每个组4和5的空心线圈都是采用单个导线连续绕成的。由于，导线(未显示)有两个端点，即，对应于各个相位的线圈的首端和末端，因此，主体部分1总共引出了线圈的四个端点。

树脂部件2配置作为从具有环形截面的部分的表面的内径侧向外径侧作径向延伸的臂部分，树脂部件2具有类似于圆环的部分，它与转子的旋转中心同心，用于支撑空心线圈。然而，除了该结构之外，还有另外一个结构(在该结构中，绕组的凹槽部分和凸极形状部分是整体形成的)可用于支撑着空心线圈。于是，就不用再说了，它保持了在空心线圈和永久磁铁的磁极之间的角度位置关系。

正如图中所说明的，构成步进电机，以便通过设置在转子旋转方向上的各空心线圈4和5近似直线的构件部分L1的长度(这部分有利于转子的旋转)使之能等于或长于在沿着永久磁铁3旋转轴的纵向方向上的长度来尽可能地增加垂直于磁场的导体长度。这样就能获得足够的转矩。

另一方面，在树脂部件2上钻上一个开孔部分或钻孔部分2k，如图所示。在该钻孔部分2k固定了由磁性材料制成的辅助轭10。永久磁铁3被该辅助轭10所吸引，使得转子能在指定的角度位置上停止。因此，就能够任意设定定位转矩产生点。

第五实施例

图6是以图1A中X-X线箭头所示方向的剖面图，用于说明本发明的第五实施例。在图6中，已经讨论过的部件仍采用图1A至5中所使用的相同字符来表示。此外，下文将省略这类部件的讨论。永久磁铁3采用8极的多极化处理。在树脂部件2中，配置了关于转子旋转的中心轴对称的两个空心线圈的组4和5。即，在该树脂部件2上提供了总共四个空心线圈4和5。步进电机的这种配置使得这些空心线圈均匀地分配成第一相位线圈和第二相位线圈。

正如该图所说明的，通过将每个空心线圈放置于主体部分1，在空心线圈4和5之间形成间隙部分。于是，本实施例就形成了一种形状，在该形状中，通过在对称位置上压扁对应于该间隙部分的部分主体部分1，从而得到扁平部分1f和1f’，使得尺寸d小于直径D。因此，就构成了部分扁平的步进电机。于是，就减小了由电机所占用的空间。

正如以上所讨论的，多极化的处理使得转子的永久磁铁具有2n个磁极(n为等于或大于1的整数)。具有类似环形截面的部分的外部表面上缠绕的空心线圈附加给电机，所述环形截面部分与转子旋转中心同心，且环绕沿垂直于旋转中心方向上延伸的轴形成。这样，空心线圈就存在于最外层部分和主体部分之间所产生的磁场之中。因此，步进电机就能够像一般无芯电机那样工作。

特别是，正如以上所讨论的，没有将具有磁极齿的轭配置给定子。最外层的主体部分作为面对转子永久磁铁的软磁性部件配置。另外，该主体部分根本就没有凸出的形状。因此，就不会产生定位转矩。辅助轭可以安装在指定的角度位置上。因此，就能够任意设定定位转矩的产生点。

第六实施例

图7是以图1A中X-X线箭头所示方向的剖面图，用于说明本发明的第六实施例。在图7中，已经讨论过的部件仍采用图1A至6中所使用的相同字符来表示。此外，下文将省略这类部件的讨论。正如图7所示，永久磁铁3采用10极的方式进行多极化处理。在树脂部件2中，配置了两个空心线圈的组4和5，它们关于转子旋转的中心轴对称。就是说，在该树脂部件2上配置了总共四个空心线圈4和5。所构成的步进电机将这些空心线圈均匀地分配成第一相位线圈和第二相位线圈。

将通过这种方式配置的各个空心线圈放置于主体部分1中。于是，本实施例形成了一种形状，在该形状中，通过在对称位置上压扁部分主体部分1，从而得到扁平部分1f和1f’，使得尺寸d(6.3mm)小于直径D(8mm)。因此，就构成了部分扁平的步进电机。此外，在形成闭环磁路期间，通过采用诸如压力加工工艺在扁平的部分1f和1f’中形成分别面对永久磁铁3的N极和S极的凸出部分1g和1g’，就能设定定位转矩的产生。

正如以上所讨论的，本发明能够提供步进电机，该步进电机在驱动操作过程中和在停止时间的过程中能防止定位转矩的影响，因此，便于微步驱动的操作和改进启动特性。另外，本发明能提供在转子的旋转轴的纵向方向上结构紧凑和扁平的步进电机。此外，正如参照图5立体分解图所讨论的，能够容易地制造出本发明的步进电机。特别是，由于电机的形状(该形状在电机的外围部分敞开)以及元部件的减少(这是由材料的改变所引起的)使之能够简化绕线步骤和装配步骤，以及减小产品的重量。

最后再参照图8，它显示了用于磁光盘装置中的上述步进电机的典型例子的方框图。正如该图所说明的，在步进电机100的轴上配置了一个引导螺杆109，它可以是集成在一起也可以是单独的元件。光头105安装在架子上，该架子具有用螺丝固定于引导螺杆109上的一个部件。根据来自驱动控制部分103的指令来控制光头105，使之执行预定的驱动操作。此外，光盘101由主轴电机108驱动，以高速旋转。由用于检测最里层圆周位置的位置检测开关107来检测基准位置。

在上述讨论结构的装置中，在高速旋转的光盘101的记录/重现表面的径向方向上以高速驱动光头105。于是，该光头就会需要瞬时停止。因此，步进电机100就必须具有快速的响应。然而，在其中没有产生定位转矩。因此，能够对响应快速性进行改进。

或者，根据本发明的步进电机可以用于光学照相机中的自动聚焦机构中。于是，通过执行微步驱动就能方便地执行以步距角为单位的转子旋转的驱动操作(要比常规采用的步距角更精细)。

正如以上所讨论的，本发明能够提供一种步进电机，它在驱动操作的过程中和在停止时间的过程中能防止定位转矩的影响，从而有利于微步的驱动操作和改善启动的特性。

同样，本发明也能够提供一种步进电机，它能够任意地设定定位转矩产生点以便于在所指定的角度位置上使转子停止。

此外，本发明能提供一种步进电机，它能够在沿着转子旋转的轴的纵向方向上以紧凑和扁平的结构来构成。

Claims (9)

1.一种步进电机，其特征在于，所述步进电机包括：

转子，它包括轴和固定在轴上多极化的永久磁铁；

定子，它包括多个空心线圈，每个线圈都由绕在垂直于转子旋转中心轴的轴上的预定匝数的导线所制成，且沿着永久磁铁的外围表面以面对面的方式来放置。

2.如权利要求1所述的步进电机，其特征在于：

所述多个空心线圈配置为第一空心线圈组和第二空心线圈组；

所述第一空心线圈组面对永久磁铁且设置在以圆周等间隔的位置上；

所述第二空心线圈组以圆周等间隔的位置上放置，但与第一空心线圈组在角度上有角度偏差，该偏差为90度的电角度。

3.如权利要求1所述的步进电机，其特征在于：

所述永久磁铁的磁极的数目为2、4、6、8、10和12中的一个，以及，

所述空心线圈的数目设定为2、4、6和8中的一个，且所述空心线圈沿着所述永久磁铁的外表面分别被均匀地分配成第一相位和第二相位线圈。

4.如权利要求1所述的步进电机，其特征在于：

每个空心线圈都以一个角度位置缠绕，在该位置上，在转子旋转方向上有助于转子旋转的空心线圈的直线构件部分的中心与对应的永久磁铁的N极和S极中的一个重合。

5.如权利要求1所述的步进电机，其特征在于：

位于转子旋转方向上有助于转子旋转的空心线圈的直线构件部分的长度等于或长于其在沿着永久磁铁旋转轴的纵向方向上的长度。

6.如权利要求1所述的步进电机，其特征在于，进一步包括：

辅助轭，用于设定定位转矩产生的点，并固定在所述定子上。

7.如权利要求1所述的步进电机，其特征在于：

所述定子包括树脂部件，该树脂部件整体形成了臂部分，所述臂部分在与转子旋转中心同心的圆环表面上从内径边向外径边径向延伸；以及，

所述树脂部件支撑着所述空心线圈，以保持在所述空心线圈和永久磁铁的磁极之间的角度位置关系。

8.如权利要求7所述的步进电机，其特征在于：

用于任意设定定位转矩产生的点以便于在所指定的角度位置上使转子停止的辅助轭嵌入在树脂部件中。

9.一种2相励磁型PM步进电机，其特征在于，所述步进电机包括：

转子，它包括轴和固定在所述轴上的永久磁铁，所述永久磁铁的磁极的数目为6、8、10和12中的一个；

定子，它包括总共四个空心线圈，每个线圈都由绕在垂直于转子旋转中心轴的轴上的预定匝数的导线所制成，且沿着所述永久磁铁的外围表面来放置，并且将所述空心线圈分成两组各两个空心线圈以面对面的方式来设置，其中，所述空心线圈沿着永久磁铁的外围表面分别被均匀地分配以具有90度的电角度作为相互间的角度偏差；以及，

作为轭的主体部分，所述主体部分具有扁平部分所述扁平部分是通过将面对面设置的空心线圈之间空隙部分进行扁平化而获得。

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