CN1407696A - 三相混合型步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相混合型步进电机，包括一个定子(5)，和定子(5)同心布置且在二者间有一个气隙的转子(9)，在一个环形定子扼铁(1)的内圆周面上径向延伸并且呈规则间距的六个定子磁极，在每个定子磁极的尖端具有多个小定子齿(4)，转子(9)具有两个分裂的转子元件(7)和夹持在其间并且在其轴向上被磁化成N和S极的一个永磁体(8)，按照规则的间距设置在各个转子元件(7)外圆周上的五十个小转子齿(6)，两个分裂的转子元件(7)在角位置上彼此偏移1/2个小转子齿(6)的间距，这其中小定子齿(4)的磁导分布是由六或三次谐波平衡的一个微调间距，而小转子齿(6)与小定子齿(4)的齿宽比例被设置在0.35－0.45。

Description

三相混合型步进电机

技术领域

本发明涉及到三相混合型步进电机，特别涉及到这样一种三相混合型步进电机，它具有六个带绕组的磁极及一种能够降低变动转矩和磁性失真率并能增大输出的结构。

背景技术

按常规实施的三相混合型步进电机具有如图1A，1B和1C所示的十二个带绕组的磁极，或者是如图2A，2B和2C所示的六个带绕组的磁极。

如图1A，1B和1C所示的按常规实施的三相混合型步进电机是这样组成的，一个定子，它具有等间隔布置在一个环形扼铁1的内圆周上的十二个磁极2，绕制在各个磁极2上形成三相绕组的绕组3，以及设置在各磁极2的尖端的许多小齿4，还有一个转子9，它具有两个分裂的转子元件7，夹持在其间并且在轴向上被磁化成两个磁极N和S的一个永磁体8，以及按照规则的间距设置在各转子元件7的外圆周上的50个小齿6，上述转子元件7在角位置上彼此偏移1/2个齿6的间距，转子9与定子5之间隔着一个气隙相对，并且被扼铁1支撑着旋转。

与此不同的是，在图2A，2B和2C所示的三相混合型步进电机中，每个转子元件7具有40个小齿6。

日本专利申请公开号240691/2000公开了降低变动转矩和电流波形中的三次谐波成分，按照微调间距(vernier pitch)布置设在带绕组的磁极尖端的极齿，其中相对于具有六个带绕组的磁极的三相混合型步进电机利用六次谐波成分来平衡磁导分布。

在上述三相混合型步进电机中，带绕组的磁极数量是6，而转子磁极上小齿的数量是40。

在此处，如果转子和定子的小齿布置相对于具有12个带绕组磁极的三相混合型步进电机和具有六个带绕组磁极的三相混合型步进电机是变化的，就采用二维磁场分析(FEM)法来分析转子的小齿和定子之间的磁导分布。

表1中分别表示具有50个小转子极齿和12个带绕组磁极的三相混合型步进电机和具有50个小转子极齿和6个带绕组磁极的三相混合型步进电机的性能。

                    表1

相数m	3
					接线	星形		三角形
带绕组的极数nw	12	6	12	6
					基本幅角θs	1.2	1.2	1.2	1.2
晶体管数	6	6	6	6
					绕组的磁通Φ	1.0	2.0	1.0	2.0
产生的转矩T	1.0	2.0	1.0	2.0
					端子电感	1.0	1.0	0.75	0.75

如表1所示，具有六个带绕组磁极的步进电机绕组的磁通Φ和产生的转矩T分别是具有12个带绕组磁极的步进电机绕组的磁通Φ和产生的转矩T的二倍。

按照作为电磁学基本定律之一的法拉第定律，感应电压e₁可以用公式1表示。 $e_1=-n_1\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=-n_1\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{d\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}=-n_1\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{d\θ}}\≡-E_1\cos \mathrm{p\θ}---\left(1\right)$

式中的n₁代表一相的绕组总数，φ代表磁场通过一匝绕组的磁通，ω代表转子的角速度，而θ＝ωt。

磁通φ可以用公式2表示。 $\mathrm{\Φ}=\mathrm{\Φ}\sin \mathrm{p\θ},\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{d\θ}}=\mathrm{p\Φ}\cos \mathrm{p\θ}---\left(2\right)$

式中的p代表转子的齿数，而φ代表磁通的量值(从峰值到零)。如果e₁的峰值到零值(量值)是E₁，就能获得公式3。

              E₁＝n₁pωΦ                ……(3)

按照公式3可以看出，感应的电压分别与绕组数n₁、转子的齿数p、角速度ω和磁通φ成正比。另一方面，如果电流通过一个绕组产生的感应电压是e₁，电输入就是e₁×i₁。按照公式4所示，一相的电输入等于机械输出(转子的转矩τ₁×角速度ω)。

           τ₁ω＝e₁i₁    ……(4)

如果电流的相位等于一个反电动势(相当于最大输出)的相位，就能获得公式5和6。 ${\mathrm{\τ}}_1=\frac{e_1{i}_1}{\mathrm{\ω}}=n_1\mathrm{p\Φ}{I}_1{\cos }^2\mathrm{p\ωt}\≡T_1\cos \mathrm{p\ωt}---\left(5\right)$

           i₁＝I₁ cos pωt ……(6)

将三相的转矩相加并彼此消去变量成分就获得了总转矩T，由此就能获得公式7。 $T={\mathrm{\τ}}_U+{\mathrm{\τ}}_V+{\mathrm{\τ}}_W=T_1{\cos }^2\mathrm{p\ωt}+T_1{\cos }^{2}p(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)+T_1{\cos }^{2}p(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)$ $=\frac{3}{2}{n}_1\mathrm{p\Φ}{I}_1---\left(7\right)$

按照公式7可以注意到转矩是与磁通φ成正比的。

图3表示具有6个带绕组磁极的步进电机的一半和具有12个带绕组磁极的步进电机的一半。具有6个带绕细磁极的步进电机的槽的总截面面积和具有12个带绕细磁极的步进电机是相等的。因此，如果各步进电机的绕组导线直径和一相的绕组数是相等的，流过各步进电机绕组的电流值就是相等的。然而，具有6个带绕组磁极的步进电机的磁通和转矩可以达到具有12个带绕组磁极的步进电机的二倍，因为在具有六个带绕组磁极的步进电机中一个磁极的极齿数量是8，这一数量是具有12个带绕细磁极的步进电机的二倍。

这种步进电机的极对数p明显大于普通永磁电机的极对数，并且电感L很大，因此，电压降pωL会很大，在高速时电流供应不足这是一个重要问题。

为了相对于提供给电机的端子电压产生预定比例的反电动势，在驱动电机的情况下，按惯例要选择绕组的数量。表1表示了在选择绕组数量使各电机的端子之间感应的电压恒定的情况下用公式8计算的电感。在表1中，用百分数项为相对于具有12个带绕组磁极的电机而表示的磁通，转矩和电感等等。 $=\frac{n_s}{n_p}{\left(\frac{n_1}{n_w/m}\right)}^2\frac{P_T}{n_w}---\left(8\right)$

式中的n_s是串联绕组的数量(与n_w/m成正比)，n_p是并联电路的数量，n_w是极数，m是相数，而P_T是总气隙磁导。

按照公式3，n₁被减到了一半，作为其结果，如果n_w被减半而φ增大一倍，公式8中的值就不会改变，这是因为，如果端子之间的感应电压是恒定的，n₁就与φ成反比。以下要解释接线系统。如图4A和4B所示，在三相电机中采用了一种星形连接和一种三角形连接。在作为典型的驱动系统的一种两相-两相驱动系统中，电流始终通过三相绕组当中的两相绕组，在星形连接中，电流通过U相和V相，因为电源被连接到图4A所示的三个端子A，B和C当中的任意两个端子(例如是A和B)之间形成一个串联电路，而在三角形连接中，电流通过W相和V相，因为电源被连接到图4B所示的三个端子A，B和C当中的任一端子(例如是A)和另外两个端子(例如是B和C)之间形成一个并联电路。在星形连接中，一相的绕组数量n₁必须达到三角形连接的 $1/\sqrt{3}=0.577$ 倍。在星形连接中，串联绕组数n₁是2，而在三角形连接中是1。在星形连接中，并联绕组数n_p是1，而在三角形连接中是2。因此，按照公式8的计算，星形连接中的电感就是1，而三角形连接中的电感是0.75。这意味着三角形连接可以获得比较高的工作速度，因为端子之间的电感比较小。

表2表示用二维FEM磁场分析法相对于混合型步进电机直接计算出的结果。

                表2

带绕组的极数	12	6
			带绕组磁极的磁通率	17.3	35.6
磁通波形的失真率	1.31	0.96
			变动转矩	100	28
微调系统	4次	6次

在这种微调系统中，相对于12个带绕组磁极采用了四次抵销系统(6.75°间距)，而相对于六个带绕组磁极采用了六次抵销系统(7.05°间距)。带绕组磁极的磁通比例代表了磁场的磁通被有效利用的比例，该值被认为是与带绕组磁极的磁通成正比，因为由磁场发出的磁通是基本上恒定的。

六个带绕组磁极的磁通是12个带绕组磁极的二倍。在6个带绕组磁极的情况下，设在一个磁极上的极齿数量也是12个带绕组磁极情况下的二倍，并且极齿彼此间稍有偏离，以便获得完整的平滑波形，并且能够降低失真率和变动转矩。

图5表示用二维FEM磁场分析法对带绕组6个磁极具体计算出的结果。

在三相电机中，用于最小化变动转矩的平衡谐波是六次谐波，但在普通电机中是四次谐波，因而认为三次的平衡谐波对减少三次谐波是有效的。因此，变动转矩、磁场、和磁场的失真率是参照四类项目来计算的，其中包括一项没有微调。极齿的宽度最好是设置在0.4。总体上考虑各种性能后可以判定六次平衡是最好的。

在最佳的六次微调系统中考虑极齿的宽度。图6表示的计算结果是，为了简化计算将转子的极齿宽度设置在与定子相同。如图6所示，大约0.4的小齿宽度被认为是最好的。

根据相对于三相混合型步进电机结构考虑的结果，可以获得以下的结果。

(1)六个带绕组磁极的磁通是12个带绕组磁极的二倍，从这一方面来看可以检验转矩的适当倍数。

(2)在微调系统中，六次平衡相对于变动转矩和磁通来说是最佳的。

(3)小齿的齿宽比例最好是大约0.4，然而普通电机也可以采用0.41的齿宽比例。

本发明就是按上述设想获得的。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相混合型步进电机，本发明的步进电机包括一个定子，以及和定子同心布置且在二者间有一个气隙的转子，上述定子具有一个环形定子扼铁，在环形定子扼铁的内圆周面上径向延伸并且呈规则间距的6个定子磁极，以及各自绕制在每一个定子磁极上的三相定子绕组，在每个上述定子磁极的尖端具有多个小定子齿，上述转子具有两个分裂的转子元件和夹持在其间并且在其轴向上被磁化成两个磁极N和S的一个永磁体，以及按照规则的间距设置在各个上述转子元件外圆周上的多个小转子齿，上述两个分裂的转子元件在角位置上彼此偏移1/2个小转子齿的间距。小定子齿的磁导分布是由六次谐波平衡的一个微调间距，而小转子齿与小定子齿的齿宽比例被设置在0.35-0.45。

本发明的另一个目的是提供一种三相混合型步进电机，其中小定子齿的磁导分布是由三次谐波平衡的一个微调间距，而小转子齿与小定子齿的齿宽比例被设置在0.35-0.45。

本发明的再一个目的是提供一种三相混合型步进电机，其中小转子齿的数量是50，而小定子齿的数量是8，齿间距是7.05，而小转子齿与小定子齿的齿宽比例被设置在0.36-0.44。

本发明的又一个目的是提供一种三相混合型步进电机，其中定子的三相绕组采取三角形连接。

通过以下结合附图的说明就能了解到本发明的这些及其他目的和特征。

附图说明

图1A是具有十二个带绕组磁极的一种常规的三相混合型步进电机的垂直截面正视图；

图1B是图1A所示的常规三相混合型步进电机的垂直截面左视图(N极一侧)；

图1C是图1A所示的常规三相混合型步进电机的垂直截面右视图(S极一侧)；

图2A是具有六个带绕组磁极的一种常规的三相混合型步进电机的垂直截面正视图；

图2B是图2A所示的常规三相混合型步进电机的垂直截面左视图(N极一侧)；

图2C是图2A所示的常规三相混合型步进电机的垂直截面右视图(S极一侧)；

图3是一个示意图，用来解释具有六个带绕组磁极的三相混合型步进电机的定子铁心和具有12个带绕组磁极的三相混合型步进电机的定子铁心；

图4A是一个示意图，用来解释具有6个带绕组磁极的三相混合型步进电机的接线系统；

图4B是一个示意图，用来解释具有6个带绕组磁极的三相混合型步进电机的接线系统；

图5是一个示意图，表示具有6个带绕组磁极的三相混合型步进电机的变动转矩、磁通、以及磁通波形的失真率的特性特征；以及

图6是一个示意图，表示具有6个带绕组磁极的三相混合型步进电机的变动转矩，磁通，以及磁通波形的失真率的特性特征。

具体实施方式

以下要参照图2A，图2B和图2C来解释本发明的一个实施例。

按照本发明的三相混合型步进电机包括一个定子5、以及和定子5同心布置且在二者间有一个气隙的转子9，上述定子5具有一个环形定子扼铁1，在环形定子扼铁1的内圆周面上径向延伸并且呈规则间距的多个定子磁极2，各自绕制在每一个定子磁极2上的定子绕组3，在每个上述定子磁极2的尖端具有六个小定子齿4，上述转子9具有两个分裂的转子元件7和夹持在其间并且在其轴向上被磁化成两个磁极N和S的一个永磁体8，以及按照规则的间距设置在各个上述转子元件7外圆周上的五十个小转子齿6，上述两个分裂的转子元件7在角位置上彼此偏移1/2个小转子齿6的间距。6个小定子齿4的磁导分布是由六次谐波平衡的一个微调间距，而小转子齿6与小定子齿4的齿宽比例被设置在0.35-0.45。

在本发明的另一个实施例中，6个小定子齿4的磁导分布是由三次谐波平衡的一个微调间距，而小转子齿6与小定子齿4的齿宽比例被设置在0.35-0.45。

在本发明的再一个实施例中，小定子齿4的数量是八，齿间距是7.05，而小转子齿6与小定子齿4的齿宽比例被设置在0.36-0.44。

如上所述，按照本发明的三相混合型步进电机可以获得高功率，低变动转矩和低失真率的磁场。

尽管本发明是参照其最佳实施例来表示和说明的，本领域的技术人员显然能够在权利要求书所限定的本发明的原理和范围之内对其形式和细节作出各种各样的变更。

Claims (4)

1.一种三相混合型步进电机，包括一个定子(5)、以及和定子(5)同心布置且在二者间有一个气隙的转子(9)，上述定子(5)具有一个环形定子扼铁(1)，在环形定子扼铁(1)的内圆周面上径向延伸并且呈规则间距的六个定子礠极，各自绕制在每一个定子磁极上的三相定子绕组(3)，在每个上述定子磁极的尖端具有多个小定子齿(4)，上述转子(9)具有两个分裂的转子元件(7)和夹持在其间并且在其轴向上被磁化成N和S极的一个永磁体(8)，以及按照规则的间距设置在各个上述转子元件(7)外圆周上的多个小转子齿(6)，上述两个分裂的转子元件(7)在角位置上彼此偏移1/2个小转子齿(6)的间距，小定子齿(4)的磁导分布是由六次谐波平衡的一个微调间距，而小转子齿(6)与小定子齿(4)的齿宽比例被设置在0.35-0.45。

2.一种三相混合型步进电机，包括一个定子(5)、以及和定子(5)同心布置且在二者间有一个气隙的转子(9)，上述定子(5)具有一个环形定子扼铁(1)，在环形定子扼铁(1)的内圆周面上径向延伸并且呈规则间距的六个定子磁极，以及各自绕制在每一个定子磁极上的三相定子绕组(3)，在每个上述定子磁极的尖端具有多个小定子齿(4)，上述转子(9)具有两个分裂的转子元件(7)和夹持在其间并且在其轴向上被磁化成N和S极的一个永磁体(8)，以及按照规则的间距设置在各个上述转子元件(7)外圆周上的多个小转子齿(6)，上述两个分裂的转子元件(7)在角位置上彼此偏移1/2个小转子齿(6)的间距，小定子齿(4)的磁导分布是由三次谐波平衡的一个微调间距，而小转子齿(6)与小定子齿(4)的齿宽比例被设置在0.35-0.45。

3.按照权利要求1或2的三相混合型步进电机，其特征是小转子齿(6)的数量是50，小定子齿(4)的数量是8，齿间距是7.05，而小转子齿(6)与小定子齿(4)的齿宽比例被设置在0.36-0.44。

4.按照权利要求1，2或3的三相混合型步进电机，其特征是定子(5)的三相绕组(3)被连接成三角形。

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