CN1595775B - 步进电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种步进电动机，缩小因线圈磁轭的外形引起的无用空间，实现低电流且低转速的旋转驱动。步进电动机具备：与转子磁铁7是同心圆形状且相对于转子磁铁7保持规定间隙而对向配置的线圈4；与包围及保持线圈4并具有介于转子磁铁7与线圈4之间的磁极部1a、2a的磁性构件1、2。

Description

步进电动机
发明领域
本发明涉及驱动时钟或电扇的步进电动机。
背景技术
一直以来，作为可用低电流驱动的步进电动机已知有时钟用步进电动机(例如参照专利文献1和专利文献2)。
[专利文献1]特开昭49-56109号公报
[专利文献2]特开昭50-145806号公报
然而，以往的时钟用步进电动机由绕线在铁心上并具有长方形外形的线圈、从线圈到转子磁铁引导磁路的线圈磁轭、与线圈磁轭对向配置的转子磁铁构成，相对于固定转子磁铁的输出轴呈非对称的形状。此外，为了降低电流，相应线圈磁轭的外形不得不增大，对于缩小占有面积是有限的。因此安装到时钟上时，不得不将线圈磁轭相对于输出轴偏置于一边的空间，另一边的空间成为无用空间，效率低。
又，将上述步进电动机用于惯性矩小的电扇的驱动中时，存在空气对流的通路被线圈磁轭所阻挡等问题。
本发明鉴于上述问题，其目的在于提供缩小因线圈磁轭的外形引起的无用空间、可实现低电流且低转速的旋转驱动的步进电动机。
发明内容
为解决上述问题并达到目的，本发明的步进电动机具备：与磁铁是同心圆形状且相对于该磁铁具有规定间隙而对向配置的线圈；以及包围及保持所述线圈并在所述磁铁与所述线圈之间具有磁极部的磁性构件。
又，最好是所述磁性构件具有：设置第1磁极部的薄板形的第1磁性构件；相对于所述磁铁的中心轴与所述第1磁极部对称设置第2磁极部的有底圆筒形的第2磁性构件。
又，最好是所述第1和第2磁极部设有使该第1和第2磁极部与磁铁之间的间隙不均匀、并形成在励磁所述线圈时的所述磁铁的电磁稳定位置与所述线圈非励磁时的稳定位置的凹部。
如上所述，根据本发明，则由于相对于输出轴同心圆状配置磁铁与线圈，故与相对于输出轴非对称地配置磁铁与线圈的以往的构成相比，缩小因线圈磁轭的外形引起的无用空间，可实现低电流且低转速的旋转驱动。
附图说明
图1为本发明实施形态的单相步进电动机的分解立体图。
图2为组装图1的步进电动机的状态下的外形立体图(a)与侧面剖视图(b)。
图3为示出本发明实施形态的驱动电路的框图。
图4示出利用图3的驱动电路生成的步进电动机的驱动电压波形图。
图5为说明本实施形态的步进电动机的旋转动作图。
附号说明
1  第1磁轭        1a 第1磁极部
2  第2磁轭        2a 第2磁极部
3  电极部         4  线圈
5  电路基板       6  底座
6a 轴承           7  转子磁铁
8  输出轴         9  轴承构件
9a 轴承           10 衬套
11 电极引脚       13 线圈架
14 叶轮           23 驱动电路
24 振荡电路       25 控制部
26 CMOSFET        27 电池
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的较佳的一实施形态。
又，以下说明的实施形态是作为本发明的实现手段的一例，本发明可适用于在不脱离其宗旨范围内将下述的实施形态进行修改或变形的形态。
图1为本发明实施形态的单相PM型步进电动机的分解立体图，图2为组装图1的步进电动机的状态下的外形立体图(a)与侧面剖视图(b)。
如图1和图2所示，本实施形态的单相PM型步进电动机中，例如其输出轴8上连接轴流风扇或多叶片风扇等的具有多个叶片的叶轮14。
单相PM型步进电动机中，被充磁为单极(沿直径一分为二，充磁形成互相对称地具有相反的磁极(S极和N极)的2个极)的圆筒形的永久磁铁构成的转子磁铁，与限制轴向位置偏移的衬套10被固定于输出轴8上，构成转子。
转子的输出轴8由其轴向上装配的一对轴承6a、9a可转动自如地加以支承。轴承6a突出设定于限定电动机本体的一端面的圆盘形底座6的中央部分，在轴向支承输出轴8的一端。又，轴承9a由圆盘形的轴承构件9的中央部形成的孔在径向支承输出轴8的另一端。轴承构件9通过将突起部9b压入兼有定位功能的安装孔2d，固定于有底圆筒形(杯形)磁轭部2的端面2e。
另一方面，定子具备：相对于该转子磁铁7具有规定间隙并与磁铁7以同心圆对向配置的线圈4；包围及保持所述线圈4并作为在转子磁铁7与线圈4之间具有磁极部1a、2a的磁性构件的磁轭部1、2。
上述磁轭部1、2具备：由薄板构成的圆盘形的第1磁轭1；利用该第1磁轭封闭开口端部2f的有底圆筒形的第2磁轭2。第1磁轭1具有，形成与转子的输出轴8的中心轴同心圆开口的开口部1b；通过拉深成形从该开口部1b的侧缘部的一部分至线圈4侧直立设置的圆弧形的第1磁极部1a。而第2磁轭2的有底的底部上具有，形成与转子的输出轴8的中心轴同心圆开口的开口部2b；通过拉深成形从该开口部2b的侧缘部的一部分至线圈4侧直立设置的圆弧形的第2磁极部2a。
上述第1磁极部1a与第2磁极部2a相对于输出轴8设置于对称的位置上。
线圈4绕线于两端具有扩径的凸缘13a、13b的圆筒形的树脂制线圈架上，使绕组轴线为转子的输出轴8。
又，线圈架13的一端的凸缘13b上延伸设置对线圈4通电励磁用的电极部3，在第1和第2磁极部1a、2a产生S极或N极的磁场。电极部3上突出一对与线圈4的各端部电连接的电极引脚11。电极引脚11用焊接等与安装于第1磁轭1的背面的电路基板5电连接，同时通过连接器等与控制对线圈4的通电的外部驱动电路等连接。电路基板上形成布线图案，生成加到线圈4上的脉冲电压波形。
第1磁轭1和第2磁轭2在装入线圈的状态下用铆接等机械方式结合。此外，底座6与电路基板5一起用螺丝12拧入第1磁轭1的螺孔1d中加以固定。
第1和第2磁极部1a、2a通过对线圈4的通电而被励磁，形成磁极，通过反转这些磁极的磁性使转子磁铁旋转。此外，在第1和第2磁极部1a、2a的内周部的一部分上形成凹形沟(或缺口)1c、2c。这些凹形沟1c、2c使第1和第2磁极部1a、2a与转子磁铁7的外周部之间的间隙不均匀，形成转子磁铁7的电磁稳定位置与非励磁的稳定位置，能够通过磁铁7的自起动而旋转(参照图5)。
也就是说，在上述非励磁稳定位置中，转子磁铁7的磁极从第1和第2磁极部1a、2a接受齿槽转矩，励磁时第1和第2磁极部1a、2a间发生的磁通的方向D1(参照图5)与转子磁铁7的极性方向D2成交叉并偏移的(非平行的)位置关系(参照图5(a)、图5(c)及图5(e))。
另外，在上述电磁的稳定位置中，转子磁铁7的磁极从第1和第2磁极部1a、2a接受吸引力和排斥力而达到平衡，转子磁铁7的极性成为从非励磁稳定位置反转不到180°的位置关系(参照图5(b)和5(d))。
图3示出本发明的实施形态的驱动电路框图，图4示出由图3的驱动电路生成的步进电动机的驱动电压波形图。
图3例示的驱动电路23例如以2个干电池27作为电源，由控制部25对内装晶体振子等的振荡电路24输出的时钟信号进行分频及波形整形，将驱动控制信号输出到由4个CMOS晶体管组成的CMOSFET 26的各栅极，在线圈4的端子间施加图4所示的周期性反转的交变脉冲波形的驱动电压，以一定转速驱动单相步进电动机。图4所示的交变脉冲波形中，驱动电压的ON时间例如是20ms，电动机转速为480rpm。
图4示出从起动时起设定脉冲频率为一定的例子，但通过将起动时的脉冲频率设定得比稳定时来得低(减速电压波形)，能够附加将步进电动机的转速从起动时到稳定时逐渐提高的减速功能，例如可用低电流旋转驱动叶轮。
本实施形态的单相步进电动机的线圈电阻一般可达几百欧姆，比一般的步进电动机要大得多，也有的串联几百欧姆电阻，驱动电流为几毫安。
此外，即使驱动叶轮时，由于也可以使用通用的钟表用IC作为上述驱动电路23，因此，费用也低，消耗电流也小，可与时钟同样地用干电池作长时间驱动(例如，以2个电池3V、2mA的耗电，干电池由于是2000mA的容量，故可作40天的连续驱动)。
图5为说明本实施形态的步进电动机的旋转动作图，表示第1和第2磁极部1a、2a与转子磁铁7之间的位置关系。
图5(a)的非励磁稳定位置(通电OFF)中，转子磁铁7的磁极从第1和第2磁极部1a、2a接受微小的齿槽转矩，第1和第2的磁极部1a、2a间发生的磁通方向D1与转子磁铁7的极性方向D2成为交叉并偏移的位置关系。该齿槽转矩由于减弱磁场，因此尽可能小就可，但不为零。
通过从非励磁稳定位置对线圈4通电(ON)，对第1和第2磁极部1a、2a进行励磁，使第1和第2磁极部1a、2a与极性不同的转子磁铁7的磁极相吸，同时，极性相同的磁极相斥，达到平衡，转子磁铁7的极性从图5(a)的非励磁稳定位置顺时针旋转不到180°的图5(b)的电磁稳定位置。
其后当对线圈4的通电停止(OFF)时，就利用上述齿槽力的作用，从图5(b)的电磁稳定位置进一步稍作旋转，旋转到与图5(a)位置成180°反转的图5(c)的非励磁稳定位置。
接着，通过从图5(c)的非励磁稳定位置对线圈4输出与图5(b)通电时反转的脉冲，第1和第2磁极部1a、2a发生与图5(b)励磁时反转的极性，使第1和第2磁极部1a、2a与极性不同的转子磁铁7的磁极相吸，同时，极性相同的磁极相斥，达到平衡，转子磁铁7的极性从图5(c)的非励磁稳定位置顺时针旋转不到180°的图5(d)的电磁稳定位置。
其后当对线圈4停止通电(OFF)时，就利用上述齿槽力的作用，从图5(d)的电磁稳定位置进一步稍作旋转，旋转到图5(e)的非励磁稳定位置(从图5(c)位置旋转180°的位置，或从图5(a)的位置旋转360°的位置)，这样，返回到图5(a)的位置，结束1圈。以后通过重复同样的通电模式，转子磁铁7便作连续的旋转。
根据上述实施形态，则由于相对于输出轴8以同心圆方式配置转子磁铁7与线圈4，故与相对于输出轴非对称地配置转子磁铁与线圈的以往的构成相比，缩小了因线圈磁轭的外形引起的无用空间，可实现低电流且低转速的旋转驱动。
此外，使用本实施形态的步进电动机来驱动惯性矩小的叶轮时，可确保使空气对流用的通路。
工业上的实用性
本发明可作为驱动用电动机用于例如惯性矩小的时钟、或装有为使空气对流的电扇等的空气清洁器、芳香剂喷雾器、除湿器、防虫器等。

Claims (3)

1.一种步进电动机，其特征在于，具备
与磁铁是同心圆形状且相对于该磁铁具有规定间隙而对向配置的线圈；以及
包围及保持所述线圈并具有介于所述磁铁与所述线圈之间且形成凹部的磁极部的磁性构件，
与磁极的端部隔开间距地设置所述凹部，从而使所述磁铁连续旋转。
2.如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于，
所述磁性构件具有：设置第1磁极部的薄板形第1磁性构件；相对于所述磁铁的中心轴与所述第1磁极部对称设置第2磁极部的有底圆筒形的第2磁性构件。
3.如权利要求2所述的步进电动机，其特征在于，
所述凹部形成于所述第1和第2磁极部，以使该第1和第2磁极部与磁铁之间的间隙不均匀，并形成励磁所述线圈时的所述磁铁的电磁稳定位置,及所述线圈非励磁时的稳定位置。
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