CN1956301A

CN1956301A - 线圈组具两端线圈的步进马达

Info

Publication number: CN1956301A
Application number: CNA2005100307491A
Authority: CN
Inventors: 李仲强
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2007-05-02
Also published as: WO2007048329A1

Abstract

一种线圈组具两端线圈的步进马达，是由在各线圈组紧邻转子的铁芯两端设置端线圈，使端线圈所发的磁力线直接作用于转子，有效减少因线圈远离作用区而让磁力线行经铁芯所造成的磁通泄漏与衰减。在不改变驱动能量条件下，增大保持转矩，提升磁能运用效率。且因端线圈是由铁芯端部套入，组合便捷，不仅可自动化组装，亦可容许马达整体大幅微型化；更设计可结合至电路板上，使得步进马达的整体应用更方便。

Description

线圈组具两端线圈的步进马达

技术领域

本发明是关于一种步进马达；特别是一种线圈组具有两端线圈的步进马达。

背景技术

步进马达由于可被精密控制，在许多领域中已被广泛接纳应用。如图1所示美国第5,880,551号专利的内转子步进马达，其外定子1的线圈组具有复数呈「W」型的铁芯11、12，在「W」型铁芯11、12的中央柱111、121上套设线圈110、120，当致能线圈110时，中央柱111接近永磁式转子2端会形成例如一N磁极，磁力线并经由硅钢材质的铁芯11，在左右两磁靴112、113面向转子2端形成相反的S极，从而吸引或排斥转子2上的对应磁极，驱动转子2绕枢轴旋转。而各「W」型铁芯11、12设置的夹角，则需与永磁式转子2的磁极错开，亦即，当铁芯11正对转子之一磁极时，另一铁芯12则并未正对转子的任一磁极，而是面向磁极间的缓冲区。

且如图2所示，由于中央柱111与磁靴112、113的间距恰与转子的磁极间距对应，因此理想的磁力线途径是如粗虚线所标示，由中央柱111至转子磁极后，直接行经相邻磁极而返回磁靴112、113形成回路，其磁阻较小；然而，以下将证明，由于在两侧磁靴112、113处并无线圈缠绕，磁力线并非完全如预期的粗虚线方式分布，而会由中央柱111处发散，并经空气等而返回中央柱111的另一端，产生例如细虚线所示的逸失，使得两侧磁靴112、113面向转子磁极处的有效磁通量，因与中央柱111缠绕有线圈110的位置有相当距离而显著减弱，使能量的运用效率被大打折扣。

另方面，为谋求外定子结构的高机械强度，此种定子最好具有封闭式结构。但是，随着步进马达日趋微型化，定子体积亦需逐步减小，甚至整体外径缩减至约1公分的大小，此时「W」型铁芯的中央柱111与左右磁靴112、113的间距仅有2至4公厘，缠绕有数百匝导线的线轴则需在如此狭小的空间中穿套于中央柱111上，此过程必须由熟练的人工细心组装作业，不仅妨碍制造过程全面自动化，更让制造速度因而减缓、效率不易提升。

此外，如图3美国第6,900,574号专利所示的步进马达，其内转子3具有六个交错磁极；外定子则具有两线圈组41、42，各线圈组41、42分别由一两截式定子磁轭411、412、421、422及套置于定子磁轭中央部分的线圈410、420所组成，线圈410、420则分别缠绕于一对应胶架413、423上。

然而，依照磁路设计的经验公式，一般如图4所示结构，其磁漏系数

f＝1+(L_g/A_g){[1.7U_a×a/(a+L_g)]+[1.4b(U_b/c)^1/2+0.67U_c]}

其中，L_g为气隙长度；A_g为气隙截面积；U_a、U_b、U_c分别为A、B、C部分截面周长；a、b、c分别为A、B、C部分长度。

若取A、B、C部分及气隙的截面均为1/2cm×1/2cm，A部分及气隙长度均为1cm，B、C部分的长度均为3cm，故代入上式，得磁漏系数

f＝1+{(1.7×4×1/2)+[1.4×3(4/3)^1/2+0.67×4]}＝1+10.93

＝11.93

相对地，如图5结构的磁漏系数则为

f＝1+(L_g/A_g)×1.1U_a×{[0.67a/(0.67a+L_g)]+(L_g/2a)}

代入上列条件后

f＝1+4.4(2/5+1/2)＝1+3.96＝4.96

换言之，若取两种结构的最大磁通量为100％，则在图4结构中，气隙处的磁通量仅为8.38％；相对地，图5结构的气隙处有效磁通量仍有最大磁通量的20.14％。

由以上推导可知，图2的左右磁靴及图3结构的两定子磁极均无法避免大量的磁漏，尤其图3结构的上磁轭411与下磁轭412长度不一，更使上下两定子磁极的磁力产生不均匀现象。

亦即，若能将产生磁力的结构拉近至邻近定子磁极，不仅可在不增加消耗能量状态下，大幅提升气隙处的有效磁通，在不改变驱动能量条件下，增大保持转矩，提升磁能运用效率；反之，若选择仅需相同的有效磁通量，则可选择减少线圈匝数，或降低致能线圈的电流量(即可缩减线圈直径)，并从而达成减小步进马达体积的功效。

发明内容

因此，本发明之一目的，在于提供一种可提升作用区有效磁通的线圈组具两端线圈的步进马达。

本发明的另一目的，在于提供一种可减小线圈组体积的线圈组具两端线圈的步进马达，达成微型化功效。

本发明的再一目的，在于提供一种线圈仅需套设于开放式磁轭端部的线圈组具两端线圈的步进马达，使组装简便，更易于自动化作业。

本发明的又一目的，在于提供一种组装有线圈组具两端线圈的步进马达的电子装置，使得该步进马达的设置与使用更为便捷。

本发明的线圈组具两端线圈的步进马达，包含：一供沿一枢轴旋转的永磁转子，具有复数沿该枢轴径向设于永磁转子表面、且相邻者磁性相反的磁极，各磁极之间的间距相等；一定子，具有复数线圈组，各线圈组分别包括一铁芯，及二分别设置于各铁芯朝向永磁转子二端部的端线圈，且二端线圈是被设置成使其被致能的磁力线方向同向串接，及各铁芯的二端部之间的间距是对应于永磁转子的奇数磁极之间的间距。

藉由每一线圈组的二磁轭端部分别设置有一端部线圈，让产生磁力的线圈邻近于作用区，明显提升有效磁通及磁能运用效率；相反地，若仅维持与习用技术相等的磁通，则可减小耗用能量，并缩减线圈体积而使步进马达微型化；加以，磁轭采用开放式结构，使微型化后组装线圈仍然非常方便，确保可自动化作业；尤其搭配适当的电路板布局，将使此种步进马达易于采用。

附图说明

图1是美国第5,880,551号专利的步进马达一较佳实施例俯视示意图；

图2是图1步进马达实施例的磁力线分布示意图；

图3是美国第6,900,574号专利的步进马达俯视示意图，以说明其线圈被致能时，磁力线回路的途径；

图4及图5是线圈组中，磁力源被设置在磁轭的不同位置的示意图；

图6是本发明第一较佳实施例的步进马达俯视示意图，说明定子、各线圈组与转子的关系；

图7是本发明图6的步进马达与电路板的结合关系立体示意图，说明装设有本发明步进马达的电子装置实施例；及

图8是本发明第二较佳实施例的俯视示意图。

附图中主要组件符号说明：

1、5、5’...定子 2、3、6、6’...永磁转子

7...电路板 70...连接段

111、121...中央柱 110、120、410、420...线圈

112、113...磁靴 411、412、421、422...磁轭

413、423...胶架 A、B、C...部分

11、12、53、54、53’、54’...铁芯

41、42、51、52、51’、52’...线圈组

55、56、57、58、55’、56’、57’、58’...端线圈

531、532、541、542、531’、532’、541’、542’...端部

551、552、561、562...导线端

具体实施方式

有关本发明的技术内容、特点与功效，配合下列参考图式所示较佳实施例及其详细说明，将可清楚的呈现。此外在各实施例中，相同的组件将以相似的标号标示。

如图6所示，为本发明揭露的线圈组具有两端线圈的步进马达，主要包含一N极永磁转子6及一外定子5。在本实施例中，永磁转子6是选择一12极转子，其N、S磁极两两间隔地沿一枢轴放射状设置于面向永磁转子6外侧，因此在图式及下列计算过程中，每一磁极约占30°(360°/N)。

本实施例的定子5则设置有两组线圈组51、52，各线圈组51、52分别包括一铁芯53、54，及二分别设置于各铁芯53、54朝向永磁转子二端部531、532、541、542的端线圈55、56、57、58。即永磁转子被设置于各线圈组之间。尤其如前所述，由于线圈与铁芯端部的距离严重影响作用区的有效磁通，因此本实施例中，是将端线圈55、56、57、58自铁芯53、54端部531、532、541、542套入，并分别与端部531、532、541、542齐平，使得端线圈尽量接近作用区，以有效提高运作的效率。更由于端线圈55、56、57、58的套接位置接近铁芯两端，且铁芯53、54是先分别被套接端线圈55、56、57、58后，才组装至马达或电路板上，即使铁芯53、54体积甚小，仍无碍于端线圈的组装，使得马达的进一步微型化更容易；且制造流程非常便捷，完全符合机械自动化需求。

为使线圈组51被致能时，铁芯53两端分别感应出相反磁极，不仅铁芯53的二端部531、532的间距被设置成恰对应于永磁转子6的奇数磁极间距，在本实施例中是以约90°(3×30°)夹角为例；此外，端线圈55、56是被串接设置，使其被致能时磁力线方向同向增强。在此实施例释如图7所示，是将永磁转子6与定子5设置于一电路板7上，电路板7含有一基板及形成于该基板上的导电布线，其中导电布线具有二分别对应于二线圈组的连接段，在本实施例中的导电布线上的一连接段70，而两端线圈55、56分别具有两导线端551、552、561、562，而导线端552、561分别焊接于连接段70的两端，使端线圈55、56彼此电性串接。

当然，如熟于此技术者所能轻易理解，本发明的主要特征并非局限于内转子马达，亦可轻易转换至外转子马达，故如图8所示，永磁转子是设置于定子外侧的环状体，即定子的两组线圈组51’、52’是被设置于环状的外永磁转子6’中，并以铁芯53’、54’的端部531’、532’、541’、542’分别面向外永磁转子6’的内侧，而端线圈55’、56’、57’、58’即分别套接于各铁芯53’、54’的端部，并且尽量接近于永磁转子部分。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已。当不能以此限定本发明实施例的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims

1.一种线圈组具两端线圈的步进马达，包含：

一供沿一枢轴旋转的永磁转子，具有复数沿枢轴径向设于永磁转子表面、且相邻者磁性相反的磁极，各磁极之间的间距相等；其特征在于：

包含一定子，具有复数线圈组，各线圈组分别包括一铁芯，及二分别设置于各铁芯朝向永磁转子二端部的端线圈，且二端线圈是被设置成使其被致能的磁力线方向同向串接，及各铁芯的二端部之间的间距是对应于永磁转子的奇数磁极之间的间距。

2.根据权利要求1所述的线圈组具两端线圈的步进马达，其特征在于：所述的各端线圈是分别套设于各对应铁芯的二端部，并与各对应端部齐平。

3.根据权利要求1所述的线圈组具有两端线圈的步进马达，其特征在于：所述的永磁转子是被设置于各线圈组之间。

4.根据权利要求1所述的线圈组具两端线圈的步进马达，其特征在于：所述的永磁转子是设置于定子外侧的环状体。

5.一种组装有线圈组具两端线圈的步进马达的电子装置，包含：

一线圈组具两端线圈的步进马达，且各端线圈分别具有二导线端；及

一电路板，含有一基板，及形成于该基板上的导电布线，其中导电布线具有二分别对应于二线圈组的连接段，各连接段是分别导电连接各对应线圈组中二端线圈之一导线端，使该二端线圈彼此电性串接。