CN203313031U

CN203313031U - 超强型新结构混合式步进电动机

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Publication number: CN203313031U
Application number: CN2013203262933U
Authority: CN
Inventors: 王宗培; 陈敏祥; 阮国贤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2023-06-06

Abstract

本实用新型提供一种超强型新结构混合式步进电动机，其包括：定子磁系统，其包括多个定子磁极，所述每一定子磁极包括一向所述定子铁芯的圆心方向突出的极靴，每一极靴上均间隔设有多个定子小槽和定子小齿；转子磁系统，其包括转子轴、套设于所述转子轴上的至少一个沿轴向排列的重复转子单元，每一转子单元包括轴向充磁的永磁体环片及夹在该永磁体环片两端的磁极相反的分别由多层硅钢片冲片叠合而成的二硅钢片迭片段，每一硅钢片冲片的圆周上均间隔设有多个转子小齿和转子小槽；电枢绕组，其为绕于所述多个定子磁极上的线圈组合而成的对称多相电枢绕组；每一所述定子小槽和/或转子小槽内均填满永磁体小条。

Description

超强型新结构混合式步进电动机

技术领域

本实用新型涉及一种超强型新结构混合式步进电动机。

背景技术

步进电动机应用于工业生产始于20世纪60年代，是最早适应计算机控制的运控电机，由于它具有转矩刚度大、定位稳定可靠、跟踪精度高、开环无累计误差、经济、简单方便等一系列优点，70年代迅速发展，应用领域从计算机外设和办公自动化推广到很多工业设备和装置中，包括数控车床。80年代达到高峰成为数控系统中运控电动机的主体。但在80年代以后，无刷直流电动机及数字化交流伺服电动机系统的发展和成熟，并在快速性能方面表现出优势，使步进电动机的发展受到限制和压缩。因此步进电动机需要在快速性方面有所突破，这就是本实用新型要解决的问题。

发明内容

电动机动态响应的快速性取决于最大电磁转矩与转子转动惯量的比值，要提高步进电动机的快速性就是要提高它的最大比转矩系数(C_tm)，即最大电磁转矩(T_em)与转子体积(D²l)的比值，电动机的电磁转矩与每极有效磁通(φ₁)成正比，有效磁通是指产生电磁感应作用，即产生EMF的交变分量。步进电动机的特点是极对数很多，典型的是50对极，由于极距过小无法做成标准的永磁电动机结构，主流步进电动机产品是永磁感应子式结构，通常称为混合式结构，这种结构电动机的转子永磁体是轴向充磁的，它使得转子一半铁心段呈N极性，另一半铁心段呈S极性，靠定转子齿槽对气隙磁导的调制作用，使N极性铁心段产生进入定子一个极即一个线圈的磁通，从齿对齿时的正最大值(+φ_1max)变化到齿对槽时的正最小值(+φ_1min)。由于S极性铁心段与N极性铁心段沿圆周错位半个齿距角，所以S极性铁心段产生进入同一定子极即同一线圈的磁通从负最小值(-φ_1min)变化到负最大值(-φ_1max)。可见转子铁心N极性段与定子磁极齿正对齿时，转子N极性段和S极性段一起产生进入该定子磁极的磁通量为二者之和，即(+φ_1max)+(-φ_1min)；转过

齿距角，转子铁心N极性段与该定子磁极齿对槽，S极性铁心段与该定子磁极齿正对齿，转子二个极性铁心段一起产生进入该定子磁极的磁通量为(-φ_1max)+(+φ_1min)。表明从一个定子磁极或定子线圈来看，转子旋转时产生的互磁通也是交变的，交变的幅值为(φ_1max-φ_1min)。可以看出二点：(1)混合式电动机主磁通交变分量的幅值对应在一半转子铁心段，与永磁式电动机对应在整个转子磁极轴向长度不同，有效磁通量最大不会超过永磁体结构的50％；(2)提高混合式结构电动机有效磁通量的直观途径，应为提高齿对齿时的磁通量φ_1max和减小齿对槽时的磁通量φ_1min，没有新的齿层结构设计，不可能有明显的改善。

基于上述分析，本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种超强型新结构混合式步进电动机，其包括：

定子磁系统，其包括多个定子磁极，所述每一定子磁极包括一向所述定子铁芯的圆心方向突出的极靴，每一极靴上均间隔设有多个定子小槽和定子小齿；

转子磁系统，其包括转子轴、套设于所述转子轴上的至少一个沿轴向排列的重复转子单元，每一转子单元包括轴向充磁的永磁体环片及夹在该永磁体环片两端的磁极相反的分别由多层硅钢片冲片叠合而成的二硅钢片迭片段，每一硅钢片冲片的圆周上均间隔设有多个转子小齿和转子小槽；

电枢绕组，其为绕于所述多个定子磁极上的线圈组合而成的对称多相电枢绕组；

其特征在于：每一所述定子小槽和／或转子小槽内均填满永磁体小条。

作为本实用新型优选的技术方案，所述每一转子单元的二硅钢片迭片段沿圆周相互错位半个转子齿距。

作为本实用新型优选的技术方案，所述转子小槽内的永磁体小条的充磁方向是径向，且与轴向充磁的永磁体环片产生磁通的走向相反。

作为本实用新型优选的技术方案，所述定子磁极的数目为所述电枢绕组的相数的整数倍，所述电枢绕组均匀分布在整个定子铁心的圆周上。

作为本实用新型优选的技术方案，所述定子小槽内填充的永磁体小条的充磁方向为径向，极性取决所对应转子铁心段的极性，与转子永磁体环片产生的磁通走向相反。

p个带线圈的定子磁极可分成(p/m)个对称的单元，m为相数，当二相电动机m＝4时，每个对称单元内m个磁极上的线圈，其旋转感应电动势(EMF)相互错位(2π/m)电弧度或(360°/m)电角度，(p/m)个单元内EMF同相位及反相位的线圈串联或并联在一起构成一相绕组。线圈中EMF的相位取决于所处磁极极靴上小齿与转子齿的相对位置，选择转子齿数不为相数(m)和极数的(p)的倍数，且满足适当的关系，例如：

就能自然满足各相绕组EMF相位关系的要求。否则就要采取人工错位的设计，就是让定子磁极极身中心线与磁极极靴中心线错位，在一个对称单元内，m个极的极靴中心线与沿圆周均匀分布的极身中心线错位不同的角度，也包括零度，使m个线圈EMF的相位关系满足多相绕组的要求。

与现有技术相比，本实用新型具备如下优点：

1、在转子每个铁心段的小槽内填满永磁体小条，小条的充磁方向为径向，极性为与转子轴向充磁永磁体环片产生磁通的走向相反。永磁体环片产生的磁力线在一个转子铁心段的圆周上是同方向的，如果所考察的该铁心段是N极性的，那末整个铁心段的圆周上都是N极性，N_r个齿顶部呈明显的N极性，磁力线经气隙进入定子铁心，N_r个转子小槽的底部也是N极性，磁力线经转子小槽和气隙也进入定子铁心。小槽内放入永磁体小条，该小条对着槽底的一端为N极性，阻碍永磁体环片产生的磁力线经小槽到达定子铁心，而是向转子齿部聚集，使得定子齿对着转子齿时进入定子铁心的磁通量增大，在定子齿对着转子槽时进入定子铁心的磁通量减小，增大了磁通量的交变分量，即有效磁通量。

2、在定子磁极极靴上所有的小槽内填满永磁体小条，充磁方向为径向，极性取决于对应转子铁心段的极性，即定子内圆侧也就是定子小槽槽口端磁条的极性，与转子铁心段外圆例也就是转子齿顶的极性相同。当转子转到定转子齿对齿(某一铁心段的某一极下)时，定子小槽内小磁条槽口端的极性与转子槽底的极性相同，会起到阻碍永磁体环片产生的磁力线经转子小槽到达定子铁心，而是向转子齿部聚集，增加从转子齿顶经气隙进入定子齿部的磁通量；当转子转到定转子齿对槽(某一铁心段，某一极下)的位置，由于定子小槽内永磁体小条与转子齿顶为同极性，使转子进入定子铁心的磁通量减小，增大了磁通量的交变分量，即有效磁通量。

3、定子极靴上小槽内和转子铁心段外圆小槽内部都填满小磁条时，定子和转子小磁条的作用是迭加的，使定转子齿对齿情况向转子齿部聚磁的作用更强，即使得每极磁通量的最大值进一步增大，而定转子齿对槽时的每极磁通的最小值进一步减小，交变分量即有效磁通量进一步增大，从而使电磁转矩或最大比转矩系数有根本性的提高。

附图说明

图1为本实用新型实施例之整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例之转子磁系统的侧视图；

图3为图2所示的转子磁系统内的硅钢片冲片结构示意图；

图4是图3中A部分即N极的放大结构示意图；

图5是图2所示的转子磁系统内的S极的与图4相应部分的放大结构示意图；

图6是本实用新型实施例的定子磁系统的定子铁芯冲片的结构示意图；

图7是图6中B部分的放大结构示意图；

图8为本实用新型实施例的电枢绕组示意图；

图9是本实用新型实施例之实测保持转矩特性曲线；

图10是用于与图9进行比较的定转子小槽内都不加小磁条时的实测保持转矩特性；

图11为仅在转子小槽内加小磁条时的实测保持转矩特性。

图12为仅在定子小槽内加小磁条时实测的保持转矩特性。

具体实施方式

现结合附图说明本实用新型新结构步进电动机的具体实施方式。

如图1所示，本实施例之超强型混合式新结构步进电机包括前轴承、后轴承7、前端盖2、后端盖6，以及设置于所述前端盖2和后端盖6之间的转子磁系统5、定子磁系统4及电枢绕组3。转子磁系统5通过前轴承1和后轴承7与前端盖2和后端盖6可转动连接。

如图2至图5所示，所述转子磁系统5包括转子轴54及套设于所述转子轴54上的一个转子单元，其转子单元包括轴向充磁的永磁体环片51及套设于所述转子轴54上的转子铁心段52，每一组转子铁心段52包括一N极侧转子铁心段和一S极侧转子铁芯段，其分别设置于所述永磁体环片51的两例。所述N极侧转子铁心段和S极例转子铁芯段是沿圆周相互错位半个转子齿距的二硅钢片迭片段。

所述转子铁芯段52由多层硅钢片冲片58叠压而成，每一硅钢片冲片58的圆周上分别设有N_r个齿521和N_r个转子小槽522，本实施例为N_r＝50；每一所述转子小槽522内均填有一永磁体小条523，该永磁体小条523的充磁方向为沿所述硅钢片冲片的圆周径向，其极性取决所对应所述转子铁心段52的极性，其磁通方向与轴向充磁的永磁体环片51产生磁通的走向相反。

如图6、图7所示，所述定子磁系统4包括由多层硅钢片冲片41叠压而成的定子铁芯，本实施例为二相电动机定子铁心冲片41，每一硅钢片冲片41包括均匀分布于圆周的8个定子磁极411，每个定子磁极411的极靴上有N_s＝6个小齿412，有N_s-1＝5个定子小槽413；定子小槽413内填满永磁体小条415。

所述永磁体环片51产生的磁力线在一个转子铁心段52的圆周上是同方向的。如果所考察的该转子铁心段52是N极性的，那么整个转子铁心段52的圆周上都是N极性，N_r个齿顶部呈明显的N极性，磁力线经气隙进入所述定子磁系统4的小齿412部分，N_r个转子小槽522的底部也是N极性，磁力线经所述转子小槽522和气隙也进入所述定子磁系统4的小齿412部分。所述转子小槽522内放入永磁体小条523，该永磁体小条523对着所述转子小槽522的底部的一端为N极性，阻碍所述永磁体环片51产生的磁力线经所述转子小槽522到达所述定子磁系统4的定子铁芯，而是向转子铁心段52的硅钢片冲片的齿部521聚集，使得定子铁心的小齿412对着转子铁心段52的齿时进入定子铁心的磁通量增大，在定子铁心的齿对着转子铁心段的槽522时进入定子铁心的磁通量减小，从而增大了磁通量的交变分量，即有效磁通量。

如图8所示，所述电枢绕组是由绕于所述定子磁极411上的线圈组合而成的多相绕组。本实施例中，转子齿数N_r＝50，定子磁极411的数目为p＝8，表明相邻的定子磁极411上的线圈所处的转子磁场位置错开1/4转子齿距角，即90°电角度。第1、3、5和7定子磁极411上的线圈的EMF为同相或反相(相差180°电角度)，适当地正或反向串联在一起成A相绕组；第2、4、6和8定子磁极411线圈上的则联成B相绕组。每相绕组的四个线圈也可以分成二条或四条并联支路。

本实用新型新结构电动机的实例，从外形结构，电枢绕组出线端，以及对驱动控制的要求等，都与一台标准的二相混合式步进电动机没有明显区别，但是它的齿层结构不同，定子和转子铁心的小槽内都增加了特定充磁方向和极性的永磁体小条，为具有完全聚磁效应的齿层结构。

为了一目了然地说明新结构对提高机电性能的效果，图9给出了本实施例的步进电机的实测保持转矩特性。图10给出的曲线为定转子小槽内都不加小磁条时的实测保持转矩特性。图11为仅在转子小槽内加小磁条时的实测保持转矩特性。图12为仅在定子小槽内加小磁条时实测的保持转矩特性。

饱和转矩及饱和比转矩系数的对比如下表所示。

表中的数据充分说明了超强型新结构混合式步进电动机提高转矩和比转矩系数的明显作用。考察通用交流伺服电动机的技术数据可得，它的额定比转矩系数为C_tN＝0.02-0.03Nm/cm³，通常具备3倍短时过载能力，所以最大比转矩系数为C_tm＝0.06-0.09Nm/cm³。与上面列表中的数据相比较可看出，新结构电动机完全克服了永磁感应子式结构的固有弱势，达到可与标准永磁电动机快速性相匹敌的水平。

Claims

1.一种超强型新结构混合式步进电动机，其包括：

其特征在于：每一所述定子小槽和/或转子小槽内均填满永磁体小条。

2.根据权利要求1所述的超强型新结构混合式步进电动机，其特征在于：所述每一转子单元的二硅钢片迭片段沿圆周相互错位半个转子齿距。

3.根据权利要求1或2所述的超强型新结构混合式步进电动机，其特征在于：所述转子小槽内的永磁体小条的充磁方向是径向，且与轴向充磁的永磁体环片产生磁通的走向相反。

4.根据权利要求1或2所述的超强型新结构混合式步进电动机，其特征在于：所述定子磁极的数目为所述电枢绕组的相数的整数倍，所述电枢绕组均匀分布在整个定子铁心的圆周上。

5.根据权利要求4所述的超强型新结构混合式步进电动机，其特征在于：所述定子小槽内填充的永磁体小槽的充磁方向为径向，极性取决所对应转子铁心段的极性，与转子永磁体环片产生的磁通走向相反。