CN204179919U - 新型大功率两极双凹坑单相永磁步进电机 - Google Patents

Abstract

　一种新型大功率两极双凹坑单相永磁步进电机，属于步进电机技术它由转子，定子，控制磁钢，激磁线圈，磁电感应线圈，霍尔传感器，磁控触发器，电机驱动器和飞轮等组成。原步进电机只能在程序试脉冲电流的驱动下方可运转，而且输出扭矩小，本实用新型彻底改变这一驱动工作模式，采用惯性随动式脉冲电流驱动，而且激磁电流的脉冲频率受转子自身控制，转子转的越快脉冲电流的频率就越高，本实用新型不但具有输出功率大，高转速，而且还具有自发电功能，可以为电动汽车、电动自行车、军舰、潜艇等提供动力。

Description

新型大功率两极双凹坑单相永磁步进电机

技术领域

本实用新型涉及步进电机技术，由单相永磁两极双凹坑步进电机改进而来，尤其涉及电动汽车，电动自行车，军舰，潜艇等电力驱动技术。

背景技术

步进电机的发展已有很长的历史了，虽然步进电机已被广泛地运用，但是步进电机并不能像普通交直流电机一样在常规下使用，它必须在程序式脉冲电流的驱动下方可使用，而且输出扭矩小，难以获得较高的转速，容易出现失步。

发明内容

本实用新型的目的，就是在原有单相永磁两极双凹坑步进电机的基础上，通过改进研制一种新型大功率两极双凹坑单相永磁步进电机，为电动汽车、电动自行车、军舰、潜艇等提供动力。本实用新型的目的是这样实现的，把蓄电池输出的直流电通过驱动器在转子自身的控制下转变成惯性随动式两极性脉冲电流提供给定子的激磁线圈使定子产生一个交替变化的磁场驱动转子旋转，实施的技术解决方案如下，一种实用新型大功率两极双凹坑单相永磁步进电机如图（1）由：转子（1）、定子（2）、控制磁钢（3）、霍尔截止传感器K3和K4，（4）、霍尔触发传感器K1和K2（5）、激磁线圈（6）、磁电感应线圈L1和L2串联为一组整体简称L12（7）、磁电感应线圈L3和L4串联为一组整体简称L34（8）、感应线圈L1托板（9）、感应线圈L2托板（10）、传感器上锁止圈（11）、传感器下锁止圈（12）、感应线圈L3托板（13）、感应线圈L4托板（14）、前外壳端盖（15）、后外壳端盖（16）、定子锁止板（17）、上外壳盖（18）、下外壳盖（19）、传感器脉冲滞后角调节螺母（20）、传感器脉冲提前角调节螺母（21）、转子轴（22）、轴承（23）、飞轮（24）、外壳紧固螺母（25）以及磁控触发器见图（5）和大功率两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器见图（4）共同组成，其相互位置及装配连接关系为：转子（1）和控制磁钢（3）的磁场轴线平行一致以保证同步见图（3）（D）共同装配在转子轴（22）上穿过定子（2）的内孔通过轴承（23）与前后外壳盖（15）和（16）及上下外壳盖（18）和（19）及定子锁止板（17）及外壳紧固螺母（25）等共同连接组合，飞轮（24）装配在转子轴的末端，磁电感应线圈L12（7）和L34（8）通过感应线圈托板（9）和（10）及（13）和（14）分别与上下外壳相连装配在定子的前后两侧并与整流稳压器D1和D2连接后与主电源蓄电池相并联见图（4）和图（8），霍尔触发传感器（5）通过传感器下锁止圈（12）与下外壳相连装配在控制磁钢（3）的外围也就是转子磁场轴线与定子当时建立的磁场轴线的夹角也就是40°的位置上，霍尔截止传感器（4）通过传感器上锁止圈（11）与上外壳相连装配在控制磁钢的外围也就是定子当时建立的磁场轴线与定子内圆两个豁口间中心连线的夹角也就是50°的位置上，霍尔传感器（4）和（5）与磁控触发器见图（5）和大功率两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器见图（4）及激磁线圈（6）相连接。

本实用新型的工作原理就是：把蓄电池输出的直流电通过驱动器在转子上控制磁钢的控制下触发霍尔传感器在触发磁控触发器然后控制驱动器为定子的激磁线圈提供正反向激磁脉冲电流使定子产生一个交替变化的磁场，根据磁场的同性相斥异性相吸的原理驱动转子不停的旋转，本实用新型步进角为180°。磁电感应线圈L12和L34是本实用新型的附属发电设备就相当于本实用新型上的永磁发电机，当转子运转时转子上现有的磁场就会切割感应线圈L12和L34从而产生感生电流，并不消耗额外的能源。

 为了获取更大的输出功率，上诉述单级式步进电机已经无法满足现实的需要，我们采用多级式四组独立的转子和定子组合在一起如图（9）大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机包括：转子（1）包括1号转子、2号转子、3号转子、4号转子、定子（2）包括1号定子、2号定子、3号定子、4号定子、控制磁钢（3）、霍尔截止传感器K3和K4（4）、霍尔触发传感器K1和K2（5）、激磁线圈（6）包括L41、L42、L43、L44、磁电感应线圈L1和L2串联为一组整体简称L12（7）、磁电感应线圈L3和L4串联为一组整体简称L34（8）、感应线圈L1托板（9）、感应线圈L2托板（10）、传感器上锁止圈（11）、传感器下锁止圈（12）、感应线圈L3托板（13）、感应线圈L4托板（14）、前外壳端盖（15）、后外壳端盖（16）、定子锁止板（17）共十六块、上外壳盖（18）、下外壳盖（19）、传感器脉冲滞后角调节螺母（20）、传感器脉冲提前角调节螺母（21）、转子轴（22）、轴承（23）、飞轮（24）、外壳紧固螺母（25）、以及分体式磁控触发器见图（7）和大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器见图（6）等共同连接组成，其相互位置及装配连接关系为：转子（1）包括1号转子、2号转子、3号转子、4号转子和控制磁钢（3）的磁场轴线平行一致以保证同步见图（3）（D）共同装配在转子轴（22）上穿过定子（2）包括1号定子、2号定子、3号定子、4号定子的内孔通过轴承（23）与前后外壳盖（15）和（16）及上下外壳盖（18）和（19）及定子锁止板（17）及外壳紧固螺母（25）等共同连接组合，飞轮（24）装配在转子轴的末端，磁电感应线圈L12（7）和L34（8）通过感应线圈托板（9）和（10）及（13）和（14）分别与上下外壳相连装配在定子的前后两侧并与整流稳压器D1和D2连接后与主电源蓄电池相并联见图（6），霍尔触发传感器（5）通过传感器下锁止圈（12）与下外壳相连装配在控制磁钢（3）的外围也就是转子磁场轴线与定子当时建立的磁场轴线的夹角也就是40°的位置上，霍尔截止传感器（4）通过传感器上锁止圈（11）与上外壳相连装配在控制磁钢的外围也就是定子当时建立的磁场轴线与定子内圆两个豁口间中心连线的夹角也就是50°的位置上，霍尔传感器（4）和（5）通过分体式磁控触发器见图（7）与大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器见图（6）及各相应激磁线圈（6）包括L41、L42、L43、L44相连接。为了满足重型步进电机的需要，重型步进电机驱动器采用了四只大功率P沟道场效应管以增强驱动器的输出功率，同时采用两组独立电源E1和E2采用分体式供电，E1通过驱动器为定子激磁线圈提供正向激磁脉冲电流，E2通过驱动器为定子激磁线圈提供反向激磁脉冲电流见图（6）。采用两组电源独立供电的好处就是不但增强了驱动器的输出功率更提高了驱动器的安全可靠性，防止因电子元件的击穿而造成短路的严重后果。

本实用新型与当今步进电机以及其他电动机相比有如下优点和有益效果：

（1）本实用新型彻底改变了步进电机只能在程序式脉冲电流的驱动下方能运转的这一工作模式，采用惯性随动式两极性脉冲电流驱动，而且无触点无碳刷，输出扭矩大。

 （2）步进角为180°激磁脉冲电流的频率受转子自身控制，转子转的越快，脉冲电流的频率就越高，因此本实用新型具有高转速，低速稳定性好，而且不会出现因超负荷而使电机出现失步现象。

 （3）当本实用新型在一定范围内负荷慢慢增大时，由于转速的降低，因此也就延长了激磁线圈的充电时间，从而增强了定子的磁场强度，此时电机的输出扭矩随之增加，也就是说越是有阻力就越是有动力，这一特性是当今所有电动机及内燃机所不具备的。

 （4）本实用新型由于装配了飞轮以及可以在飞轮上装配离合器 ，因此可以和变速器相连。

 （5）具有自发电功能，利用转子上现有的超强磁场，当转子在定子的驱动下旋转时转子的磁场就会切割两组磁电感应线圈L1和L2、L3和L4，从而产生感生电流，这两组磁电感应线圈就相当于本实用新型上的两台永磁发电机，而且发电的同时不在消耗额外的能源，不影响电机的正常工作，况且这两组磁电感应线圈只是本实用新型的附属设备，就是去掉这些发电设备本实用新型依然可以照常工作。

 （6）由于本实用新型大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机采用了四组独立的转子和定子组合在一起，采用并联分体式供电，在四组定子的激磁线圈和四组驱动器中如果其中任意一组定子的激磁线圈或者驱动器发生故障都不影响其他的定子激磁线圈和驱动器的正常工作，只是影响了步进电机整体的输出功率，这一特点在现实中具有非常大的实用价值，而且由于采用了多级组合因此本大功率重型步进电机可以输出一个超级强大的旋转力矩为电动重型卡车，军舰，潜艇等提供超级动力源。

 （7）大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机由于采用两组独立电源E1和E2，E1为步进电机提供正向激磁电流，E2为步进电机提供反向激磁电流，这样不仅提高了驱动器的输出功率而且还增加了驱动器的安全可靠性。

（8）综上所述由于本实用新型在消耗电能的同时又产生电能，可以为蓄电池提供能源补充，从根本上解决了电动汽车车载蓄电池的充电问题，从而也就彻底解决了电动汽车无法走向实用化受电池制约的瓶颈问题。因此本实用新型具有当今所有电动机无可比拟的优越性，可以彻底取代内燃机，为电动汽车、电动自行车、军舰、潜艇等提供最佳动力源。

附图说明

下面结合附图和实施列对本实用新型作进一步说明：

   图（1）为大功率两极双凹坑单相永磁步进电机结构原理图：转子（1）为圆柱形两极性永磁体、定子（2）、控制磁钢（3）为长方形两极性永磁体、霍尔截止传感器K3和K4（4）、霍尔触发传感器K1和K2（5）、激磁线圈（6）、磁电感应线圈L1和L2（7）、磁电感应线圈L3和L4(8)、感应线圈L1托板（9）、感应线圈L2托板（10）、传感器上锁止圈（11）、传感器下锁止圈（12）、感应线圈L3托板（130、感应线圈L4托板（14）、前外壳端盖（15）、后外壳端盖（16）、定子锁止板（17）、上外壳盖（18）、下外壳盖（19）、传感器脉冲滞后角调节螺母（20）、传感器脉冲提前角调节螺母（21）、转子轴（22）、轴承（23）、飞轮（24）、外壳紧固螺母（25）

图（2）（A）（B）（C）（D）（E）为两极双凹坑单相永磁步进电机工作原理：图（A）表示电机起始位置。转子（1）、定子（2）、激磁线圈（3）

图（B）表示正向激磁电流进入

图（C）表示新的平衡位置

图（D）表示反向激磁电流进入

图（E）表示回到起始位置

图（3）（A）（B）（C）（D）（E）为霍尔传感器工作原理 ：图（A）锁止圈（1）、转子永磁体（2）、定子磁场轴线（3）、S型霍尔触发传感器K1（4）、N型霍尔截止传感器K4（5）、N型霍尔触发传感器K2（6）、S型霍尔截止传感器K3（7）传感器脉冲提前角调节螺母（8）、传感器脉冲滞后角调节螺母（9） 、触发传感器总成（10）、截止传感器总成（11）

图（D）转子两极性永磁体（1）、磁场轴线（2）、控制磁钢两极性永磁体（3）、磁场轴线（4）、转子轴（5）

图（E）转子轴（1）、传感器固定外壳（2）、传感器固定外壳（3）、控制磁钢永磁体（4）、S型霍尔传感器（5）、N型霍尔传感器（6）

图（4）为大功率两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器电子线路图：图中W1和W2为电机调速控制器，LED1和LED2及LED3和LED4为驱动器工作指示灯，便于日后维修，本驱动器由于输出功率有限因此只适用与中小型步进电机。

图（5）为大功率两极双凹坑单相永磁步进电机磁控触发器电子线路图（A）（B）（C）（D），图中H表示霍尔传感器，其型号为3144，S和N表示控制磁钢的磁极

图（6）为大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器及独立供电系统电子线路图：图中W1和W2为电机调速控制器，LED1和LED2及LED3和LED4为驱动器工作指示灯，便于日后维修，由于本驱动器采用了四只P沟道大功率场效应管完全取代了大功率三极管从而使驱动器输出功率大大增强同时本驱动器采用了两组电源独立供电，因此本驱动器输出功率较大主要应用在重型步进电机上。

图（7）为大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机用分体式磁控触发器电子线路图：（A）（B）（C）(D)，图中H表示霍尔传感器，其型号为3144，S和N表示控制磁钢的磁极

图（8）为磁电感应线圈工作原理图： 转子两极性永磁体（1）

图（9）为大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机结构图：转子（1）为圆柱形两极性永磁体包括1号转子、2号转子、3号转子、4号转子、定子（2）包括1号定子、2号定子、3号定子、4号定子、控制磁钢（3）为长方形两极性永磁体、霍尔截止传感器K3和K4（4）、霍尔触发传感器K1和K2（5）、激磁线圈（6）包括L41，L42，L43，L44、磁电感应线圈L1和L2（7）、磁电感应线圈L3和L4（8）、感应线圈L1托板（9）、感应线圈L2托板（10）、传感器上锁止圈（11）、传感器下锁止圈（12）、感应线圈L3托板（13）、感应线圈L4托板（14）、前外壳端盖（15）、后外壳端盖（16）、定子锁止板（17）共十六块、上外壳盖（18）、下外壳盖（19）、传感器脉冲滞后角调节螺母（20）、传感器脉冲提前角调节螺母（21）、转子轴（22）、轴承（23）、飞轮（24）、外壳紧固螺母（25）

图（10）为定子硅钢片结构图：转子（1）

图（11）为大功率两极双凹坑单相永磁步进电机结构简图：转子（1）、定子（2）、控制磁钢（3）、霍尔截止传感器（4）、霍尔触发传感器（5）、激磁线圈（6）、磁电感应线圈L12（7）、磁电感应线圈L34（8）、转子轴（9）、轴承（10）、飞轮（11）。

具体实施方式

一种实用新型大功率两极双凹坑单相永磁步进电机如图（1）由：转子（1）为圆柱形两极性永磁体、定子（2）为整体式硅钢片冲压结构见图（10）同时定子内圆豁口处中心连线与外豁口处中心连线的夹角为40°、控制磁钢（3）为长方形两极性永磁体见图（3）（E）、霍尔截止传感器K3和K4（4），霍尔触发传感器K1和K2（5），激磁线圈（6）、磁电感应线圈L1和L2绕向绕组完全相同串联为一组整体简称L12（7）、磁电感应线圈L3和L4绕向绕组完全相同串联为一组整体简称L34（8）、感应线圈L1托板（9）、感应线圈L2托板（10）、传感器上锁止圈（11）、传感器下锁止圈（12）、感应线圈L3托板（13）、感应线圈L4托板（14）、前外壳端盖（15）、后外壳端盖（16）、定子锁止板（17）、上外壳盖（18）、下外壳盖（19）、传感器滞后角调节螺母（20）、传感器提前角调节螺母（21）、转子轴（22）、轴承（23）、飞轮（24）、外壳紧固螺母（25）以及磁控触发器见图（5）和大功率两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器见图（4）等共同连接组成，其相互位置及装配连接关系为：转子（1）和控制磁钢（3）的磁场轴线平行在同一水平位置以保证转子与控制磁钢同步见图（3）（D）共同装配在转子轴（22）上穿过定子（2）的内孔通过轴承（23）与前后外壳盖（15）和（16）及上下外壳盖（18）和（19）及定子锁止板（17）及外壳紧固螺母（25）等共同连接组合，飞轮（24）装配在转子轴的末端，磁电感应线圈L12（7）和L34（8）通过感应线圈托板（9）和（10）及（13）和（14）分别与上下外壳相连装配在定子的前后两侧并与整流稳压器D1和D2连接后与主电源蓄电池相并联见图（8）和图（4），霍尔触发传感器K1和K2（5）通过传感器下锁止圈（12）与下外壳相连装配在控制磁钢（3）的外围也就是转子磁场轴线与定子当时建立的磁场轴线的夹角也就是40°的位置上，霍尔截止传感器K3和K4（4）通过传感器上锁止圈（11）与上外壳盖相连装配在控制磁钢的外围也就是定子当时建立的磁场轴线与定子内圆两个豁口间中心连线的夹角也就是50°的位置上，同时霍尔截止传感器（4）和霍尔触发传感器（5）通过磁控触发器见图（5）与电机驱动器相连接见图（4），霍尔传感器滞后角调节螺母（20）与上外壳盖（18）相连，激磁脉冲的截止时间可在50°的范围内调节通过改变霍尔传感器与控制磁钢磁极的相对位置来改变见图（3）（B）（C），霍尔传感器提前角调节螺母（21）与下外壳盖相连，激磁脉冲的提前时间可在40°的范围内调节通过改变霍尔传感器与控制磁钢磁极的相对位置来改变见图（3）（B）（C），激磁脉冲的进入时间与激磁脉冲的截止时间是本实用新型能否正常工作的关键，为了使电机获得最大的输出扭矩因尽可能的延长激磁线圈的充电时间也就是延长激磁脉冲的截止时间使定子产生一个强大的磁场来驱动转子。K1和K3为S型单级常开型霍尔，K2和K4为N型单级常开型霍尔，S型和N型的区别就在与S型只有感应到外部磁场的S极时才会被触发，N型只有感应到外部磁场的N极时才会被触发见图（3）（E）。霍尔传感器N型和S型的转换是通过改变霍尔传感器的正反面来实现的其型号为3144。

重型步进电机与上述单级式步进电机在原理和结构都是一样的，所不同的就是由四组独立的定子和转子组合在一起，也就相当于把四个大功率两极双凹坑单相永磁步进电机串联组合在一起形成一个独立的整体，同时四组驱动器与主电源并联后在霍尔传感器的控制下控制分体式磁控触发器见图（7）在控制四组驱动器同时为四组定子的激磁线圈提供激磁脉冲电流驱动转子旋转，具体实施的技术方案如下：

大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机如图（9）包括：转子（1）为圆柱形两极性永磁体包括1号转子、2号转子、3号转子、4号转子，定子（2）包括1号定子、2号定子、3号定子、4号定子、控制磁钢3为长方形两极性永磁体见图（3）（E）同时控制磁钢的磁场轴线与1，2，3，4号转子的磁场轴线平行在同一水平位置以保证转子与控制磁钢同步见图（3）（D）、霍尔截止传感器K3和K4（4）、霍尔触发传感器K1和K2（5）、激磁线圈6包括L41，L42，L43，L44、磁电感应线圈L1和L2绕向绕组完全相同串联为一组整体简称L12（7）、磁电感应线圈L3和L4绕向绕组完全相同串联为一组整体简称L34（8）、感应线圈L1托板（9）、感应线圈L2托板（10）、传感器上锁止圈（11）、传感器下锁止圈（12）、感应线圈L3托板（13）、感应线圈L4托板（14）、前外壳端盖（15）、后外壳端盖（16）、定子锁止板（17）共十六块、上外壳盖（18）、下外壳盖（19）、传感器滞后角调节螺母（20）、传感器提前角调节螺母（21）、转子轴（22）、轴承（23）、飞轮（24）、外壳紧固螺母（25）、以及分体式磁控触发器见图（7）和大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器见图（6）等共同连接构成。其相互位置及装配连接关系为：转子（1）包括1号转子、2号转子、3号转子、4号转子和控制磁钢（3）装配在转子轴（22）上，穿过定子（2）包括1号定子、2号定子、3号定子、4号定子的内孔通过轴承（23）与前后外壳端盖（15）和（16）以及上下外壳盖（18）和（19）还有外壳紧固螺母（25）相连装配，飞轮（24）装配在转子轴的末端，定子（2）包括1号定子2号定子3号定子4号定子通过在上外壳盖和下外壳盖上的十六个定子锁止板（17）与外壳相连，激磁线圈6包括L41、L42、L43、L44分别缠绕在各相应定子的下方与各相对应的电机驱动器相连接见图（9），磁电感应线圈L12（7）和L34（8）分别通过感应线圈托板9和10、13和14与上下外壳固定装配在定子的两侧，同时与整流稳压器D1和D2连接后与主电源蓄电池相并联见图（8），霍尔触发传感器K1和K2（5）通过传感器下锁止圈（12）与下外壳盖相连固定在控制磁钢（3）的磁场轴线也就是转子的磁场轴线与定子当时建立的磁场轴线的中心连线的夹角也就是40°的位置上，霍尔截止传感器K3和K4（4）通过传感器上锁止圈（11）与上外壳盖相连固定在控制磁钢（3）的磁场轴线也就是转子的磁场轴线与定子当时建立的磁场轴线的中心连线的夹角也就是50°的位置上，同时霍尔传感器（4）和霍尔传感器（5）通过分体式磁控触发器见图（7）与电机驱动器相连接见图（6）和图（1），霍尔传感器滞后角调节螺母（20）与上外壳盖18相连，激磁脉冲的截止时间可在50°的范围内调节通过改变霍尔传感器与控制磁钢磁极的相对位置来改变见图（3）（B）（C），霍尔传感器提前角调节螺母（21）与下外壳盖相连，激磁脉冲的提前时间可在40°的范围内调节通过改变霍尔传感器与控制磁钢磁极的相对位置来改变见图（3）（B）（C）。激磁脉冲的进入时间与激磁脉冲的截止时间是本实用新型能否正常工作的关键，为了使电机获得最大的输出扭矩因尽可能的延长激磁线圈的充电时间也就是延长激磁脉冲的截止时间使定子产生一个强大的磁场来驱动转子。K1和K3为S型单级常开型霍尔，K2和K4为N型单级常开型霍尔，S型和N型的区别就在与S型只有感应到外部磁场的S极时才会被触发，N型只有感应到外部磁场的N极时才会被触发见图（3）（E）。霍尔传感器N型和S型的转换是通过改变霍尔传感器的正反面来实现的其型号为3144。图（6）为大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器及独立供电系统电子线路图，由于采用了四只大功率P沟道场效应管取代大功率三极管同时采用两组独立电源E1和E2，E1通过驱动器在磁控触发器的控制下为定子激磁线圈提供正向激磁电流，E2通过驱动器在磁控触发器的控制下为定子激磁线圈提供反向激磁电流，彼此独立运行互不干扰，从而大大增强了驱动器的输出功率以满足重型步进电机的需要同时也提高了驱动器的安全可靠性。图（7）为大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机用分体式磁控触发器电子线路图，其工作原理与上述单级式磁控触发器原理是一样的，不同的就是在霍尔传感器的触发下同时控制四组驱动器同时为四组定子的激磁线圈提供激磁脉冲电流。

一 两极双凹坑单相永磁步进电机工作原理

图（2）（A）表示转子在开始工作前的起始位置：由于定子的内园上有两个缺口处，因而造成了转子与定子间，磁间隙的不均匀性。当线圈中没有激磁电流进入时，转子就应该静止不动，而且转子的磁场轴线要稳定在定子的磁间隙最小位置，这个位置就是转子磁场轴线与定子内园两个缺口间中心连线互相垂直的位置。

图（2）（B）显示了正向激磁电流进入时的状态，当线圈中有正向激磁电流通过时，线圈产生的磁场就会磁化定子，定子被磁化以后形成的磁极如图由于转子和定子的结构所致，转子上已有的磁场轴线与定子当时建立的磁场轴线之间有一个40度的夹角，这个夹角被称作启动角，正是由于这个夹角的关系，根据磁场的磁极同性相斥异性相吸的原理，定子的N极则推斥转子的N极，而同时又吸引转子的S极。定子的S极则推斥转子的S极，而同时又吸引转子的N极。转子此时就经受着两个推力和两个吸引力的作用，而且这四个力所产生的是同一个方向的转动力矩，即都是使转子朝着顺时针方向转动，这样转子就具备了自动启动的功能，转子转动时总是力求使它的磁场轴线转到与定子磁场轴线相重合。

图（2）（C）显示了转子的第二个也即新的平衡位置，当正向激磁电流截止时，转子靠本身的动能和飞轮转动的惯性以及磁间隙的转动力矩作用，使转子重新处于其磁场轴线在磁间隙的最小位置上，只不过新的平衡位置与起始位置恰好相差180度而已，因此线圈中通过一个激磁电流转子就会转动180度。图（2）（D）显示了反向激磁电流进入时的状态，反向激磁电流进入线圈时，被磁化的定子就会产生一个与上图（B）中极性相反的磁场。根据同上所述相同的原理，转子又会朝着顺时针方向转动一个角度。图（C）和图（E）中转子转过的两个方向相同的角度加在一起正好转过360度，即转子转过一圈又回复到起始状态中。图（2）（E）则显示了 转子由图（D）转过一个角度而回复到起始位置的情况。如此周而复始电机的激磁线圈在正反向交替的两极性脉冲电流的持续激励之下，使定子的磁场不断变换极性，驱动转子不停的旋转。此脉冲电流的频率受到转子自身的转速控制，转子转的越快脉冲电流的频率也就越高，该电机的转速高低由通过激磁线圈中电流的大小决定。电流越大，产生的磁场也就越强，相对与转子的扭力也就越大，转子也就转的越快。

二 磁控触发器的工作原理

磁控触发器是步进电机的重要组成部分，它的主要任务是将蓄电池输出的直流电通过驱动器在霍尔传感器的触发下控制磁控触发器再控制驱动器准确及时的输送给电机的激磁线圈，给电机提供一个交替变换的正反向两极性脉冲电流，它由单级性霍尔传感器和控制电路组成见图（3）（E）和图（5）K1和K2为触发传感器，K3和K4为截止传感器，K1和K3为S型单级常开型霍尔，K2和K4为N型单级常开型霍尔，S型和N型的区别就在与S型只有感应到外部磁场的S极时才会被触发，N型只有感应到外部磁场的N极时才会被触发见图（3）（E）霍尔传感器N型和S型的转换是通过改变霍尔传感器的正反面来实现的其型号为3144。图（3）（D）中所示的控制磁钢，是用来控制霍尔传感器的，控制磁钢的磁场轴线与转子的磁场轴线平行一致即在同一水平位置上，使控制磁钢和转子同步这样也 就保证了激磁电流能准确及时的进入和截止。飞轮是步进电机不可或缺的重要部件，它起能量存储作用的同时，还通过装配在飞轮上的离合器与变速器进行结合将转子的旋转力矩输出。同时当转子旋转时依靠飞轮的惯性帮助转子加速回到自由的静止的磁场间隙最小的起始位置。

图（3）(A)为霍尔传感器的触发原理图。我们在控制磁钢的外围装一个锁止圈，用来固定霍尔传感器，同时在锁止圈的中间有一个滑槽，通过调整螺母使霍尔传感器可以左右移动如图（3）（A）使定子的激磁线圈能有一个最佳的导通时刻和截止时刻。为了保证蓄电池能准确及时的向电机的激磁线圈提供激磁电流，霍尔传感器必须设置在最佳位置。因转子（控制磁钢）上已有的磁场轴线与定子当时建立的磁场轴线间有一个40度的夹角，也就是启动角。因此霍尔触发传感器K1和K2必须设置在定子激磁线圈在没有激磁电流通过时，转子所处的自由的静止位置上，也就是转子静止时的磁场轴线上（也就是控制磁钢静止时的磁场轴线上）霍尔截止传感器K3和K4则设置在与转子磁场轴线（控制磁钢磁场轴线）相垂直的中心连线上同时也是定子的内圆上两个缺口中心连线的位置如图（3）（A），激磁电流的进入时间和激磁电流的截止时间是电机能否正常工作的关键。因转子在激磁线圈没有激磁电流通过时所处的是自由的静止的也就是磁间隙最小的位置，因此激磁电流进入时间的提前与滞后，可在转子的磁场轴线与定子当时建立的磁场轴线的夹角范围内进行调节也就是40度的范围内进行调节。而激磁电流截止时间的提前与滞后则在与转子磁场轴线相垂直的中心连线（也就是定子内圆上两个缺口处的中心连线）与定子当时建立的磁场轴线的夹角范围内进行调节，也就是50度的范围内进行调节。为了使转子获得最大的旋转力矩我们应尽可能的延迟激电流的截止时间，把截止传感器尽可能的设置在转子磁场轴线和定子磁场轴线相重合的位置如图（3）（B），同时还要保证定子在激磁线圈的激磁电流截止后能有足够的时间去退磁，也就是说尽可能的使定子在激磁电流截止后瞬间把定子上的磁场降到最低。

三 霍尔传感器和磁控触发器及驱动器工作原理

图（3）(B)显示了当转子轴上控制磁钢的S极转至S型霍尔触发传感器K1并与之垂直相对时，此时的磁场强度最大，此时S型霍尔传感器K1内的S型霍尔元件被触发（而此时N型霍尔触发传感器K2内的N型霍尔元件不 动作，因此触发传感器K2不工作）使P沟道场效应管Q1的栅极电位迅速下降而被触发导通从而使三极管BG9导通见图（5）（A）使P1闭合，P1的闭合见图（4）使BG1的基极电位迅速下降，这一变化通过电阻R2使BG2的集电极电位也迅速下降，而与此同时由于BG1的基极电位的迅速下降，则引起BG1的集电极电位的升高，并通过电阻R3使BG2的基极电位更近一步的升高，从而使BG2导通而BG1因此而截至,BG2的导通则引起BG3和BG7同时导通，BG7的导通使P沟道场效应管Q1的栅极电位迅速下降而被触发导通，此时正向激磁电流进入激磁线圈，使电机动作见图（4）。当控制磁钢的S极，离开S型霍尔触发传感器K1时，此时控制磁钢的S极相对于S型霍尔触发传感器内的S型霍尔元件的磁场强度减弱导致S型霍尔元件截止，使P沟道场效应管Q1栅极电位迅速升高而截止，三极管BG9也因此而截止见图（5）（A），P1断开见图（4），此时控制电路不受影响照常工作正向激磁电流继续进入激磁线圈。

图（3）（C）显示了当控制磁钢的S极转至S型霍尔截止传感器K3并与之垂直相对时，此时的磁场强度最大，这时霍尔截止传感器K3内的S型霍尔元件被触发（而此时N型霍尔截止传感器K4内的N型霍尔元件不动作，因此N型霍尔截止传感器K4不工作）使P沟道场效应管Q2的栅极电位迅速下降而被触发导通使三极管BG10导通见图（5）（B）使P2闭合见图（4）P2的闭合又导致BG2的基极电位迅速下降，并通过R3引起BG1的集电极电位的下降与此同时BG2基极电位的下降，又引起BG2集电极电位的升高，并通过电阻R2使BG1的基极电位更进一步的升高，使BG1更进一步的导通，而此时BG2则因此而截止，BG2截止的同时则又引起BG3和BG7截止，BG7的截止则引起P沟道场效应管Q1的栅极电位迅速升高Q1因此而截止，此时正向激磁电流截止。当控制磁钢的S极，离开S型霍尔截止传感器K3时，此时控制磁钢的S极，相对于S型霍尔截止传感器K3内的S型霍尔元件的磁场强度减弱导致S型霍尔元件截止，使P沟道场效应管Q2的栅极电位迅速升高而截止使三极管BG10因此而截止见图（5）（B）使P2断开见图（4）控制电路又回到起始状态。P2的断开使正向激磁电流截止，当正向激磁电流截止时，此时转子（也就是控制磁钢）已经转了90度如图（3）(C)。但是转子（控制磁钢）不会马上停止转动，因转子转动时总是力求使它的磁场轴线转到与定子磁场轴线相重合，而且靠转子本身的动能和飞轮的惯性以及磁间隙的转动力矩作用，使转子重新处于其磁场轴线在磁间隙最小位置上，这个位置就是转子磁场轴线与定子内圆两个缺口间中心连线互相垂直的位置，此时新的平衡位置与起始位置恰好相差180度。

同理当转子轴上控制磁钢的N极转至N型霍尔触发传感器K2并与之垂直相对时见图（3）（B）（C），此时霍尔触发传感器K2内的N型霍尔元件被触发（S型霍尔触发传感器内的S型霍尔元件不动作，因此霍尔触发传感器K1不工作），三极管BG11导通见图（5）（C）使P3闭合见图（4），P3的闭合使BG4截止而BG5导通，BG5的导通则引起BG6和BG8导通，P沟道场效应管Q2也 被触发导通，此时反向激磁电流进入激磁线圈电机继续动作见图（4）。而当控制磁钢的N极，离开N型霍尔触发传感器K2时，此时控制磁钢的N极，相对于N型霍尔触发传感器K2内的N型霍尔元件的磁场强度已减弱，因此N型霍尔元件截止BG11截止见图（5）（C），此时P3断开控制电路照常工作反向激磁电流继续进入激磁线圈不受影响。当控制磁钢的N极转至N型霍尔截止传感器K4并与之垂直相对时，此时N型霍尔截止传感器K4内的N型霍尔元件被触发三级管BG12导通见图（5）（D）使P4闭合见图（4）P4的闭合则使BG5截止而BG4导通，BG6和BG8也因此而截至，则P沟道场效应管Q2也截止，反向激磁电流截止。而此时转子靠自身的动能和飞轮转动的惯性以及磁间隙的转动力矩作用，使转子又重新回复到起始位置，也就是说转子又转了180度即转子转过一圈360度后又回复到起始位置。就这样蓄电池输出的直流电通过磁控触发器在转子自身的控制下，变成两极性脉冲电流不停的供给电机的激磁线圈，驱动转子不停的旋转。图（4）中的W1和W2为电机转速控制电位器用来控制电机转速。LED1和LED2，LED3和LED4为电路是否正常工作的指示灯，当电路发生故障时LED灯就不亮，为以后的维护提供极大的方便能迅速找出故障原因。

四 磁电感应线圈工作原理

磁感应线圈是电机的附属设备，有没有它步进电机都可以正常工作。它装配在定子的两边由四个感应线圈组成见图（1）和图（8）其线圈的绕向绕组完全相同，线圈L1和L2（简称L12）相互串联为一组，线圈L3和L4相互串联为一组简称（L34）磁感应线圈的原理就是利用转子上现有的磁场，当转子在定子的驱动下旋转时转子的磁场就会切割感应线圈从而产生一个交变的感生电流然后通过整流稳压器D1和D2整流稳压变成直流电与蓄电池并联作为能源补充。

重型步进电机的工作原理和和单级式步进电机的工作原理是一样的，这里就不在重复了，图（9）为大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机结构图。它由四组独立的转子和定子组合在一起为一整体，由四组独立的驱动器与主电源并联后在分体式磁控触发器的控制下见图（7）同时为四组定子的激磁线圈提供激磁脉冲电流，图（6）为大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器及独立供电系统电子线路图，采用两组独立电源E1和E2，E1通过驱动器为步进电机提供正向激磁电流，E2通过驱动器为步进电机提供反向激磁电流，彼此独立运行互不干扰，从而大大增强了驱动器的输出功率来满足重型步进电机的需要同时也提高了驱动器的安全可靠性。

Claims (5)

1.一种包括转子、定子、控制磁钢、激磁线圈、磁电感应线圈、霍尔传感器、磁控触发器、电机驱动器、定子锁止板、传感器锁止圈、感应线圈托板、传感器调整螺母、转子轴和轴承、飞轮、以及前后外壳端盖和上下外壳盖组成的大功率两极双凹坑单相永磁步进电机和大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机，其特征在于它由转子（1）为圆柱形两极性永磁体、定子（2）为整体冲压式硅钢片、控制磁钢（3）为长方形两极性永磁体、霍尔截止传感器（4）、霍尔触发传感器（5）、激磁线圈（6）、磁电感应线圈L12（7）、磁电感应线圈L34（8）、感应线圈托板（9）和（10）及（13）和（14）、传感器上下锁止圈（11）和（12）、前后外壳端盖（15）和（16）、定子锁止板（17）、上下外壳盖（18）和（19）、传感器脉冲滞后角调节螺母（20）、传感器脉冲提前角调节螺母（21）、转子轴（22）、轴承（23）、飞轮（24）、外壳紧固螺母（25）以及磁控触发器和电机驱动器共同连接组成，其相互位置及装配连接关系为：转子（1）和控制磁钢（3）的磁场轴线平行一致以保证同步共同装配在转子轴（22）上穿过定子（2）内孔通过轴承（23）与前后外壳盖（15）和（16）及上下外壳盖（18）和（19）及定子锁止板（17）和外壳紧固螺母（25）等共同连接组合，飞轮（24）装配在转子轴的末端，磁电感应线圈L12和L34通过感应线圈托板（9）和（10）及（13）和（14）分别与上下外壳相连装配在定子的前后两侧并与整流稳压器D1和D2连接后与主电源蓄电池相并联，霍尔触发传感器（5）通过传感器下锁止圈（12）装配在控制磁钢（3）的外围也就是转子磁场轴线与定子当时建立的磁场轴线的夹角也就是40°的位置上，霍尔截止传感器（4）通过上锁止圈（11）装配在控制磁钢（3）的外围也就是定子当时建立的磁场轴线与定子内圆两个豁口间中心连线的夹角也就是50°的位置上，霍尔传感器（4）和（5）与磁控触发器和电机驱动器和激磁线圈（6）相连接。

2.根据权利要求1所述的大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机其特征是，所述转子是由1号转子、2号转子、3号转子、4号转子组合在一起形成一个整体。

3.根据权利要求1所述的大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机其特征是，所述的定子是由1号定子、2号定子、3号定子、4号定子组合在一起形成一个整体。

4.根据权利要求1所述的大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机其特征是，所述的磁控触发器为分体式磁控触发器。

5.根据权利要求1所述的大功率重型两极双凹坑单相永磁步进电机其特征是，所述的重型两极双凹坑单相永磁步进电机驱动器独立供电系统是由两组独立电源E1和E2，E1通过驱动器为定子激磁线圈提供正向激脉冲电流，E2通过驱动器为定子激磁线圈提供反向激磁脉冲电流。