CN204967598U - 螺旋步进电动机的定子、转子机构及螺旋步进电动机 - Google Patents

Abstract

螺旋步进电动机的定子、转子机构及螺旋步进电动机，转子包括中心轴和多个转子块，其中转子块放置在沿以中心轴为轴中心的某条圆柱螺旋线为基准线连续或间隔地均匀地中心轴圆周上；定子包括多个定子块及隔层和盖板，其中定子块与所述转子块在径向上保持相同距离，所述定子块的工作面轴向宽度与转子块轴向宽度相等且与转子块对齐。上述转子、定子的术语采用传统的说法，定子、转子的材料、绕线均与现有电机的定子、转子的结构相同。电动机工作时，在定子块、转子块之间产生动态螺旋磁场，在螺旋磁场作用下，所述定子块、转子块间产生无摩擦相对的直线、圆周运动。螺旋步进电动机能够两个部件能同时进行一个圆周运动另一个直线运动或一个部件同时进行圆周、直线运动。

Description

螺旋步进电动机的定子、转子机构及螺旋步进电动机

技术领域

本实用新型涉及一种电动机，特别涉及一种定子、转子能同时进行不同模式运动的螺旋步进电动机。

背景技术

现有电动机大都是单一的运动部件，当系统中的两部件要同时能进行不同模式运动或同一部件既要圆周运动又要作直线运动时，必须通过中间机构进行变换，造成设备结构复杂、体积庞大、成本加大。而旋转电动机必须通过中间环节来达到其直线驱动的能力，直线电机虽在直线驱动上有优势，但价格昂贵。而且，它们有一个共同的特点：只有一个运动部件。

虽然有电动机既能满足两部件能同时作不同运动，又有集动力与传动机构于一体，但其定位精度低，生产成本高。

所以，已知电动机的结构存在这样的问题：不能够具备二个运动部件同时又要定位精度高、生产成本低且集动力与传动机构于一身。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是为了克服上述电动机存在的问题，本实用新型的目的是提供一种螺旋步进电动机的定子、转子机构及相应的螺旋步进电动机，使螺旋步进电动机具备二个运动部件同时做不同的运动或一个部件同时做二种不同的运动。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：

螺旋步进电动机的定子、转子机构，其特征在于：

转子包括中心轴和多个转子块，其中转子块放置在沿以中心轴为轴中心的某条圆柱螺旋线为基准线连续或间隔地均匀地中心轴圆周上；

定子包括多个定子块及隔层和盖板，其中定子块与所述转子块在径向上保持相同距离，所述定子块的工作面轴向宽度与转子块轴向宽度相等且与转子块对齐。

电动机工作时，在定子块、转子块之间产生动态螺旋磁场，在螺旋磁场作用下，所述定子块、转子块间产生无摩擦相对的直线、圆周运动。

上述转子、定子的术语采用传统的说法，定子、转子的材料、绕线均与现有电机的定子、转子的结构相同。

更好地，轴向二个定子块之间由隔层间隔并通过固定销相连，定子二侧由二块两块盖板固定。

更好地，定子块都由多片非平面的单片硅钢片叠压而成，所有定子块在轴向的正投影较佳为中心对称图形，其对称中心是：中心轴横截面所在圆的圆心，且在中心轴同侧相邻两个定子块的轴向距离较佳为等于所述螺旋线的一个螺距，并用隔层隔开。

更好地，转子块由多块单片硅钢片叠压而成，或由永磁铁制得，或者由硅钢片与永磁铁叠压而成。

所有转子块放置后的轴向长度较佳是所述螺旋线螺距的整数倍。

更好地，在中心轴两侧的定子块用定子固定销连接定位，定子固定销并起到磁通的通路作用。

更好地，导线从定子固定销的开口进出。

转子可以是导电液体或者导电气体。

还包括根据上述螺旋步进电动机的定子、转子机构得到的螺旋步进电动机。

为更好地提供工作效率，两块盖板成中心对称且盖板上有一个假极靴，它不绕线圈，仅起到第一个定子块上的第一个极靴和最后一个定子块上的最后一个极靴磁通的通路作用，假极靴分别与第一个定子块的第一个极靴和最后一个定子块的最后一个极靴对应，假极靴起到磁路的通路作用。

工作时，由于通电在定子块、转子块之间产生动态螺旋磁场，螺旋磁场使定子块、转子块间产生无摩擦相对的直线、圆周运动，此时根据定子块、转子块的定位情况，有以下几种运动方式：a.如果转子固定，则定子作圆周直线运动；b.相反，如果定子固定，则转子作直线圆周运动；c.如果转子两端通过轴承固定，定子安装在导轨上，则转子作圆周运动，定子作直线运动；d.又相反，如果转子安装在导轨上，定子固定在轴向的某一位置且可旋转，则转子作直线运动，定子作圆周运动。以上四种运动模式都在轴向上产生推力，在径向上产生扭矩。由此可以在同一电机上实现旋转运动和直线运动。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

螺旋步进电动机能够两个部件能同时进行一个圆周运动另一个直线运动或一个部件同时进行圆周、直线运动，其定位精度高、生产成本低且动力与传动集于一身。

定子、转子之间产生无摩擦相对的圆周、直线运动，可以大大简化设备的结构，降低设备的成本。

由于定子块及隔层模块化的结构，能方便生产，节约成本，同时也能满足用户扩展的需要。

由于通电的工作绕组可以有很多个，这给控制带来了方便，能大大改善电机的一些性能。

利用定子、转子在轴向相对的巨大面积，也可大幅提高扭矩和推力及精度。

附图说明

图1本实用新型实施例三相螺旋反应式步进式电机的示意图。

图2本实用新型实施例三相螺旋反应式步进式电机内部的示意图。

图3本实用新型实施例三相螺旋反应式步进式电机横截面的示意图。

图4本实用新型实施例三相螺旋反应式步进式电机转子与中心轴结合的示意图。

图5本实用新型实施例螺旋步进电动机中的一种：三相螺旋反应式步进式电机定子与转子组合状态的示意图。

图6本实用新型实施例三相螺旋反应式步进式电机定子与隔层结合的示意图。

图7本实用新型实施例三相螺旋反应式步进式电机定子、隔层及定子固定销结合的示意图。

图8本实用新型实施例三相螺旋反应式步进式电机轴向剖面的示意图。

图9本实用新型实施例三相螺旋反应式步进式电机的爆炸示意图。

图10本实用新型实施例三相螺旋反应式步进式电机的盖板示意图。

图11本实用新型实施例三相螺旋反应式步进式电机在轴向正投影时的三相示意图。

图12～图14本实用新型三相螺旋反应式步进式电机完成一个齿距周期顺环的示意图。

图15～图16是本实用新型的控制系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步描述。

图1是组装好后一个整体的概图。图8是一个整体的纵截面概图，在轴向规律地放置着若干定子块3和转子块2并保持螺旋状对齐。

从轴向看（见图3），所有定子块3、转子块2都均匀地分布在一个圆上，定子块3和转子块2的工作面之间保持一定的距离，且它们与中心轴同心1同心。

图1至图14针对本实用新型实施例中的一种：三相螺旋反应式步进式电机为实施例进行说明，并且假定定子固定，转子可以进行圆周和直线运动，单极脉冲驱动电源。

1）、本实用新型实施例的结构。

首先要确定一条与中心轴1同心的圆柱螺旋线（这里的圆柱是以定子块3与转子块2之间气隙的中心圆为圆柱底面），以后的定子块3、转子块2的放置都以前述圆柱螺旋线为基准参考，图1是本实用新型实施例组装好的示意图，图2是本实用新型实施例内部的示意图。

在中心轴1周围沿前述圆柱螺旋线为基准连续放置着若干转子块2和有规律地放置着若干个定子块3。其中，转子块2放置在中心轴的外周面上，所有定子块3与所有前述转子块2在径向保持相同的空间距离并呈螺旋状对齐。

所有前述转子块2在轴向上的正投影有40个小齿，各齿大小相同且各齿的齿距也相等：相邻两齿的中心线所夹的角为9度。所有转子块2放置好后其在轴向的长度大于所有定子块3和隔层5在轴向宽度的总和。所有转子块2在轴向的正投影轮廓中两边所形成的中心角是45度。

图5是组装好一段转子及定子后的示意图。在轴向有间隔地放置着八个定子块3，这八个定子块在轴向上的正投影是一样的。在中心轴同侧相邻两定子块3的轴向间隔是前述圆柱螺旋线的一个螺距，任意沿前述螺旋线连续两定子块3的轴向间隔小于前述螺旋线的一个螺距。八个定子块3被分为数量相等的两组，分别在中心轴1的两侧，且用隔层5隔开。每个定子块3有三个励磁绕组、三个极靴，每个极靴上有五个小齿，小齿的大小及齿距和转子上的齿的大小及齿距是一样的，所有定子块3极靴的工作面与所有转子块2的工作面保持与中心轴1同心。

图6是继续装好所有隔层5后的示意图，图3是本实用新型实施例的横截面示意图。从本实用新型实施例的横截面看，转子两边的两个定子块3成中心对称，对称中心为中心轴1在前述同一横截面上圆的圆心，它们称为一对定子块，因此在轴向共有四对定子块。每对定子块上空间相差180度的两磁极称为：一相。所以，每对定子块有三相。每对定子块与转子块2的齿对齐的方法是：其中一相的齿与转子的齿对齐时，另一相上的第一个小齿的中心线与相对转子上齿的中心线相差3度。

所有的定子块3和隔层5用定子固定销6连接组合。图7是本实用新型实施例装好定子固定销6后的示意图。各转子块2通过转子固定销7和环氧树脂与中心轴固定。本实用新型实施例的定子块3、转子块2都用硅钢片叠压而成。

本实用新型实施例在轴向上的正投影与相应旋转型三相步进电机横截面是一样的。

图8是本实用新型实施例的纵截面示意图，图9是本实用新型实施例的爆炸示意图。

2）、本实用新型实施例的运动控制描述。

本实施例共有8个定子块分成4对，12相共24个绕组。根据在定子块3上不同位置的相分成三组不同的相。每一相组有4相，它们在定子块3上的位置相同。每次可以从一相组中的一至四个相进行多种组合地通电工作，这给控制带来了方便。实际上这二十四个绕组都可以独立地进行控制。这里我们仅以一个定子块3上的三个绕组进行顺环控制的说明（三相三单拍）。

单拍执行过程，见图11～图14：

初始状态：绕组A来一个脉冲电后，根据最小磁阻原理（磁路：极靴-气隙-转子-相邻的气隙-相邻的极靴-原极靴），这时转子不动（见图12）。

在前相绕组A断电的同时，下一相绕组B来一个脉冲电后，根据最小磁阻原理，转子在圆周上再转过一个步距角：3度，同时在轴向上也推进一百二十分之一前述螺旋线的螺距（120个脉冲使转子转过一周）（见图13）。

接着，在前相绕组B断电的同时，第三相绕C组来一个脉冲电后，根据最小磁阻原理，转子又在圆周上再转过一个步距角：3度，同时在轴向上又推进一百二十分之一前述螺旋线的螺距（120个脉冲使转子转过一周）（见图14）。

再接着，在前相绕组C断电的同时，下一相绕组A来一个脉冲电后，根据最小磁阻原理，转子在圆周上又再转过一个步距角：3度，同时在轴向上也推进一百二十分之一前述螺旋线的螺距（120个脉冲使转子转过一周），回到初始状态（见图12）。

经过a,b,c这三个相绕组的依次通电工作后就完成一个小循环：转子在圆周上转过一个齿距：9度，同时在轴向上推进四十分之一前述螺旋线的螺距。如此顺环：a-b-c-a......依次通电，经过120个脉冲后完成一个大顺环：转子旋转一周，同时在轴向推进一个螺距。

不断进行上述循环，就可使转子在进行圆周运动时，在轴向也不断地推进。如果要反转只要变换一下执行顺序就可以了。方向的控制完全与旋转型步进电机一样，其它节拍的过程类似，不再重复。

二）、电机控制系统描述。

本实用新型根据电机的不同类型，可选用不同的控制方法：开环控制和闭环控制。

a)开环控制。

实施例一可以用开环控制。

图15是开环控制的方框图，闭环控制包括电源44、控制器43、驱动器45和电机本体46，控制器43控制电机的方向、速度、扭矩及推力大小等的运行方式，控制器43输出的信息经驱动器45来驱动电机本体46，电源44为整个系统提供电能。

b)闭环控制。

实施例二可以用闭环控制。

图16是闭环控制的方框图，闭环控制包括电源44、控制器43、驱动器45、信息反馈48、和电机本体46；其中控制器43是控制电机的方向、速度、扭矩及推力大小等的运行方式，控制器43输出的信息经驱动器45来驱动电机本体46，电机运行状态48把电机的实时运行状态信息反馈给控制器43进行比较控制，电源44为整个系统提供电能。

Claims (10)

1.螺旋步进电动机的定子、转子机构，其特征在于：

转子包括中心轴和多个转子块，其中转子块是沿圆柱螺旋线为基准线连续或间隔地均匀放置在中心轴圆周上，所述圆柱螺旋线是以中心轴的几何轴线为轴中心；

定子包括多个定子块及隔层和盖板，其中定子块与所述转子块在径向上保持相同距离，所述定子块的工作面轴向宽度与转子块轴向宽度相等且与转子块对齐；

电动机工作时，在定子块、转子块之间产生动态螺旋磁场，在螺旋磁场作用下，所述定子块、转子块间产生无摩擦相对的直线、圆周运动。

2.根据权利要求1所述的螺旋步进电动机的定子、转子机构，其特征在于：轴向二个定子块之间由隔层间隔，所有定子块和隔层通过定子固定销相连，盖板放置在定子的最外二侧。

3.根据权利要求1所述的螺旋步进电动机的定子、转子机构，其特征在于：定子块都由多片非平面的单片硅钢片叠压而成，所有定子块在轴向的正投影为中心对称图形，其对称中心是：中心轴横截面所在圆的圆心，且在中心轴同侧相邻两个定子块的轴向距离为所述螺旋线的一个螺距，并用隔层隔开。

4.根据权利要求1所述的螺旋步进电动机的定子、转子机构，其特征在于：转子块由多块单片硅钢片叠压而成，或由永磁铁制得，或者由硅钢片与永磁铁叠压而成。

5.根据权利要求1所述的螺旋步进电动机的定子、转子机构，其特征在于：所有转子块放置后的轴向长度较佳是所述螺旋线螺距的整数倍。

6.根据权利要求1所述的螺旋步进电动机的定子、转子机构，其特征在于：两块盖板成中心对称，且盖板上有一个假极靴，它不绕线圈，仅起到第一个定子块上的第一个极靴和最后一个定子块上的最后一个极靴磁通的通路作用。

7.根据权利要求1所述的螺旋步进电动机的定子、转子机构，其特征在于：在中心轴两侧的定子块用定子固定销连接定位，定子固定销并起到磁通的通路作用。

8.根据权利要求1所述的螺旋步进电动机的定子、转子机构，其特征在于：导线从定子固定销的开口进出。

9.根据权利要求1所述的螺旋步进电动机的定子、转子机构，其特征在于：转子是导电的液体或者导电的气体。

10.螺旋步进电动机，其特征在于：包括权利要求1-9所述的任一项的定子、转子机构。