CN2826814Y - 内定子具有复数线圈组的步进电机 - Google Patents

Abstract

一种内定子具有复数线圈组的步进电机，其中，各线圈组的两端夹角恰对应于奇数个转子磁极夹角，使得扭矩为最大；且各线圈组均在一开放空间组装线圈，使得线圈的结合可被自动化，更不受限于步进电机整体体积的缩减；且各线圈组的两端夹角更可进一步达到转子的两相邻磁极夹角大小，使得磁力线在转子部分是经由相邻磁极直接循一简单的低磁阻封闭回路返回，有效地提高了磁能运用效率。

Description

内定子具有复数线圈组的步进电机

技术领域

本实用新型是关于一种具有内定子的步进电机；特别是一种内定子具有复数线圈组的步进电机。

背景技术

步进电机由于可被精密控制，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电机，其外定子1的线圈组具有复数呈「W」型的铁芯11，在「W」型铁芯11、12的中央柱111上套设线圈110，当致能一线圈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正对转子的一磁极时，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，因此虚线标示的磁力线是由中央柱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，磁阻较小；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，随着步进电机日趋微型化，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、效率不易提高。

此外，如图3美国第5,289,064号专利所示的内定子3结构的步进电机，其内定子3具有三组线圈组31、32、33，每一线圈组31、32、33是将一线圈310、320、330套设于一端连接于中央基部30的铁芯311、321、331中，且每一铁芯311、321、331相反于中央基部端形成复数磁齿312、313、314…，延伸自同一铁芯311的磁齿312、313、314分别同步对应于外转子的同性磁极。当线圈310被致能时，磁齿312、313、314形成例如N极，其它二线圈组的铁芯321、331磁齿则形成相反的S磁极。

然而，为控制转子旋转，三组线圈31、32、33的设置角度不能恰好同步面对外转子4的磁极，彼此间必须存在一角度偏移；换言之，当图3示上方的磁齿312、313、314(N极)恰面对外转子S极时，左右下方的两组S极磁齿则必然与外转子4的N极偏斜相向，造成驱动转子4转动动能的损失。其次，由于磁力线必须形成封闭回路，而该种结构设计中，由图3示上方磁齿312、313、314所发出的磁力线在抵达外转子4的S极后，无法由一简短的封闭磁路返回，必须经过外部的空气，再从左右下方的外转子N极，回到内定子S极磁齿并由铁芯321、331返回，其间磁阻甚大，又造成能量的无谓损耗。

因此，如何有效利用磁能、并缩减产品体积、使自动化生产成为可能，将是业者注目费心寻求的重点。

发明内容

本实用新型之一的目的，在于提供一种线圈组可自动化组装的内定子具有复数线圈组的步进电机，使组装过程简化、提高效率。

本实用新型的另一目的，在于提供一种各线圈组二相反磁极端部是同步正向面对外转子对应磁极的内定子具有复数线圈组的步进电机，以有效提升扭矩。

本实用新型的再一目的，在于提供一种各线圈组可分别构成一简短封闭磁回路的内定子具有复数线圈组的步进电机，使磁阻减小，有效利用磁能。

本实用新型的内定子具有复数线圈组的步进电机，包含：一供沿一枢轴旋转的环形永磁外传子，具有复数沿该枢轴径向设于该转子内侧、且相邻者磁性相反的磁极；一内定子，置于内定子内的一第一线圈组及一第二线圈组，各线圈组分别具有二朝向该永磁外传子内侧的端部，且各线圈组是被设置成符合的条件为：第一线圈组两端部联接与第二线圈组两端部联接相互倾斜且不相交，该二联接的延长线夹角为π-(p+q+r-k-1)2π/N；其中，N为永磁外传子的磁极数；p为该第一线圈组两端间所夹永磁外传子磁极数；q为该第二线圈组两端间所夹永磁外传子磁极数；该第一与第二线圈组两相近端部间所夹磁极数为r-k；p，q，r为正整数，0＜k＜1，且2p+2q+r-2小于N。

如上述的结构，本实用新型的步进电机由于将每一线圈组的至少二端部分别同步朝向外转子的相异磁极，使得每一线圈组被致能时，扭力与力臂垂直，扭矩从而为最大；且每一线圈组的线圈均可被自动化组装，使得步进电机的制程简化、效率提高；而线圈组的两端可面向外转子的相邻磁极，更可提供最短而磁阻低的磁路，有效利用磁能、降低损耗，一举解决前述问题。

附图说明

图1是美国第5,880,551号专利的步进电机一较佳实施例的俯视示意图；

图2是美国第5,880,551号专利的步进电机另一较佳实施例的俯视示意图；

图3是美国第5,289,064号专利步进电机的俯视示意图，以说明其线圈被致能时，磁力线回路的途径；

图4是本实用新型第一较佳实施例的组合结构示意图，说明定子、各线圈组与转子之间的关系；

图5是图4实施例去除线圈后的示意图，说明各线圈组端部与各夹角之间的几何关系；

图6是本案第二较佳实施例的结构示意图；及

图7是本案第三较佳实施例的结构示意图。

上述图中主要组件符号的说明：

1、3、5、5′…内定子          2…转子

4、6、6′…外转子             11、12、311、321、331…铁芯

50…铁磁性基座                61、62、61′、62′…磁极

111…中央柱                   112、113…磁靴

312、313、314…磁齿           500…高磁阻段

510、520…铁磁性本体部        510″、520″…铁磁性本体

31、32、33、51、52、51′、52′、53′、51″、52″…线圈组

110、310、320、330、513、514、523、524、513″、523″…线圈

511、512、521、522、511′、512′，521′、522′、531′、532′…端部；

a、b、c、d、e、f、g、h、i、j…夹角。

具体实施方式

有关本实用新型的技术内容、特点与功效，配合附图所示的较佳实施例下面作详细地说明，将可清楚的呈现本实用新型的步进电机。此外在各实施例中，相同的组件将以相似的标号标示。如上述组件的符号说明。

如图4及图5所示，本实用新型揭露的内定子具有复数线圈组的步进电机，主要包含一含N个极的永磁外转子6及一内定子5。在本实施例中，外转子6是选择一12个极的外转子，其N、S磁极两两间隔地沿一枢轴放射状设置于外转子6内侧，因此在图4、5示及下列计算过程中，每一磁极约占30°(360°/N)。

本实施例中，置于该永磁外转子6内的内定子5包括以复数硅钢片迭合而成的一铁磁性基座50，且为简化说明起见，该内定子仅以具有二线圈组51、52为例。故该铁磁性基座50被居中之一高磁阻段500，区隔为图示左右的两相连铁磁性本体部510、520，各铁磁性本体部510、520分别有朝向该外转子内侧的两端511、512、521、522；每一铁磁性本体部510、520分别套设有两组同向线圈513、514、523、524。当然，如熟于此技者所能轻易理解，前述每线圈组亦可仅设置单一线圈，仍无碍于实施。

为使各铁磁性本体部510、520的两端511、512及521、522两两同步，在此界定图示右侧的第一线圈组的两端511、512与枢轴联接的夹角a为(2p-1)×(360°/N)，从而成为转子磁极夹角的奇数倍；同理，左侧的第二线圈组两端521、522夹角b则为(2q-1)×(360°/N)；其中p，q均为正整数，因此当第一铁磁性本体部510的上端511朝向一S极61时，下端512必然朝向离该S极30°、90°、150°…的一N极62，使两端511、512达成同步。

并由于两组铁磁性本体部510、520彼此不同步，亦即两本体部510、520相近端部512、522的夹角c并非(360°/N)的整数倍，在此界定数值r，k，令r为正整数，且0＜k＜l，因此夹角c大小为(r-k)×(360°/N)；及2p+2q+r-2＜N。

此时将端部511、512联接，连同各端部511、512与枢轴的联接，可得一等腰三角形，且角d与角e大小为：

[180°-(2p-1)×(360°/N)]/2＝[180°-(4-1)×(360°/12)]/2＝45°

同理，角f与角g大小为：

[180°-(2q-1)×(360°/N)]/2＝[180°-(4-1)×(360°/12)]/2＝45°

在本实施例中，角c的大小为：

(r-k)×(360°/N)＝5/2×30°＝75°

由于端部512、512的联接与端部521、522的联接相互倾斜且分在图示左右两侧而不相交，故将该二联接均向下延伸，直到产生交角j。此时，角d的外角h大小为：

180°-[180°-(2p-1)×(360°/N)]/2＝[180°+(2p-1)×(360°/N)]/2＝135°

角g的外角i大小为：

180°-[180°-(2q-1)×(360°/N)]/2＝[180°+(2q-1)×(360°/N)]/2＝135°

而交角j的大小则为360°减去角h、g、c：

360°-[180°+(2p-1)×(360°/N)]/2-[180°+(2q-1)×(360°/N)]/2-(r-k)×(360°/N)

＝180°-[(2p-1)×(360°/N)]/2-[(2q-1)×(360°/N)]/2-(r-k)×(360°/N)

＝180°-[(2p-1)+(2q-1)+2(r-k)]×(360°/N)/2

＝180°-(2p+2q-2+2r-2k)×(360°/N)/2

＝180°-(p+q+r-k-1)×(360°/N)

换算为径度量则可得到：

π-(p+q+r-k-1)2π/N＝π-[2+2+3-(1/2)-1]2π/12＝π/12

由上述限制，各线圈组的两端必然同步朝向外转子的相反磁极，使得相同条件下的扭转力矩最大；且由于各铁磁性本体端部均为开放式，即使内定子缩小至数公厘尺寸，在组装线圈时仍然相当容易，甚至可进一步直接将铁磁性基座置于绕线机上，将线圈直接缠绕于铁磁性本体部外。且该二线圈组彼此不同步，并由介于两铁磁性本体部之间的高磁阻段将两线圈组隔开，两组线圈组不致轻易相互干扰。

当然，线圈组的夹角并非必须间隔达转子的三个磁极宽度，且铁磁性基座亦非绝对必要。如图6本案第二较佳实施例所示，其中转子磁极数例如为8个极，每极张角约占45°，定子5′亦可单纯由例如三股线圈51′、52′、53′直接固定于例如一塑料基座而成，即为三相驱动；而每一线圈51′、52′、53′分别具有两端部511′、512′，521′、522′及531′、532′，且在本实施例中，各两对应端部的夹角恰为转子相邻磁极的张角45°。致能线圈组51′时，由于端部511′、512′分别对应该永磁外传子6′的相邻磁极61′、62′，使得磁力线是由端部512′经磁极62′与相邻磁极61′至端部511′而返回，使得该磁力线是经由一低磁阻的简单封闭回路，在维持前述优点外，更能提高磁能利用效率。

再如图7所示，各线圈组51″、52″亦可具有各自分离的铁磁性本体510″及520″，并于其中套接线圈513″及523″而成。

惟以上所述者，仅为本实用新型的较佳实施例而已。当不能以此限定本实用新型实施的范围，即大凡依本实用新型申请专利范围及实用新型说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型所涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种内定子具有复数线圈组的步进电机，包含：

一供沿一枢轴旋转的环形永磁外转子，具有复数沿该枢轴径向设于该外转子内侧、且相邻者磁性相反的磁极，一内定子；

其特征在于包含：

置于内定子内的一第一线圈组及一第二线圈组，各线圈组分别具有二朝向永磁外转子内侧的端部，且各线圈组是被设置成符合的条件为：

该第一线圈组两端部联接与该第二线圈组两端部联接相互倾斜且不相交，该二联接的延长线夹角为π-(p+q+r-k-1)2π/N

其中，N为永磁外转子的磁极数；p为该第一线圈组两端部间所夹永磁外转子磁极数；q为该第二线圈组两端部间所夹永磁外转子磁极数；该第一与第二线圈组两相近端部间所夹磁极数为r-k；p，q，r为正整数，0＜k＜1，且2p+2q+r-2小于N。

2.根据权利要求1所述的内定子具有复数线圈组的步进电机，其特征在于各线圈组分别包括一形成有等端部的铁磁性本体部、及一套设于该铁磁性本体部的线圈。

3.根据权利要求1所述的内定子具有复数线圈组的步进电机，其特征在于内定子包括一铁磁性基座，该基座具有二相连的铁磁性本体部，各本体部分别形成有等端部，且该二本体部是以一高磁阻段机械连接。

4.根据权利要求3所述的内定子具有复数线圈组的步进电机，其特征在于所述的铁磁性基座是由复数片硅钢片迭合而成。

5.根据权利要求1所述的内定子具有复数线圈组的步进电机，其特征在于所述的各线圈组的两端部是分别对应于永磁外转子的相邻磁极。

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