專利名稱：永磁型步進電動機的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及分度和步進電動機，更具體地，涉及改進的永磁型步進電動機，其具有在更小的殼體中提高性能(例如轉矩)的能力。所述性能的提高通過創造性的設計而從兩方面的優點中獲得(a)提高電動機轉矩密度特征，和(b)改進步進同步性和穩定性。
背景技術：
通常存在三類步進電動機變磁阻型、混合型和永磁型。通過合適的驅動器(也即控制器)，所有三種類型提供寬范圍的角度步進或分度運動和特性的能力。關于步進電動機的控制的一般參考可以在 Douglas W. Jones 的 //www. cs. uiowa. edu/ jones/st印/ 在線找到。本發明關注永磁型步進電動機。混合型和永磁型步進電動機都采用在運動的結構(例如轉子)和固定的結構(例如定子)中的永磁體。它們在電動機驅動器的觀點上沒有區別。傳統地，混合型步進電動機的轉子構建為在兩個轉子極的中心具有環形的磁體，導致主要從磁體到兩個轉子極的軸向磁通量流。有關永磁體的各種步進電動機設計從極和磁體的磁路處理中獲得。本發明主要關注的永磁型步進電動機代表性地由khaeffer在美國專利第4190779和4315171號中示出和描述，所述專利的總的公開通過參考結合于此。通過khaeffer公開的永磁型步進電動機具有大量的定子齒和在轉子上的大量徑向磁化的磁體，以提供小的步進角度。這些電動機具有的優點有高的無動力和動力定位轉矩(detent torque)，相對短的軸向電動機長度(也即薄餅型)，小的轉子慣性，和轉子上大的通孔方案。這些電動機在過去三十年中在空間應用中取得了很大的成功，例如為太陽能電池組驅動和天線指向機構供應動力。這樣的應用要求輕的質量、高的動力和無動力定位轉矩、小的轉子慣性，大的軸和/或轉子上大量導線饋通(harness feedthrough) 。有利的應用要求現有技術的步進電動機設計具有更大的轉矩、減小的尺寸和質量、更高的轉矩密度、更小的轉子慣性、減小的成本、恒定的峰值動力和無動力定位轉矩，和恒定的峰值運行轉矩(running torque)。步進電動機設計固有地關注維持同步性，也即電動機和輸出負載響應于每個電動機輸入命令信號而保持一起旋轉的能力。假定典型地沒有反饋以確保步進電動機和負載的該同步運行發生，則步進電動機的輸出不僅依賴于轉矩生產能力，還依賴于電動機在驅動負載時響應于步進命令的動作穩定性。步進電動機開環運行，所以諸如諧振的系統問題可能通過提高電動機的穩定性而減輕。因此，存在改進轉矩密度和步進穩定性的必要性，以改進現有技術的步進電動機技術。

發明內容
通過對公開的實施方式(其僅僅出于示例而不是限定的目的)的相應部件、部分或表面的解釋性參考，本發明廣泛地提供改進的永磁型步進電動機(例如20)，其具有可動元件和固定元件。該改進的電動機廣泛地包括在其中一個元件的表面(例如24)上的多個磁極(例如21)。相鄰的轉子極具有相反極性。極數是常數、相數和需要的步進間隔的函數。本發明還包括在另一個所述元件上的多個等間隔的齒(例如22)，所述齒設置為面向所述其中一個元件的表面，所述齒的每個具有設置為面向所述一個元件的表面的多個指狀件 (例如2 。所述齒的數量是完整的整數，該整數是常數、所述極的數量、在每個定子齒上的指狀件的數量和相數的函數。所述指狀件互相間隔開，從而使得在任意給定齒上的指狀件將與相同極性的極對齊。該可動元件可以是具有外表面的轉子。所述固定元件可以是定子。所述需要的步進間距可以是需要的步進角度。所述齒圍繞著所述定子圓形地間隔開，以面向所述轉子的外表面。用于單極電動機驅動器的轉子極的數量必須是從以下等式確定的偶整數
^.Jtlfe ^2x360°(1)步逬角度=—~；---—, ,
(相數)χ (轉子極的數量)用于雙極電動機驅動器的轉子極的數量必須是從以下等式確定的偶整數
.360°
_1]⑵相數)χ(轉子極的數量)所述轉子極可以圍繞著所述轉子支撐件04)相等地間隔開，所述轉子支撐件能夠由固體軟磁鋼、電疊片材料或這些材料的組合形成。每相的定子齒的最大數量(m)可以通過以下等式確定
mtr_轉子極的數量_、
0014 ⑶m _m 1[2χ (每個定子齒的指狀件數量)-Ι]χ (相數其中該表達式中，int(x)是整數函數，其返回其自變量(χ)的整數部分。在給定的定子齒上的兩個相鄰指狀件之間的距離可以是這樣的，使得當兩指狀件與轉子極對齊時， 它們將與相同極性的轉子極對齊。所述齒優選圍繞著所述定子相等地間隔開。所述定子可以由固體軟磁鋼、鐵心硅鋼疊片材料或這些材料的組合形成。所述轉子和定子可以構建和布置為，使得對于具有相A和相B的兩相電動機，當在定子齒上的相A的指狀件與轉子極對齊時，每個相B的指狀件將與兩個相鄰的轉子極的中心對齊。所述轉子和定子可以構建和布置為，使得對于具有相A、B和C的三相電動機，當相 A的定子指狀件與一個極性的轉子極對齊時，每個相B和相C的定子指狀件將與相反極性的轉子極對齊。如果每個相B的定子指狀件與一相關的轉子極的前邊緣對齊，則每個相C的指狀件可以與一相關的轉子極的后邊緣對齊。相反地，如果每個相B的定子指狀件與一相關的轉子極的后邊緣對齊，則每個相C的指狀件可以與一相關的轉子極的前邊緣對齊。所述轉子和定子可以構建和布置為，使得對于具有相A、B、C和D的四相電動機，當在定子齒上的相A的指狀件與轉子極對齊時，每個相B的指狀件將與兩個相鄰的極的中心對齊，每個相C的指狀件將與對齊相A的那些極相反的極對齊，且每個相D的指狀件將與對齊相B的那些極相反的極對齊。相應地，本發明的總的目的在于提供改進的步進電動機。另一個目的在于提供改進的永磁型步進電動機。
這些和其他目的和優點將從前面和下面書面的說明、附圖和后面的權利要求中變得顯而易見。


圖1是改進的三引線、星形連接、三相、1. 5°每步、雙極步進電動機的第一形式的示意橫截面圖，該電動機具有八十個交替磁化的轉子極和二十四個等間隔的定子齒，在每個定子齒上具有兩個指狀件。圖2是表示圖1所示的步進電動機的定子齒上的物理布線圖的示意圖。圖2A是在圖2中指示的圓內的部分的放大視圖。圖2B是用于圖2中所示的形式的示意電布線圖。圖2C表示用于圖2A中所示的替換轉子，用于減小磁體中的磁強變化的技術，以建立具有更恒定的無動力峰值定位轉矩、動力峰值定位轉矩和峰值運行轉矩的轉子。圖3如圖1中那樣，是改進的三引線、星形連接、三相、1.5°每步、雙極步進電動機的第二形式的示意橫截面圖，該電動機同樣具有八十個交替磁化的轉子極，但是具有十五個等間隔的定子齒，在每個定子齒上有三個指狀件。圖3A是在圖3中指示的圓內的部分的放大視圖。圖4是兩相或四相步進電動機的示意橫截面圖，該電動機具有一百二十個交替磁化的轉子極和十六個等間隔的定子齒，在每個定子齒上有三個指狀件。圖4A是在圖4中指示的圓內的部分的放大視圖。圖5是表示在五引線、四相、1.5°每步、雙極步進電動機的圖4的步進電動機上的物理布線圖的示意圖。圖5A是在圖5中指示的圓內的部分的放大視圖。圖5B是用于圖5中所示的形式的示意電布線圖。圖6是表示在四引線、兩相、1.5°每步、雙極步進電動機的圖4相同的步進電動機上的物理布線圖的示意圖。圖6A是在圖6中指示的圓內的部分的放大視圖。圖6B是用于圖6中所示的形式的示意電布線圖。圖7是大致類似于圖4的兩相或四相步進電動機的另一個形式的示意橫截面圖， 該電動機具有一百二十個交替磁化的轉子極和十六個等間隔的定子齒，在每個定子齒上具有四個指狀件。圖8是三相步進電動機的示意橫截面圖，該電動機具有如同圖4和7的轉子，該轉子具有一百二十個交替磁化的轉子極，但是具有十八個等間隔的定子齒，且在每個定子齒上具有三個指狀件。圖9是如同在圖8的三引線、三相、1.0°每步、雙極步進電動機中的定子齒上的示意物理布線圖。
具體實施例方式在開始處需要清楚地理解的是，在所有幾個附圖中，類似的參考數字旨在一致地表示相同的結構元件、部分或表面，因為這樣的元件、部分或表面可能通過整個書面說明而進一步描述或解釋，該詳細的說明是完整的部分。除非另外地指出，附圖旨在結合說明閱讀 (例如剖面線、部件的設置、比例、度等)，并認為是本發明整個書面說明的一部分。如在下面的說明中使用的，術語“水平的”、“豎直的”、“左”、“右”、“上”和“下”，以及其形容詞和副詞派生詞(例如“水平地”、“向右地”、“向上地”等)，簡單地指所示結構的方位(在特定的附圖面對讀者時)。類似地，術語“內部地”和“外部地”總體指表面相對于其合適的伸長軸線或旋轉軸線的方位。為了實現高的運行轉矩，同時保持高的動力和非動力定位轉矩，如在這里公開的， 開發了新的永磁型步進電動機。公開了許多不同形式的改進的步進電動機。第一形式公開在圖1、2、2A、2B和2C 中；第二形式在圖3和3A中；第三形式在圖4和圖4A中；第四形式在圖5、5A和5B中；第五形式在圖6、6A和6B中；第六形式參考第一和第四形式；第七形式在圖7中；而第八形式在圖8和9中。這些不同的形式示出1.5°每步的分度運動對于兩相、三相和四相雙極或單極電動機驅動器是如何實現的。這些形式也示出具有一百二十個交替磁化極的同一轉子如何能夠用于兩相、三相和四相電動機。單個形式將示例定子齒能夠設計為具有兩個、三個、四個或更多個指狀件。這些形式還將示出電動機激勵順序和具有四個、五個、六個和八個引線構造的線圈，這些普遍地用于可變磁阻型、混合型和永磁型步進電動機中。盡管這里只示例了用于兩相、三相和四相步進電動機的八十和一百二十個極的轉子，但是其他的形式，例如那些在表1中列出的，為步進電動機設計領域中的本領域技術人員容易地理解。在轉子外周表面上所需的磁極數通過需要的步進角度、相數和電動機驅動器構造而確定。北極和南極磁極的數量必須相等。相鄰的北極和南極磁極示意性地在附圖中示出， 分別指向里面和外面的相鄰的極的徑向的箭頭指示相反的極性。因此，由于北極和南極磁極的數量是相等的，轉子極的總數量必須是偶數整數。對于雙極電動機驅動器，轉子極的數量必須是如下等式確定的偶數整數
權利要求
1.具有可動元件和固定元件的永磁型步進電動機，包括在所述可動元件和固定元件其中一個元件的表面上的多個磁極，相鄰的磁極具有相反的極性，磁極的數量是常數、相數和需要的步進間距的函數；和在所述可動元件和固定元件中的另一個元件上的多個等間隔的齒，所述齒設置為面向所述其中一個元件的表面，所述齒中的每個具有設置為面向所述其中一個元件的表面的多個指狀件，所述齒的數量是完整的整數，該整數是常數、所述磁極的數量、在每個定子齒上的指狀件的數量和相數的函數；且其中所述指狀件互相間隔開，從而使得在任何給定齒上的指狀件將與相同極性的磁極對齊。
2.根據權利要求1所述的永磁型步進電動機，其中所述其中一個元件是具有外表面的轉子，所述另一個元件是定子，其中所述需要的步進間距是需要的步進角度，且所述齒圍繞著所述定子圓形地間隔開，以面向所述轉子的外表面。
3.根據權利要求2所述的永磁型步進電動機，其中用于單極電動機驅動器的轉子極的數量是從以下等式確定的偶整數步進角度=_^^_(相數)X (轉子極的數量)
4.根據權利要求2所述的永磁型步進電動機，其中用于雙極電動機驅動器的轉子極的數量是從以下等式確定的偶整數步進角度=_^_(相數)X (轉子極的數量)
5.根據權利要求2所述的永磁型步進電動機，其中所述轉子極圍繞著所述轉子的外表面相等地間隔開。
6.根據權利要求2所述的永磁型步進電動機，其中所述轉子支撐件能夠由固體軟磁鋼形成，或以鐵心硅鋼疊片堆疊，或由這些材料的組合形成。
7.根據權利要求2所述的永磁型步進電動機，其中每相的定子齒的最大數量(m)通過以下等式確定.( 轉子極的數量 ) m < mt -“U2 χ (每個定子齒的指狀件數量)-1] X (相數)J其中該表達式中，int(x)是整數函數，其返回其自變量(X)的整數部分。
8.根據權利要求2所述的永磁型步進電動機，其中所述齒圍繞著所述定子相等地間隔開。
9.根據權利要求2所述的永磁型步進電動機，其中所述定子能夠由固體軟磁鋼、鐵心硅鋼疊片或這些材料的組合形成。
10.根據權利要求2所述的永磁型步進電動機，其中所述轉子和定子構建和布置為使得對于具有相A和相B的兩相電動機，當在定子齒上的相A的指狀件與轉子極對齊時，每個相B的指狀件將與兩個相鄰的轉子極的中心對齊。
11.根據權利要求2所述的永磁型步進電動機，其中所述轉子和定子構建和布置為使得對于具有相A、相B和相C的三相電動機，當相A的定子指狀件與一個極性的轉子極對齊時，每個相B和相C的定子指狀件將與相反極性的轉子極對齊。
12.根據權利要求11所述的永磁型步進電動機，其中如果每個相B的定子指狀件與一相關的轉子極的前邊緣對齊，則每個相C的指狀件與一相關的轉子極的后邊緣對齊。
13.根據權利要求11所述的永磁型步進電動機，其中如果每個相B的定子指狀件與一相關的轉子極的后邊緣對齊，則每個相C的指狀件與一相關的轉子極的前邊緣對齊。
14.根據權利要求2所述的永磁型步進電動機，其中所述轉子和定子構建和布置為使得對于具有相A、相B、相C和相D的四相電動機，當在定子齒上的相A的指狀件與轉子極對齊時，每個相B的指狀件將與兩個相鄰的磁極的中心對齊，每個相C的指狀件將與對齊相A 的那些磁極相反的磁極對齊，且每個相D的指狀件將與對齊相B的那些磁極相反的磁極對齊。
全文摘要
一種永磁型步進電動機(20)，廣義地包括在其表面上具有許多磁極(21)的可動元件(例如轉子)，相鄰的極具有相反的極性，極的數量是常數、相數和需要的步進間距的函數；和固定元件(例如定子)，其具有多個等間隔的齒(22)，所述齒布置為面向所述可動元件的表面，每個所述齒具有多個指狀件(23)，所述指狀件設置為面向所述可動元件的表面，所述齒的數量是完整的整數，該整數是常數、所述極的數量、在每個定子齒上的所述指狀件的數量和相數的函數。
文檔編號H02K37/14GK102160267SQ200880130892
公開日2011年8月17日 申請日期2008年8月29日 優先權日2008年8月29日
發明者S·Z-P·趙 申請人:莫戈公司