专利名称：具有磁性增强和散热壳体的混合步进电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机，特别涉及一种磁辅助的混合步进电机。
背景技术：
一般地，混合步进(hybrid stepping )或混合步进器(hybrid stepper)电 机包括向外伸出的转子，周缘间隔的转子齿，其与向内伸出的周缘间隔的定 子齿互相配合。定子齿形成或设置在周缘间隔向内伸出的定子柱上，这样使 得在一个柱上的定子齿可与相对的转子齿对齐，同时邻近柱上的齿部分地与 相应的相对转子齿未对齐。下一个周缘间隔的柱上的定子齿与相对的转子齿 之间的空间或缝隙对齐。转子/定子齿对齐状况与相应的相对极性扇形体相 反。
众所周知，在定子齿之间或定子齿与转子齿之间插入永久磁性材料来增 加混合步进电机的效率和扭矩。用此方式增强的混合步进电机具有改善的扭 矩密度和扭矩线性度。扭矩产生的改善量可超过未增强的混合步进电机的 15%至103%之间。峰值电流水平越高，通过增强得到的优点越大。
传统地，增强的混合步进电机和具有与齿的上表面平齐的磁铁 一 齐制 造。虽然这提供最好的性能，但是由于用于磁铁的稀土金属磁性材料非常硬 而制造困难，并且必须小心地加工避免破损。此外，万兹铁的平齐不允许腐蚀 保护涂层施加到磁铁上，因为涂层在加工过程中不会保存下来。加工过程典 型地要求在定子上，为了控制高性能混合步进电机中的较小的空气缝隙。
在过去，由于未增强的混合步进电机的差的扭矩线性度特性，混合步进 电机被认为"远离面板"，即不安装到散热片上。换句话说，电机产生的扭 矩与施加到电机上的电流没有线性关系。结果，传统的未增强的混合步进电 机的制造者没有设计影响电机的散热能力的电机。在过去，配备未增强的混 合步进电机来消散更多热没有显著地改善扭转输出，这是由于高度的非线性 (在未增强的电机中由磁通量饱和的齿造成)。输入更大电流来产生更大扭 矩很大程度上导致仅仅产生更多的热。
发明内容
本发明涉及一种混合步进电机，其包括铝壳体，设置在壳体内且具有许 多柱的定子。齿形成在每个定子柱上，且被槽彼此隔开。磁铁插入槽内到达 距离定子齿上表面的预定深度。该电机还包括被设置成与定子共轴的转子。 齿也形成在转子上与定子齿相对。转子齿与定子齿配合能够使转子相对定子
旋转。铝端盖(aluminum endbell)在一侧连接到壳体且被设置成在另 一侧连 接到面才反。
图1是本发明一个实施例的混合步进电机的透视图； 图2是图1的混合步进电机沿图1中所示线2-2的剖面图； 图3是图1的混合步进电机沿图2中所示线3-3的剖面图； 图4是设置在图3的定子上的柱的视图5是具有与齿表面平齐和次平齐的增强磁铁的混合步进电机产生的扭 矩比图；以及
图6是由增强和未增强的电机构造的混合步进电机在各种电流下产生的 扭矩图。
具体实施例方式
宽泛地讲，本发明涉及一种混合步进电机，其包括设置在定子和/或转子 的齿之间的间隙内的永久磁体，用于增强电机的扭矩线性度和扭矩输出。磁 铁从齿表面被向后设置或者以离开齿表面一预定距离次平齐，从而可实现合 理的性能增益，同时得到不是必须加工由非常硬的稀土磁性材料组成的磁体 的制造优点。因为磁铁从齿表面被向后设置，腐蚀保护涂层能施加到磁铁的 表面。所述混合步进电机还设置在铝壳体内，用于改善热转移以利用该增强 提供的扭矩线性度的较大改善。
现在转到图1-3,根据本发明的一个实施例的混合步进电机10包括转子 12，其被设置在定子14内且在其中旋转。转子12和定子14设置在壳体16 内。壳体16的前端连接到前端盖(front endbell) 18的一端，前端盖18的 相对端安装到面板20。轴22连接到转子12以随其旋转，且穿过壳体16和面板20而伸出。壳体16的另一端连接到后端盖(rearendbell) 24。轴承26 安装转子12和轴22使其在壳体16内可旋转。
如图2所示，转子12包括可被磁化而呈现北极^t化的前转子扇形体28 和呈现南极磁化的后转子扇形体30。磁铁29设置在前后转子扇形体28、 30 之间。如图3所示，前转子扇形体28具有50个圆周间隔的齿32,在转子扇 形体28的整个圆周上其径向向外突出且被隔开。齿32沿转子的轴向方向纵 向延伸。显示的齿32的数目仅是例子，且可使用具有不同齿数的柱。转子 齿32的数目由要达到的步进角度决定(例如，50个齿x2相x2相=每转200 步)。在示出的例子中，角或圓周齿距，即在邻近的转子齿32上的相似点之 间的角距离为7.2度。这使得在2相位电机的情况下完整步进角为1.8度。
后转子扇形体30与前转子扇形体28—样并且承载向外导引的圆周隔开 的径向齿34。然而，扇形体30安装到轴22上使得转子齿34角偏移一个半 齿距，因此轴向看它们出现在齿32之间。其被最精确地显示在图3中转子 的左手部分。
如图3所示，八个按角度设置的柱36、 38、 40、 42、 44、 46、 48和50, 从公共外切定子部52向内突出以形成定子14。柱36-50沿定子14的整个轴 向尺度纵向延伸超出转子10。五个定子柱齿或定子齿54形成每个柱36-50 的内径向端。定子柱齿54沿假想的圓柱形表面与转子12共轴形成，且与转 子齿32和34稍微隔开。在显示的实施例中，定子柱齿54以7.2度间隔。因 此，定子柱齿54具有与转子齿32和34—样的齿距。应当理解虽然在本实 施例中转子齿齿距和定子齿齿距是一样的，但是它们可以是不同的，这由本 领域技术人员的设计选"f奪而决定。
柱36-50以及它们各自的齿54被按角度设置，因此在两相对柱例如36 和44上的齿54能直接与在一个柱底上的转子齿32相对，同时与之成90度 的柱40和48上的齿54与在相同柱底上的转子齿32完全没有对齐。在余下 的45度角度方向上的柱38、 42、 46和50上的齿32被按角度设置，使得它 们在同样位置与同样柱底上的转子齿32的角度排列成异相90电角度 (electrical degree )或270电角度。
定子柱齿54平行于转子轴从转子12的一端到另一端纵向延伸。因此， 当柱48和40上的齿54与前扇形体28的齿32成180度电角度而不对齐时， 它们与后扇形体30上的齿34完全对齐。同时，柱36和44上的齿54与后
扇形体30上的齿34完全不对齐。定子线圈56用来按导致转子旋转的次序 磁化柱36-50。
现在转到图4,每个定子柱齿54被具有普通的矩形底的槽58彼此隔开。 槽58用永久磁铁62向上填充到距离齿54的表面60预定深度。换句话说， 磁铁62没有与表面60平齐而是次平齐。优选的是，次平齐应距齿54的表 面60大概0.001到0.020"(图4中的尺寸被夸大)。磁铁62近似的是转子 扇形体28、 30的纵向长度且为矩形横截面，因此在定子内径被加工到其最 终尺寸之后，它们可滑动进入槽58内。磁铁62通过磁铁产生的磁力和使用 在磁铁和槽58之间的胶而保持到位。优选的是磁铁62由稀土磁性材料例如 钐钴或钕铁硼制成。
参考图5,显示了使用具有26MGOe能量乘积(即B( Gauss )xH( Oersted) 的乘积)的平齐磁铁的电机和具有在0.004'，次平齐的磁铁62的同一电机的 保持转矩比。在1 ics (持续电流)处，具有平齐磁铁的电机比没有增强的同 一电机(具有扭矩比1.00 )多提供65%的扭矩。通过引入0.004"次平齐状态， 与没有增强的同一电机相比改善了 48%。虽然次平齐的引入与具有与齿的表 面平齐的磁铁相比的确导致了较低的扭矩改善，但是这被制造的简易性所#卜 偿，即磁铁62不是必须被加工成与齿的表面60平齐。
返回参考图l,混合步进电机10的壳体16和前后端盖18、24由铝制成。 铝壳体16和后端盖24将产生在电机10内的热传导到前端盖18内，其然后 将热传导到也是由铝制成的面板18。在优选的实施例中，前端盖18、壳体 16和后端盖24纟皮分隔成部分。然而，壳体16与前端盖18或后端盖24可形 成为单独的完整部分。对于壳体16、前端盖18和后端盖24以此方式使用铝 导致标定性能上重大改善。传统上，这对于混合步进电机是没有完成的，这 是由于已知的未增强的混合步进电机所展现的非常差的扭矩线性度超过 "ATcont。
图6用扭矩随电流变化的曲线图说明了具有和不具有铝壳体16的增强 的次平齐混合步进电机和未增强的混合步进电机之间的比较。电流水平由线 圈的允许上升温度和环境温度决定。在1点(1.19A)显示的电流水平下， 未增强电机和增强电机的保持扭矩，在没有铝壳体16和面板18情况下分别 显示为186 oz^n和235 oz*in。可注意到对于增强电机来说，保持扭矩的线 性度得到很多改善。
如果增加铝壳体16并且混合步进电机10设置在面板18上，导致的持 续电流性能从点1移动到点2 ( 1.77A)。这使得未增强的和增强的电机的保 持扭矩比分别变为225 oz*in和310 oz*in。换句话说，如果把点186 oz*in作 为基线，增强混合步进电机导致235 oz^n或26。/。的改善。然而，在混合步 进电机上设置铝壳体16并且将其安装到面板18上，增强导致310 oz^n或 超过基线67%的改善。在未增强的电机上设置铝壳体16到面板18上，仅仅 导致225 oz*in或超过基线21%的改善。
次平齐增强混合步进电机10的另一好处是允许实现峰值扭矩。对于步 进运动的使用者通常遇到的速度变化图的加速和减速部分，通常使用峰值扭 矩。如果考虑合理的峰值电流1.5fics甚至2+ics被使用来加速，图6说明了 这种情况。1.5X电流水平作为点3显示在图6中。应注意到未增强电机仅产 生超过铝壳体承装的点2处的电流水平的少量扭矩，超过基线的实际量是 250 oz*in(超过基线34% ),然而增强电机可产生370 oz*in(超过基线99% )。 进一步实行此方案，增强电机将在2.65A之外能够继续产生附加的可使用的 扭矩，然而未增强电机不能。
应理解在本优先实施例中，混合步进电机中使用的磁铁29是稀土磁铁， 从而利用峰值扭矩性能以及避免退磁。然而，使用其它材料例如铝镍钴合金 也是预期的。
虽然本发明的各种实施例已被显示和描述，应理解其它修改、取代以及 替换对于本领域技术人员是显然的。这些修改、取代以及替换可得到而没有 脱离本发明的精神和范围，其应根据附加的权利要求来确定。
本发明的各种特性在附加的权利要求中被提出。
权利要求
1.一种混合步进电机，包括具有多个柱的定子；多个定子齿，形成在每个所述柱上且被槽彼此隔开；磁铁，从所述定子齿的上表面固定地插入至少一个所述槽内到预定的次平齐深度；转子，其与所述定子共轴且具有多个与所述定子齿相对的转子齿，所述转子齿与所述定子齿配合能够使所述转子相对所述定子旋转。
2. 如权利要求l所述的电机，其中所述槽具有大体上矩形形状。
3. 如权利要求1所述的电机，其中所述磁铁从所述定子齿的上表面被 次平齐从0.001"到0.020'，的深度。
4. 如权利要求l所述的电机，其中所述磁铁由稀土磁性材料制成。
5. 如权利要求4所述的电机，其中所述磁铁由钐钴或钕铁硼制成。
6. 如权利要求l所述的电机，进一步包括 铝壳体，所述定子设置在其内；以及端盖，其在一侧连接到所述壳体，且被设置成在另一侧连接到面板。
7. 如权利要求6所述的电机，其中所述端盖由铝制成。
8. —种混合步进电机，包括 铝壳体；定子，设置在所述壳体内且具有多个柱； 多个定子齿，形成在每个所述柱上且被槽彼此隔开； 磁铁，固定地插入到至少一个所述槽内；转子，与所述定子共轴且具有多个转子齿与所述定子齿相对，所述转子 齿与所述定子齿配合能够使所述转子相对所述定子旋转；端盖，其在一侧连接到所述壳体，且其被设置成在另一侧连接到面板。
9. 如权利要求8所述的电机，其中所述磁铁被设置到离所述定子齿的 上表面预定的次平齐深度。
10. 如权利要求9所述的电机，其中所述磁铁被次平齐到离所述定子齿的上表面从o.oor，到0.020'，的深度。
11. 如权利要求9所述的电机，其中所述磁铁由稀土磁性材料制成。
12. 如权利要求11所述的电机，其中所述磁铁由衫钴或钕铁硼制成。
13. 如权利要求8所述的电机，其中所述端盖和所述面板由铝制成。
14. 如权利要求8所述的电机，其中所述端盖和所述壳体形成单独的整 体部分。
15. —种混合步进电机，包括 铝壳体；定子，设置在所述壳体内且具有多个柱； 多个定子齿，形成在每个所述柱上且被槽彼此隔开； 磁铁，固定地插入至少一个所述槽内到距离所述定子齿的上表面预定的 次平齐深度；转子，与所述定子共轴且具有多个与所述定子齿相对的转子齿，所述转 子齿与所述定子齿配合能够使所述转子相对所述定子旋转；端盖，其在一侧连接到所述壳体，且其被设置成在另一侧连接到面板。
16. 如权利要求15所述的电机，其中所述磁铁被次平齐到距离所述定子齿的上表面从o.oor，到0.020'，的深度。
17. 如权利要求15所述的电机，其中所述磁铁由稀土磁性材料制成。
18. 如权利要求17所述的电机，其中所述磁铁由钐钴或钕铁硼制成。
19. 如权利要求15所述的电机，其中所述端盖和所述面板由铝制成。
全文摘要
本发明公开了一种具有磁性增强和散热壳体的混合步进电机，其包括具有多个柱的定子。齿形成在定子柱上，且被槽彼此隔开。磁铁插入槽内到距离定子齿的上表面预定深度。该电机还包括被设置成与定子共轴的转子。齿也形成在转子上与定子齿相对。转子齿与定子齿配合能够使转子相对定子旋转。
文档编号H02K37/00GK101197523SQ200710143790
公开日2008年6月11日 申请日期2007年8月6日 优先权日2006年8月7日
发明者布拉德利·A·特拉戈, 格雷戈里·A·里特迈耶, 胡秋玉, 莫德·F·B·达明, 谢永志 申请人:波特斯凯普新加坡有限公司