专利名称：电磁式螺旋型直线步进电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种步进电动机，更具体地涉及一种可作螺旋运动的电磁式封闭型步进电动机。
在美国专利US3836835中发明人索伊尔(Sawyer)曾公开了一种直线步进电动机(以下简称索氏电机)，参见
图1，图1为表示现有技术中的索氏电机原理结构的示意图，其结构特点是平板型的，电机定子是一块开有很多均匀分布平行槽的长条平板。电机动子是由一永久磁铁和两个在其端部的控制电磁铁EMA和EMB组成。当电磁铁线圈中没有电流时，电机中的磁场仅由永久磁铁提供，磁力线分布如图1中虚线所示，各极下的磁通大小大致相同，均为φm/2。
参见图2，图2(a)、(b)、(c)、(d)分别为说明索氏电机的1、2、3、4四种工作状态下的稳定位置的示意图，设动子相对于定子的初始位置如图1所示，当线圈A通入正向电流时，由其电流IA产生的磁通其磁力线分布如图1中实线所示。设电流产生的磁通，大小为φm/2其结果使极1下的磁通φ1＝φm/2+φm/2＝φm达最大值，极2下磁通近似为零，因此动子的位置由极1所受的磁力决定。这时动子将向右移动到极1和定子齿1'对齐的位置如图2(a)的状态1所示。
表1
<p>表1说明索氏电机的通电方式、稳定位置及磁力分布情况，如果通电的方式按表1中的(a)→(b)→(c)→(d)→(a)…顺序进行，则动子会以T/4的步距脉冲式地向右移动(其中T为定子齿距)。也就是说按上述通电方式，步进电动机运动的最小步距为T/4。
参见图3，图3为两控制电磁铁线圈中的电流IA和IB的波形图。
如果在线圈A中通入余弦形电流，同时在线圈B中通入正弦形电流。如图3虚线所示则动子就会平滑地(而不是脉冲式地)向右移动。
如果在线圈A中通入正弦形电流，同时在线圈B中通入余弦形电流，则电机动子就会平滑地向左移动。
当上述线圈中的电流按正、余弦规律变化一个周期时电机动子就会向右(或向左)移过一个齿距T。
动子相对于定子在一个齿距范围内的空间位置由两个线圈中的电流数值(比值)所决定。例如当IA＝Imcosωt＝Imcos0°＝Im，IB＝Imsinωt＝Imsin0°＝0时，则动子处在图2(a)所示的状态1的空间位置。现令定子齿1'中心线处的空间位置为0°位置，并把这看作为动子的起始位置。当IA＝Imcos90°＝0，IB＝Imsin90°＝Im时，动子将移动到图2(b)所示的状态2的位置。相当于从图2(a)所示位置向右移动T/4距离。如果我们把定子一个齿距T的空间范围看作为360°空间范围，这时我们也可以说动子在空间向右移动了T/4＝360°/4＝90°距离。如果当电机动子原处在图2(a)所示的位置时，我们通入的电流为IA＝Imcos9°，IB＝Imsin9°时，则动子在空间将向右移动9°(相当于T/40)。可见，如果我们利用微型计算机把上述一个周期的正、余弦电流“细分”成如图3实线所示的40个等宽不等幅的脉冲电流群来代替上述正、余弦电流，则我们就可以使该台直线步进电动机以T/40的最小步距向前移动。通过上述“细分”的方法可使目前实际齿距为1毫米的直线步进电动机，通过八位的单片微机，进行“细分”其最小步距就可达到0.005毫米的定位精度。
索氏电机的缺点在于(1)采用了价格昂贵的稀土永久磁铁材料，且加工、装配都比较麻烦。磁铁占整个动子的重量的比例较大，惯性大，所需的加速力也大。(2)索氏电机所产生的推力和吸力是固定的，它们都严格受到电机空气隙尺寸的限制，用户是无法调节的，一般推力和吸力都较小。(3)平板型结构，漏磁较大(有效磁通小)材料利用率较差。平板上高精度尺寸要求的平行槽，一般需用高精度的铣床来铣槽，费工，费时，致使电机加工成本很高。因而影响电机的性能价格比指标。
为了克服上述缺点在中国专利CN87209396U(申请人为宁波大学)中本申请的发明人公开了一种改进型的电磁式封闭型直线步进电机。它仍旧保持和索氏电机一样的一台两相4极电机。它采用封闭的筒形结构，所有电磁铁均环绕在轴外，并用电磁铁作为固定激磁，这一结构封闭性好，磁场集中，漏磁小，轴和极掌之间的间隙可做得很小，因此提高了材料利用率，同时能够得到较大的推力和自锁力，用户可以调节推力和自锁力的大小以适应不同场合的需要，扩大了直线步进电动机的应用范围。同时加工制造比索氏电机简便，电机的性能价格比得到相当程度的提高。
参见图4，图4为上述本发明人已公开过的电磁式封闭型直线步进电动机的一实施例的结构示意图，其中，中间的圆轴(13)用软磁性金属材料制成。如钢、铁等。圆轴(13)上开有沿轴向均匀分布的环形凹槽，其宽度和间距都相等，环绕着圆轴(13)形成各个交替地凸起和凹下的圆环。圆轴(13)安装在一对端盖(18)上，端盖(18)为中间开孔的圆盘，用螺杆(19)和螺母(20)固定，在中间开孔处安装有轴承(17)，通过轴承(17)支持圆轴(13)，并允许圆轴(13)在端盖(18)上沿轴线移动。在两个端盖(18)之间围绕着圆轴(13)安装着一对互相分开的控制电磁铁，分别紧靠着两个端盖(18)，中间则是以直流电流激磁的激磁电磁铁。每一控制电磁铁包括两个极掌11和11′及11″和11′′′、一组控制线圈12和12′和一个磁轭15和15′，极掌11和11′及11″和11′′′、控制线圈12和12′和磁轭15和15′都呈空心的圆环形结构，以圆轴(13)为对称轴安装，套在圆轴(13)外面，但都与圆轴(13)保持一定间距，并不互相接触，其中，极掌11和11′及11″和11′′′的端面与圆轴(13)的凸起部分之间具有微小的间隙。
在该例中，为了加工制造和装配工艺简便，每一控制电磁铁的两个极掌11和11′及11″和11′′′并不做成一体，而是做成两个同样的圆环，其间放入磁轭15和15′，并使磁轭15和15′与极掌11和11′及11″和11′′′相接触的表面紧密吻合，形成完整的控制电磁铁的铁芯。当然也可采用整块马蹄形的铁芯，或采用许多薄片重迭组成铁芯。这一铁芯通常采用高磁导率的软磁性金属材料制成，以获得较好的效果，如纯铁、低碳钢等，该例中采用＃10号低碳钢制成极掌11和11′及11″和11′′′和磁轭15和15′。
一对极掌11和11′及11″和11′′′和一个磁轭15和15′构成一个马蹄形的铁芯，控制线圈12和12′安置在其凹部，被铁芯所包围，这一结构将磁场集中在内部，漏磁很小。
在两个控制电磁铁之间的直流激磁电磁铁包含通以直流电流的激磁线圈(14)和另一激磁磁轭(16)，其材料、形状分别与控制线圈(12)和磁轭(15)类似，只是作用不同，激磁磁轭(16)使两个控制电磁铁相连，并用激磁线圈(14)进行激磁，在激磁线圈(14)产生的磁场中同组极掌极性相同，不同组极掌极性相反，而控制线圈(12)产生的磁场主要限于其所属的控制电磁铁内，并且同组的两个极掌极性相反，这样，由于激磁线圈(14)的磁场和控制线圈(12)的磁场相互作用，使得各个极掌11和11′及11″和11′′′上的磁场强度不相同，同时，一组内的两个极掌上的凹槽分别对准圆轴(13)的凹槽部分、凸起部分，另一组内的两个极掌上的凹槽分别以左半部分和右半部分对准凹槽部分，这样就使得各极掌与圆轴(13)的作用各不相同，因而当激磁线圈中通以直流电流及两控制线圈分别通以上述电流IA、IB时就造成两者的相对移动。
对于该例还可以作出许多变化，例如，材料的选择，部分结构的改变等，一种可能的变化是采用矩形截面的封闭式筒形结构，所有极掌、线圈、磁轭及中央的轴等各个部件都做成矩形截面，包括正方形，或者，电磁铁铁芯的形状、激磁磁轭的形状等，都可以作出种种不同的变化。
但是在该步进电机中，由于电机的动子和定子上都存在着平行槽齿，在固定激磁作用下，当动子齿靠近定子齿时吸力最大，当动子齿对着定子槽时受力最小，可见当动子、定子作相对运动时动子受力是随着定子齿和动子齿之间的距离变化而变化，因而很难做到完全均匀运动。且上述电机的圆轴上还需不连续地加工许多平行槽，加工仍然比较费时，电机的加工成本虽然比平板型有所降低，但降低倍数不大。
为了避免明显的齿槽效应和大幅度降低电机的加工成本，本发明在上一个同一发明人已经公开的专利基础上，又进一步提出了一种新颖的带有螺旋形槽可作螺旋式直线运动的电磁式步进电动机。
本发明提供的步进电动机，仍然是采用电磁式封闭型筒形结构，中间是一根表面带有沿轴向等螺距分布的，具有矩形或梯形槽形截面的螺纹轴或管。在螺旋形槽中，绕满铜线或铝线，其功能类似于同步电机中启动笼或阻尼条的作用。可以提高直线步进电动机的极限起动频率和阻尼低频振荡。在轴的外围仍然套放着电机动子(或定子)该动子(或定子)仍然是由四个环形磁极铁芯夹住三个环形线圈组成。磁极铁芯内径表面都车有和轴上螺距相同的等螺距的螺旋形槽，位于中部的线圈为电机的直流激磁线圈。位于两端的线圈分别为控制线圈。磁极铁芯和线圈的位置靠包在它们外围的圆筒形磁轭来定位。磁轭和磁极铁芯的材料，用导磁性好的材料做成。动子(或定子)两端采用非磁性材料的滑动轴承来保持电动机定子和动子之间微小的间隙以保证定、动子之间能够作均匀平滑的螺旋直线运动。
本发明和上述本发明人已公开的专利相比结构大大简化，减少了许多加工零件(原来的两个电磁铁环15和15’和激磁磁铁环14现合并为一个磁铁环)而且加工工艺大为简化，原来需要用精密铣床(或精密车床)断续地铣平行槽(或车平行槽)的电机轴现在只需要用普通车床连续车螺纹的简单工艺来完成，大大地节省了加工工时和设备投资折旧费用。整台电机加工成本至少可节省十几倍，又因改成螺旋形槽、齿后定子与动子之间作螺旋运动，就可避免明显的齿槽效应。再加上在槽内嵌绕上适当的铜或铝条就能够使定子、动子之间产生均匀的螺旋运动。可以避免索氏电机低频运行时的机械振荡和提高高速运行时的极限频率。
图面的简要说明如下图1为现有技术中的索氏电机原理结构的示意图;
图2(a)、(b)、(c)、(d)分别为说明索氏电机的四种工作状态下的稳定位置的示意图;
图3为两控制电磁铁线圈中的电流IA和IB的波形图;
图4为已公开的专利“电磁式封闭型直线步进电动机”的结构示意图;
图5为本发明的“电磁式螺旋型直线型步进电动机”的结构示意图;
图6为说明本发明的步进电动机的磁路情况的示意图;
图7为说明步进电动机的电源供电情况的方块图。
以下结合图5-7对本发明的一最佳实施例进行说明。
参见图5，图6，图5中的本发明的“电磁式螺旋型直线步进电动机”的与图4中的电动机的元件名称相同者都标以相同的符号，两者的控制电磁铁与激磁电磁铁等的结构大致相同，中间有一根由铁磁材料制成的轴(或管)(13)，在轴(或管)(13)的外围套放着四个环形磁极铁芯即极掌(11，11′，11″，11′′′)，在四个环形磁极铁芯之间，间隔地嵌夹着三个环形线圈，位于中部的线圈为固定直流激磁线圈(14)，位于两端的线圈为控制电磁铁的线圈(12，12′)，各磁极铁芯(11，11′，11″，11′′′)和线圈(14，12，12′)的位置靠包围在它们外围的筒形磁轭(25)来定位，并把它们组合在一起形成电动的动子(或定子)，磁轭和磁极铁芯均由磁性材料制成，固定在两端磁极铁芯上的非磁性材料组成的滑动轴承(17)，保持着电机定、动子之间的微小间隙，显然磁极铁芯及磁轭也可以采用图4同样的结构，如其筒形磁轭(15，16，15′)仅包围线圈(15，14，15′)。在轴(或管)(13)的表面和磁极铁芯内径表面上都车有矩形(或梯形)槽形截面的螺纹。在轴(或管)(13)上的螺纹为等螺距螺纹。在该螺纹的槽中还可嵌绕着铜线(或铝线)等由非铁磁材料制成的导电条。这样在微步运动过程中，磁导变化均匀，避免了索氏电机中由于齿槽效应引起的不均匀性。采用圆柱形螺旋丝杆代替了索氏电机中的平行槽平板形结构，这不仅减少了电机的漏磁通，显著地提高了有效材料的利用率，缩小了电机体积，而且可以改用普通车床连续切削成形，既保证了槽距的尺寸精度，又大大地简化了加工工艺。因而大幅度地降低了加工成本，提高了电机的性能价格比。且可以实现精密的平滑的螺旋直线运动，轴(13)为车有矩形槽或梯形槽的螺旋杆，长度可由运动行程来确定。本步进电机可以轴为定子，而各电磁铁及端盖为动子(如图6)，或反之。图6表示当控制线圈12通以正电流，且控制线圈12′中电流为零时的磁场情况。其中激磁线圈通入图示方向的电流时产生的磁力线如图6虚线所示，当控制线圈12按图示的方向通入图示方向的正电流时则产生实线所示的磁场磁力线。其结果使极掌11下的合成磁通因两磁通方向相同而为最大，极掌11′下的合成磁通因两磁通方向相反而为最小，一般设计到等于零。而极掌11″和极掌11′′′下的磁通大致相同。这时其后果和索氏电机相同极掌11所受的磁力最大，极掌11′所受磁力几乎为零，而极掌11″和极掌11′′′的磁力在水平方向相互抵消。因而迫使极掌11的齿和轴13的齿对齐，动子产生螺旋平移运动。以后的状态与索氏电机中所述的相同。当轴承为直线导向轴承以限制该电机的动子作圆周运动时则电动机可作单纯的精密直线运动。
参见图7，控制线圈12中的电流IA及另一控制线圈12′中的电流IB由控制线圈电流发生器22供给，该发生器并可由单片微机21进行控制，以分别产生由细分后的脉冲形成的包络呈正弦形和余弦形的电流。IA、IB与索氏电机所用者相同(如图3所示)。激磁线圈14的电流I0为由激磁电流产生器23发生的直流电流。因而激磁电流产生器23为一常规的直流电流源。通过改变固定激磁电流的大小和两个控制线圈的电流幅值就能改变该电动机的推力和吸力。本发明的电机产生的推力是沿螺旋方向的故可以作螺旋式前进或后退的运动。单片微机可用MCR-51型号的单片微机，通过发挥其“细分”软件的功能，可使得原来需要加工间距为例如0.02毫米的很多条平行槽简化为现在的只需要加工间距为例如1毫米的螺旋形槽加工量，大大地削减了电机的加工工时和成本。
权利要求
1.一种电磁式螺旋型直线步进电动机，采用封闭的筒形结构，中间有一根由铁磁材料制成的轴(或管)，在轴(或管)的外围，套放着四个环形磁极铁芯，在四个环形磁极铁芯之间，间隔地嵌夹着三个环形线圈，位于中部的线圈为固定直流激磁线圈，位于两端的线圈为控制电磁铁的线圈，磁极铁芯和线圈与部分或全部包围它们的筒形磁轭组合在一起形成电机的动子(或定子)，磁轭和磁极铁芯均由磁性材料制成，固定在两端磁极铁芯上的由非磁性材料作成的滑动轴承，保持着电机定、动子之间的微小间隙，其特征是在轴(或管)的表面和磁极铁芯内径表面上都车有螺纹。
2.如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于所述的环形为圆环形，所述螺纹的截面为矩形(或梯形)槽形截面。
3.如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于所述轴(或管)的螺旋形槽内嵌绕由非铁磁材料制成的导电条。
4.如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于所述一控制电磁铁的一个极掌上的凹槽对准所述轴的凹槽，其另一个极掌上的凹槽对准所述轴的凸起部分;另一控制电磁铁的一个极掌上的凹槽以其左半部分对准所述轴的凹槽，其另一个极掌上的凹槽以其右半部分对准所述轴的凹槽。
全文摘要
一种电磁式螺旋型直线步进电动机，采用封闭的筒形结构，所有电磁铁均环绕在轴，中央电磁铁采用固定直流激磁线圈电激磁的方式，两端为控制电磁铁。中间轴(或管)的表面车有矩形或梯形槽形截面的等螺距螺纹，槽内嵌绕着铜线或铝线，这种结构提高了材料的利用率，同时增大了电机输出的推力和自锁力，这种电机和传统结构形式的同类机种相比，提高了性能，简化了加工工艺，提高了该类机种的性能价格比指标。
文档编号H02K41/03GK1069370SQ9210475
公开日1993年2月24日 申请日期1992年6月15日 优先权日1992年6月15日
发明者丁志刚 申请人:宁波大学