混合步进电机的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及步进电机，尤其是需要平滑运动的步进电机设计。
【背景技术】
[0002]在步进电机运动控制工业中低速振动是难题之一。步进电机的应用可能需要平滑运动，包括扫描仪，打印机，X-Y工作台，转台，CNC机器，分配器，喷射泵，诸如安全摄像头之类的光学设备，以及任何运动控制系统的精密装置。
[0003]控制振动的困难是由于在转子和定子之间的空气间隙中强烈的磁性，由此使得通过从定子产生的安培圈单独控制磁通变得极为困难。因而，采用电子和机械阻尼以提高平滑运动。
【发明内容】
[0004]通过意识到难以控制空气间隙里的磁通是由于在转子中盘状永磁体的使用可实现平滑运动，并且通过意识到这种永磁体不需要出现在转子中但可移动到定子中而远离间隙。具体地说，本发明从环状永磁体提供了足够的磁性，该环状永磁体夹在两个定子堆叠体的外部部分之间。这个在定子中而不是在转子中的永磁体远离空气间隙定位，即位于绕组外部的定子周界内。因此，现在是空气间隙里的磁通支配，而不是绕组。这使得定子绕组产生的安培圈磁通较容易地控制磁通。在非通电电极的磁通交叉用于具有在低和高的步进速度时较少振动和噪声的平滑运动减少。步进精度也提高，因为较少杂散磁通。
[0005]步进电机包括转子和定子绕组组件。转子具有多个转子齿并适于在定子绕组组件中转动，且籍由轴承安置在轴向转轴上。定子绕组组件包括带有定子极组的定子，所述定子极组具有定子齿组。定子极缠绕有线圈，该线圈可在一系列的相位被驱动，以便其与转子相互磁性作用。此外，如本发明所述的定子，其特征在于，所述定子具有夹在线圈定子外部的两个定子堆叠元件之间的环状永磁体。这样，在相应的转子齿和定子齿之间的间隙里的磁通受由通电定子线圈的安培圈产生的磁通支配，具有从任何相位下的非通电电极减少的磁通交叉。
[0006]步进电机包括转子和两个定子堆叠体。转子可以是两个偏移1/2齿距的堆叠体，而两个定子堆叠体具有相互对齐的定子齿。替代地，转子可以是一个堆叠体，而两个定子堆叠体组件使得其偏移1/2齿距。步进电机包括其形状与定子磁轭形状相符合的永磁体，该永磁体定位在定子绕组外部并夹在两个定子堆叠体之间。这就不再需要在转子内部的永磁体。
[0007]转子可包括转子堆叠元件，该堆叠元件相对于另一个堆叠元件偏移二分之一的齿距，相应的定子堆叠元件具有相互对齐的定子齿。替代地，定子堆叠元件可具有相对于另一个定子齿偏移二分之一齿距的定子齿，而转子是与转子齿对齐的单个元件。
[0008]环状永磁体优选地具有与定子堆叠元件相符合的形状。定子可进一步具有非金属间隔件，该间隔件夹在定子堆叠元件之间并定位在环状永磁体内。通常地，转子缺少任何永磁体。
[0009]永磁体的磁性可由从定子产生的安培圈控制，因此提供了平滑运动。所有的磁通接着通电定子极。这不再需要、通常地不用任何在转子内的永磁体。这允许构建较小尺寸的电机并仍然保持合理的扭矩。因此可以获得每个惯性电机用于较快的加速的较高扭矩。此外，因为磁通路径减少，电机将会较高效。
[0010]替代地，可接受较大直径的轴(或中空轴)。在步进电机中，轴向转轴的直径不再受需要在转子中出现环状永磁体而被限制。因而，轴向转轴的尺寸可具有至少是转子直径一半的直径。这导致了若干新可能，其中转子和轴向转轴一起形成了线性致动器，例如导螺杆，滚珠丝杠和行星滚柱螺杆中的任何一个，由此转子的转动转变为轴向转轴的直线运动。因此，由转子和轴向转轴的组合成型的线性致动器可以是滚珠丝杠，所述转子限定了球形螺母，所述球形螺母包含通过球返回系统再循环的球形轴承，所述轴向转轴限定了在球形螺母内配合球状轴承具有螺旋凹槽沟的螺杆。
【附图说明】
[0011]图1A是现有技术的步进电机的侧剖图，包括转子的环状永磁体，其平面图如图1B所示。
[0012]图2A是根据本发明步进电机第一实施例的侧剖图，包括定子的环状永磁体(其平面图如图2B所示)。在图2A中，偏移齿是位于转子上并与在定子极上的齿对齐。
[0013]图3A是根据本发明步进电机第二实施例的侧剖图，包括定子的环状永磁体(其平面图如图3B所示)。在图3A中，对齐齿是在转子上，偏移齿则在定子极上。
[0014]图4A是根据本发明的步进电机第三实施例的侧剖图，包括定子的环状永磁体(其平面图如图4B所示)。附连在转子的轴向转轴的直径至少具有转子直径的一半。
[0015]图5A是根据本发明步进电机第四实施例的侧剖图，包括定子的环状永磁体(其平面图如图5B所示)。环状永磁体(其平面图如图5C所示)也嵌入在转子中。
[0016]图6是根据本发明的步进电机的定子组件的立体图。
[0017]图7A-7C示出了三个环状永磁体的不同示例形状的平面图，根据定子的周界形状，所述永磁体可使用在定子中，以便环状磁体与定子的形状相符合。
[0018]图8是转子和轴向转轴一起形成线性致动器的一个示例的立体图，在这个情况下是一个滚珠丝杠。
[0019]图9是步进发动机包括图8所示线性致动器第五实施例的侧剖图。
[0020]图10是标准化速度随步进电机每秒转动(RPS)而变化的图，所述发动机是根据本发明具有环状永磁体在定子内的64-微步一驱动0.9°的步进电机。
[0021]图11是三个不同种类电机的振动振幅相对步进电机速度(RPS)的图，对比两个现有技术电机和一个本发明电机的结果。
【具体实施方式】
[0022]参照附图1A和1B，传统步进电机设计利用两个转子堆叠件13和14相对于转子齿15和16偏移1/2齿距并把盘状永磁体17夹在堆叠件13和14之间。转子安装在轴向转轴19上。定子组件21也设置采用一个单独的包括线圈绕组的定子堆叠件，所述线圈绕组限定了具有定子齿的定子极，所述定子齿与相对间隙25的对应转子齿相互磁性作用。因转子的永磁体盘的磁通路径23被看到穿过间隙25。这使得通过通电定子绕组的相互磁作用难以被控制，因为间隙25里的磁通受永磁体17的磁通贡献23支配，导致了在低速步进时不期望的振动。
[0023]参照附图2A和2B，本发明步进电机31的实施例将永磁体47移到了定子组件40的周界。同样，两个转子部分33和34具有相应的偏移1/2齿距的转子齿35和36，但是部分33和34没有夹任何盘状永磁体。转子安装在轴向转轴39上。在定子组件40 (也见图6)中，环状磁体47夹在两个定子堆叠体41和42之间。非金属间隔件49可定位在环状磁体47的径向内部，并且也可夹在定子堆叠件41和42之间。如通常的步进电机定子组件，与外部导线38联接的线圈绕组44(见图6)设置围绕定子极组46，具有定子齿48的极46与相对间隙25的对应转子齿35和36相互磁性作用。在这个情况下，堆叠部分41和42中的定子齿48对齐。环状磁体47与定子堆叠41和42的形状相符合，在这个示例里，如图7A所示相对应于磁体形状。由于定子的环状永磁体47的磁通路径43被看到穿过间隙45，但因为环状磁体47在间隙45的远侧，间隙45中的磁通现在受通电定子线圈44的支配，由此允许增长的步进控制和较少振动。
[0024]图3A和3B示出了步进电机51的另一实施例，其中单个转子部分53具有单独一组对齐的转子齿55。同样，没有永磁体嵌入在转子中。在定子组件中，环状磁体67夹在两个定子堆叠件61和62之间。非金属间隔件材料