一种永磁步进伺服电机的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种永磁步进电机、一种永磁步进伺服电机及一种无死点的永磁直流电机，属于特种电机技术领域。
【背景技术】
[0002]步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日倶增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机按构造主要分为磁阻式步进电机、永磁式步进电机和混合(励磁)步进电机三类。其中，磁阻式步进电机虽精度较高，但功耗大、效率低；传统的永磁式步进电机功耗小、体积小，但精度低、运行频率低、力矩小。相比之下，混合步进电机是磁阻式步进电机和永磁式步进电机的结合，兼具两者优点，因体积小、性价比高、可靠性好、运行平稳、易于控制而逐步处于主导地位。虽然混合步进电机已广泛应用，但仍然有个显著的缺点，主要表现在:1.如果控制不当容易产生共振;2.难以运转到较高的转速；3.难以获得较大的转矩;4.在体积重量方面没有优势，能源利用率低;5.超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。这些缺点限制了步进电机的一些应用，尤其是机器人的关节驱动电机要求重量轻、转矩大、震动小、转速调节范围大，现有步进电机很难达到这个要求。
[0003]伺服电机(servomotor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。但目前的伺服电机控制复杂，导致价格昂贵；重量扭矩比大，导致体积重量大，很多应用场合受到限制，尤其是在机器人应用上；电机效率较低。
[0004]单相无刷电机具有很多优点:1、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载;2、体积小、重量轻、出力大；3、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小;4、无级调速，调速范围广，过载能力强5、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置6、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%?60%，仅节电一项一年收回购置成本;7、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单;8、耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长;9、无电磁干扰，不产生火花，特别适合爆炸性场所。但是，因为存在启动死点，并没有得到广泛应用。
[0005]电工技术学报2013年11期，第28卷第11期刊登了一篇名为《定子单元铁心轴向类分布排列的横向磁通永磁直线电机》的文章，以及，名称为《一种轴向分布的双凸极无刷直流电机》的专利申请提出了同一种相同的新型电机的设想，该电机可以提供较大扭矩和较大的调速范围，而且其线圈可以全部同时工作，有较高的功率体积比，对其进一步开发，可以得到性能优秀的永磁步进电机、永磁步进伺服电机及一种无死点的永磁直流电机。
【发明内容】
[0006]本发明的步进电机包含内转子和外转子步进电机，电机由m个相同的双凸极单相无刷直流电机组成，即相数为m。每个子电机的定子包含数量相同的2n(n为大于O的整数)个定子齿，齿上缠绕漆包线做成的线圈，相邻齿的漆包线绕制放线相反，所有线圈依次串联；每个子电机包含数量相同的2n块弧形磁钢，相邻磁钢极性相反，磁力线从弧面到弧背，或磁力线从弧背到弧面，2n块磁钢均匀分布地安装在和该子电机定子对应的环面上，构成该子电机转子。各子电机的所有定子安装在非磁性材料制作的定子安装座上，固定为一个刚性整体，中间有非磁性材料构成的隔板，以减弱各定子互相干扰，形成激波;各子电机的磁钢安装在同一个磁性材料制作的转子座上;选择转子或定子中的一个，通常是选择转子，在安装时依次在垂直于轴的平面方向旋转360/2mn度的角度定位，另外一个未选择的保持各子件对齐。配上端盖、轴承、轴等需要的配件并安装好，一台永磁步进电机就制作好了。必须要说明的是，本发明的核心思想是把m个2n极的双凸极无刷直流电机，依次旋转360/2mn度，安装在同一根轴上，用于步进电机，显然，稍微具有步进电机技术水平的人，可以在该思想指导下，变通出不同结构，比如子电机旋转平面和轴不垂直；比如定子和转子都不对齐，但各子电机依次相差360/2mn度等；比如定子隔板制作成不同形状，甚至由空气构成，或者隔板和定子座做成整体;比如转子或定子子件相隔很远，中间有其他装置，但是各子件还是用刚性机构连接起来等等，这些似乎和权利要求书有不同之处，但是只要本发明核心思想用于步进电机，这些都视为在本发明权利保护范围内。
[0007]针对以上设计，采用2m拍的控制方式，可得到:步距角=360度/2nm的永磁步进电机。所谓2m拍的控制方式，即依次通电，使各子电机的转子极依次和各子电机定子极对齐，假定初始位为第m个子电机的定子转子对齐，然后只给第I个电机通电，直到第I个子电机的定子转子对齐，转子整体旋转360/2mn度;然后只给第2个电机通电，直到第2个子电机的定子转子同向对齐，转子整体再旋转360/2mn度，这样直到第m个子电机的定子转子再次对齐，转子转过360/2n度，如此循环，电机就正常工作了。根据本发明的永磁步进电机的步距角公式，很显然，其步进角没有下限，当前的混合步进电机的步距叫通常为1.2度，如果取永磁步进电机的11=45，1]1=4，那么步距角就是:360/(2\45\4)=1.0度，在步距角上本发明可以超越传统的混合步进电机。把双凸极无刷直流电机换成盘式电机，采用同样的结构特征，也可以实现本发明的思想。
[0008]以上控制方法比传统电机的步距角优势不大，那么还可以采用4m拍运行方式。所谓4m拍运行方式，就是在2m拍运行方式的各步中插入一步，在前面子电机对齐后，下一步后面子电机和前面子电机同时通电，这两个子电机都不会对齐，而使转子整体再同向转过360/4mn度，这样依次在2m拍运行方式每拍后面插入这样一步，步进电机的步距角将变为360/4mn，同样，取永磁步进电机的n=45，m=4，那么步距角就是:360/(4 X 45 X 4)=0.5度这种控制方式也有缺点，那就是插入的步没有锁定力矩，断电后将回到有锁定力矩的2m控制方式的步位置。
[0009]以上2种运行方式都只有I相通电，其他相不通电，这种通电方式和传统步进电机一样，也是传统步进电机扭矩不大的原因。传统电机由于结构原因不能所有相同时通电，但本发明可以所有相同时通电运行，从而把扭矩增大到约m倍，同时能以5000r/min以上的高速运行。这种控制方式必须增加一个转子角度传感器，各子电机作为单相无刷直流电机独立运行，在运行到指定步数时，转换为2m或4m拍运行方式进行刹车，电机会停止在指定步数位置。
[0010]本发明的永磁步进电机的步距角公式决定了步距角和子电机的极数和子电机的数量成反比，本发明增大扭矩也很容易，增加子电机的直径，可以增大扭矩，并减小步