专利名称：改进型步进电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及步迸电机，更具体地说，涉及对步进电机及其定子、线圈铁芯 的结构的改进。
背景技术：
现有的用于汽车仪表组的步进电机由齿轮驱动，以实现前仪表盘上的模拟 显示。但是，现有的一些步进电机结构中，定子本身等腰梯形的形状使得线圈 缠绕困难，难以制造，因此非常昂贵。还有一些步进电机中的定子需要进行机 械加工，使其成本亦非常昂贵。现有的步进电机中，定子多采用代表性的镍铁型(NiFe)软磁合金，并不 经济。由于镍铁型合金是软性材料，在热处理过程和后续的处理过程中，镍铁 型合金的几何特征易于扭曲和弯曲。这些变形会影响材料的磁性。此外，镍铁 型合金制成的线圈铁芯和定子还很难维持其平直度，并且十分昂贵。在易变的气候和潮湿的环境下，在汽车、工业仪表组和时钟机构中采用上 述类型的步进电机，镍铁型合金制成的定子或线圈铁芯由于其一般含有40% -80%的镍成分而不易被腐蚀，但其主要的缺陷是制造昂贵并难以维持其几何 形状的平直度，而这对于磁性和磁通量合理分配以实现平滑且稳定的转子旋转 是至关重要的。发明内容本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种改进 的步进电机，采用硅铁型合金制成的定子和线圈铁芯，降低成本，并可提高性 能。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种步进电机，包括转
子、定子以及线圈铁芯和线圈组成的线圈组，其中所述定子和/或线圈铁芯由 硅铁型合金制成。上述步进电机中，所述硅铁型合金的硅含量为1.5%-6%，推荐的硅含量约为3%。上述步进电机中，所述硅铁型合金内含有高达0.8%的铝和锰。上述步进电机中，所述定子的中部沿其中心轴线对称设置有加强件。所述 加强件沿定子的中心轴线对称设置并与定子的上部和下部连接。或者，所述加 强件绕定子的中心设置并连接定子的下部。所述加强件的外侧冲压形成有连接 所述加强件以及定子的上、下部且在装配步进电机时可移除的肋条。上述步进电机中，所述定子和线圈铁芯的表面纹理方向与制造所述定子和 线圈铁芯时的轧辊方向平行。上述步进电机中，所述定子和/或线圈铁芯表面设有防腐涂层，所述防腐 涂层可以是丙烯酸涂层。实施本发明的步进电机，具有以下有益效果通过采用便宜的硅铁型合金 制成定子和线圈铁芯，本发明的步进电机成本得到显著降低，但是却能获得与 镍铁型步进点进相当的性能，可以承受弯曲和扭曲并提供稳定引导的磁通量， 可经济地用于汽车仪表盘、工业计量表和时钟装置。
图1是本发明步进电机的一个实施例的结构示意图；图2是本发明定子上增加加强件的一种改进的结构示意图；图3是本发明定子上增加加强件的另一种改进的结构示意图；图4是本发明制造定子/线圈铁芯时表面纹理方向平行于轧辊方向的示意图。附图标号清单1转子 6， 7 加强件2定子 8 肋条3 线圈组 9 轧辊方向4线圈 10 纹理方向5线圈铁芯具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明-如图1所示，步进电机主要由转子1、定子2以及包括线圈铁芯5和线圈 4的线圈组3组成。为了使步进电机能够维持高性能运行，步进电机中的由定 子2和线圈铁芯5组成的磁路必须由渗透性好、矫顽磁场低且电阻抗系数大的 材料制成。因此，本发明的实施例中，定子2和线圈铁芯5由硅铁型(SiFe) 合金制成。将铁与硅炼制成的合金相比于不含硅的合金，可以获得更高的电阻系数， 从而降低涡流损耗。在室温20"C下，48%的镍铁型(NiFe)合金和80%的镍 铁型合金的电阻系数约为50-60微欧/厘米，而对于硅铁型合金而言，其电阻 系数可达70微欧/厘米。由于流经钢内的涡流的量取决于电流通路的电阻系数， 因而在使用SiFe合金的情况下，涡流得到最小化。由于在实际步进电机运行过程中磁通翻转是不断变化的，被认为是高频应 用，因此定子和线圈铁芯的厚度应该尽可能的薄，因为涡流损耗是与该厚度的 平方成正比的。但是出于设计、制造和成本的考虑，定子和线圈铁芯的厚度推 荐为0.4mm到0.8mm，以减少涡流损耗。此外，硅的加入还降低了磁滞损耗。随着硅含量的增加，材料的硬度和屈 服强度随之增加，但这同时使得材料非常地易碎并易延展，因而难以加工。因 此，本发明采用硅含量为1.5%-6%的硅铁型合金，并最好使用硅含量为3%的 硅铁型合金。硅含量约为3%的硅铁型合金的硬度大约是185-230Hv。当硅含 量高达6%-7%时，虽然具有更好的磁性，但因太易碎而难以进行如冲压甚至 机械加工之类较为经济的处理。此外，硅铁型合金内含有的铝和锰达到0.8% 时，可以获得很好的内部材料颗粒结构，以降低磁滞损耗。由于磁通量的方向不断变化从而产生对转子的转矩或力距，因此本发明采 用各向同性的硅铁型合金。在电磁路中，所有铁芯损耗或电磁损耗产生的实际
效果是磁滞损耗和涡流损耗的总和，并且采用硅含量为1.5%-6%的硅铁型合 金制成的定子和线圈铁芯可降低铁芯损耗，这样可维持高饱和磁化强度。与低于15kG磁化强度的NiFe合金相比，本发明采用硅铁型合金的磁化强度可超 过20kG。通过调整感应系数、阻抗和线圈直径后，本发明的硅铁型的步进电 机可以获得与镍铁型步进电机相当的性能，但是成本得到显著降低。此外，本发明由硅铁型软磁合金制成的定子和线圈铁芯可进行表面防腐处 理或者进行现有的各种其它可用的表面处理。目前可用的阻蚀剂非常多，使用 成本显著便宜的硅铁型合金再结合使用阻蚀剂进行表面处理时，所需的费用仍 然比镍铁型定子/线圈铁芯的成本低。本发明一个实施例中使用的阻蚀剂是钝化抑制剂，在硅铁型合金的表面设 置钝化层。这种钝化抑制剂包括两种类型氧化阴离子(无氧)和非氧化离子 (有氧)。这些抑制剂是最有效的，因而被广泛使用，其中基于铬酸盐的抑制 剂是最便宜的一种。另一种便宜的选择是耐用并持久的丙烯酸涂层，可通过例如浸渍、喷涂、 滚轧涂敷的方式实现。在图1所示的步进电机中，定子2或线圈铁芯5不管是由镍铁型合金还是 由硅铁型合金制成，都通过连续冲压或模压以经济地方式制得。但是，在冲压 过程中产生了应变，即弹性应变。弹性应变在冲压力移除之后就会消失。然而， 另一种塑性应变在部件冲压出来之后仍然会存在。即使是冲压结束后，在部件 通过正常处理弯曲或变形时，仍会引起塑性应变。塑性应变会扭曲材料的晶体 结构，影响定子和线圈铁芯的磁性。由于步进电机尺寸都比较小，定子或线圈 铁芯的微小变形都将影响电机的性能。因此，在电机运行过程中维持定子和/ 或线圈铁芯的平直度是至关重要的。图2示出了定子结构的一种改进。如图2所示，在定子的中部增加了由边 界abcd和efgh所定义的加强件6，该加强件6增强了整个定子结构的硬度。 其中，该加强件6沿定子的中心轴线对称设置，加强件6的上端边界ab和ef 与定子的上部相连，下端边界cd、 gh与定子的下部连接，从而加强了整个定 子结构的刚性和稳定性，最小化了应变，并在从冲压到最后组装的整个制造过
程中，维持了定子的平直度。通过该加强件，定子左右两侧的两个线圈组3 产生的磁场将更加一致地引向转子区域，更好地与磁通线对齐。这一加强件可 适用于镍铁型和硅铁型两种类型的定子和线圈铁芯。由于其它配合的部件或结构的约束或限制，需要设有间隙，图3便是本发 明定子结构的另一种改进。如图3所示，增设的加强件7由边界ljkl和mnop 所定义，其沿定子的中心轴线对称设置并连接定子的下部，以留出与其它部件 或结构配合的间隙空间。为了维持其硬度，在冲压过程中，在定子的上下部之 间沿定子中心轴线对称形成有如图3中所示的肋条8，肋条8与加强件7以及 定子的上、下部连接。在经过某些其它形式的处理例如热处理之后，在组装成 步迸电机之前，会先移除这些肋条8以便于与其它部件进行装配。这一结构也 将最小化整个定子的应变。图2和图3的结构在上述介绍中有所简化，以便展示出本发明定子的结构 改进，这些改进提高了结构的稳定性和硬度，最小化将损坏定子磁性晶体结构 的应变，并且这样也减少了磁滞损耗和涡流损耗，保持了硅铁型或镍铁型合金 的磁性，使其如刚从工厂生产出来时一样。但是，本发明增设的加强件并不仅 限于图2和图3，还可以采用其它各种形式实现。图2和图3中的几何特征的改进也有助于线圈组产生的磁通线与转子的对 齐，实现一致的和稳定的旋转。此外，图2和图3所示的结构并不对本发明步 进电机中其它配合的部件和结构特征产生任何限制。采用什么样的定子/线圈铁芯制造方法也会对转子的扭矩或力拒产生影 响。图4所示为本发明提出的一种定子/线圈铁芯的制造方法，即在制造时保 持定子/线圈铁芯的表面纹理方向10与轧辊硅铁型合金时的轧辊方向9 一致， 即两者平行。这样的话，当产生磁场时，磁通线能够更有效地引向转子区域， 以实现更大的扭矩或力矩。另一方面，如果在制造定子/线圈铁芯时使其表面 纹理方向垂直于轧辊方向，则磁通线的引导将较为低效，这样将在转子处产生 较小的扭矩或力矩。
权利要求
1、一种步进电机，包括转子、定子以及线圈铁芯和线圈组成的线圈组，其特征在于，所述定子和/或线圈铁芯由硅铁型合金制成。
2、 根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述硅铁型合金的硅 含量为1.5%-6%。
3、 根据权利要求2所述的步进电机，其特征在于，所述硅铁型合金的硅 含量约为3%。
4、 根据权利要求2或3所述的步进电机，其特征在于，所述硅铁型合金 内含有高达0.8%的铝和锰。
5、 根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述定子的中部沿其 中心轴线对称设置有加强件。
6、 根据权利要求5所述的步进电机，其特征在于，所述加强件沿定子的 中心轴线对称设置并与定子的上部和下部连接。
7、 根据权利要求5所述的步进电机，其特征在于，所述加强件绕定子的 中心设置并连接定子的下部。
8、 根据权利要求7所述的步进电机，其特征在于，所述加强件的外侧冲 压形成有连接所述加强件以及定子的上、下部且在装配步进电机时可移除的肋 条。
9、 根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述定子和线圈铁芯 的表面纹理方向与制造所述定子和线圈铁芯时的轧辊方向平行。
10、 根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，所述定子和/或线圈 铁芯表面设有防腐涂层。
全文摘要
本发明涉及一种步进电机，包括转子、定子以及线圈铁芯和线圈组成的线圈组，其中所述定子和/或线圈铁芯由硅铁型合金制成。所述硅铁型合金的硅含量为1.5％-6％，推荐的硅含量约为3％。所述定子上还设有增强其硬度、维持其平直度以最小化应变的加强件。此外，本发明在制造时保持定子/线圈铁芯的表面纹理方向与轧辊硅铁型合金时的轧辊方向一致，使磁通线能够更有效地引向转子区域以实现更大的扭矩或力矩。本发明的步进电机成本得到显著降低，但是却能获得与镍铁型步进点进相当的性能，可以承受弯曲和扭曲并提供稳定引导的磁通量，可经济地用于汽车仪表盘、工业计量表和时钟装置。
文档编号C22C38/02GK101399466SQ200710077269
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月26日 优先权日2007年9月26日
发明者申小艳 申请人:申小艳