专利名称：步进电动机和转子的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有布置成围绕定子的转子的步进电动机 以及用于该步进电动机的转子。
背景技术：
步进电动机具有简单的结构，并且容易控制，因此应用于各个领域。尤其地，使用永久》兹体的PM (永一磁)步进电动机可 以以低成本制造，因此频繁地用在各个领域。在这种类型的步进电动机中，可靠性是很重要的，特别要 求步进电动机在所有条件下正常起动。为了保证步进电动机的 正常起动，控制步进电动机在准确的预定位置停止是必要的。 为了高精度的停止位置控制，将起动转矩调节得较小是常见的 做法。这是由于起动转矩是在转动中的载荷。然而，如果该载荷太大，例如，如果在步进电动机中使用 配重(weight)作为用于产生振动的载荷，那么当电动机未通 电(energize )时，难以将电动机精确地停止在期望的停止位置。 因此，已经提出当电动机未通电时通过增大起动转矩来可靠地 停止电动机的技术(参见日本专利申请公报No.43059/1985、 No.78513/1994和No.308214/1997 )。在PM步进电动机当中，外转子型单相步进电动机具有被布 置成围绕环状定子的转子。该定子具有由多个极齿形成的定子 磁辄，该转子具有磁体，沿该磁体的圆周交替地设置具有不同 极性的磁极。已知可通过调节磁体的励磁波形，即磁体的表面磁通密度 分布波形，来改变起动转矩(齿槽转矩)。由于励磁波形接近正弦波，谐波分量减少，从而减小了起动转矩。因此，常见的做 法是将励磁波形调整为接近正弦波。例如，在日本特开2001-57752号公报中，后磁轭被布置成 围绕磁体并且沿着磁体的磁极之间的分界位置设有凹部。位于 i兹体的f兹才及之间的分界位置面对凹部。因此，》兹通量(flux content)在磁极的分界位置处緩慢变化，并且可以减小起动转矩。实际上，在减小起动转矩的结构中，可以精确地进行停止 位置控制。然而，不能确保当电动机未通电时可以精确地进行 停止位置控制。即使在电动机未通电时，转子的枢轴也可转动。 在该情况下，优选进行用于在预定位置停止转子的停止位置控 制。原因在于如果当电动机未通电时转子停止在任意转动位 置，则当在这之后起动通电时，起动性能会变差。然而，上述 专利文献1至4没有特别地考虑在电动机的非通电时间的停止位 置控制。发明内容根据上述问题作出了本发明，本发明的一个目的是提供一 种通过调整磁体的励磁波形而能以高精度进行非通电时间内的 停止位置控制并且具有改进的起动性能的步进电动机。根据本发明的一个方面， 一种步进电动机，其包括定子；和转子，其被布置成围绕所述定子，所述转子具有环状磁体，其具有沿该环形磁体的圆周形成的多个磁 极，和梳齿状后磁轭，其被布置成围绕所述磁体并且具有多个梳 齿，所述梳齿面对相邻上述磁极的分界位置。
通过参考附图详细说明本发明的优选实施例，本发明的上
述目的和其他优点将变得更加明显，其中
图1是根据本发明 一 个实施例的步进电动机的分解立体图； 图2是图l中的步进电动机的定子部分的装配状态立体图； 图3是i兌明》兹体的》兹化的图4A是示出矩形波的励磁波形的图，图4B是示出正弦波的 励磁波形的图5是示出》兹体12的磁极和桥u齿之间的位置关系的图6是示出梳齿状后磁辄21的梳齿宽度与步进电动机最大 转速之间的关系的图7是示出梳齿状后磁轭21的梳齿宽度与阻尼之间的关系 的图8的(A)是当梳齿被布置成面对f兹极之间的分界位置时 磁极的磁通密度测量图；图8的(B)是当》兹极的中心位置与梳 齿的中心位置对准时f兹;f及的f兹通密度测量图；以及图8的(C) 是当磁极之间的分界位置与介于梳齿之间的分界位置对准时磁 极的磁通密度测量图9是示出粘合剂30的施加位置的图；以及
图IOA到IOC是示出环状梳齿状后磁轭21a与框架13分离地 设置的例子的图。
具体实施例方式
将参考
本发明的实施例。
图1是根据本发明的 一 个实施例的步进电动机的分解立体 图。图2是图l中的步进电动机的定子部分的装配状态立体图。根据本实施例的步进电动机是外转子型，并且包括定子l; 转子2,其布置成围绕定子；支架(底板)3,其用于保持定子l 并且具有供电的端子；以及盖4，其用于保护转子2。
定子l包括环状第一定子》兹辄6，其具有沿该定子》兹轭的 圆周的多个极齿5;环状第二定子磁轭8，其布置成面对第一定 子磁轭6并且具有多个极齿7;定子线圏9，其布置在第一定子磁 轭6和第二定子磁轭8之间；磁心IO，其被装配并且插入到形成 在定子线圏9的中心部分中的孔内；以及金属轴7fUl，其被装配 并且插入到形成在石兹心10的中心部分中的孑L内。
转子2包括环状磁体12,其被布置成围绕第一定子磁轭6 和第二定子磁轭8;框架13，其用于保持》兹体12;以及轴14,其 安装到框架13的中心部分。在磁体12中，沿着》兹体的圆周交替 地形成与定子》兹辄的极齿数目相同的》兹极。
框架13包括平板20,其中心部分安装有轴14;梳齿状后 磁轭21,其具有沿着平板20的圓周等间隔地布置的多个梳齿； 以及偏心配重22,其与梳齿状后磁扼21的外侧面的 一部分接合。 梳齿状后^兹辄21是本实施例的特4￡部分，稍后将详细地说明其 结构。
当形成定子1的各构件被组装起来时，获得如图2所示的步 进电动机的定子。图2示出拆卸了盖4的状态。
第 一和第二定子磁轭6和8互相交叉，第二定子磁轭8的多个 极齿7被布置在第一定子磁辄6的多个极齿5之间的间隔中，第一 定子磁轭6的多个极齿5被布置在第二定子磁扼8的多个极齿7之 间的间隔中。
在如图l所示的步进电动机中，如果通过定子线圈9供给电 流，则产生根据电流的方向的磁通，并且第一和第二定子磁轭6 和8的极齿5、 7被磁化。极齿5、 7面对磁体12的磁极，并且极齿5、 7与磁极在一些部分互相吸引，而在其它部位互相排斥。因 此，磁体12转动一个磁极(步)。然后，如果通过定子线圏9供 给的电流方向改变，则万兹体12进一步转动一步。以该方式，通 过交替地改变通过定子线圏9供给的电流的方向，磁体12转动各步。
磁体12在被安装作为如图1所示的步进电动机的 一 部分之 前，通过励磁波形(磁体的表面磁通密度分布的波形)被磁化。 通过将励磁磁辄(magnetizing yoke )23布置在磁体12的内周侧、 将励磁后》兹轭24布置在磁体12的外周侧、以及通过励磁》兹轭23 的线圏供给电流来进行磁体12的磁化，如图3所示。
励磁磁轭23由与磁体12的磁极数目相同的裂隙(槽)25形 成。通过将线圏布置在裂隙25中并且通过交替的相邻线圈供给 相反方向的电流，来磁化磁体12的磁极。
通过改变励磁磁轭23的形状，可以调整磁体12的励磁波形。 在磁化中，需要通过线圏瞬间供给几kA(安培)或更大的电流， 线圈的线径则需要尽可能的大，并且必须可靠地绝缘各线圏。 此外，磁体12越小，越难确保用于裂隙25的空间。因此，不容 易调整励磁磁轭23的形状，结果，仅仅通过励；兹磁扼23来精确 地调整》兹体12的励磁波形是不可能的。
常见的做法是将磁体12的励磁波形调整为接近正弦波。这 是由于如果励磁波形变为正弦波，则谐波分量消失，通电期
间的起动转矩可减小。然而，由本发明人做出的实验表明，励 磁波形越接近矩形波，越可以稳定地控制当电动机未通电时步 进电动机的停止位置。原因在于如果励磁波形接近矩形波， 则在磁体12的各磁极上的磁通分布变得均匀，在磁极之间的分 界位置，磁通分布大量地改变。
图4A和图4B是示出励磁波形的例子的图。图4A是示出矩形波的励磁波形的图，图4B是示出正弦波的励磁波形的图。当 在图4A的情况中，磁体12的各磁极的磁通分布均匀，而在图4B 的情况中，在各磁极的端部的磁通量变得小于在各磁极的中心 部分的》兹通量，并JU兹极上的磁通分布不均勻。特别地，如图 4B的虚线yl所示，靠近磁极之间的分界，磁通量的不均匀度增 大。
下面将详细地说明作为本实施例的特征部分的梳齿状后磁 轭21。梳齿状后磁轭21具有与磁体12的磁极数目相同的磁极。 图5是示出》兹体12的》兹极与梳齿之间的位置关系的图。图5仅示 出磁极和梳齿的部分。如图所示，梳齿状后万兹扼21的梳齿中的 每一个一皮布置成使得每个梳齿的中心部分面对；兹体12的两个相 邻磁极之间的分界位置。梳齿的宽度大约是》兹体12的；兹极的宽 度的一半。
由本发明人做出的实验表明，通过将梳齿和磁极布置在图5 所示的位置，励万兹波形的振幅在接近如箭头y2所示的》兹极之间 的分界位置时增大，结果，励磁波形接近于矩形波。
图6是示出梳齿状后磁轭21的梳齿宽度与步进电动机的最 大转速之间的关系的图。图6中的横坐标代表用于表示步进电动 机的梳齿宽度与磁极宽度的比率的占空比(duty)，并且沿着纵 坐标为45%、 50%和55%的占空比绘出最大转速。如图所示，梳 齿的宽度越大，最大转速越大。由于具有更高的最大转速的电 动机是优选的，仅从图6的结果判断，较宽的梳齿明显是优选的。
图7是示出梳齿状后磁轭21的梳齿宽度与阻尼(damping) 之间关系的图。在图7中，分别绘出45%、 50%和55%的上述占 空比的阻尼值。
在此，阻尼指的是从步进电动机不通电的状态起当沿着一 个方向供给电流时首次通过步进电动机的稳定位置所需的时间(上升时间)。例如，在进行过冲(overshooting)操作以通过稳 定位置的情况下，阻尼指的是通过稳定位置的首次过冲而第一 次通过稳定位置所需的时间。阻尼值越小，电动机的性能越优异。仅从图7中的结果判断， 梳齿的宽度越窄，电动机越好。如上所述，如果注意力集中在梳齿宽度上，则图6和图7示 出相反的结果。从这些结果可以清楚地看出，50%的占空比， 即梳齿状后》兹轭21的桥u齿的宽度大约是f兹体12的》 兹极宽度一 半，优选用于确保步进电动机的最大转速性能和阻尼性能。接着，将说明磁体12的磁极和梳齿状后磁辄21的梳齿之间 的位置关系。图8示出当磁极和梳齿之间的位置关系以三种方式 改变时磁极的磁通密度的测量结果的图。图8的(A )示出梳齿 被布置成面对磁极之间的分界位置的例子；图8的(B)示出磁 极的中心位置与梳齿的中心位置对准的例子；以及图8的(C) 示出磁极之间的分界位置与梳齿之间的分界位置对准的例子。 在这些图中，横坐标表示作为磁体12的中心角的沿宽度方向的 磁极位置，纵坐标表示在每个位置的磁通密度。图8示出磁体12设有10个磁极并且具有8.7毫米的直径的例 子。在图8中， -磁体12的5个S极的》兹通密度分布曲线重叠。磁极中的磁通密度最大的区域在图8的(A)中是最宽的， 在图8的(B)中是其次宽的。因此，在图8的(A)到8的(C) 三种情况下，在梳齿的中心部分面对磁极之间的分界位置的情 况下，磁极上的磁通密度的均匀度是最高的。因此，在该实施 例中，根据图8的(A)进行梳齿状后磁轭21和磁体12之间的定 位。顺便提及，当磁体12的磁极和后磁轭的梳齿的位置由于后 磁轭被来自磁体12的磁力线励磁而以各种方式改变时，磁极的》兹通密度改变，并且由后万兹轭的各梳齿产生的^"兹力线和,兹体12 的磁力线彼此作用的程度根据磁极和梳齿之间的位置关系而不 同。如图l所示，配重构件22被接合到才危齿状后》兹轭21的外侧 面。通过4吏用粘合剂将梳齿状后磁轭21和配重构件;波此接合。 图9时是示出粘合剂30的施加位置的图。如图9所示，粘合剂30被施加在冲危齿之间。更具体地，具有 梳齿状后磁轭21的磁体12和框架13相对于彼此定位，并且由夹 具固定，然后，在梳齿之间施加粘合剂30。由于粘合剂30是露 出的，可以使用当在施加之后暴露于紫外线辐射时固化的紫外 线辐射型粘合剂。由于在图9所示的粘合剂3 0的施加位置形成凹 部(粘合剂储存部)，所以粘合剂被进一步施加到凹部，以接合 配重构件22。如上所述，如果使用梳齿状后》兹扼21,可在进行梳齿状后 ^兹扼21和框架13之间的定位之后施加粘合剂3 0,因此可以精确 地完成定位。此外，可以使用紫外线辐射型的粘合剂30。而且， 用于接合配重构件22的粘合剂储存部由施加粘合剂而形成，因 此，容易施加用于接合配重构件22的粘合剂。另 一方面，如果使用具有一致高度的侧面的杯状转子框架 代替梳齿，粘合剂被施加到转子框架侧面的内侧，那么磁体必 须沿着施加面插入，这将使粘合剂的施加变得麻烦。而且，粘 合剂的施加面是转子框架侧面的内侧，因此，不能使用紫外线 辐射型粘合剂，而仅可使用有限类型的粘合剂。此外，在将转 子框架和磁体相互接合之后没有产生粘合剂存储部，这使得用 于接合配重构件的粘合剂的施加变得麻烦。虽然已在上述实施例中说明了作为框架13的一部分的梳齿 状后磁轭21，该梳齿状后磁轭21也可与框架13分离地设置。在该情况下，通过使多个梳齿连接成为 一 体而形成的环状梳齿状后磁辄21a可以纟皮贴到磁体12的外周面上，然后，框架13可以净皮安装。图IOA至IOC是示出与框架13可分离地设置环状梳齿状后 磁轭21a的例子的图。图IOA示出磁体12的俯视图和侧视图，图 IOB示出贴到/磁体12的外周面上的梳齿状后》兹辄21a的俯视图 和侧视图，以及图IOC示出》兹体12与才危齿状后；兹扼21a的装配状 态的俯视图和侧视图。如图10A至10C所示，通过将各个才危齿连4姿成环形而形成才危 齿状后f兹辄21a。如图10C中所示，当图IOA中的》兹体12和10B 中的梳齿状后万兹轭21a被装配时，它们;故布置成使得冲危齿状后》兹 轭21a的梳齿的中心部分与磁体12的》兹才及之间的分界位置相符 合。结果，与图5类似地，磁极的励磁波形比正弦波更接近矩形 波。如上所述，才艮据该实施例，梳齿状后》兹轭21被布置成围绕 磁极12,磁体12的磁极和梳齿状后磁轭21的梳齿的中心部分之 间的分界位置相互面对。因此，磁体12的》兹极的磁通密度变得 均匀，当电动冲几未通电时，可以精确地进行停止位置控制。虽然已经在上述实施例中说明了具有10个磁才及的^兹体12和 具有10个梳齿的梳齿状后》兹辄21, ^f旦是^兹才及的数量不限于上述 实施例中的数量。而且，磁极12和;隨齿状后》兹辄21的尺寸也不 限于上述实施例中的尺寸。
权利要求
1.一种步进电动机，其包括定子；和转子，其被布置成围绕所述定子，所述转子具有环状磁体，其具有沿该环形磁体的圆周形成的多个磁极，和梳齿状后磁轭，其被布置成围绕所述磁体并且具有多个梳齿，所述梳齿面对相邻上述磁极的分界位置。
2. 根据权利要求l所述的步进电动机，其特征在于，所述梳齿状后磁轭调节所述》兹体的表面》兹通密度分布，使 得在所述磁极的分界位置处，所述表面》兹通密度分布的波形更 接近矩形波而不是正弦波。
3. 根据权利要求l所述的步进电动机，其特征在于， 所述多个磁极的数量与所述多个梳齿的数量相等。
4. 根据权利要求l所述的步进电动机，其特征在于， 所述多个冲危齿的中心部分被布置成面对所述相邻万兹才及的所述分界位置；以及所述多个梳齿的宽度是所述磁体的所述磁极的宽度的一半。
5. 根据权利要求l所述的步进电动机，其特征在于，该步 进电动才几还包4舌配重构件，其被接合到所述梳齿状后磁辄的外表面的至少 一部分；以及粘合剂，其被涂覆到所述梳齿状后磁轭的所述相邻梳齿之 间，以接合所述配重构件。
6. 根据权利要求5所述的步进电动机，其特征在于， 所述粘合剂是紫外线辐射型粘合剂。
7. 根据权利要求l所述的步进电动机，其特征在于，所述转子具有与所述梳齿状后磁轭不可分离地形成的框 架，该框架的中心部分设有轴。
8. 根据权利要求l所述的步进电动机，其特征在于，所述转子具有与所述梳齿状后磁轭分离地形成的框架，该 框架的中心部分设有轴。
9. 根据权利要求8所述的步进电动机，其特征在于，所述梳齿状后磁轭由接合所述多个梳齿的环状构件形成。
10. —种用于步进电动机的转子，其包括环状》兹体，其具有沿该环形》兹体的圆周形成的多个》兹才及，和梳齿状后磁辄，其被布置成围绕所述磁体并且具有多个梳 齿，所述梳齿面对相邻》兹极的分界位置。
11. 根据权利要求10所述的转子，其特征在于， 所述梳齿状后磁轭调节所述磁体的表面磁通密度分布，使得在所述磁极的分界位置处，所述表面磁通密度分布的波形更 接近矩形波而不是正弦波。
12. 根据权利要求10所述的转子，其特征在于， 所述多个磁极的数量与所述多个梳齿的数量相等。
13. 根据权利要求10所述的转子，其特征在于，所述多个梳齿的中心部分被布置成面对所述相邻磁极的所 述分界位置；以及所述多个梳齿的宽度是所述磁体的所述磁极的宽度的一半。
14. 根据权利要求10所迷的转子，还包括配重构件，其被接合到所述梳齿状后磁轭的外表面的至少 一部分；以及粘合剂，其被涂覆到所述梳齿状后磁轭的所述相邻梳齿之间，以接合所述配重构件。
15. 根据权利要求14所述的转子，其特征在于，所述粘合剂是紫外线辐射型粘合剂。
16. 根据权利要求10所述的转子，还包括 与所述梳齿状后磁轭不可分离地形成的框架，该框架的中心部分设有轴。
17. 根据权利要求10所述的转子，还包括与所述冲危齿状后》兹轭分离地形成的才匡架，该框架的中心部 分设有轴。
18. 根据权利要求17所述的转子，其特征在于，所述梳齿状后磁轭由接合所述多个梳齿的环状构件形成。
全文摘要
一种具有定子和布置成围绕该定子的转子的步进电动机和转子。转子具有环形磁体，该环形磁体具有沿着环形磁体的周面形成的多个磁极，以及梳齿状后磁轭，该梳齿状后磁轭被布置成围绕磁体且具有多个梳齿，其中，该梳齿朝向临近磁极的分界位置。
文档编号H02K1/27GK101320922SQ20081008910
公开日2008年12月10日 申请日期2008年3月28日 优先权日2007年3月30日
发明者松原真朗 申请人:美蓓亚马达株式会社