专利名称：混合型步进电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如在复印机、打印机、监视摄像机、ATM(现金自动存取款机)等中使用的混合型步进电动机。
背景技术：
混合型步进电动机的结构如下将齿形的铁心进行层叠而构成转子铁心51、
52(参照图5)，将转子铁心51和52彼此错开半个齿距地夹着圆筒状的转子磁体53安装在转子轴54上以作为转子。转子磁体53在与轴向平行的方向上被磁化成N / S极。在转子铁心51、52的外周形成有转子极齿，以与所相对的定子铁心55的定子极齿55a相对(参照图5)。在定子铁心55的定子极齿55a上卷绕有未图示的线圈。
在图5中,转子铁心51被磁化成N极,转子铁心52被磁化成S极。此时,形成以下的磁路由转子磁体53的N极产生的磁通从转子极齿51a穿过相对的定子铁心55，并经由转子铁心52的转子极齿52a进入转子铁心52，然后返回转子磁体53的S极。通过对卷绕在定子铁心55的定子极齿55a上的线圈进行通电，在转子上产生转矩而进行旋转(参照专利文献I)。在图5所示的转子结构中，存在极限而无法将转子磁体53的截面积设置成大于转子铁心51、52的外径。因此，使用剩余磁通密度Br较高的高价的转子磁体，或制作多层式的转子来提高电动机特性。图6中，在转子轴54上，将转子56隔着非磁性的圆筒隔板57在轴向上设置二层，该转子56通过将转子铁心51、52以形成于其外周的转子极齿51a、52a彼此错开半个齿距的状态夹着转子磁体53进行层叠而形成。圆筒隔板57用于防止转子56相互发生磁短路。此外，增加与转子56相对的定子铁心55的层叠厚度来确保磁通路径，以获得旋转力。此外，还提出有将转子之间相接近的转子铁心的极性设为相同极性、以省略圆筒隔板来配置多层转子的混合型旋转电机(参照专利文献I)。专利文献I :日本专利特开2008 — 278586号公报上述混合型步进电动机中，由于转子采用由转子铁心51、52夹着转子磁体53的结构，因此，在将转子做成多层结构的情况下存在以下问题。(I)为了防止转子铁心之间的磁短路，需要非磁性的圆筒隔板，该圆筒隔板是对磁路不作贡献的部分，因此，成为无法配置转子铁心的无用的空间。(2)此外，即使将转子在省略了图6所示的圆筒隔板的情况下配置成多层，由于转子将转子铁心以转子轴为中心层叠在转子磁体的两侧，并设置多个这样的转子，因此，若组装工具的精度较差，则各转子铁心的极齿的位置精度变差，对电动机特性有不良影响。(3)此外，在将转子轴54压入转子铁心51、52及转子磁体53时，在转子铁心及转子磁体的内径之间产生偏差，转子轴的压入力的不均衡变大，在与转子轴的嵌合(组装精度)方面存在问题。(4)对于转子轴54需要使用非磁性体的不锈钢类材料，因此，无法使用更为廉价的材料、例如作为强磁性体的碳素钢等材料作为转子轴54。(5)由于从转子与定子之间的气隙到转子磁体53的外周侧和内周侧的距离不相等，因此，穿过转子铁心51、52的磁通容易集中于转子磁体53的附近，使得穿过转子极齿51a、52a的磁平衡变差，振动较大，而且漏磁通增多，因而导致电动机特性下降。
发明内容
本发明为解决这些技术问题而作，其目的在于提供一种混合型步进电动机，在安装多层式转子时能减少转子铁心的数量，提高组装效率，减少漏磁通，提高电动机特性。本发明的特征在于为了解决上述技术问题而包括以下的结构。一种混合型步进电动机包括转子，该转子安装在转子轴上，并将转子磁体设置在外周面上形成有转子极齿的转子铁心中；以及定子，该定子在上述转子极齿与相对配置且卷绕有线圈的定子铁心的定子极齿之间形成磁路，通过对上述线圈通电，利用上述转子极 齿与相对的上述定子极齿之间所产生的旋转力来进行旋转，其特征在于，包括第一转子铁心，该第一转子铁心以上述转子轴为中心进行设置，并在外周面上形成有第一转子极齿；第一转子磁体，该第一转子磁体与上述转子轴同芯状地设置在上述转子极齿附近并呈环状；以及第二转子铁心，该第二转子铁心隔着磁性体分别层叠在上述转子铁心的轴向两侧，并以上述转子轴为中心进行组装，在外周面上分别形成有第二转子极齿，上述第一转子铁心的轴向层叠厚度形成得比上述第二转子铁心厚，在轴向上同时形成多处磁路，在该多处磁路中，上述第一转子磁体的磁通从上述第一转子极齿经由上述定子极齿，并经由轴向两侧的上述第二转子极齿、上述磁性体而返回上述第一转子磁体。根据上述结构，第一转子铁心的轴向层叠厚度形成得比上述第二转子铁心厚，在第一转子铁心的转子极齿附近，与转子轴同芯状地设有环状的第一转子磁体，能在铁心截面积较大的第一转子铁心的内部一侧形成多个磁路，因此，通过将上述第一转子铁心加厚，能减少层叠的铁心数量。例如，在磁路为二层时，转子铁心为三个，在磁路为三层时，只要四个转子铁心即可。由此，能减少安装于转子轴的铁心数量，能容易取得各转子极齿的位置精度，减小对电动机特性的影响。此外，在轴向上，在转子铁心之间不需要非磁性的隔板就能配置转子铁心，能增加磁通量，提高电动机特性。此外，不必在轴向上将转子磁体夹入转子铁心之间，在该轴向空间内也能配置磁性体(转子铁心)，因此能提高电动机特性。此外，在将转子轴压入转子铁心内时，需压入的铁心数量较少，因此，转子轴的压入力的不均衡也减小，能提供可靠性高的电动机。此外，本发明中，优选将上述转子磁体以在周向上为相同的极性的方式磁化成外周面和内周面分别为N极或S极，上述转子磁体也可以是环状。由此，转子铁心与定子铁心之间的有效截面积较大，形成能充分确保在径向上进行环绕的磁通路径的磁路。此外，本发明中，优选上述各磁性体的外径形成为在径向上被磁化的上述转子磁体的径向厚度的一半以下。由此，能防止由转子磁体所产生的磁通因磁短路而产生漏磁通。此外，在本发明中，也可以将在上述第二转子铁心的第二转子极齿附近与上述转子轴同芯状地设置的环状的第二转子磁体分别设置成径向上的磁极与上述第一转子磁体的磁极相反。由此，能使由第一转子磁体和第二转子磁体所产生的磁通在第一转子铁心、定子铁心、磁性体、第二转子铁心中形成的多个磁路中增加磁通量来提高电动机特性。上述第一转子铁心中，上层侧第一转子铁心和下层侧第一转子铁心隔着磁性体进行层叠，在上层侧第一转子极齿的附近设有上层侧第一转子磁体，该上层侧第一转子磁体与上述转子轴同芯状地进行设置且在径向上被磁化，在下层侧第一转子极齿的附近设有下层侧第一转子磁体，该下层侧第一转子磁体与上述转子轴同芯状地进行设置且在径向上被磁化成极性与上述上层侧第一转子磁体的极性相反，还可以形成以下磁路经由上述上层侧第一转子磁体、与上层侧第一转子极齿相对的定子极齿、下层侧第一转子极齿、磁性体而返回上层侧第一转子磁体。根据上述结构，不仅在上层侧第一转子磁体与第二转子铁心之间、下层侧第一转 子磁体与第二转子铁心之间，而且在上层侧第一转子磁体与下层侧第一转子磁体之间也分别形成有磁路，能以较少的转子铁心提高电动机特性。优选上述转子轴使用磁性体。由此，转子轴也能用作磁通路径，能使更多的磁通穿过，进而能使用廉价的磁性体制作转子轴，能降低制造成本。如果使用上述的混合型步进电动机，在安装多层式转子时能减少转子铁心的数量，提闻组装效率，减少漏磁通，提闻电动机特性。
图I是混合型步进电动机的剖视说明图。图2是另一例所涉及的混合型步进电动机的剖视说明图。图3是另一例所涉及的混合型步进电动机的剖视说明图。图4是另一例所涉及的混合型步进电动机的剖视说明图。图5是现有的混合型步进电动机的剖视说明图。图6是现有的混合型步进电动机的剖视说明图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明所涉及的混合型步进电动机的一个示例进行说明。图I表示混合型步进电动机的剖视说明图。混合型步进电动机包括转子2，该转子2安装在转子轴I上，并将转子磁体设置于在外周面上形成有转子极齿的转子铁心中；以及定子3，该定子3在转子极齿与相对配置且卷绕有线圈的定子铁心的定子极齿之间形成磁路。通过对上述线圈通电，在转子极齿与相对的定子极齿之间作用有旋转力而进行旋转。以下进行具体说明。在图I中，首先对转子2的结构进行说明。设有第一转子铁心4，该第一转子铁心4以转子轴I为中心进行设置，并在外周面的周向上以规定齿距形成有第一转子极齿4a ；以及第二转子铁心5，该第二转子铁心5以转子轴I为中心进行设置，并在外周面上以规定齿距形成有第二转子极齿5a。第一转子铁心4的轴向层叠厚度形成得比第二转子铁心5的轴向层叠厚度厚。此外，在第一转子铁心4的第一转子极齿4a附近，以转子轴I为中心同芯状地设有环状的第一转子磁体6。第一转子磁体6的配置位置尽可能地设置在第一转子极齿4a的附近较佳。由于能增大第一转子磁体6的有效截面积，所以能较多地获得有效磁通。此外，由于第一转子磁体6没有配置在第一转子铁心4与第二转子铁心5的轴向之间，因此，能增加第一转子铁心4的轴向厚度。由此，与层叠厚度相同的现有的转子相比，能增加总磁通，因而能提高电动机特性。混合型步进电动机一般使用钕烧结磁体，但本发明中，由于能实现最佳的磁路设计和增大磁体截面积，因而能使用价钱便宜的钕粘结磁体。由于钕粘结磁体能够成形，因此，能简单地制作第一转子铁心4，不必准备较多种类的第一转子磁体6。另外，并不限于钕粘结磁体，只要满足电动机特性和成本的要求，可以使用任意种类的磁体。 此外，直径比第一转子铁心4、第二转子铁心5小的环状磁性体7在轴向上层叠在第一转子铁心4和第二转子铁心5之间，并以转子轴I为中心进行设置。磁性体7的外径优选形成为在径向上被磁化成N极、S极的转子磁体6的径向厚度的一半以下。由此，能防止产生以下的漏磁通(磁短路)由转子磁体6产生的磁通从第一转子铁心4经由磁性体7返回第一转子磁体6。另外，也可以将磁性体7与第二转子铁心5制成一体，将第一转子铁心4与第一转子磁体6成形并进行组装或嵌件以进行组装。此外，为使在转子2与定子3之间形成的磁路的所有磁通流入，磁性体7的外形越大越好，但若为第一转子磁体6的径向厚度的一半以上，则会产生上述磁短路，因此，设定在径向厚度的一半以下为佳。而且,磁性体7可以不使用电磁钢板，而是使用磁通密度较高的材料、例如软铁(磁通密度2. 15)或珀明德合金(Co + Fe磁通密度2. 45)等，还能增加轴向的铁心层叠厚度。在图I中，定子3在第一转子极齿4a、第二转子极齿5a与相对配置且卷绕有线圈的定子铁心8的定子极齿8a之间形成有磁路。具体而言，通过对线圈通电，分上下二层形成如下的磁路由第一转子磁体6的N极产生的磁通从第一转子极齿4a经由相对的定子极齿8a，经由第二转子极齿5a，穿过第二转子铁心5，经过磁性体7及第一转子铁心4，返回第一转子磁体6的S极。根据上述结构，第一转子铁心4的轴向层叠厚度形成得比第二转子铁心5厚，在第一转子铁心4的转子极齿4a附近，与转子轴I同芯状地设有环状的第一转子磁体6，能在铁心截面积较大的第一转子铁心4的内部一侧形成多个磁路，因此，通过将上述第一转子铁心4加厚，能减少层叠的铁心数量。例如，如果是现有的层叠型步进电动机，在磁路为二层时，需要四个(参照图6)转子铁心，而本发明的层叠型步进电动机中，磁路为二层时，转子铁心为三个，同样，如果是现有的层叠型步进电动机，在磁路为三层时，需要六个转子铁心，而本发明的层叠型步进电动机中，磁路为三层时，只要四个转子铁心即可。由此，能减少安装于转子轴I的铁心数量，能容易取得各转子极齿的位置精度，减小对电动机特性的影响。此外，在转子铁心的轴向之间不需要非磁性的隔板就能配置磁性体7，能增加磁通量，从而能提高电动机特性。此外，不必在轴向上将转子磁体夹入转子铁心之间，在该轴向空间内也能配置磁性体7，能提高电动机特性。此外，在将转子轴I压入第一转子铁心4、第二转子铁心5内时，需压入的铁心数量较少，因此，转子轴I的压入力的不均衡也减小，能提供可靠性高的电动机。此外，转子轴I使用磁性体。由此，转子轴I也能用作磁通路径，能使更多的磁通穿过，此外，能使用廉价的磁性体(碳素钢类材料)制作转子轴1，能降低制造成本。此处，对混合型步进电动机的电动机特性进行研究。混合型步进电动机的转矩τ由下式来表示。τ = Kt · I · Sin Φ
Kt :转矩系数I :绕组的电流Sin Φ :转矩角此外，转矩系数Kt由下式来表示。Kt = η · Nr · Φη :绕组的匝数Nr :转子的齿数Φ :磁通量因此，无论将转子磁体6配置在何处，只要磁通量相同，则电动机特性就相同。不过，铁心存在饱和现象，在使用通常的电磁钢板的电动机中，在I. 7(T)以上的磁通密度下会发生漏磁通，有时会给电动机特性带来不良影响。此外，若将转子磁体的有效直径设为C，将铁心厚度(磁体长度)设为B，将齿宽设为Α，将齿数设为Nr，则磁体的全磁通量Φ由下式来表示。Φ = Bd · JiC · B(其中，Bd为磁体的工作点的磁通密度)此外，铁心极齿的全磁通Φ由下式来表示。Φ = Bt · A · B · Nr (其中，Bt为铁心齿部的磁通密度)若由转子磁体所产生的全磁通与穿过极齿的磁通相同，即不产生漏磁通，设计成效率最佳的磁路，则Bd · Ji C · B = Bt · A · B · NrBt = (Bd · Ji C) / (A · Nr)Bd、C、A、Nr分别是在设计阶段就确定的数字。根据上式，若铁心厚度与磁体长度相同，则极齿的磁通密度与铁心层叠厚度B无关地得到确定。因此，若对磁路进行设计，以使极齿磁通密度成为效率最佳的磁通密度，则能设计出与层叠厚度无关的、效率最佳的电动机。如上所述，电动机的转矩与磁通量Φ成正比，因此，为了确保所需特性，只要用层叠厚度来确定即可，不仅设计变得简单，而且没有浪费，能提供效率最佳的步进电动机。若将磁体截面积设为S，则转子磁体的磁通量由下式表示。Φ = Bd · S因此，若要增加磁通量，可以将磁路设计成提高磁体工作点的磁通密度Bd(增大磁导率)，或使用剩余磁通密度Br较高的高级别的磁体，或增大磁体截面积。现有的混合型步进电动机中，由于无法将磁体外径扩大至铁心的外径以上，因此，在增大磁体截面积方面存在极限。因此，以往使用剩余磁通密度Br较高的磁体或使用多层式转子。然而，若是本实施例所示的结构，则在层叠厚度方向上延长的话能获得较大的磁体截面积，因此，即使使用剩余磁通密度Br较小的廉价的磁体也能确保特性，如果使用相同等级的磁体，则能提高电动机特性。但并不是说层叠厚度能无限延长。由于产生的磁通穿过转子铁心，若该转子铁心成为饱和状态，则在转子的内部铁心会产生漏磁通而无法提高特性，因此，存在最佳的层叠厚度。因此，在要求更高的特性的情况下，需要采用多层式转子。此外，图2中示出混合型步进电动机的另一例。对于与图I相同的构件标注相同的编号，并沿用前面的说明。在图2中，在第二转子铁心5的第二转子极齿5a附近，与转子轴I同芯状地设有环状的第二转子磁体9。将该第二转子磁体9设置成径向上的磁极与第一转 子磁体6相反。由此，能使由第一转子磁体6和第二转子磁体9所产生的磁通在第一转子铁心4、定子铁心8、第二转子铁心5、磁性体7中在轴向上分两层形成的磁路中增加磁通量来提高电动机特性。此外，图3中示出混合型步进电动机的另一例。对于与图I相同的构件标注相同的编号，并沿用前面的说明。在图3中，采用从图2的另一例的混合型步进电动机中省略了第一转子磁体6，而仅设置第二转子磁体9的结构。由此，能使由第二转子磁体9所产生的磁通在第一转子铁心4、定子铁心8、第二转子铁心5中在轴向上分两层形成的磁路中增加磁通量来提高电动机特性。接下来，在图4中示出混合型步进电动机的另一例。对于与图I相同的构件标注相同的编号，并沿用前面的说明。本实施例表示在轴向上、在转子2与定子3之间形成有三层磁路的结构。在图4的第一转子铁心4中，上层侧第一转子铁心4A和下层侧第一转子铁心4B隔着磁性体7a进行层叠，在上层侧第一转子极齿4c的附近，与转子轴I同芯状地设有在径向上被磁化的上层侧第一转子磁体6A。此外，在下层侧第一转子极齿4d的附近，与转子轴I同芯状地设有在径向上被磁化成极性与上层侧第一转子磁体6A相反的下层侧第一转子磁体6B。此外，第二转子铁心5隔着磁性体7b与第一转子铁心4层叠。由此，进一步形成以下磁路由下层侧第一转子磁体6B的N极所产生的磁通经由与下层侧第一转子极齿4d相对的定子极齿8a、上层侧第一转子极齿4c而返回上层侧第一转子磁体6A的S极，由上层侧第一转子磁体6A的N极所产生的磁通经由上层侧转子铁心4A、磁性体7a而返回下层侧第一转子铁心4B的下层侧第一转子磁体6B的S极。根据上述结构，不仅在上层侧第一转子磁体6A与第二转子铁心5之间、下层侧第一转子磁体6B与第二转子铁心5之间形成有磁路，而且在上层侧第一转子磁体6A与下层侧第一转子磁体6B之间也形成有磁路，因此，在轴向上能形成三层磁路，能以较少的转子铁心提高电动机特性。另外，如果在磁性体7a和7b的截面积不同的情况下，对磁性体7a和7b的截面积的比例进行设定，以使由第一转子磁体6A、6B所产生的磁通在磁性体7a、7b中均等地分配。此外，第一转子磁体6和第二转子磁体9使用了环状磁体，但也可以采用将其设为波形环状或多边形环状、将环状磁体设为星形或齿形环状等各种形态。由此，能增加转子磁体的径向截面积，提高磁通密度，使有效磁通增加，从而能提高电动机特性 。
权利要求
1.一种混合型步进电动机，包括转子，该转子安装在转子轴上，并将转子磁体设置在外周面上形成有转子极齿的转子铁心中；以及定子，该定子在所述转子极齿与相对配置且卷绕有线圈的定子铁心的定子极齿之间形成磁路，通过对所述线圈通电，利用所述转子极齿与相对的所述定子极齿之间所产生的旋转力来进行旋转，其特征在于，包括 第一转子铁心，该第一转子铁心以所述转子轴为中心进行设置，并在外周面上形成有第一转子极齿； 第一转子磁体，该第一转子磁体与所述转子轴同芯状地设置在所述第一转子极齿的附近；以及 第二转子铁心，该第二转子铁心隔着磁性体分别层叠在所述第一转子铁心的轴向两侦牝并以所述转子轴为中心进行设置，在外周面上分别形成有第二转子极齿， 所述第一转子铁心的轴向层叠厚度形成得比所述第二转子铁心的轴向层叠厚度厚，在轴向上同时形成多处磁路，在该多处磁路中，所述第一转子磁体的磁通从所述第一转子极齿经由所述定子极齿，并经由轴向两侧的所述第二转子极齿、所述磁性体而返回所述第一转子磁体。
2.如权利要求I所述的混合型步进电动机，其特征在于， 将所述转子磁体以在周向上为相同极性的方式磁化成外周面和内周面分别为N极或S极。
3.如权利要求I或2所述的混合型步进电动机，其特征在于， 所述转子磁体为环状。
4.如权利要求I至3中任一项所述的混合型步进电动机，其特征在于， 所述各磁性体的外径形成为在径向上被磁化的所述转子磁体的径向厚度的一半以下。
5.如权利要求I至3中任一项所述的混合型步进电动机，其特征在于， 将在所述第二转子铁心的第二转子极齿附近与所述转子轴同芯状地设置的环状的第二转子磁体分别设置成径向上的磁极与所述第一转子磁体的磁极相反。
6.如权利要求I至5中任一项所述的混合型步进电动机，其特征在于， 所述第一转子铁心中，上层侧第一转子铁心和下层侧第一转子铁心隔着磁性体进行层叠，在上层侧第一转子极齿的附近设有上层侧第一转子磁体，该上层侧第一转子磁体与所述转子轴同芯状地进行设置且在径向上被磁化，在下层侧第一转子极齿的附近设有下层侧第一转子磁体，该下层侧第一转子磁体与所述转子轴同芯状地进行设置且在径向上被磁化成极性与所述上层侧第一转子磁体的极性相反，进一步形成以下磁路经由所述上层侧第一转子磁体、与上层侧第一转子极齿相对的定子极齿、下层侧第一转子极齿、磁性体而返回上层侧第一转子磁体。
7.如权利要求I至6中任一项所述的混合型步进电动机，其特征在于， 所述转子轴使用磁性体。
全文摘要
一种混合型步进电动机，在安装多层式转子时能减少转子铁心的数量，提高组装效率，提高电动机特性。包括以转子轴(1)为中心进行设置，在外周面上形成有第一转子极齿(4a)的第一转子铁心(4)；与转子轴(1)同芯状地设置在第一转子极齿(4a)附近的第一转子磁体(6)；以及隔着磁性体(7)分别层叠在第一转子铁心(4)的轴向两侧、以转子轴(1)为中心进行设置、在外周面上分别形成有第二转子极齿(5a)的第二转子铁心(5)，第一转子铁心(4)的轴向层叠厚度比第二转子铁心(5)厚，在轴向上同时形成多处磁路，在该多处磁路中，第一转子磁体(6)的磁通从第一转子极齿(4a)经由相对的定子极齿(8a)，并经由轴向两侧的第二转子铁心(5)的第二转子极齿(5a)、磁性体(7)而返回第一转子磁体(6)。
文档编号H02K1/27GK102904403SQ20121026254
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月27日 优先权日2011年7月29日
发明者林千寻, 王东辉, 佐藤英信 申请人:信浓绢糸株式会社