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6)，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6)。在定子铁心55的定子极齿55a上卷绕有未图示的线圈。 在图6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)。图7是图6的混合型步进电动机中所使用的转子磁体的说明图。专利文献I :日本专利特开平11一 289737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，存在以下问题。(I)若对转子轴54使用磁性体，则会形成从转子磁体53经由转子铁心51、52并穿过转子轴54的磁路，流入定子铁芯55的磁通量减少，电动机特性下降。因此，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、例如强磁性体的碳素钢类材料作为转子轴54。(2)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，因此，穿过转子极齿51a、52a的磁平衡因上述磁通密度的偏差而变差，振动较大，而且漏磁通增多，因而导致电动机特性下降。(3)为了增加转矩，需要调节与转子铁心51、52的层叠厚度相对应的磁通量。由于磁通量的调节是通过转子磁体53的截面积(圆筒状磁体的内外径)和磁体的厚度来进行的，因此需要较多种类的磁体。准备这么多种类的磁体要花费制造成本和管理成本，因此，实际上，实际情况是限定为几种磁体，在较多的机型中进行使用。因此，在较多的机型中所使用的是电动机所要求的能力以上的磁体，制造成本较高。(4)若增加转子磁体53的厚度，则定子铁芯55的层叠厚度也需要增加，会导致电动机在轴向上大型化。(5)电动机特性由磁通量确定，但在用转子铁心51、52夹入转子磁体53的结构中，无法将转子磁体53的截面积增大到转子铁心51、52的外径以上，提高电动机特性(转矩)存在极限。混合型步进电动机的转矩τ由下式来表示。
τ = Kt · I · Sin ΦKt :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，若要提高电动机特性(转矩)，只要增加磁通量Φ即可。磁体的磁通量Φ由下式来表示。 Φ = BdXSBd :磁体工作点的磁通密度S :磁体截面积若增加磁体截面积，则磁导率下降，Bd减小，但磁通量进一步增加。S卩，为了增加磁通量，只要增加磁体截面积即可。在图6所示的转子结构中，存在极限而无法将转子磁体53的截面积扩大到转子铁心51、52的外径以上。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。
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，使穿过转子极齿的磁通平衡均衡化，减少漏磁通，增加有效磁通，小型且能提高电动机特性。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；第二转子铁心，该第二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二转子极齿；第三转子铁心，该第三转子铁心层叠在以上述第一转子极齿和第二转子极齿彼此错开半个齿距的方式组装的上述第一转子铁心和第二转子铁心之间，并且直径比上述第一转子铁心和第二转子铁心的直径小；以及转子磁体，该转子磁体以上述转子轴为中心同芯状地设置在上述第一转子铁心及第二转子铁心中的至少一个转子铁心的转子极齿附近并呈环状，在该混合型步进电动机中形成以下磁路上述转子磁体的磁通从一个转子极齿经由相对的定子极齿，穿过另一个转子极齿，并经由上述第三转子铁心、上述一个转子铁心而返回上述转子磁体。根据上述结构，在第一转子铁心及第二转子铁心中的至少一个转子铁心的转子极齿的附近，以转子轴为中心同芯状地设有环状的转子磁体，因此，转子磁体所产生的磁通从转子极齿向定子极齿的泄漏较少，有效磁通较多，能提高电动机特性，而且从转子与定子之间的气隙到转子磁体的距离相等，在磁路中不会产生磁通的不均衡集中，磁平衡稳定，还能减少振动和噪声。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，优选上述第三转子铁心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，即使由转子磁体所产生的磁通因磁短路而产生漏磁通也能将其抑制在不发生问题的程度。此外，在本发明中，也可以将环状的第一转子磁体与上述转子轴同芯状地设置在上述第一转子铁心的上述第一转子极齿的附近，将环状的第二转子磁体与上述转子轴同芯状地设置在上述第二转子铁心的上述第二转子极齿的附近，并使上述第二转子磁体的径向上的磁极与上述第一转子磁体的径向上的磁极相反。由此，能使穿过在第一转子铁心、定子铁心、第三转子铁心、第二转子铁心中形成的磁路的磁通量增加来提高电动机特性。
此外，本发明中，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，还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，能使穿过转子极齿的磁通平衡均衡化，减少漏磁通，增加有效磁通，小型且能提高电动机特性。
图I是混合型步进电动机的剖视说明图。图2是本发明的混合型步进电动机中使用的转子磁体的说明图。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4A和图4B是转子的剖视说明图。图5A和图5B是另一例所涉及的转子的剖视说明图。图6是现有的混合型步进电动机的剖视说明图。图7是现有的混合型步进电动机中使用的转子磁体的说明图。
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，并在外周面以规定齿距形成有第二转子极齿5a。此外，在第一转子铁心4及第二转子铁心5中的至少一个、在本实施例中为第一转子铁心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转子磁体6。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。由于能采用较大的转子磁体6的有效直径，所以能增加截面积，能较多地获得磁通。此外，由于转子磁体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，能使后述的第三转子铁心7的轴向厚度保持恒定。由此，能缩短使用轴向上厚度较厚的转子磁体的现有的混合型步进电动机的轴向长度，能提供小型、廉价的混合型步进电动机。此外，若使层叠厚度相同，则能增加总磁通，因而能提高电动机特性。此外，将转子磁体6以在周向上为相同的极性的方式磁化成转子外周面全部为N极或S极。在图I中，转子外周面全部被磁化成N极，内周面全部被磁化成S极。当然，也可以与其相反，将转子外周面全部磁化成S极,将内周面全部磁化成N极。在PM (permanentmagnet :永磁)型步进电动机中，转子外周侧的面配置有N极、S极、N极、S极、…这样的极性相互不同的磁体。另一方面，本发明的步进电动机中，转子外周面和转子内周面在周向上被磁化成相同的极性，这点与PM型步进电动机有较大差异。此外，图2是本发明的混合型步进电动机中使用的转子磁体的说明图。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小的第三转子铁心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。第三转子铁心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，即使产生由转子磁体6产生的磁通从第一转子铁心4经由第三转子铁心7返回转子磁体6这样的漏磁通(磁短路)，也能将其抑制在不发生问题的程度。另外，也可以将第三转子铁心7与第一转子铁心4和第二转子铁心5制成一体，或将第三转子铁心7与第二转子铁心5制成一体，将第一转子磁体4和转子磁体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，第三转子铁心7的外形越大越好，但若为转子磁体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，第三转子铁心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，通过对线圈通电形成如下的磁路由转子磁体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，并经由第二转子极齿5a，穿过第二转子铁心5，经过第三转子铁心7及第一转子铁心4而返回转子磁体6的S极。根据上述结构，在第一转子铁心4及第二转子铁心5中的至少一个转子铁心的极齿4a的附近以转子轴I为中心同芯状地设有环状的转子磁体6，因此，从转子磁体6产生的磁通的泄漏较少，有效磁通较多，能提高电动机特性，而且从相当于转子2与定子3之间的间隙的气隙到转子磁体6的距离相等，不会产生磁通的不均衡集中，磁平衡稳定，还能减少振动和噪声。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，进而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 ΦKt :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 · Φ
η :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 · π C · 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，可以采用将磁路设计成提高磁体工作点的磁通密度Bd (增大磁导率)、使用剩余磁通密度Br较高的高级别的磁体、增大磁体截面积中的任意一种方法。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。但是，若是本结构，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电动机特性，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铁心C，若铁心C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，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3中示出混合型步进电动机的另一例。对于相同的构件标注相同的编号，并沿用前面的说明。在图3中，也可以在第一转子铁心4的第一极齿4a附近，与转子轴I同芯状地设有第一转子磁体6a，在第二转子铁心5的第二极齿5a附近，与转子轴I同芯状地设有第二转子磁体6b。环状的第一转子磁体6a和第二转子磁体6b在径向上被磁化,且被磁化成第一转子磁体6a和第二转子磁体6b的极性成为相反的极性。此外，为使转子2与定子3之间形成的磁路的所有磁通流入，第三转子铁心7的外形越大越好，但若为转子磁体6的径向厚度的一半以上，则会产生磁短路，因此，设定为径向厚度的一半以下即可。图3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芯8的定子极齿8a之间形成有磁路。具体而言，通过对线圈通电形成如下的磁路从第一转子磁体6a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、第二转子极齿5a而返回第二转子磁体6b的S极,从第二转子磁体6b的N极产生的磁通穿过第二 转子铁心5、第三转子铁心7及第一转子铁心4而返回第一转子磁体6a的S极。利用上述结构也能增加穿过第一转子铁心4、定子铁心8、第二转子铁心5、第三转子铁心7的磁通量，提高电动机特性。此外，转子磁体6使用了环状磁体，但也可以采用将其设为波形环状(参照图4A及图4B)、将环状磁体设为多边形环状(参照图5A)、将环状磁体设为星形或齿形环状(参照图5B)等各种形态。由此，能增加转子磁体6的径向截面积Sa,由于Φ = Bd *Sa,因此,有效磁通增加，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； 第二转子铁心，该第二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二转子极齿； 第三转子铁心，该第三转子铁心层叠在以所述第一转子极齿和第二转子极齿彼此错开半个齿距的方式组装的所述第一转子铁心和第二转子铁心之间，并且直径比所述第一转子铁心和第二转子铁心的直径小；以及 转子磁体，该转子磁体以所述转子轴为中心同芯状地设置在所述第一转子铁心及第二转子铁心中的至少一个转子铁心的转子极齿附近， 在该混合型步进电动机中形成以下磁路所述转子磁体的磁通从一个转子极齿经由相对的定子极齿，穿过另一个转子极齿，并经由所述第三转子铁心、所述一个转子铁心而返回所述转子磁体。
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的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，所述第三转子铁心的外径形成为所述转子磁体的径向厚度的一半以下。
5.如权利要求I至4中任一项所述的混合型步进电动机，其特征在于，将环状的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铁心的所述第一转子极齿的附近，将环状的第二转子磁体与所述转子轴同芯状地设置在所述第二转子铁心的所述第二转子极齿的附近，并使所述第二转子磁体的径向上的磁极与所述第一转子磁体的径向上的磁极相反。
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，所述转子轴使用磁性体。
全文摘要
本发明提供一种混合型步进电动机，使穿过转子铁心的磁通平衡均衡化，减少漏磁通，增加有效磁通，小型且能提高电动机特性。本发明的混合型步进电动机包括以转子轴为中心进行设置的、在外周面上形成有第一转子极齿的第一转子铁心和在外周面上形成有第二转子极齿的第二转子铁心；在轴向上层叠在第一转子铁心和第二转子铁心之间，并且直径比第一转子铁心和第二转子铁心的直径小的第三转子铁心；以及以转子轴为中心同芯状地设置在第一转子铁心及第二转子铁心中的至少一个转子铁心的极齿附近的环状的转子磁体，形成以下磁路转子磁体的磁通从一个转子极齿经由相对的定子极齿，并穿过另一个转子磁体的极齿、第三转子磁体而返回一个转子磁体。
文档编号H02K1/24GK102904413SQ201210264470
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, 佐藤英信 申请人:信浓绢糸株式会社