用于步进电机的定子铁芯以及包括其的定子和步进电机的制作方法

本发明涉及一种用于步进电机的定子铁芯以及包括其的定子和包括其的步进电机。

背景技术：

步进电机的定子铁芯通常由定子冲片层叠形成。常规的混合式步进电机中的定子冲片规格是一致的以形成沿定子铁芯轴线方向齿宽一致的定子齿部(如图1所示)，其步进角一般为1.8度或0.9度。在电机整体尺寸、驱动电压等参数相同情况下，混合式步进电机的牵出转矩随着电机的驱动频率提高而减小，并且定子齿宽越大其下降越明显。

为使步进电机的牵出扭矩最大化，具有较宽的齿宽的定子铁芯(形成其的定子冲片的齿宽较宽)适用于低的驱动频率，具有较窄的齿宽的定子铁芯(形成其的定子冲片的齿宽较窄)则适用于高的驱动频率。因此，需要根据不同的驱动频段，制作具有不同齿宽的多个定子冲片模具，以模制不同的定子冲片，进而形成适用于不同驱动频段的具有不同相应齿宽的定子铁芯，尤其是在对驱动频段分段较多的混合式步进电机的应用中。

由于需要根据不同的驱动频段制作具有不同齿宽的多个定子冲片模具，因此造成模具浪费，导致生产步进电机的成本较高。此外，多个定子冲片模具的尺寸和形状可能相差较小，易导致不便于模具管理以及使用错误。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于步进电机的定子铁芯，包括：轭部，以及连接到轭部的在定子铁芯的周向布置的多个齿部，每个齿部具有周向交替设置的凹部和凸部，每个齿部具有在定子铁芯的轴线方向上布置的宽子齿部和窄子齿部，宽子齿部的齿宽比大于窄子齿部的齿宽比，齿宽比被限定为凸部相对于定子铁芯的轴线的中心角与凸部与凹部共同相对于定子铁芯的中心角的比。

因此，可以通过调整宽子齿部和窄子齿部占整个齿部的厚度比来调整定子铁芯的性质，降低定子铁芯的设计复杂度。

优选地，多个宽齿冲片层叠形成所述宽子齿部，多个窄齿冲片层叠形成所述窄子齿部。

因此，只制作宽齿冲片的模具和窄子冲片的模具就可以制造各种规格的定子铁芯。具体地，用不同的模具分别制造相同的宽子冲片和相同的窄子冲片，通过调整宽子冲片和窄子冲片的数量来调整宽子齿部和窄子齿部占整个齿部的厚度比，从而形成各种不同规格的定子铁芯。

优选地，定子铁芯的每一层由单个一体成型的宽齿冲片或单个一体成型的窄齿冲片形成，其中，多个宽齿冲片层叠形成轭部的一部分和宽子齿部，多个窄齿冲片层叠形成轭部的另一部分和窄子齿部。

这样，可以进一步降低模具成本和制造复杂性。

优选地，所述宽子齿部和所述窄子齿部在轴向方向上的总厚度均大于齿部的总厚度的10％。

优选地，所述宽子齿部和所述窄子齿部的齿宽比在0.3-0.6的范围内。

优选地，所述窄子齿部的总厚度在齿部的总厚度的20％-80％的范围内。

优选地，所述宽子齿部为两个，所述窄子齿部为一个，一个窄子齿部位于两个宽子齿部之间。

优选地，所述宽子齿部为一个，所述窄子齿部为两个，一个宽子齿部位于两个窄子齿部之间。

优选地，多个宽子齿部和多个窄子齿部交替布置。

本发明还提供一种用于步进电机的定子，其包括如前所述的定子铁芯。

本发明还提供一种步进电机，其包括如前所述的定子。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

贯穿本说明书，相同或相似的部件具有相同或相似的附图标记。

图1是常规的定子铁芯的透视图以及其齿部的局部放大透视图；

图2和图3分别是根据本发明的实施例的定子和转子的透视图；

图4是根据本发明的实施例的定子铁芯的透视图；

图5是根据本发明的实施例的定子铁芯的平面图；

图6是图5的圆圈部分的放大图；

图7是根据本发明的实施例的定子铁芯的一个齿部的透视图；

图8是根据本发明的实施例的定子铁芯的一个齿部从内向外看的侧视示意图；

图9和图10分别示出了定子齿部和转子齿部的局部示意图；

图11是示出根据本发明的实施例的定子铁芯与转子处磁力线分布的示意图；

图12示出了根据本发明的实施例的相电流随窄子齿部的厚度占齿部的总厚度的比的变化；

图13-15分别示出了根据本发明的另几个实施例的定子铁芯的一个齿部的侧视示意图。

附图标记列表

定子铁芯100定子绕组200

定子线圈210

轭部110齿部120

宽子齿部130窄子齿部140

凸部121凹部122

宽齿冲片131窄齿冲片141

宽齿凸部132窄齿凸部142

宽齿凹部133窄齿凹部143

具体实施方式

下面，参照附图详细描述根据本发明的实施例的定子铁芯和包括该定子铁芯的定子和步进电机。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对结合附图提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文使用的术语旨在解释实施例，并且不旨在限制和/或限定本发明。需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

而且，除非上下文另有定义，否则单数形式包括复数形式。在整个说明书中，术语“包括”、“具有”、等在本文中用于指定所述特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合。

另外，即使包括诸如“第一”、“第二”等序数的术语可用于描述各种部件，但这些部件并不受这些术语的限制，并且这些术语仅用于区分一个元件与其他元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地，第二部件可以被称为第一部件。

图2和图3分别是根据本发明的实施例的定子10和转子20的透视图。如图2、3所示，步进电机包括定子10和转子20，该定子10和转子20绕共同的轴线定位，转子20围绕该轴线相对于定子10旋转。定子10包括定子铁芯100和定子绕组200，定子铁芯100具有轭部110和在周向方向上布置的多个齿部120，定子绕组中的多个定子线圈210分别缠绕在多个齿部120周围。转子20具有与定子铁芯100的齿部120相互作用的转子齿部300，转子20内部包含轴向充磁的永磁体(未示出)。当电流流过定子绕组200时，定子绕组200产生矢量磁场，该矢量磁场带动转子20旋转一角度使得转子20的磁场方向与定子10的磁场方向一致。随着定子10的矢量磁场旋转一角度，转子20也旋转一角度，从而带动转子20旋转。

图4和图5分别是根据本发明的实施例的定子铁芯100的透视图和平面图，图6是图5的圆圈部分的放大图。如图4-6所示，定子铁芯100包括轭部110和周向布置的多个齿部120。每个齿部120包括多个凸部132、142(或称为齿)和多个凹部133、143，该多个凸部132、142和多个凹部133、143为条状并周向交替布置以形成齿状。齿宽比被限定为凸部132、142相对于定子铁芯100的轴线的中心角θ1与凸部132、142与凹部133、143共同相对于定子铁芯100的中心角θ1+θ2的比，其中θ2表示凹部133、143相对于定子铁芯100的中心角。在本示例中，如图6所示，凸部132、142和凹部133、143的截面形状均大致为矩形。在此情况下，凸部132、142相对于定子铁芯100的轴线的中心角θ1为凸部132、142的两端相对于轴线的中心角，凹部133、143相对于定子铁芯100的轴线的中心角θ2为凹部133、143的两端相对于轴线的中心角，相邻的凸部132、142与凹部133、143的端部重合。在其他示例中，凸部132、142和凹部133、143的截面形状可以为三角形、梯形或其他形状，本发明不限于此。例如，在凸部132、142和凹部133、143的截面形状为梯形时，凸部132、142相对于定子铁芯100的轴线的中心角θ1为凸部132、142的梯形的两个侧边中点相对于轴线的中心角，凹部133、143相对于定子铁芯100的轴线的中心角θ2为凹部133、143的梯形的两个侧边的中点相对于轴线的中心角，相邻的凸部132、142与凹部133、143的侧边重合。

图7是根据本发明的实施例的定子铁芯100的一个齿部120的透视图。如图7所示，齿部120包括宽子齿部130和窄子齿部140，该宽子齿部130具有在周向交替布置的宽齿凸部132和窄齿凸部133，该窄子齿部140具有在周向交替布置的宽齿凸部142和窄齿凸部143。在该示例中，每个齿部120具有在定子铁芯100的轴线方向上布置的两个宽子齿部130和一个窄子齿部140，该一个窄子齿部140位于该两个宽子齿部130之间。宽子齿部130的齿宽比大于窄子齿部140的齿宽比，其均优选在0.3-0.6的范围内。在本示例中，驱动频率为900hz，宽子齿部130的齿宽比优选0.42，窄子齿部140的齿宽比优选为0.32。由于齿部120具有宽子齿部130和窄子齿部140，因此只需要调整定子铁芯100中宽子齿部130和窄子齿部140占齿部120的总厚度的比即可实现制造用于步进电机的不同规格的定子铁芯100，该不同规格的定子铁芯100各自满足不同驱动频率下的工作要求。具体地，在高驱动频率下，通过增加窄子齿部140占齿部120的总厚度的比可以使相电流增加，从而使牵出扭矩提高。

图8是根据本发明的实施例的定子铁芯100的一个齿部120从内向外看的侧视示意图，其示意性地示出了齿部120的宽齿凸部132和窄齿凸部142的结构。如图8所示，宽子齿部130由多个宽齿冲片131层叠形成，窄子齿部140由多个窄齿冲片141层叠形成，该多个宽齿冲片131的齿宽比大于该多个窄齿冲片141的齿宽比。通过改变宽齿冲片131和窄齿冲片141的层叠数量可以分别改变在轴向方向上宽子齿部130的总厚度和窄子齿部140的总厚度占齿部120的总厚度的比，从而使得可以改变定子铁芯100对于不同驱动频率的性能。因此，只需要制作两个定子冲片的模具，即用于制造宽齿冲片131的模具和用于制造窄齿冲片141的模具，即可实现制造用于步进电机的不同规格的定子铁芯100，该不同规格的定子铁芯100满足不同驱动频率下的工作要求。这样，降低了模具成本，降低了定子铁芯100的制造复杂度，便利了模具管理。此外，在本示例中，多个宽齿冲片131和多个窄齿冲片141还层叠形成轭部110，使得定子铁芯100的每一层由一体成型的宽齿冲片131或一体成型的窄齿冲片141形成。这样，进一步降低了模具成本和定子铁芯100的制造复杂度。

下面介绍通过调整定子铁芯100中宽子齿部130和窄子齿部140占齿部120的总厚度的比来实现制造满足不同驱动频率下的工作要求的不同规格的定子铁芯100的原理。

步进电机的每一相的定子线圈210可以看作电感负载，定子线圈210的通电和关闭相当于电感负载的充放电。当步进电机的转速升高，即驱动频率升高时，由于电感负载的积分作用，定子线圈210内的相电流不能达到最大值，导致步进电机的牵出扭矩减小。

图9和图10分别示出了定子齿部120和转子齿部300的局部示意图。在具有齿结构的步进电机的磁路中，磁力线走向趋向于沿磁阻最小的路径通过，当转子20的凸部(或称为齿)的中心与定子凹部133、143中心对齐时(参见图10)，磁路磁阻最大，其相电感最小，此时相电流为最小值。随着转子20的绕轴线的旋转，在转子20逐渐旋转成转子凸部的中心与定子凸部132、142的中心对齐(参见图9)的过程中，磁路磁阻减小，其相电感增大，相电流逐渐增大到最大值。

在相同的高驱动频率和相同的齿部120厚度的情况下，具有更小的宽子齿部130厚度和更大的窄子齿部140厚度的定子铁芯100，相比于具有更大的宽子齿部130厚度和更小的窄子齿部140厚度的定子铁芯100，具有增大的磁路磁阻，因此具有减小的相电感。因此，在转子20逐渐旋转成转子凸部的中心与定子凸部132、142的中心对齐的过程中，达到更大的相电流，从而具有增大的牵出扭矩。

因此，在高的驱动频率下，提高窄子齿部140在齿部120中的占比，降低宽子齿部130在齿部120中的占比，可以以简单、低成本的方式实现制造满足不同驱动频率下的工作要求的不同规格的定子铁芯100。

图11是示出根据本发明的实施例的定子铁芯100与转子20处磁力线分布的示意图。如图11所示，在该磁路中，磁力线在定子铁芯的轴向两端以及靠近轴向中心处的分布较少，因此当宽子齿部130或窄子齿部140的厚度相对于齿部120厚度的占比低时，可能导致其实际起到驱动转子20旋转的作用较小。为了使宽子齿部130和窄子齿部140均产生作用而不造成制造成本的浪费，宽子齿部130和窄子齿部140占齿部120的总厚度的比大于10％。

图12示出了根据本发明的实施例的相电流随窄子齿部140的厚度占齿部120的总厚度的比的变化。在本示例中，齿部120由两个宽子齿部130和位于该两个宽宽子齿部130的窄子齿部140构成。如图所示，在宽子齿部130的齿宽比(例如，0.42)和窄子齿部140的齿宽比(例如，0.32)和驱动频率(例如，900hz)一定的情况下，窄子齿部140的厚度占齿部120的总厚度的比为20％时，相电流为324ma，当该比例增大到40％和60％时，相电流增大到350ma和365ma。当该比例从20％增大到40％时，相电流呈快速增长的趋势，当该比例从40％增大到60％时，相电流呈缓慢增长的趋势。当该比例从60％增大到80％时，相电流则缓慢降低到355ma。相电流越大，牵出扭矩则越大。由此可以看出，窄子齿部140的厚度占齿部120的总厚度的比并非越大越好，优选为20％-80％。

图13-15示出了根据本发明的另几个实施例的定子铁芯100的一个齿部120的侧视示意图。在图13所示的实施例中，宽子齿部130为位于中间的一个宽子齿部130，窄子齿部140为位于该宽子齿部130两侧的两个窄子齿部140。在图14所示的实施例中，宽子齿部130为位于四个，窄子齿部140为四个，该四个宽子齿部130和该四个窄子齿部140在轴线方向上间隔布置。在图15所示的实施例中，宽子齿部130和窄子齿部140分别只有一个。本发明的宽子齿部130和窄子齿部140的布置不限于以上示例性的实施例。

此外，根据本发明的定子铁芯100的齿部不限于仅包括宽子齿部130和窄子齿部140，其还可以具有第三子齿部，其具有不同于宽子齿部130和窄子齿部140的齿宽比。

本发明的范围并非由上述描述的实施方式来限定，而是由所附的权利要求书及其等价物来限定。