专利名称：混合步进电动机，该电动机的驱动方法和该电动机线卷的缠绕方法
技术领域：
本发明涉及一种混合步进电动机，它的转子具有一个永久磁体以实现一种高效率并被加工成象一个齿轮以实现一个非常小的角位移，特别是涉及一种容易驱动、在高速转动时有稳定性并且确保高生产率的混合步进电动机。
目前，由于能够高精确度地控制步进电动机的旋转角和转速，所以步进电动机被广泛使用在各种工业领域中。特别是混合步进电动机因为它有许多优点而引人注意。
一种典型的混合步进电动机包括一个由两个直立地延伸的棒形块(N极块和S极块)组成的转子和一个设置有4对或5对电磁体的定子。如果定子有4对电磁体(总共是8个电磁体)，那么对于一个步进移动的转角是45°(360/8＝45)，如果定子有5对电磁体(总共是10个电磁体)，那么对于一个步进移动的转角是36°(360/10＝36)。这8个或10个电磁体在定子的周边方向以恒定的间隔被设置在定子的内壁上。
一般来说，能够独立地激磁每对电磁体。电磁体按照它们在定子的周边方向上的位置顺序被激磁。为了吸引N极和S极块来进行激磁。为了转动转子180°(即步进电机有4对电磁体)需要4个步进移动的步进电动机叫作“4相”步进电动机，而需要5个步进移动的(即步进电动机有5对电磁体)步进电动机叫做“5相”步进电动机。当与4相步进电动机相比较时，5相步进电动机有一个用于一个步进移动(36°)的更小的旋转角，它导致了一个更高分辨度和稳定性。然而5相步进电动机不具有一个90°关系的电磁体(10个电磁体以36°的间隔被设置)以致于如果一个电磁体吸引N极块，那么直立地横过该N极块的S极块由两个电磁体吸引(在72°和108°位置上第2和第3个下面的电磁体)。技术上来说，如果S极块由一个单独的电磁体来吸引那么将是有利的。在下一次步进运动中，两个电磁体结合起来吸引N极块而一个电磁块吸引S极块。因此，5相步进电动机需要一种复杂的激磁组合。另一方面，4相步进电动机有8个以45°间隔放置的电磁体以致于当一个电磁体吸引N极块时，另一个电磁体吸引S极块。然而，由于4相步进电动机的步距是大的(45°)，所以分辨度被下降了并且转矩的稳定性也下降了。因而，4相步进电动机和5相步进电动机彼此有互补的特性关系。
如果增加步进电动机的电磁体数或相数，那么对于一个步进运动的转动角变得更小。其结果是提高了分辨度和减小了步进之间转矩的波动。然而对于电磁体的数量的增加有一个限制。
一方面，另一种步进电动机在现有技术中是已知的，即转子的每个N极和S极块被加工成象一个齿轮而定子的电磁体在它们的自由端上分别以恒定的间隔设有齿(定子齿)，其结果是定子齿面对在N极和S极齿轮上的齿(转子齿)。通过4个或5个步进运动来产生相应于转子齿的一个齿距的运动，把转子转动一个转子齿距所需要的步进运动的数叫作“相数”。通过把转子齿除以相数来得到用于一个步进运动的转动角。相数是与激磁方式的数相同的。
具有一个齿轮形转子的混合步进电动机有一个较小的步距，但是为电磁体(此后叫作“主极”)激磁的组合或顺序是与具有棒形转子的步进电动机是相同的。换句话说，如果转子被加工成象一个齿轮，那么5相步进电动机有较多相并且用于一个步进运动的转动角比4相步进电动机的转动角更小，但是5相步进电动机不具有一个90°关系的主极，因此与一个4相步进电动机相比它的激磁组合变复杂了。考虑到对于电功率的转矩效率和转动的稳定性，最好不用这种复杂的激磁组合。
有一种使激磁的组合合理化的设置。在每个相邻的定子齿之间的间隔做得相互不等并且对应于不等的间隔使对于每个步进运动的转动角变化。这种设置也能减小步距。为了在不等的间隔上设置定子齿，应该改变主极间隔或在主极上的一个或多个齿相对于主极的中心线带有确定的偏差被形成而不改变主极的间隔。然而，如果在主极之间的间隔(角)是不一致的，那么围绕步进电动机的转轴的对称变坏并且在高速运转期间电动机遭受到稳定性的下降。如果在一个主极上的齿被形成并有偏差，那么由于线卷是围绕着主极缠绕的，即使相同的电源供给该主极，也不能够产生均匀密度的磁场。
此外，一般地步进电动机被大规模地生产，但绕线需要手工劳动。因此，希望简化制造过程。为实现这一目的，有效地使用一种绕线机并且定子应该有一个能够使一个自动化生产的结构。
本发明的一个目的是提供一种混合步进电动机，这种电动机消除了上述的问题，即它是一种容易操作，在高速转动期间稳定运行并适合大量生产的步进电动机。
首先，发明者认为使用一个具有4相和5相形式的步进电动机的有利特征的10相混合步进电动机可以消除上述的4相和5相混合步进电动机的矛盾问题。然而，10相步进电动机有20个主极，这对于大规模生产是不利的(线卷缠绕工作增加)，因此应该克服这一不利条件。
总之，为了减少用于缠绕线卷的时间，需要在同时围绕着各个主极缠绕多个线卷，为了实现一个绕线机的一个喷嘴(nozzle)的插入需要加大在相邻主极上的定子齿之间的间隙，为了改进在高速旋转期间的稳定性需要改进关于定子轴的对称性和主极设置的平衡性，为了允许定子齿有一个均匀的磁场密度需要在每个主极上与该主极的中心线对称地形成定子齿。
简化步进电动机的操作和简化步进电动机驱动装置的结构也是很重要的。因此如果本发明的教导能被应用到现有的或惯用的驱动装置上它也是有利的。
为了实现这些目的，本发明提供了一种混合步进电动机，该电动机包括一个具有一个转子轴的转子和围绕着转子轴的转子齿，转子齿包括沿着转子轴的一个周边方向以固定的间隔交替地被设置的N极齿和S极齿，一个具有沿转子轴的周边方向包围转子轴(或包围N和S极齿)设置的20个主极(1号至20号主极)的定子，每个主极沿着转子轴的径向(或沿着垂直于转子轴的轴向方向)朝着转子轴延伸，在每个主极的一个自由端上形成的一个或更多的定子齿直接地或间接的带有一规定偏差地面对转子齿，围绕着各个主极缠绕的线卷用于该主极的激磁，根据步进电动机的步进运动转子被旋转，每个步进运动(步距)的量由一个转子齿距除以一个预定的数(例如，10)来确定，其特征是1-10号主极和11-20号主极这样被设置以致于沿着转子轴的径向方向它们相互面对面、每个主极与它下面的第5个主极有一个90°的关系，每个主极上的齿(定子齿)这样的被设置以致于第一组10个主极(1-10号主极)的定子齿的位置和第二组10个主极(11-20号主极)的定子齿的位置由下面表达式来确定Pt×k+m×θ用不相重叠的m代入到这个公式中，其中Pt代表转子齿距，k代表0和K-1之间的一个任意整数，K代表N(或S)极齿的数，m代表0和9之间的一个任意整数，θ代表步距，它是由转子齿距除以10来得到的。
在主极上的齿可以这样的被设置以致于在一个主极上的齿与下面第5个主极(90°间隔的一个)上的一个齿的位置是通过在上述表达式Pt×k+m×θ中把不大于K/4的最大整数代入k并把5代入m来给出。
K的值可由K＝2×j来得到，其中j是任意一个奇数。
在每个主极上的齿数可以是两个或更多个，并且每个主极上的这些齿可以相对于主极的中心线对称地形成。
相对于限定了5个在每两个相邻主极之间的间隔(角)的6个连续的主极，4个间隔可以是相同的而剩下的一个间隔由90°减去4个角的总和来确定。
转子可以有两个在转子轴的轴向方向上被隔开的齿轮。一个齿轮可以是N极齿轮而另外一个可以是S极齿轮，这些齿轮的齿可以分别是转子的N极齿和S极齿。
N极齿的数和S极齿的数是相同的。当沿着转子轴的轴向方向看转子时，N极齿和S极齿在一个园周上交替地被设置。如果N极齿的数是2×j，那么在转子轴的周边方向上在远离一个规定的N极齿的90°移动位置上总是有一个S极齿。
在另一方面，在一个主极(例如1号主极)和下面第5个主极(例如6号主极)之间的角距总是90°。而且在6个连续的主极之间(例如1-6号主极)的5个连续的间隔中的4个间隔是彼此相等的。因此，如果一个圆被分成4个相等部分(四分之一部分)，那么这4部分的主极的设置是相互等同的(90°对称性)。为了围绕主极有效地缠绕线卷，一个绕线机有5个喷嘴。这5个喷嘴延伸到特别地5个主极间隔中。确定这些特别的间隔以致于当4个相等的部分被重叠时5个喷嘴将不重叠而至少5个喷嘴中的一个在每个四分之一部分中延伸。在各个相邻喷嘴之间提供相对大的隔隙以致用于绕线操作的充足空间被保证。其结果是，能够把绕线操作同时传送给5个主极。当绕线机和定子之间的角关系移动90°时，目前喷嘴面对着(或延伸沿)下面5个还没有被缠绕线卷的主极。然而缠绕线机同时进行对这5个主极的绕线操作。相同的绕线操作重复两次。因此，4个绕线操作完成对于20个主极的绕线。
由于定子具有一个90°旋转对称性和6个连续的主极之间的5个连续间隔中的4个间隔是彼此相等的，所以改进了围绕着一个轴的定子的对称性，也改进了主极的平衡性。
如果在一个绕线操作中线卷沿正向绕线，那么在下一个绕线操作中线卷沿反向绕线。这些操作被一次又一次地重复(例如，需要4次绕线操作)。在4次绕线操作期间由每个喷嘴提供的线卷不被切断以致于一根导线围绕着具有90°关系(例如1号，6号11号和16号主极)的4个主极连续地缠绕。这个导线限定了支路(总共限定了5个支路)。如果在相同的方向上供电给该支路，那么每5个主极被交替地激磁为相反的极性(例如1号主极激磁为N极，6号主极激磁为S极，11号主极激磁为N，16号主极激磁为S)。如果电源在一个相反的方向供给该支路，这4个主极的极性被反向(例如，N-S-N-S被反向为S-N-S-N)。当电源的方向改变时，主极的极性的设置也改变，即激磁的方式被改变。
在每个主极上的齿数可以是1、2或更多个。然而，为了容易理解下面的描述涉及了每个主极在其自由端上有一个齿的一种情况。
如1-10号主极，通过用不相重叠数(0-9)代替m所限定的Pt×k+m×θ来确定设置10个定子齿所占的位置。另一方面，N极齿位于Pt×0，1，2---和k-1的位置。如果一个定子齿占用了Pt×k+m×θ确定的一个规定位置，那么最近的N极齿占用Pt×k的一个位置。因此，由于“m”在1-10号主极中不重叠，所以在定子齿和N极齿之间的间隙(偏差)是m×θ，在一规定的主极上的定子齿和它最近的N极齿之间的偏差沿特定的一个方向是0，θ，2θ，----或9θ。在这里值得注意的是偏差的增加顺序不对应于主极的1-10号。根据在后面将要描述的一个限制将确定这种顺序。如果主极(或定子齿)按照偏差的增加顺序被激磁(或“步进位置”的顺序)，那么在10个激磁操作期间(一个激磁周期)产生10种激磁方式。特别地，与它最近的N极齿的偏差是θ的定子齿在第1个激磁中吸引该N极齿。这种吸引使转子转动θ，从而根据一个激磁，定子齿和它最近的N极齿之间的偏差减少了θ。然后，与它最近的N极齿的偏差是θ的另一个定子齿(以前该定子齿2θ的偏差)在第二个激磁中吸引N极齿。这个吸引使转子再次转动了θ。这些动作在一个激磁周期中总共被重复10次，并且这样一个激磁周期使转子转动一个转子齿距Pt。
由于主极是按照90°转动对称的关系被设置(在90°上设置5个连续的主极在圆周方向上重复)和在远离一个S极齿90°的位置上能够发现一个N极齿，所以在一个激磁周期中在第1次5个激磁中产生的磁场分别地与第二次5个激磁所产生的磁场是相反的(例如，在第1个激磁中的磁场与在第6个激磁中的磁场相反)。它意味着转子齿的极性和激磁电流的方向在第1次和第二次激磁(或在一个激磁周期中第一或第二半个激磁周期)被反向。因此，如果电源这样供给主极以致于具有90°关系的定子在反向极性被激磁并且在第一次和第二次5个方式激磁中在相反的方向供给电流，那么能够获得10种方式的激磁。这意味着5个输入端对于本发明的10相步进电动机来说是足够的。按照常规，激磁电流应该单独地供给10个主极(1-10号主极)以便获得10种激磁方式。因此常规的10相步进电动机为了激磁需要10个输入端。然而本发明简化了驱动装置的驱动和操作。
如果具有90°间隔关系的每4个主极作为一组，那么步进电动机的20个主极被分成5个组。具有不同相的5个驱动脉冲分别供给5个组。在每个组中，4个主极交替地激磁为相反的极性(N-S-N-S或S-N-S-N)。如果观测一个驱动脉冲(方波脉冲)，在该脉冲的上平坦部分期间具有一个N极性的一个主极在脉冲的下平坦部分期间将有一个S极性，而在上平坦部分期间具有一个S极性的另一个主极在下平坦部分期间将有一个N极性。换句话说，在脉冲的一个周期中一组(4个主极)的激磁方式被反向。当激磁方式被变换时，由相同主极吸引的转子齿的极性也被变换。从而从一单个激磁脉冲能够获得两种激磁方式。如果不同相的5个激磁脉冲分别配给5组主极，那么在一个周期中能够形成10种方式的激磁。在这种方法中，通过一般的被用于5相步进电动机的5个激磁脉冲来实现10种方式的激磁(10相激磁)。
如果在一个规定的激磁中一个规定的主极被激磁为S极，那么在该主极上的定子齿吸引最近的N极转子齿。在这种情况下，在增加(或减小)偏差的顺序中在受控主极(subjectmainpole)之前和之后的一些预定的主极可以被激磁为相同的极性(S)，它们与受控主极在相同的激磁中是相同的极性，其结果是三个主极相结合吸引一个N极齿。在下一个激磁中，在最前面的主极以前的一个主极被激磁为S极而最后的主极被激磁为N极。
为了保证适当的主极间隙，应该满足下列等式P＝(2Pt-θ×n)+Pt---(1)其中P代表一个主极间隙(两个相邻主极之间的间隔)，Pt代表一个转子齿距，θ代表一个步距(由转子齿距除以相数来获得该步距，即10相)，n代表在1和9之间除了5以外的一个整数。这里间隙和步距的量纲是角度量纲而不是长度量纲。
对于定子的一个半圆的主极间隙的总和(∑P)由下列等式给出∑P＝P×φ＝｛(2P-θ×n)+Pt｝×φ---(2)
其中φ代表在一个半圆内的主极数(即10)。
值“n”能够被任意地确定，但当∑P的值接近180°时主极的平衡变得更好并且改进了定子的对称性。等式(2)不包括n＝5的情况，其原因是将发生不希望的情况(重复使m(0-9)的一种情况)。
还有另外一个限制为了这样设置主极以致于一个主极(例如1号主极)和下面第5个主极(例如6号主极)在定子的园周方向总是具有一个90°的关系，第6号主极应该位于远离第1个主极90°的位置上而第1至第5个主极(如1-5号主极)按照上述的主极间隔Ps分别地被定位。对于这个限制，第5个和第6个主极P90之间的间隔不等于公用的主极间隔P。在这种方式中，5个连续的间隔中的4个间隔分别具有“P”值而有一个间隔具有P90值。这种设置在定子的一个周边方向上重复4次。如果确定n以使∑P的值尽可能接近180°，那P90和P之间的差被减小。
如果主极的设置受上述限制的约束，那么由于在第2个主极上的定子齿的位置由(2Pt-θ×n)+Pt来确定，第2号主极相对对1号主极的位置具有n个步距的偏差，如与主极以3Pt的间隔设置的情况比较(在这种情况没有偏差)。这个偏差(n个步距)按照主极的顺序被累加。在6号主极上，由于6号主极的位置离1号主极总是90°的位置，所以除了一个公共偏差以外，对于被累加的偏差产生了一个P90-P的变化。从7号主极仅仅累加了n个步距的偏差。这里值得注意的是每次累加的偏差大于Pt，从累加的偏差中减去Pt。由于Pt等于10×θ，并且n是在1和9之间除了5以外的一个整数，所以在1-10号主极上Pt-被减的偏差不采用相同的值。换句话说，在1-10号主极上Pt-被减的偏差分别是0，θ，2θ，3θ，---和9θ。然而值得注意的是这些值的顺序不对应于主极的号。换句话说，具有10种偏差的10个主极分别随意地被设置。通过按照增加偏差的顺序来激磁主极，能够按步距使转子转动，由此实现步进运动。
定子齿的齿部分和槽部分可以有相同的长度而转子齿的齿部分和槽部分也可以有相同的长度。
图1示出了根据本发明的一种混合步进电动机的一个截面图，正如所看到的一个垂直于电动机的转轴的平面(或者一个垂直于电动机纵向方向的平面);
图2示出了一个图1所示混合步进电动机沿着转轴的截面图;
图3示出了一个图1所示混合步进电动机沿着其周边方向的展开图，该图用来显示在定子齿和转子齿(N极齿)之间的一个位置关系;
图4是说明用于围绕着图1所示的混合步进电动机的定子的主极缠绕绕组线卷的喷嘴;
图5是说明根据本发明的绕线原理的一组视图;
图6是说明支路电路图的一组视图;
图7是按照激磁顺序显示在转子齿和定子齿之间的位置关系的一组展开视图;
图8是显示根据本发明的对于每相的激磁顺序的一组时间图;
图9和图10显示当一个激磁电流供给支路时各自的一组时间图;
图11是为了说明分别为三角形连接和Y连接中电压，电流和极性的一组视图;
图12是根据本发明的另一种混合步进电动机沿其转轴方向看的一个截面图;
图13是根据本发明的另一实施例的一个转子的截面图;
现在结合附图将描述本发明的优选的实施例。
参见附图1，它是根据本发明的具有20个主极的一个10相混合步进电动机。围绕着一个转子1，沿着转子1的周边方向以固定的间隔设置了50个N极齿2，如图1所示。N极齿限定了一个N极齿轮10。同样地，围绕着转子1以固定间隔在N极齿的后面设置了50个S极齿(在图1中没有示出)。S极齿在一个与图面相平行的平面中被设置，并且它们被定位以致于在垂直于图面的方向上看不重迭在N极齿上(或者沿着一个转子轴8的轴向上看)。S极齿也限定了一个S极齿轮10(如图2所示)。为了简化起见在图1中没有图示S极齿。齿轮10(N极齿轮的齿距和S极齿轮的齿距)的齿距Pt是7.2度(360除以50)。在N极齿和S极齿之间的齿距是7.2度的一半(3.6度)。如果在转子的轴向上观测一个N极齿2，总有一个S极齿3(图2)在定子(没示出)的周边方向上的一个90度的相对关系。
如在图1中所示，一个定子4有一空心的圆柱形体4a和20个从圆柱形体4a的内壁径向往内延伸的主极5(或朝向转子轴8)。每个主极5在它的自由端具有两个齿7(定子齿)。齿7具有与转子齿6相同的齿距。在每个主极5上的两个齿7相对于该主极的一个中心线是对称的(单个虚线)。围绕着每个主极5缠绕一个线卷用于激励该主极(或定子齿7)。
主极5的设置由下面来决定如果观测任意6个连续的主极，那么第1个和第6个主极总有一个90°的关系，在每两相邻主极5之间的5个间隔中的4个是由等式(1)来决定，而另外一个间隔是由从90°中减去4个间隔的总和来决定的。
参考图2，转子1有一个永久磁体9和两个齿轮10。永久磁体9是园柱形的或环形的，使转子轴8穿过它的中心孔延伸。永久磁体9的一侧(在图中是左侧)是N极而另一侧是S极。齿轮10在转子轴8的轴向方向上插入到永久磁体9中。如前面所提到的，每个齿轮10在其外层周边上具有以固定齿距设置的50个齿(S或N极齿)。正如沿着转子轴8的轴向方向所看到的，齿轮10具有半个齿距的偏差。齿轮10是由多层硅钢片形成的。由齿轮10用这样一种方式即一个齿轮10具有一个N极而另一齿轮10具有一个S极来适当引导永久磁体9的磁场。如果在转子轴8的轴向上观测N极和S极齿轮，那么总可以发现N极齿2和S极齿3有一个90°的关系。
返回到图1，一个顶部的主极叫1号主极和在本说明书中它的角位置叫做0°位置。相应地，N极齿2位于3.6°，10.3°，---90°---的位置上(而S极齿(图1中未示出)位于0°，7.2°，---的位置上)。N极齿的这些位置用图3中的一个标有数字的直线来说明(所示的是沿着齿轮10的周边方向的N极齿轮10的一个展开图)。
定子4是由多层硅钢片组成的。每个硅钢片具有在图1中所示的一个截面图，并且由一种模具以冲压的方法而制成。定子4的本体4a是圆柱形的并且把转子1罩住(图2)。每个主极5在它的纵向上(转子1的径向上)具有一规定的长度和在转子轴8(图2)的轴向上具有一规定的宽度。主极5的自由端面向齿或面向如图1中所示的齿轮10的齿。在每个主极5上的两个齿(定子齿)的之间的一个齿距是7.2°，该齿距与转子的齿距Pt是相同的。在本实施例中定子的齿的长度和槽的长度彼此是相等的(3.6°)而且转子齿的长度和槽的长度彼此也是相等的(3.6°)。主极5的极身部分的宽度小于主极5的自由端的宽度。一个线卷11(图2)围绕着主极5的极身部分缠绕。
正如在图1中所标出的，顶部的主极在本说明书中叫做“1号”主极，而其它主极依次沿顺时针方向分别叫做2号、3号…和20号主极。此外，顶部主极和第11号主极被叫作“第1对”主极①，其它的主极在转子的径向上彼此面对的两个极在该具体说明中沿着顺时针方向依次被叫做“第5对”⑤，“第9对”⑨，“第3对”③，“第7对”⑦，“第6对”⑥，“第10对”⑩，“第4对”④，“第8对”⑧和“第2对”②主极，在后面将解释这个编号。
本实施例是把Pt＝7.2，θ＝0.72，n＝6和φ＝10代入等式①和②中所得到的一种情况，因此等式①和②由下式表示P＝(7.2×2-0.72×6)+7.2＝17.28---(1a)∑P＝17.28×10＝172.8---(2a)用这些等式的结果，1-5号和6-10号主极以17.28°的间隔被设置。这些主极的各种数据被列在表Ⅰ中。具体地，第1个主极的角位置是0°，第二个主极的角位置是17.28°，第三个主极的角位置是34.56°，第四个主极的角位置是51.84°和第五个主极的角位置是69.12°。第六个主极的角位置总是90°，以致于在第五号和第六号主极之间的间隔是20.88°(P90)。第六号到第七号主极以固定间隔(17.28°)被设置，而第11号主极位于一个180°的位置上，如从第1号主极所看到的(也就是，第10号和第11号主极之间的间隔是20.88°)。换句话说，从第6号到第11号主极的位置分别是90°，107.28°，124.56°，141.84°，159.2°和180°。相同的布置沿着顺序针方向在图1的定子的左半部分中继续进行。在第15号和16号主极之间的间隔和在第10号和第11号主极之间的间隔都是20.88°(P90＝20.88°)。这个间隔(20.88°)大于其它两个相邻主极之间的间隔(17.28°)约3.6°。在表Ⅰ中，第40号和第1号配给第1主极上的齿，第2号和第3号配给第2主极上的齿，第4号和第5号配给第3主极上的齿等等。在一个主极上的一个定子齿和在下一个主极上的一个定子齿之间的一个间隙(齿隙)是10.08°或是13.68°。
表Ⅰ
“M.P”代表主极，“Posi”代表位置(角位置)，“DisFromN”代表与最近N极齿的偏差，“DisFromS”代表与最近S极齿的偏差，和“Clr”代表间隙。
由于主极5是以上述的方式来设置的，所以在1号主极上的两个定子齿7(齿位置)的位置分别是356.4°和3.6°，如在表Ⅰ中所示。在一个定子齿(例如1号齿)和一个第二号后面的定子齿(例如3号齿)之间的角距是17.38°或20.88°(与主极间隔P或P90相同)并且在一个主极上的一个定子齿(例如1号主极上的1号齿)和下一个主极上的一个定子齿(例如2号主极上的2号齿)之间的齿距是10.08°或是13.68°。在下面中，在一个主极上的一对齿(例如在1号主极上的40号和1号齿)称为X号定子齿(例如1号定子齿)。
由于定子齿7是以上述的方式来设置的，所以定子齿和转子齿(N极齿)具有在图3中所示的一种关系。(在图3中，1号主极的中心线规定为0°)因此，N极齿设置在3.6°、10.8°、18.0°---的位置上而定子齿设置在3.6°、13.68°、20.88°、---的位置上。正如所说明的，因此N极齿和定子齿彼此不总是面对面。具体地，1号定子齿(3.6)直接面对最近的转子的N极齿(3.6)而2号定子齿(13.68和20.28)并不直接面对最近的N极齿(10.8和18.0)(“最近的”是指逆时针方向或在图3中为左边方向)(有一个2.88°的偏差13.36-10.8＝2.88)。在顺时针方向中偏差的大小总是累加2.88°。换句话说，在3号定子齿上的偏差是5.76°(2.88+2.88)而在4号定子齿上的偏差是8.64°(5.76+2.88)(然而，偏差是以“最近的”N极齿来测量的并且该N极齿有一个7.2°的齿距)。因此，在4号定子齿上的偏差实际上是1.44°(8.64-7.2)。在5号定子齿上的偏差是4.32°(1.44+2.88＝4.32)。在6号定子齿上的偏差结合在计算时所采取的另一个约束因数来确定。具体地，由于在5号和6号主极之间的主极间隔是20.88°，它不同于其它主极之间(17.28°)的间隔约为3.6°，所以这个3.6°应该加到该偏差上。因此，在6号定子齿上的偏差是3.6°(4.32+2.88+3.6-7.2＝3.6)。总之，在顺时针方向中来自1号至11号定子齿的最近N极齿的偏差的大小按主极的顺序是0°、2.88°、5.76°、1.44°、4.32°、3.6°、6.48°、2.16°、5.04°、0.72°和0°，如在表Ⅰ中所示。
如果1号至10号以偏差值增加的顺序配给定子齿，那么，(1)配给1号定子齿，(5)配给2号定子齿，(9)配给3号定子齿，(3)配给4号定子齿，(7)配给5号定子齿，(6)配给6号定子齿，(10)配给7号定子齿，(4)配给8号定子齿，(8)配给9号定子齿和(2)配给10号定子齿。这些数字代表偏差的增加顺序并且对于在图1中一周的数来说它们是相同的(“对数(相)”在表1中)。另一方面，在顺时针方向中定子齿与S极齿的偏差从定子齿与N极齿的偏差移动了3.6°(增加或减小)，如在表Ⅰ中所示的。换句话说，定子齿与S极齿的偏差在6号定子齿上是0°，在5号定子齿上是0.72°，在9号定子齿上是1.44°等等。因此，⑥对应于最小偏差，偏差以⑦、⑧、⑨、⑩、①、②、③、④和⑤的顺序增加。
下面将说明对于定子4的绕线操作。
一个用于围绕每个主线卷5缠绕一个线卷的绕线机(没有示出)有5个用于供给导线的喷嘴(nozzle)，如在图4和8中所示。5个喷嘴由在图4中所示的5个实线箭头A-E来代表。每个喷嘴沿着由箭头A-E所示的方向能够移动并且在围绕着主极转动的同时供给导线。为了把喷嘴插入到两个相邻的主极之间的间隔中(主极间隔)，如果在相邻主极上的定子齿之间的间隔(齿隙)是小的，那么将是不利的。在这个实施例中，在两个相邻主极之间的间隙几乎彼此相等(17.28°或20.88°)并且最小齿隙是10.08°，如在表Ⅰ中所示的。这意味着为具有20个主极的定子的绕线操作对于每个喷嘴保证有一个充足的间隙。
绕线机有5个径向延伸的喷嘴，如图4所示。首先，喷嘴A、B、C、D和E分别被引导沿着1，5，9，13和17号主极延伸。这样设置是为了在绕线操作期间防止喷嘴相互接触。接下来，当5个喷嘴A-E从所说的位置转动90°，180°和270°时，喷嘴A-E不重叠在上次喷嘴所在的位置上。虚线箭头A-E示出了在一个90°转动之后的喷嘴。
在同时围绕1，5，9，13和17号主极以规定的方向分别地缠绕线卷以后，绕线机或定子4旋转90°同时维持由喷嘴供给导线(线卷)。结果，喷嘴A-E沿着6、10、14、18和2号主极被设置，正如在图4中由虚线箭头指示的。在这种位置中，绕线机围绕着这5个主极以相反的方向同时供给导线。然后绕线机或定子旋转90°并且导线围绕11、15、19、23和7号主极以规定的方向缠绕。最后，导线围绕着6.10.14.18和2号主极以反方向缠绕以完成20个主极的绕线操作。从上述可以看出，绕线操作被重复4次。图5(A)图示了在这些绕线操作之后的定子和转子。每个线卷的两个自由端被用作为激磁的输入端。
在图5(A)中，每个主极具有其自己的线卷。在这个实施例中，围绕着1号主极的线卷31的缠绕方向被称作“正”的方向。因此，围绕着2号主极的线卷32的缠绕方向称为“反”的方向。正方向和反方向的缠绕交替地出现在下列主极，即、3号(正)、4号(反)、5号(正)---。每隔5个主极的线卷相互串联连接。例如，1号主极的线卷31的一端与6号主极的一个线卷36的一端相连接。线卷36的另一端与11号主极的线卷311的一端相连接，而线卷311的另一端与16号主级的线卷316的一端相连接。1号主极的线卷31的另一端和16号主极的线卷316的另一端被抽到外边分别作为“绕组开始”和“绕组结束”。在这种方式中，产生了用于20个线卷的5个支路41(或20个主极5)。图5(B)画出了一个支路，也就是4个线卷串联。42代表一个以正方向缠绕的线卷而43代表一个以反方向缠绕的线卷。正如所说明的，从一个“绕组开始”到一个“绕组结束”在一单个支路41中交替出现正的缠绕线卷42和反的缠绕线卷43。
在上述的解释中，支路41的第1个线卷42是正向缠绕的。然而，第1个线卷也可以反向缠绕且第2个线卷可以正向被缠绕。因此5个喷嘴在一单个绕线操作中以相同的方向缠绕线卷，但是在一单个的绕线操作中一些喷嘴可以以正向供给导线同时剩下的一些喷嘴可以以反向供给导线。此外，在一个单独绕线操作中5个线卷同时围绕着一组特定的5个主极(例如，1、5、9、13和17号主极)缠绕并且在该实施例中随着所有喷嘴沿着相同的方向转动90°时类似的绕线操作可以重复3次。然而，喷嘴A可以从1号主极开始缠绕，喷嘴B可以从20号主极开始缠绕，喷嘴C可以从4号主极开始缠绕，喷嘴D可以从13号主极开始缠绕，喷嘴E可以从17号主极开始缠绕。在下面的描述中，绕线操作从这些主极开始，并且喷嘴A、D和E顺时针转动。因此，在图5(A)中的支路41的一个开始点51和一个结束点52不总是与图5(B)中的“绕组开始”和“绕组结束”相一致。
下面将说明5个支路的连接。
参见图6(A)，围绕着一个圆圈的每个线卷不代表一单个线卷而代表一个支路41。因此图6(A)不说明在5个支路41之间的相应关系。图6(A)示出了一种基本的接线。一个驱动信号可以输入给每个支路41。每个支路41两个输入端，它们分别着了黑色，红色，黄色，橙色，绿色，蓝色，灰色，紫色或白色。图6(A)的支路41可以如图6(B)中所示的接线。换句话说，每两个相邻支路41的相邻端可以相互连接起来。在这种情况下，一个激励电源可以供给△A至△E的支路上。在图6(C)中示出了另一个例子。每个支路41的一端可以集中到一个点(中心)上并且激励电源可以分别供给支路41的从YA到YE的另外一端。在下面中，图6(B)的接线称为三角形(△)连接，而图6(C)的接线称为Y形连接。
在△形或Y形连接中，支路41的接线开始和结束可以变成一个任意的连接点。图11(A)和11(B)是由图6(B)产生的例子(用于支路的符号从图6(B)中取消了)而图11(C)是由图6(C)得出的一个例子。特别地，图11(A)示出了一个用于一个△4-5P激励或一个△4P激励的接线。在图11(A)中，支路41附有一个点的一端代表一个开始点(支路开始)。如图所示，在连接点△A和△C上分别有两个支路开始。在图11(C)中，YA，YC和YD代表支路开始，而YB和YC代表支路结束。
接下来将说明操作。
第一种运行方式(第一种驱动方法)是为需要激磁的主极简单地供给10种(或相)驱动脉冲。在此这10相脉冲是按照主极①、②、③、④、---的顺序进行的。表Ⅱ示出了在每相上的激磁方式(或组合)。当定子和转子位于图1所示的位置时，①的主极(1号和11号主极)被激磁这S极性而⑥的主极(6号和16号主极)被激磁为N极性。因此，靠近①的主极的转子的N极齿由①的主极上的定子齿所吸引并且这些N极齿直接地面对①的主极上的定子齿。同样地，靠近⑥的主极的转子的S极齿由⑥的主极上的定子齿所吸引并且他们彼此直接地面对面。这种情况在表Ⅱ中称为“相1”。在这点上，与最近N极齿有最小偏差的主极是②的主极(10号和20号主极)而与最近的S极齿有最小偏差的主极是⑦的主极(5号和1号主检)。
表Ⅱ
在表Ⅱ的相2中，与最近的N极齿有最小的偏差的主极②被激磁为S极性而与最近的S极齿有最小偏差的主极⑦被激磁为N极性。结果，靠近主极②和⑦的N极和S极齿分别由主极②和⑦所吸引沿着顺时针方向转动转子0.72°。从面，在这个位置中定子齿的偏差值通过从表Ⅰ中所示的值减去0.72来给出，而且主极③和⑦现在分别与最近的N极和S极齿有最小的偏差。
在相2以后，定子齿按照③、④和⑤的顺序分别地被激磁为S极性而按照⑧，⑨和⑩的顺序定子齿分别地被激磁为N极性。其结果从相1到相10沿着顺时针产生了6.48°(＝0.72×9)的转动。在相11中(在表Ⅱ中没有示出)，根据激磁的位置返回到相1的位置。也就是，在顺时针方向总共产生了7.2°(0.72×10)的旋转。
在第二种驱动方式中，在一相中(或在一个步进位置)，不仅一个受控的主极(aSubjectmainpole)(需要激磁的主极)而且在该受控的主极之前和之后的步进位置上的主极被激磁为相同的极性(例如，如果受控的主极是①并被激磁这S极性，那么主极②和⑩也被激磁为S极性)。在下一相中，下一步进位置的一个主极(例如，主极⑨)被激磁为相同的极性(S)而最后的主极(例如主极②)被激磁为相反的极性(N)。这里，值得注意的是所有相应按照主极①，⑩，⑨，⑧，⑦，---的顺序进行，这种顺序与第一种驱动方式的顺序是相反的。这就意味着转子的转动方向被反相。
在第一相中，主极⑨、⑩、①、②和③可以被激磁为S极性，并在下一相中，主极⑧、⑨、⑩、①、②可以被激磁为S极性而主极③可以被激磁为N极性。
图8示出了一组激磁每个主极1-20的时间图。时间是沿着图的向右方向来进行。激磁的方式是按照所示为“激磁顺序”号的顺序来改变。电动机(或转子轴)的旋转速度随着激磁顺序之间的时间间隔的改变而改变。图8示出了一种电动机以一恒定速率旋转的情况。当电动机被停止时，维持主极现有的极性。表Ⅳ示出了对应于图8的激磁的情况。图7是一组显示转子齿和主极(定子齿)之间的位置关系的展开图。图7(A)，7(B)，7(C)---分别对应于激磁顺序0、1、2，---。
首先，将规定一种复位状态。在该复位状态中，主极①至⑩分别被激磁为S、S、S、N、N、N、N、N、S和S，正如在图8中激磁顺序为0一栏中所示的。这种情况在表Ⅲ中“极性”一行中示出了。表Ⅲ也示出了在复位状态中从该点(支路的绕组开始或结束)由箭头所示的电流流动。在复位状态中每个主极的激磁极性由电流的流动方向和线卷的绕向来确定。
表Ⅲ
“EN”代表结束，“ST”代表开始，“NO”代表正方向，“RE”代表反方向。
在图7(A)中示出了在复位状态中转子齿和主极(定子齿)之间的位置关系。如在图7(A)中所示的，主极①直接面对N极齿。主极①被激磁为S。在受控主极①之前的两个主极⑨和⑩和在受控主极①之后的另外两个主极②和③也被激磁为S而把剩下的主极激磁为N。换句话说，特殊的5个主极⑨、⑩、①、②和③被激磁为相同的极性，而余下的主极被激磁为相反的极性。
在下一次激磁中(图7(B))，在5个主极⑨至③的第一个主极⑨之前的主极⑧的极性和5个主极的最后一个主极③的极性分别被反相。具体地，主极⑧被激磁为S而主极③被激磁为N。其结果，转子由一个步距来转动(图7(B))。因此，主极⑩现在直接地面对转子的N极齿，如在图7(B)中所示。当激磁按照图8的“激磁顺序”所示的3、4、5---和10的顺序进行时，转子被转动如在图7(C)、7(D)、7(E)---和7(J)中所示。激磁顺序9对应于图7(J)。在激磁顺序9之后或在图7(J)之后的下一次激磁是与图7(A)中的激磁相同的(-激磁循环)。图7(A)-7(J)说明了10种(或方式)激磁。
参见图8，下半部分(主极⑥-⑩)的波形有与上半部分(主极①-⑤)的波形相反的形状。在图8中，在画圈数字上面的“-”代表“反的”。表Ⅵ示出了主极号数(或相)和由图8得到的激磁顺序之间的关系。
表Ⅵ
下面将说明供给5个支路的激磁电流的供给时间。
参见图9，连接主极号(例如，-1-11-6-16-)的线代表图5(B)的支路41而三角指示电流的方向。然而，值得注意的是在图9中的主极号(例如，1-11-6-16)不总是代表连接成串联形成的支路(图5(B))的4个线卷的顺序。在图9中，当φ1相的一个驱动脉冲被提供时，1号和11号主极在激励顺序0时(图8)被激磁为S极性。在这种情况中，6号和16号主极被激磁为N极性，正如在图8或9中所示的0栏的激磁顺序。当供给一个相φ2的驱动脉冲时，10号和20号主极被激磁为S极性，如在图8中0栏激磁顺序所示的，而5号和15号主极被激磁为N极性。在相φ3，φ4和φ5的情况中，同样地4号和9号(下一个五分之一)被激磁为相反的极性，14号和19号(下一个五分之一)主极被激磁为相反的极性，3号和8号(下一个五分之一)主极被激磁为相反的极性，13号和18号(下一个五分之一)主极被激磁为相反的极性，12号和17号(下一个五分之一)主极被激磁为相反的极性，2号和7号(下一个五分之一)主极被激磁为相反的极性。在该激磁顺序的顺序中，激磁状态如在图8中所示的那样变化。换句话说，图8和图9图解了相同的现象。然而在图9中的相φ1、φ2、φ3---(驱动脉冲的相)不总是对应于在图8中的相①、②、③、---(主极对数)。
图10示出了一种类似于图9的情况，其中相φ2和φ5被反相(在该相上面的“-”代表“反相”)并且相φ1至φ5的顺序被改变了。在图10中，每相的驱动脉冲波有一个1∶1的占空率(dutyratio)，并且这5相脉冲波相对于相邻的脉冲波具有相同的相位差(在脉冲φ1和φ3之间的相位差与脉冲φ3和φ5之间的相位差是相同的)。通过适当地分配这5相脉冲给5个支路能够获得10个激磁(在图8中相①-⑩)。通过用于已知的五相步进电动机中的一个驱动装置能获得图10或9的五相脉冲。因此，对于上面描述的10相步进电动机不需要准备新的驱动装置，能够利用广泛使用的、惯用的组件。
下面将说明用于各种接线的激磁方式。从上面的说明能够理解5相驱动脉冲能够实现10相步进电机(10种激磁)的驱动。由步进电动机有5个支路41，所以能够把这10相步进电动机作为5相步进电动机来对待。因此，支路41被连接成△形或Y形连接，如在图6(B)或6(C)中所示。在每一种连接中都有各种形式的激磁的组合。表Ⅴ至Ⅺ中的激磁方式通过5相激磁脉冲分别能用来驱动10相步进电动机。在每个表中，“P”代表电源同时供给若干个输入端的数，而“φ”代表电流流过若干支路的数。连接两个数字的“-”代表这两个数之一被选择地或交替地使用。此外，“1”代表一个高电压供给一个接头而“0”代表一个低电压供给一个接头。
在表Ⅴ中(△4-5P4-5φ)，例如，高电压(1)在激磁顺序0时供接头△A和△C而低电压(0)供给接头△B和△E。接头△D(空格)有一个浮动电压。图11(A)示出了这种情况。在这种情况中，电流从高电压点(未画黑圈)向低电压点(画黑圈)流动，如在图11(A)中箭头所示的。换句话说，电流在图11(A)中所示的支路41a，41c和41d中沿着顺时针方向流动，而在支路41b和41e中沿逆时针方向流动。这等效于借助于在4个输入端(在图11(A)中的接头△A，△B，△C和△E)供电所引起的电流在5个支路中流动的情况。在顺时针方向流动的电流代表一个所要求的主极被激磁为S极性，而在逆时针方向流动的电流代表一个要求的主极被激磁为N极性。在图11(A)中，(S)代表在支路41a(或41c或41d)中沿正向缠绕的线圈被激磁为S极，在支路41b(或41e)中沿正向缠绕的线圈被激磁为S极。在下一个激磁中(激磁顺序为1)(表Ⅴ)，一个高电压供给接点△D以致于电源被供给所有的5个输入端。然而，在支路41c中没有电流流动以致于它等效于电流只在4个支路中(未画出)流动的情况。
表Ⅴ△4-5P4-5王激磁激磁顺序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19△A1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1△B0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0△C1 10 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1△D1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0△E0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 1 10表Ⅵ示出了△4P，5-5φ的激磁。在这个表中，“1”，“0”和“”(空格)表示与在表Ⅴ中所代表的意义相同。在激磁顺序为0时，一个高电压供给接点△A和△C，一个低电压供给接点△B和△E而△D有一个浮动电压。
表Ⅵ
图11(B)图示说明了在表Ⅶ中0激磁顺序的情况下电流的方向和激磁极性。图11(B)也图示说明了在表Ⅷ中0激磁顺序的情况下的电流方向和激磁极性。
表Ⅸ示出了△2-3P，4-5φ的激磁，在这个表中，“1”、“0”和“”(空格)与在表Ⅴ中所代表的意义相同。在表Ⅸ中，一个高电压只供给接点△E，一个低电压只供给接点△C，其余的接点是一个浮动电压。
表Ⅸ
参见表Ⅹ(Y4-5P/4-5φ)，在激磁顺序0时高电压供给接点YA和YC而低电压供给接点YB和YE。接点YD有一个浮动电压。图11(C)示出了这种情况。在这种情况中，电流在支路41a和41c中向中心点流动而支路41b和41e中电流径向向外流动。因此，这种状态代表了4个输入端被用来使电流在4个支路41a，41b，41c和41e中流动的一种情况。径向向内流动的电流代表一个希望的主极激磁为S极而径向向外流动的电流代表一个希望的主极被激磁为N极。在下一个激磁中(激磁顺序1)(表Ⅹ)，高电压被供给接点YD。这种情况代表电源供给所有5个输入端的一种状态。具体地，电流也在支路41d中沿径向向内的方向流过以致于电流在所有5个支路中流动。
表Ⅹ
表Ⅺ示出了Y4P/4-4φ的激磁。在激磁顺序0时，高电压供给接点YA和YC，而低电压供给接点YB和YE。接点YD有浮动电压。
表Ⅺ
根据本发明的混合步进电动机，通过供给10相激磁(10种方式的激磁)来实现步进旋转并通过5相驱动脉冲来实现10相驱动。
更进一步说，由于每个主极上的两个齿(定子齿)相对于该主极的中心线是对称的，所以消除了由于激磁不平衡引起的电磁噪声。
此外，由于定子是90°转动对称的，所以围绕着转动轴的定子的对称性被改进了。并且由于主极之间的5个连续的间隔中的4个是彼此相等的，所以改进了主极的平衡。因此，在高速度下的稳定性得到了改进。此外，围绕转动轴的定子的更好的对称性导致了消除由于制造不精确而引起的步进误差。
此外，当一个定子齿直接地面对N极齿时，远离该定子齿90°处形成的另一个定子齿直接地面对S极齿。因此，如果这些定子齿被激磁为相反的极性，那么将实现有效的吸引和排斥。
在本发明中，由于定子有10个相和20个极，并且减少了步距，所以能够利用一个较细的主极并且减少了一些绕组。较细的主极导致了在主极极身部位减小了磁滞损失和减小了涡流损失。这种优点特别显著的是当步进电动机高速转动时热损失被减小了。此外，如果线卷的绕线数是小的，那么电感也是小的。因此改进了起动和高速旋转特性，而抑制了热产生。
由于在每5个主极处电流的方向被反相，所以一个10相驱动被实现。因此简化了驱动装置和驱动时间。
由于一个主极总是位于远离一个确定的主极90°的位置上，所以由绕线机围绕着主极缠绕线卷的绕组被简化了并且提高了效率。
下面参考图12将说明本发明的另一实施例。
正如在图12中所示的，一个具有10个相和20个主极的混合步进电动机包括一个转子1，转子齿6，一个定子4，主极5和定子齿7，类似于前面的实施例。转子齿6交替地包括N极齿和S极齿。步进电动机沿着一个转子轴8的轴向的截面图类似于图2中所示的截面图。在这个实施例中，“n”在等式(1)中是4。因此，等式(1)和(2)由下面表示P＝(7.2×2-0.72×4)+7.2＝18.72---(1b)P＝18.72×10＝187.2---(2b)根据这些值设置的主极在表Ⅻ中示出了。5号和6号主极之间的间隔(15.12°)小于其他主极之间的间隔(18.72°)。沿顺时针方向与最近的N极齿的偏差也在表Ⅻ中示出了。沿着增加偏差的顺序配给数字①至⑩。这顺序是①、⑦、③、⑨、⑤、⑥、②、③、④和⑩，其不同于上一个实施例中的顺序。
表Ⅻ
在这个实施例中，通过按照顺序①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨和⑩激磁主极来实现步进运动。
该实施例具有与第一个实施例相同的优点。
图13画出了根据本发明的其它实施例。特别地是改变了转子齿6的数量。在图13(A)中所示的转子有70个N极和70个S极齿。在图示说明中仅表示了N极齿2。转子的齿距是大约5.14°(360除70)。如果用图13(A)的转子1代替图1中的转子，主极间隔和定子齿的位置在等式(1)和(2)中用θ＝360/700来确定。
在图13(B)中所示的转子有30个N极齿2。转子齿距是12°(360除以30)。如果用图13(B)中的转子代替图1中的转子，那么主极间隔和定子齿的位置将用θ＝360/300来确定。
在上述的实施例中，转子齿的齿部分的长度与转子齿的槽部分的长度是相同的，并且这与定子齿的情况是一样的。然而，齿和槽的比率可以被改变，因此，齿的边缘可以是斜削的。
权利要求
1.一种混合步进电动机，它包括一个具有转子齿的转子，该转子有一个轴向方向、一个周边方向和一个与轴向方向垂直的径向方向，该转子齿包括沿转子的周边方向以恒定间隔交替地设置的N极齿和S极齿，转子齿具有一个转子齿距，该转子齿距等于两个相邻N极齿或两个相邻S极齿之间的一个齿距；一个具有1-20号主极的定子，该主极沿着转子的周边方向包围着转子，每个主极沿着转子的径向方向朝着转子延伸，每个主极有一个自由端和一个在其延伸方向的中心线，一个定子齿在每个主极的自由端上形成并面对转子齿；和一个围绕着每个主极用于该主极激磁的线卷，利用这个线卷根据主极的激磁实现转子的步进运动，通过把转子齿距除以10来获得步距的大小；1号至10主极和11号至20号主极在转子的径向方向分别地相互面对面，一个任选的主极和一个它下面的第5个主极具有一个90°的关系，和在1-10号主极上的齿和11-20号主极上的齿分别具有的位置由下面一个表达式带入不相重叠的m来确定Pt×k+m×θ其中Pt代表转子齿距，θ代表步距的大小，m代表在0和9间的任意整数，k代表在0和K-1之间的一个任意的整数，而K代表N极齿的数。
2.根据权利要求1所述的混合步进电动机，其特征是在一个任意的主极上的一个定子齿具有一个位置，该位置是由把k＝K除以4得到的一个整数和m＝5代入到式Pt×k+m×θ中来确定的，如从远离所述任意的主极90°的一个主极上的另一个定子齿上所看到的。
3.根据权利要求2所述的混合步进电动机，其特征是N极齿(K)的数量是由K＝2×j来确定的，其中j代表一个任意的奇数。
4.根据权利要求3所述的混合步进电动机，其特征是N极齿数是50和在两个相邻的N极齿之间的一个齿距是7.2°，S极齿数是50和在两相邻的S极齿之间的一个齿距是7.2°且在相邻的N极和S极齿之间的一个角间隔是3.6°。
5.根据权利要求2所述的混合步进电动机，其特征是在每个主极的自由端上形成了多个定子齿，并且在每个主极上的定子齿相对于每个主极的中心线是对称的。
6.根据权利要求5所述的混合步进电动机，其特征是在每个主极的自由端上形成两个定子齿，并且在一个主极上的两个定子齿之间的一个齿距等于转子齿距。
7.根据权利要求1所述的混合步进电动机，其特征是设置1-10号主极所具有的位置是按照1、10、4、8、2、6、5、9、3和7号主极的顺序，把m＝0至9按照0、1、2、3、4、5、6、7、8和9的顺序代入由表达式Pt×k+m×θ来确定。
8.根据权利要求7所述的混合步进电动机，其特征是θ是0.72°。
9.根据权利要求1所述的混合步进电动机，其特征是在6个连续的主极之间的5个间隔中的4个间隔是彼此相等的，而剩下的一个间隔所具有的值由从90°减去4个相等间隔的总和来获得。
10.根据权利要求9所述的混合步进电动机，其特征是两个相邻的主极之间的一个间隔由下列等式来给定P＝(2Pt-θ×n)+Pt其中P代表两个相邻主极之间的间隔，n代表除了5以外低于10的一个整数，用间隔Ps来设置1-5号主极，用从90°减去4×P得到的一个间隔P90来设置6号主极，用间隔Ps设置6-10号主极。
11.根据权利要求10所述的混合步进电动机，其特征是这样确定n以由下面等式得到的∑P变成接近180°的一个值∑P＝｛(2Pt-θ×n)+Pt｝×φ其中φ代表在定子的一半上的主极数，而∑P代表在定子的一半上以间隔Ps设置的主极之间的间隔的总和。
12.根据权利要求1所述的混合步进电动机，其特征是转子齿距是7.2°，1-10号主极的中心线依次按0°，17.28°，34.56°，51.84°，69.12°，90°，107.28°，124.56°，141.84°和159.2°的方向延伸，在每个主极的自由端上形成两个定子齿，每个主极上的两个定子齿在主极的中心线的两边上沿着离主极的中心线3.6°的方向延伸。
13.根据权利要求1所述的混合步进电动机，其特征是N极齿在一个第1平面沿着转子的径向方向延伸，S极齿在一个第2平面沿着转子的径向方向延伸，第1和第2平面在转子的轴向上相互隔开。
14.根据权利要求13所述的混合步进电动机，其特征是转子包括一个转子轴，两个安置在转子轴的自由端上分别在第1和第2平面中延伸的齿轮，和一个安置在两个齿轮之间以形成N极和S极齿轮的永久磁体，从而在N极和S极齿轮上分别形成N极齿和S极齿。
15.根据权利要求14所述的混合步进电动机，其特征是定子具有一个包围N极和S极齿轮的圆柱形体，该圆柱形体在转子的轴向上延伸，在每个主极上的齿在转子的轴向上有一个宽度，这样以致于在每个主极上的齿能够面对N极和S极齿轮的齿。
16.一种混合步进电动机，其包括一个具有转子齿的转子，该转子具有一个轴向方向，一个周边方向和一个与轴向方向垂直的径向方向，转子齿包括在转子的周边方向上用恒定的间隔交替地设置的N极齿和S极齿，转子齿具有一个转子齿距，该转子齿距等于两个相邻N极齿或两个相邻S极齿之间的一个齿距;一个具有1-20号主极的定子，该主极在转子的周边方向上包围转子，每个主极沿着转子的径向方向朝着转子延伸，每个主极具有一个自由端，一个极身部分和一个沿其延伸方向的中心线，一个定子齿在每个主极的自由端上形成并且面对转子齿;和一个围绕着每个主极用于该主极激磁的线卷，通过该线卷对主极进行激磁来实现转子的步进运动，一个步距的大小由转子齿距除以10来获得;1号至10号主极和11号至20号主极在转子的径向方向上分别地彼此面对面，一个任意的主极和它下面的第5个主极具有一个90°的关系，在1-10号主极上的齿和在11-20号主极上的齿分别具有由下面表达式代入不相重叠数m来确定的位置Pt×k+m×θ其中Pt代表转子齿距，θ代表步距的大小，m代表在0和9之间的一个任意的整数，k代表在0和K-1之间的一个任意的整数，K代表N极齿的数量，在任意一个主极上的定子齿具有一个位置，该位置是由把k＝K除以4得到的一个整数和m＝5代入到式Pt×k+m×θ中来确定的，如从远离所述任意的主极90°的一个主极上的另一个定子齿所看到的，一个围绕一规定的主极的线卷与围绕远离该规定的主极90°的一个主极的线卷的缠绕方向相反。
17.根据权利要求16所述的混合步进电动机，其特征是围绕着4个相互具有90°关系的主极的每4个线卷串联连接形成5个支路，每个支路分别具有正向的绕组线卷和反向的绕组线卷。
18.根据权利要求17所述的混合步进电动机，其特征是每个支路具有两端以便允许一个电流从一端到另一端流动或反过来也是一样。
19.根据权利要求18所述的混合步进电动机，其特征是一个支路的两端是围绕1号主极的一个线卷的一个自由端和围绕16号主极的一个线卷的一个自由端，一个支路的两端分别是围绕5号主极的一个线卷的一个自由端和围绕20号主极的一个线卷的一个自由端，一个支路的两端分别是围绕9号主极的一个线卷的一个自由端和围绕4号主极的一个线卷的一个自由端，一个支路的两端分别是围绕13号主极的一个线卷的一个自由端和围绕8号主极的一个线卷的一个自由，和一个支路的两端分别是围绕17号主极的一个线卷的一个自由端和围绕12号主极的一个线卷的一个自由端。
20.根据权利要求16所述的混合步进电动机，其特征是每个线卷围绕主极的极身部分缠绕。
21.一种驱动混合步进电动机的方法，该混合步进电动机包括一个具有转子齿的转子，该转子具有一个轴向方向，一个周边方向和一个垂直于轴向方向的径向方向，转子齿包括在转子的周边方向上用恒定的间隔交替设置的N极齿和S极齿，转子齿具有一个转子齿距，该转子齿距与两个相邻的N极齿或两个相邻S极齿之间的一个齿距相等;一个具有1-20号主极的定子，这些主极在转子的周边方向上包围着转子，每个主极具有一个自由端和在转子的径向方向上朝着转子延伸，一个定子齿在每个主极的自由端上形成以便面对转子齿;一个围绕着每个主极用于主极激磁的线卷，通过该线卷对根据主极的激磁来实现转子的步进运动，步距的大小由转子齿距除以10来获得，本方法包括下列步骤这样设置主极以致于1-10号主极和11-20号主极在转子的径向方向上分别地面对面，并且一个任意的主极和它下面的第5个主极具有一个90°的关系，设置1-10号主极和11-20号主极这样以致于在1-10号主极上齿的位置和11-20号主极上齿的位置分别具有由用不相重叠数m代入下面表达式所确定的位置Pt×k+m×θ其中Pt代表转子齿距，θ代表步距的大小，m代表在0和9之间的一个任意的整数，k代表在0和K-1之间的一个任意的整数，K代表N极齿的数;和把1-10号主极和11-20号主极按照增加m的顺序分别激磁为N极性，从而从m＝0到m＝9的激磁限定了一个激磁操作的周期并且使转子转动了一个转子齿距。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括下列步骤设置定子齿以致于在一个规定的主极上的定子齿的位置和从它下面的第5个主极看到的一样由把k＝K除以4得到的一个整数和m＝5代入表达式Pt×k+m×θ中来确定，和从远离任意的主极90°的一个主极上的另一个定子齿所看到的一样，和围绕一规定的主极沿着与围绕它下面第5个主极的线卷的方向相反的方向缠绕线卷。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括步骤围绕着4个彼此具有90°关系的主极在相反的方向交替地缠绕着4个线卷;分别把该4个线卷串联地连接以便形成4个支路，每个支路具有两端;和为每个支路的两端提供一个激磁电流以致于在相反方向缠绕的线卷被激磁为相反的极性。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括步骤把激磁电源的供电方向反相以便以改变线卷的极性。
25.根据权利要求24的方法，进一步包括步骤把一个受控的主极激磁为一规定的极性，并且在该受控主极之前和之后的位置上主极按照激磁顺序被激磁为与辅助主极相同的极性。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征是分别在受控主极之前和之后的两个主极按照激磁顺序被激磁为与受控主极相同的极性。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征是一个主极在激磁周期 的半个周期期间被激磁为N极性而在另外半个激磁周期期间被激磁为S极性。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征是激磁电流是由5个具有不同相位的方波脉冲来给定，每个方波脉冲的上端平坦部分把一规定的主极激磁为N极并把它下面第5个主极激磁为S极，而每个方波脉冲的下面平坦部分把所规定的主极激磁为S极性并把所述下面第5个主极激磁为N极性。
29.根据权利要求21所述的方法，其特征是θ是0.72°并且对于1号、10号、4号、8号、2号、6号、5号、9号、3号和7号主极把m＝0、1、2、3、4、5、6、7、8和9分别代入表达式。
30.一种驱动混合步进电动机的方法，该混合步进电动机包括一个具有转子齿的转子，该转子具有一个轴向方向、一个周边方向和一个与轴向方向垂直的径向方向，转子齿包括沿转子的周边方向用恒定的间隔交替地设置的N极齿和S极齿，转子齿具有一个转子齿距，该转子齿距等于两个相邻的N极齿或两个相邻的S极齿之间的一个齿距;一个具有1-20号主极的定子，主极沿转子的周边方向在垂直于转子的轴向方向上包围着转子，每个主极在转子的径向方向上朝着转子延伸，每个主极具有一个自由端，一个极身部分和在其延伸方向上的一个中心线，一个定子齿在每个主极的自由端上形成，该定子齿面对转子齿;和一个围绕每个主极用于主极激磁的线卷，通过线卷对主极进行激磁来实现转子的步进运动，步距的大小由转子齿距除以10来获得;设置主极以致于1-10号主极和11-20号主极在转子的径向方向上分别地面对面，并且一个任意的主极和它下面的第5个主极具有一个90°的关系;和在1-10号主极上的齿和在11-20号主极上的齿具有由下面表达式代入不相重叠数m所确定的位置Pt×k+m×θ其中Pt代表转子齿距，θ代表步距的大小，m代表在0和9之间的一个任意的整数，k代表在0和K-1之间的一个任意的整数，K代表N极齿的数，这样设置定子齿以致于1-10号主极上定子齿的位置由按照主极1号、7号、3号、9号、5号、6号、2号、8号、4号和10号的顺序代入m＝0、1、2、3、4、5、6、7、8、和9来确定。
31.根据权利要求30所述的方法，进一步包括步骤这样设置转子齿以致于齿距是7.2°;这样设置1-10号主极以致于1-10号主极的中心线依次沿0°，18.72°、37.44°、56.16°、74.88°、90°、108.72°、127.44°、146.16°和164.88°的方向延伸;在每个主极的自由端上形成两个定子齿;和这样设置定子齿以致于在每个主极上的两个定子齿在每个主极的中心线的两侧上沿离每个主极的中心线3.6°的方向延伸。
32.一种混合步进电动机，它包括一个具有转子齿的转子，该转子具有一个轴向方向、一个周边方向和一个径向方向，转子齿具有在转子的周边方向上用恒定间隔交替地设置的N极齿和S极齿，转子齿具有一个转子齿距，该转子齿距等于在两相邻的N极齿或S极齿之间的一个齿距;一个具有1-20号主极的定子，这些主极在转子的周边方向上包围转子，每个主极在转子的径向方向上朝着转子延伸，每个主极具有一个自由端和一个极身部分，一个定子齿在每个主极的自由端上形成以便于面对转子齿;5个输入端;和一个围绕着每个主极用于主极激磁的线卷，通过该线卷利用主极的激磁来实现转子的步进运动，步距的大小由转子齿距除以10来获得;1-10号主极和11-20号主极在转子的周边方向上分别地面对面，一个任意主极和它下面第5个主极具有一个90°的关系，在1-10号主极上的齿和11-20号主极上的齿分别具有由下面一个表达式代入不相重叠数m来确定的位置Pt×k+m×θ其中Pt代表转子齿距，θ代表步距的大小，m代表在0和9之间一个任意的整数，k代表在0和K-1之间一个任意的整数，K代表N极齿数，在一个任意的主极上的定子齿具有一个位置，该位置由把k＝K除以4得到的一个整数和m＝5代入到式Pt×k+m×θ中来确定，它是从远离该任意的主极90°的一个主极上的另一个定子的齿的角度来看的，在一个规定主极上的一个线卷是与远离该规定主极90°的一个主极上的线卷的缠绕方向相反的方向缠绕，围绕着4个彼此具有90°关系的主极的每4个线卷串联连接以形成5个支路，每个支路交替地具有正和和反的绕组线卷，每个支路具有两端以便允许一个电流从一端流向另一端或反过来也是一样，和至少每个支路的一端与5个输入端中的一个连接。
33.根据权利要求32所述的混合步进电动机，其特征是5个支路被连接成一个环，每两支路的接点作为5个输入端，并且一规定的电压供给每个输入端。
34.根据权利要求33所述的混合步进电动机，其特征是具有不同相位的5个电压脉冲供给该5个输入端。
35.根据权利要求34所述的混合步进电动机，其特征是电压脉冲是高电压，低电压或浮动电压。
36.根据权利要求35所述的混合步进电动机，其特征是高电压供给5个输入端的一个、两个或三个，低电压供给剩下的一个或两个输入端并且浮动电压供给剩下的输入端。
37.根据权利要求32所述的混合步进电动机，其特征是5个支路的一端连接成一个点，5个支路的另外一端分别被供给规定的电压。
38.根据权利要求37所述的混合步进电动机，其特征是具有不同相位的5个电压脉冲供给该5个输入端。
39.根据权利要求38所述的混合步进电动机，其特征是电压脉冲是高电压，低电压或浮动电压。
40.根据权利要求39所述的混合步进电动机，其特征是高电压供给5个输入端的一个、两个或三个，低电压供给剩下的一个或两个输入端而浮动电压供给剩下的输入端。
41.一种用于混合步进电动机的线卷缠绕方法，该混合步进电动机具有一个定子，多个主极和一个转子，定子具有一个罩着转子的圆柱形空心体，通过一个具有5个喷嘴的绕线机围绕着每个主极缠绕线卷，包括步骤在空心体的一个内壁上沿着空心体的周边方向设置1-20号主极，每个主极在垂直于转子纵轴的一个平面上从内壁朝着转子延伸，1-10号主极和11-20号主极在空心体的周边方向分别彼此间隔180°，1-5号主极和6-10号主极在空心体的周边方向分别彼此间隔90°，并且一个定子齿在每个主极的自由端上形成;限定第1、2、3和4组主极，每组主极包括5个主极;把绕线机的喷嘴插入到空心体中这样以致于5个喷嘴分别延伸靠近第1组主极的5个主极;围绕着第1组主极缠绕线卷;这样转动喷嘴90°以致于喷嘴延伸靠近第2组主极，并且围绕第2组主极缠绕线卷;这样转动喷嘴90°以致于喷嘴延伸靠近第3组主极，并且围绕第3组主极缠绕线卷;和这样转动喷嘴90°以致于喷嘴延伸靠近第4组主极，并且围绕第4组主极缠绕线卷。
42.根据权利要求41所述的方法，其特征是围绕着第1至第4组主极的线卷的缠绕方向交替地被反向。
43.根据权利要求42所述的方法，其特征是线卷在90°转动期间不被切断以致于彼此具有90°关系的每4个线卷是连续的以便形成一单个支路。
44.根据权利要求43所述的方法，其特征是4组主极被这样限定以致于一组主极包括1号、5号、9号、13号和17号主极，一组主极包括2号、6号、10号、14和18号主极，一组主极包括3号、7号、11号、15号和19号主极，一组主极包括4号、8号、12号、16号和20号主极，并且5个喷嘴围绕着每组的5个主极同时地缠绕线卷。
全文摘要
10相和20个主极的混合步进电动机用5相驱动脉冲驱动。转子在其轴端上有N极和S极齿轮。定子有圆柱形空心体。1—20号主极在垂直于转子轴的平面上从空心体的内壁向转子轴方向延伸以致20个主极在垂直于转子轴的平面中包围N极和S极齿。各主极有自由端，在自由端上形成两个定子齿。定子齿面对N和S极齿轮的齿。线卷围绕每个主极缠绕用于主极的激磁。1—10号和11—12号主极沿转子径向分别面对面。任意的主极和它下面第5个主极总是有一个90°关系。
文档编号H02K37/18GK1086934SQ9311682
公开日1994年5月18日 申请日期1993年7月31日 优先权日1992年7月31日
发明者大屋广男, 佐藤利明, 高桥俊雄, 若桑亮, 水上雅夫, 藤田胜, 宫泽贞雄, 有贺智昭 申请人:石川岛播磨重工业株式会社