CN103812241A - 一种定子永磁体混合步进电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定子永磁体混合步进电机,包括定子部分和转子部分,转子部分包括转子叠压铁心和设置在铁芯内部的转轴,转子叠压铁心外周均匀分布有相同的小齿;定子部分包括定子铁心、定子绕组和永磁体,定子铁心内周分布有磁极,磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的定子小齿,在每个磁极的极身上放置一个线圈,各线圈按一定的规律串联或并联组成定子的多相绕组,在定子铁心轭部的对称位置沿圆周均匀开槽,永磁体放置在槽内,永磁体均匀分布,切向充磁,相邻两块永磁体的充磁方向相反。本发明具有结构、工艺简单、成本低廉、高效高功率密度和高转矩密度的特点,同时电机磁场是2维场,具有易于分析和设计的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型混合步进电机,尤其涉及一种将永磁体设置于电机定子上的混合步进电机。
背景技术
步进电机已成为除直流电机和交流电机以外的第三类主要电机。传统电机主要作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电机系统,其中较有自己特点,且应用十分广泛的一类便是步进电机。
步进电机多用于数控车床和机器人系统中。在现代工业,特别是航空、航天、电子等领域中,要求完成的工作量大、任务复杂、精度高,利用人工操作不仅劳动强度大、生产效率低,且难以达到所要求的精度,还有一些工作环境是对人体健康有害的或人类无法达到的,这就需要数控机床和机器人来完成这些工作。另外,在计算机外设和办公室自动化设备中也大量运用步进电机,如磁盘驱动、打印机、绘图仪和复印机等。
步进电机按构造主要分为磁阻式步进电机、永磁式步进电机和混合(励磁)步进电机三类。其中,磁阻式步进电机虽精度较高,但功耗大、效率低;永磁式步进电机虽功耗小,但精度低、运行频率低。到目前,以上两类步进电机在工业发达国家已极为少见。相比之下,混合步进电机是磁阻式步进电机和永磁式步进电机的结合,兼具两者优点,因体积小、性价比高、可靠性好、运行平稳、易于控制而逐步处于主导地位,自上世纪60年代问世以来,取得了工业自动化领域的青睐,并获得迅速发展。目前最典型的混合步进产品是2相8定子极混合步进电机,也可以是其他相数其他定子极数的混合步进电机,各种混合励磁步进电机结构原理相近,主要特点是转子放置有轴向充磁的环形永磁体。以下以2相8极(定子极)混合步进电机为例说明目前通用混合步进电机的结构原理及其缺陷。
目前通用2相8极混合步进电机由定子部分和转子部分构成。转子由轴向充磁的环形永磁体及两段转子叠压导磁铁心构成,两段转子叠压导磁铁心完全相同,其圆周均匀分布有多个小齿,两段转子叠压铁心圆周方向错开1/2齿距后,与插于其间的环形永磁体形成转子的主体部分。定子主要由定子铁心和定子绕组构成,定子铁心由导磁铁心片叠压构成,有8个磁极,每个磁极的极靴上分布有与转子外周小齿齿距完全相同的定子小齿,每个磁极的极身上有一个线圈,8个线圈按一定的顺序连接成A、B两相定子绕组。在转子永磁体磁场的作用下,通过定子A、B两相绕组的顺序通断电,利用磁阻力,实现电机转子的步进转动。
尽管传统的混合式步进电机兼具磁阻式步进电机和永磁式步进电机的优点,功耗小、精度高、性价比高、运行平稳,但是其结构上存在以下缺陷:
1.由于永磁体置于转子上,并放置于两段叠压转子铁心中间,且两段转子上的小齿必须相互错开1/2齿距,因而电机结构复杂,加工制造困难。
2.永磁体沿轴向充磁,永磁体产生的磁场必须沿轴向垂直穿过两段转子铁心和定子铁心以构成闭合回路,由于定、转子铁心均由叠压硅钢片构成,相邻硅钢片之间存在不导磁的绝缘层(相当于气隙),永磁体所产生的磁动势很大一部分消耗在铁心片之间的气隙当中,导致永磁体利用率低,或者说为满足电机定转子之间的气隙永磁磁密必须增加永磁体厚度,从而增加了永磁体用量,增加了电机制造成本。
3.电机定子铁心和两段转子铁心轴向越长,永磁体消耗在轴向导磁磁路中的磁动势也就越大,因此也就限制了传统混合励磁步进电机的轴向长度,从而限制了传统混合步进电机的功率等级,即传统混合步进电机的功率等级最大在1kW左右,一般用于几W、几十W功率等级范围。
4.在电机永磁体轴向长度范围内不产生机电能量转换,因此使得该种电机的功率密度和转矩密度降低,同时在永磁体轴向长度范围内的定子绕组导体像绕组端部一样只起连接作用,也不参与能量转换,这导致电机的效率降低。传统混合步进电机较低的功率密度、转矩密度和效率也是该种电机功率等级较低的重要原因。
5.永磁磁场沿定转子铁心轴向闭合,导致电机气隙永磁磁密在轴向不均匀,在靠近两端部的气隙永磁磁密低,越靠近永磁体,气隙永磁磁密就越高,显然,两端转子铁心轴向越长,气隙永磁磁密沿轴向的分布就越不均匀,由于在电机设计时需要考虑定转子铁心的磁路饱和程度,因此这一现象导致电机的有效材料的利用率降低,导致了成本的增高,也限制了电机功率等级的提高。
6.由于永磁体轴向充磁,其磁路是沿轴向闭合,而电机定子绕组产生的磁场沿圆周方向闭合,因此整体电机的磁场是标准的三维场,对电机的分析、计算和设计带来难度。
7.永磁体在转子上,永磁体散热困难,易产生永磁体退磁现象,同时转子安装永磁体可靠性也不易保证,特别在高速电机中,这同样限制了该种电机的高转速和大功率场合应用
由上所述,传统的混合步进电机,由于永磁体置于转子上,导致电机的结构复杂、加工制造困难、功率密度转矩密度低、运行效率低、材料利用率低、成本高,限制了该种电机功率等级的提高,尽管该种电机具有控制系统简单、成本低廉的优势,但在大于1个kW功率等级应用场合与其他类型电机的竞争中处于劣势地位,功率等级越大,劣势越明显。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足,提供一种定子永磁体混合(励磁)步进电机。可以实现电机中永磁体的充分利用,而且能够比传统的混合式步进电机结构更简单、加工制造更容易、永磁体利用率更高、电机整体功率密度更大、电机输出力矩更大、电机轴向长度允许变动范围更大、可靠性更高、电机功率可做到更大、电机效率更高,同时永磁体置于定子上,导致电机的磁场是二维场,这对电机的分析设计带来方便。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种定子永磁体混合步进电机,包括定子部分和转子部分,转子部分包括转子叠压铁心和设置在铁芯内部的转轴,转子叠压铁心外周均匀分布有相同的小齿;定子部分包括定子铁心、定子绕组和永磁体,定子铁心内周分布有磁极,磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的定子小齿,在每个磁极的极身上放置一个线圈,线圈绕制方向由定子每相极数确定;在定子铁心轭部的对称位置均匀开有一定数量的开口槽,槽的开口方向沿径向指向定子铁心轭部外侧,且相邻两槽的槽中心线沿圆周方向跨过的角度相同;永磁体放置在所述槽内,所述永磁体均匀分布,且都是切向充磁,相邻两块永磁体的充磁方向相反。
所述定子铁心外周套有不导磁的机壳,定子铁心通过螺钉与电机的端盖固定在一起。
所述转子部分通过轴承支承在端盖中,转子部分在定子内部转动。
当电机的相数m不是5或5的倍数时,定子每相极数j为4的倍数,此时永磁体块数为:
n=j/2;
转子小齿数为:
其中,k为正整数,定子各极均匀分布。
当电机的相数m是5或5的倍数时,定子每相极数j为偶数;
当j为4的倍数时,永磁体块数为:
n=j/2;
当j不是4的倍数时,永磁体块数为:
n=j;
转子小齿数为:
Zr=mj或Zr=5kmj;
每个定子磁极极靴上均匀分布的定子小齿数为任意正整数。
当定子每相极数j为4的倍数时,以一对相邻永磁体中心线之间所包围的电机部分构成半个周期电机,则在一个完整周期电机中半个周期电机的定子绕组线圈绕制方向与另外半个周期的线圈绕制方向相反。
一种定子永磁体混合步进电机(以2相8极混合步进电机为例),由定子部分和转子部分构成,转子主要由转子铁心和转子铁心内部的转轴构成,转子铁心由圆周均匀分布有很多小齿的导磁叠片叠压而成。定子主要由定子铁心、定子绕组和永磁体构成,定子铁心由导磁叠片叠压而成,定子铁心内周均匀分布8个相同的磁极,每个磁极的极靴上分布有与转子铁心外周小齿齿距相同的定子小齿,且每个磁极极身上安装一个线圈,共有8个线圈,8个线圈按一定的顺序连接构成定子的A相绕组和B相绕组。定子铁心轭部在特定的对称位置开有长方体槽,用以放置永磁体。定子铁心外面一般再安装不导磁外壳,然后通过螺钉与两个端盖相连。转子部分通过两个轴承支承在两个端盖中。这样转子部分就可以在定子内部转动。
通过永磁体励磁和定子绕组电流励磁的相互作用,通过定子A、B两相绕组的顺序通电,产生磁阻力而使电机转子步进转动。
本发明的有益效果是:
1.永磁体放置于电机定子上,电机转子只需要一段,大大简化了电机的结构,降低了加工制造难度,从而降低了电机制造成本。
2.永磁体磁路和电流励磁都位于圆周方向,避免了传统混合励磁步进电机永磁体产生的磁场沿轴向垂直穿过定子叠片铁心和转子叠片铁心的弊端,大大提高了永磁体的利用率,节省了永磁材料,降低了电机的材料成本。
3.由于永磁体放置于定子上,定、转子铁心叠压硅钢片数量的多少与永磁体利用率之间没有任何关系,因而电机轴向长度可以在任意范围内选取,从而可以通过增加电机铁心长度提高电机的功率等级。
4.永磁体本身不占用电机的有效轴向空间,电机铁心长度范围内都参与能量转换,定子槽中导体都参与能量转换,因此提高了电机的功率密度、转矩密度和运行效率,也有利于该种电机功率等级的提高。
5.电机铁心轴向范围内气隙永磁磁密分布均匀,即电机定转子铁心轴向范围内磁路饱和程度相同,有助于提高材料的利用率,降低电机材料成本,有助于提高电机的功率等级
6.电机永磁磁场和定子绕组电流磁场位于同一个圆周平面内,因此是一个2维磁场,这简化了电机的分析和设计。
7.永磁体在定子上,永磁体散热容易,对保护永磁体有利,同样定子永磁体避免了传统混合励磁步进电机转子磁体的机械不可靠性。对提高电机的转动速度和功率等级有利。
可以看出,本发明的定子永磁体混合步进电机与传统的混合步进电机相比具有结构简单、加工制造容易、功率密度转矩密度高、运行效率高、材料利用率高、成本低的优势,同时本发明混合步进电机既可用于传统混合步进电机的小功率范围,也可用于大功率范围,再考虑到步进电机本身所固有的驱动控制简单且可以无位置传感器控制的特点,在与其他类型电机的竞争中处于明显优势。
附图说明
图1为本发明用作2相8极混合步进电机时的结构分解图(转子50小齿、定子每极5小齿);
图2为本发明用作2相8极混合步进电机时的轴截面图(转子50小齿、定子每极5小齿);
图3为本发明用作2相8极混合步进电机时的定子铁心冲片图(定子每极5小齿);
图4为本发明用作2相8极混合步进电机时的定子绕组各线圈接线图;
图5为本发明用作2相8极混合步进电机时的定子绕组各线圈接线示意图;
图6为本发明用作2相8极混合步进电机时的永磁体单独励磁时定子磁极极性分布图;
图7(a)为本发明用作2相8极混合步进电机在初始位置,A相绕组通入正向电流时的工作原理图(转子50小齿、定子每极5小齿);
图7(b)为电机在初始位置,A相绕组不通电、B相绕组通入正向电流时的工作原理图;
图7(c)为电机转过一个步距角时,仍给B相绕组通入正向电流时的工作原理图;
图7(d)为电机转过一个步距角时,B相绕组不通电、电机A相绕组通入负向电流时的工作原理图;
图8为本发明用作2相8极混合步进电机时的结构原理图(转子18小齿、定子每极2小齿);
图9为本发明用作2相16极混合步进电机时的结构原图(转子100小齿、定子每极5小齿);
图10为本发明用作3相12极混合步进电机时的结构原理图(转子50小齿、定子每极4小齿);
图11为本发明用作5相10极混合步进电机时的结构原理图(转子50小齿、定子每极4小齿)
图12为本发明用作5相20极混合步进电机时的结构原理图(转子100小齿、定子每极4小齿)
其中,1-1.电机前端盖,1-2.电机后端盖,2-1.前轴承,2-2.后轴承,3.转轴,4.转子铁心,5.永磁体,6.定子绕组,7.定子铁心,8.定子机壳,9.螺钉。
具体实施方式:
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
一种定子永磁体混合励磁步进电机,包括定子部分和转子部分。转子部分包括转子铁心4和设置在铁芯内部的转轴3,转子叠压铁心只有一段,其圆周均匀分布有相同的小齿;定子部分包括定子铁心7、定子绕组6和定子永磁体5,定子铁心7内周分布有相同的磁极,每个磁极的极靴上分布有与转子圆周表面小齿齿距相同的定子小齿,每个磁极的极身上放置线圈,各个线圈相互串联或并联构成电机的多相绕组,在定子铁心轭部均匀分布有沿切向充磁的永磁体5,相邻永磁体5的充磁方向相反,电机的相数、每相定子极数、转子外周齿槽数及永磁体5块数满足特定的关系。
本发明的2相8极定子永磁体混合励磁步进电机结构组成部分如图1所示,由定子部分和转子部分构成,转子部分主要由转子铁心4和套在转子铁心4内径的转轴3构成,转子铁心由导磁铁心片叠压而成,转子铁心外周均匀分布多个相同的小齿。
定子主要部分由定子铁心7、定子线圈6和定子永磁体5构成。定子铁心7内周均匀分布有8个磁极,顺序依次表示为7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、7-6、7-7、7-8,在每个磁极的极靴上均匀分布有与转子小齿齿距完全相同的定子小齿,在每个磁极的极身上套有一个线圈,对应磁极标号,依次标记为线圈6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7、6-8。线圈6-1(+A)与线圈6-3(-A)反向串联,再与线圈6-5(-A)反向串联,再与线圈6-7(+A)正向串联构成电机定子A相绕组,线圈6-2(+B)与线圈6-4(-B)反向串联,再与线圈6-6(-B)反向串联,再与线圈6-8(+B)正向串联构成电机定子的B相绕组,如图4和图5所示。
一对相邻永磁体中心线之间所包围的电机部分构成半个周期电机,当定子每相极数j为4的倍数时,在一个周期电机当中,有半个周期电机的定子绕组线圈绕制方向与传统的混合式步进电机相同,而另外半个周期电机的定子绕组线圈绕制方向与传统的混合式步进电机相反;当定子每相极数j为偶数且不是4的倍数时,在一个周期电机当中,定子绕组线圈绕制方向与传统的混合式步进电机完全相同。
定子铁心7在磁极7-1和7-8中间的铁心轭部及磁极7-4和7-5中间的铁心轭部开有永磁体槽,用以分别放置永磁体5-1和5-2,永磁体5-1和5-2沿切向充磁,且沿圆周方向充磁方向相反,见图2和图6所示的永磁体的N、S极性,从而使得在只有永磁体励磁时,定子磁极7-1、7-2、7-3、7-4为N极,7-5、7-6、7-7、7-8为S极,如图6所示。
定子铁心外周套有不导磁的机壳8,定子铁心通过螺钉9与端盖1-1和1-2固定在一起。转子部分通过装在端盖1-1内的轴承2-1和端盖1-2内的轴承2-2,与定子部分装配在一起构成本发明的定子永磁体混合步进电机。
按图1~图6说明本发明的混合步进结构时是以2相8极定子永磁体混合步进电机进行说明的,定子相数m=2,定子每相所包含的磁极个数j=4,即定子的总磁极个数为m×j=8,定子永磁体块数为n=2,转子小齿数Zr=50个,且定子各磁极均匀分布。
本发明的2相8极(转子50小齿)定子永磁体混合励磁步进电机具体工作原理示意图如图7(a)-图7(d)所示,此具体实例中电机的齿距角为电机的步距角为θ表示每个定子磁极下定子齿超前于转子齿的机械角度,Te1~Te8表示每个定子磁极下的转子小齿在磁阻力作用下所产生的转矩大小和方向,在永磁体单独作用下定子各个磁极呈现的极性用N极和S极表示。为了使电机能够正常工作,定子两相绕组的通电顺序为:A相绕组通正电→B相绕组通正电→A相绕组通负电→B相绕组通负电,然后再循环重复这一通电方式,且A、B两相绕组通正电时的电流参考方向如图4所示。
下面将详细阐述本发明本例的工作原理:假定电机的初始位置如图7(a)所示,此时定子磁极7-1和7-5下的定、转子齿中心线位置恰好对齐,并给电机A相绕组通入正向电流,根据磁阻力产生原理,容易分析出此时Te1~Te8的大小及方向,并有如下关系:
Te1=Te3=Te5=Te7=0,Te2=Te6=-Te4=-Te8。因而整个转子的转矩为0,即转子处于平衡位置处,不会发生转动;此时停止给电机A相绕组通电,并给电机B相绕组通入正向电流,容易分析出此时Te1~Te8的大小及方向,如图7(b)所示,并有如下关系:Te1=Te3=Te5=Te7=0,Te2=Te6>Te4=Te8。这是因为,定子磁极7-2和7-6上永磁体产生的磁场与定子B相绕组电流产生的磁场相互叠加,而定子磁极7-4和7-8上永磁体产生的磁场与定子B相绕组电流产生的磁场相互削弱,同时定子磁极7-2、7-4、7-6、7-8下各个定转子齿间的磁阻大小完全相同,结论是转子整体产生力矩,并驱动转子向正方向转动。进一步,当电机转过一个步距角(1.8°)时,若仍给电机B相绕组通入正向电流,则容易分析出此时Te1~Te8的大小及方向,如图7(c)所示,并有如下关系:Te2=Te4=Te6=Te8=0,Te1=Te5=-Te3=-Te7,因而整个转子的转矩为0,即转子处于平衡位置处,不会发生转动;此时停止给电机B相绕组通电,并给电机A相绕组通入负向电流,容易分析出此时Te1~Te8的大小及方向,如图7(d)所示,并有如下关系:Te2=Te4=Te6=Te8=0,Te1=Te5<Te3=Te7,结论是转子整体产生力矩,并驱动转子向正方向转动。
再进一步,电机通电和产生转矩的原理与以上分析类似,无需赘述。由以上分析可得出结论:通过对定子两相绕组顺序通电,在定子永磁体和定子绕组电流的共同作用下,本发明可以与传统的步进电机一样步进工作。
本发明的混合步进电机最大特点是永磁体置于定子上,其中定子绕组相数m,每相包含的磁极个数j,永磁体个数n,转子齿数Zr之间必须满足一定关系,才可以保证本发明正常运行。具体关系如下:
当相数m是5的倍数时,定子每相极数j必须是偶数。当j为4的倍数时,n=j/2,j不是4的倍数时,永磁体块数n=j,转子小齿数Zr=mj或Zr=5kmj(其中k为正整数),定子各极不是均匀分布,相邻定子磁极的定转子齿相对位置互相错开电角度(一个转子齿距为2π电角度);
所发明电机的n块永磁体在定子轭部圆周均匀分布,沿切向充磁,且相邻两块永磁体充磁方向相反;所发明电机定子磁极中的小齿个数为大于1的整数,定子小齿齿距与转子小齿齿距相同。
根据上述关系得到几种常见的本发明电机结构如下:
(1)2相8极(转子50小齿、定子每极5小齿)本发明混合步进电机,如图2所示,其中,j=4,m=2,k=6,n=2;
(2)2相8极(转子18小齿、定子每极2小齿)本发明混合步进电机,如图8所示,其中,j=4,m=2,k=2,n=2;
(3)2相16极(转子100小齿、定子每极5小齿)本发明混合步进电机,如图9所示,其中,j=8,m=2,k=6,n=4;
(4)3相12极(转子50小齿、定子每极4小齿)本发明混合步进电机,如图10所示,其中,j=4,m=3,k=4,n=2;
(5)5相10极(转子50小齿、定子每极4小齿)本发明混合步进电机,如图11所示,其中j=2,m=5,k=1,n=2,相邻两定子极的定转子齿互相错开6π/5;
(6)5相20极(转子100小齿、定子每极4小齿)本发明混合步进电机,如图12所示,其中j=4,m=5,k=1,n=2,相邻两定子极的定转子齿互相错开6π/5。
本发明的混合步进电机既可用作步进电动机,也可用作发电机。
上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种定子永磁体混合步进电机,包括定子部分和转子部分,其特征是,转子部分包括转子叠压铁心和设置在铁芯内部的转轴,转子叠压铁心外周均匀分布有相同的小齿;定子部分包括定子铁心、定子绕组和永磁体,定子铁心内周分布有磁极,磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的定子小齿,在每个磁极的极身上放置一个线圈,线圈绕制方向由定子每相极数j确定;在定子铁心轭部的对称位置均匀开有一定数量的开口槽,槽的开口方向沿径向指向定子铁心轭部外侧,且相邻两槽的槽中心线沿圆周方向跨过的角度相同;永磁体放置在所述槽内,所述永磁体均匀分布,且都是切向充磁,相邻两块永磁体的充磁方向相反。
2.如权利要求1所述的一种定子永磁体混合步进电机,其特征是,所述定子铁心外周套有不导磁的机壳,定子铁心通过螺钉与电机的端盖固定在一起。
3.如权利要求1所述的一种定子永磁体混合步进电机,其特征是,所述转子部分通过轴承支承在端盖中,转子部分在定子内部转动。
6.如权利要求1所述的一种定子永磁体混合步进电机,其特征是,每个定子磁极极靴上均匀分布的定子小齿数为任意正整数。
7.如权利要求1所述的一种定子永磁体混合步进电机,其特征是,当定子每相极数j为4的倍数时,以一对相邻永磁体中心线之间所包围的电机部分构成半个周期电机,则在一个完整周期电机中,其中半个周期电机的定子绕组线圈绕制方向与另外半个周期的线圈绕制方向相反。
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