TWI296875B - Step motor with multiple stators - Google Patents

Description

1296875 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供-種步進馬達，尤指_種具有多重步進 角度之步進馬達，以同時達到高轉速及高精密度之要求。 【先前技術】 而步進馬達由於其轉動位移及速度可由控制系統透過電力 馬達為工業社會及資訊時代所不可或缺的動力轉換裝 置，其可把電能轉換為裝置運動時所需之動能。常用之馬 達有直流馬達、交流馬達以及步進馬達等等，直流馬達及 交流馬達一般被用於不需精密控制之產品裝置上，如電動φ 風扇中葉片的轉動便可利用直流馬達或交流馬達來達成。 所控制，因此其常被用於需要精密控制的裝置上，如掃描 器^掃描文件時其掃描模組的移動便是由步進馬達所驅動 。隨者數位資訊產品的日益發展，步進馬達被廣泛地應用 於數位產品的控制系統中，以達到數位裝置之位置及速度 之控制。 ％ 常用之步進馬達有可變磁阻馬達（variable㈣此仏如e , motor)及永久磁性馬達（permanent 兩種，由於 水久磁性馬達在間歇性操作之工作週期中功率的消耗很少 ，故普遍被業界所使用。以下即以永久磁性馬達為例來說 明一般步進馬達的操作原理。請參考圖一，圖_為習知步 進馬達1G之示意圖。步進馬達1G包含有-轉子12及_定 子14，定子14包圍於轉子12之外側，其為固定不動，而 轉子12則可繞著一固定轉軸而轉動。轉子為一永久磁 1296875

鐵’其包含有六個N磁極R1-R6平均分佈於轉子12上，每 極相隔60度，定子14上亦包含有八個磁極L1_L8，此八個 磁極L1-L8係由線A、B繞轉電磁鐵M1-M8所形成，相鄰 磁極而相隔45度，每一磁極之極性決定於線圈A、B繞轉 的方向，及線圈A' B中電壓之正負。本實施例中步進馬達 10包含有兩組線圈A和B，A線圈用以繞圈磁極LI、L3、 L5和，且每一磁極LI、L3、L5和L7上之線圈之繞轉方 向不同’以使通電後每一磁極將產生不同的極性；同樣地 ’ B線圈用以繞轉磁極L2、L4、L6和L8，其做法與A線 圈相同。步進馬達10另包含有一控制器16，電連接於線圈 A和B，用來控制線圈A和B中電流的流動，以控制步進 馬達10中轉子12的轉動。 右在一時段中，A線圈被導通，B線圈未被導通，且使 得電磁鐵Ml、M5面對轉子之一端呈s極，那麼定子14之 L1極及L5極將分別吸引轉子12之R1極及R4極，使得u 極及L5極分別正對著R1極及R4極。此時R2對應q、及 R5對應L6係逆時針相差15度；R3對應l4、及R6對應 L8皆順時針相差15度，R3對應L3、及R6對應L7則逆時 針相差30度。若在另一時段中，B線圈被導通，而a線圈 並未導通，且使得電磁鐵M2、M6面對轉子之一端呈s極 ，那麼定子14之L2極及L6極將吸引轉子12之R2極及 R5極’因而使轉子12逆時針轉動15度而使L2極及u極 分別正對著R2極及R5極。若A線圈再次被導通，且使得 電磁鐵M3、M7面對轉子12之一端呈s極，那麼定子μ 1296875 上之電磁鐵M3及M7將吸引轉子12之R3極及汉6極，因 而使轉子12逆時針轉動15度而使電磁鐵M3及M7分別正 對著轉子12之R3極及R6極。如此類推，若順序地使電磁 鐵M4、M8，電磁鐵Ml、M5，電磁鐵M2，M6面對轉子 12之一端之極性呈s極，那麼便可使得轉子12逆時針地轉 動，且步進角為15度。若線圈A、B中電流的改變速度愈 快，那麼步進馬達1〇的轉速便愈快，但仍保持每一步進角 為15度。至於轉子12之順時針方向轉動的操作原理係與 其逆時針方向轉動的操作原理相似，在此不再多加敘述。$ 由於可知，只要控制定子14上之線圈A、B之電流導通情、 況，便可方便地控制步進馬達1〇的轉動方向及轉動速度。 以上敘述了步進馬達10每次轉動一步之操作原理，當 然步進馬達10每次亦可僅轉動半步，或1/4步，其操作原 理描述於下。當使用者欲控制步進馬達1〇轉動半步或ι/4 步時，使㈣可同時對兩組線圈A、B進行通電，並使兩相 鄰磁鐵之面對轉子12的—端的極性呈^。例如同時對A 、B兩組線圈通電’並使得電磁鐵M2、M3，及電磁鐵M6 , 、M7面對轉子12的一端的極性同時呈s極。不過，對線 圈A及B所通入的電流強度不一定要相同，例如對b線圈 I、較強之电μ，而對A線圈則通入較弱之電流，那麼電 磁鐵M2 M6中S極的極性便會較電磁鐵M3、M7的極性’ 為強，因此，轉子12便會逆時針地作微量轉動，至於轉動， 的角度則需視乎兩線圈A、B中電流強度的比例而定，此操 务便可控制步進馬達1〇轉動半步、1/4纟、或其他微 丄296875 步0 民、去，Λ ”、 ν進馬達ίο之側視圈。步進

馬達10另包含有一傳愈1Q 齒輪2〇之間，用來把轉子12’固定於轉子12及一外接之 於％, 2的轉動傳遞至齒輪20。而齒 :::::至一輸出裝置(如掃描一-以 或步進曰馬,10可由通入電流之強弱來使其轉動半步 未处達至^ 1旦疋由磁力之強弱來控制轉子12轉動之角度並 很精確，原因為步進馬達10本身之重量、輸出裝 夏心重$、控制電流之進宏 度、相關零件線路之誤差等等 二”使得轉子12在轉動微步時很容易出現誤差，未能 :疋立’尤其轉動的角度愈小時，其 例如一般步進馬達1〇走一全步的誤差量為7% 的誤差則增加至鳩，至於走1/4步的誤差便更二= 利用步進馬達10轉動微步很難滿足精密度的要東。 當然，使用者可增加步進馬達10中轉子U 的N極或S極的數量，如此，步進馬達10便子入4 步來代替-半步或微步，以減少轉動半步的誤差量；： 吏步進馬…對另外一個問題，就 馬達！0無法相高速運轉的要求。由於步進馬達 直 内線圈A、”電流的改變來控制轉子12的轉動，電、〜 k的速度愈快，轉子12轉動的速度便也跟著加快，可是，

由於磁極，鐵感應之反應速度有限，造成線圈二 的改__達到很高速’因此，進馬達Μ的步I 1296875 角很小的話，那麼步推 〜進馬達10便很難達到高速運轉。 高速運轉二無法同時滿足高精密度及 足步進馬達H)轉動時之精声要^的步進角變小，雖然可滿 無法達到高速運動；相反1要求，可是便使得步進馬達10 ，雖然可使步進馬達i。達到!=達10的步進角變大 轉動時，便會產生很大的===’可是在微步進角的 。可是，在-般的裝置中動力T12無法被精確定位 一 動力糸統常被要求同時具備精 運轉的特性，而習知步進馬達!。卻僅能滿足其< T 之 一。 ： 【發明内容】 口此本發明之主要目的在於提供一種具有多重步 角度之步進馬達，以同時滿足高精密度及高速運轉之要求 〇 【實施方式】 «月參考圖二，圖二為本發明步進馬達3G之侧視圖。本 實施例中之步進馬達3G為—永久磁性馬達（pennanent ^ magnetlC m〇t0r)。步進馬達30包含有一轉子32、_第一定 =34、一第二定子36、一第一控制器38、以及一第二控制 器40，轉子32可沿著一固定的轉軸轉動，第一定子μ及 第二定子36分別固定於轉+ 32的外圍，為固定不動。第 -控制器38用來控制第一定子34内之線圈的電流流動， 以驅動轉子32轉動’而第二控制器4〇則係用來控制第二 定子36内之線圈的電流流動，同樣係用來驅動轉子32轉 1296875 動。轉子32分別受第一定子34及第二定子36的驅動而轉 動，步進馬達30另包含有一傳動軸42，連接於轉子32及 一齒輪44之間，用來把轉子32的轉動傳遞至齒輪44。齒 輪44則連接至一輸出裝置（如掃描器的掃描模組），以帶動 輸出裝置運動。另外，第一定子34及第二定子36之間設 置有一金屬片46，以分隔第一定子34及第二定子36所產 生的磁力線，避免第一定子34及第二定子36之間產生電 磁感應。 請參考圖四及圖五，圖四為圖三所示本發明第一定子 34之正視圖，圖五為圖三所示本發明第二定子36之正視圖 。第一定子34及第二定子36之構造與一般定子相似，第 疋子3 4包含有複數個由線圈4 8 A、4 8 B繞轉電磁鐵c 1 C8所形成的磁極D1-D8，線圈48A、48B上電流的流動情 況由弟一控制斋3 8控制，以控制轉子3 2的轉動。第一定 子36上亦包含有複數個由線圈5〇A、5〇B繞轉電磁鐵 50B上電流的流動情 E16所形成的磁極fui6，線圈5〇a、 況由第二控制器40控制，以控制轉子32的轉動。第二定 子36上磁極較第一定子34上的磁極多，且第二定子36上 上的磁極的比例為一整數，如此由第 的磁極與第一定子34 一定子34驅動轉子32轉動之步進角較大，而第二定子36 驅動轉子32轉動的步進角則較小。 一定子34及第二定子36的軀動

由於轉子32分別受第一 而轉動，且第一定子34所輿 10 1296875 可利用弟一定子34來驅動轉子32轉動，而當步進 =30需要高精密度運轉時，則可利用第二好％來驅 轉：，以使轉子32可被精密定位。至於第-定 半進角及Λ一疋子36上電磁鐵C、E的數量，則可視所需的 I所鐘疋’假設若步進馬達3〇的外接齒輪44每轉動一

It的角度為7‘5度，則麼第—定子34的步進角便可 吕又计為7.5度的一倍，即μ度，而筮—〜7 可設計為7.5度的-半，即3 75声一 ^36的步進角便 Ρ 3·75度。如此當步進馬達30要 轉動半齒時（即3.75度），便可利用第二定子％來驅動轉子義 轉動一全步來達成，而並不需如習知技術中必須由定子、 14驅動轉子12轉動半步來達成，因此便可減少轉子32轉 ?:步所造成的誤差。-般步進馬達3。轉動-全步的誤； %，而轉動半步的誤差量則為30%，由此可知，利用 =^之步進馬達3〇來帶動齒* 44轉動半齒可明顯地把 誤差量，習知技術的30%減少至7%，因此增加齒輪44轉 動的精密度。同樣地’若齒輪44要高速運轉時，步進馬達 30便可利用第一定子34來驅動轉子32轉動，第一定子34 _ 的步進角為15度，即第一定子34之線圈似、彻内的電 流變化一次’轉子32便可轉動15度，並不需要如習知步 、為· $度之疋子14必須改變電流兩次，才可使轉子 12轉動15度（轉子轉動兩步進角），目此若本發明與習知技 術中之電流的變化速率相同，那麼本發明轉子32的轉動速 2會是習知技術的一倍。由此可知，本發明步進馬達3〇可 糟由第—定子34及第二定子36分別控制轉子32的轉動、 11 !296875 以達到高速運動及高精密度的要 本發明應用於掃描器52之厂、咅、二多考圖六，圖六為 組54為例，掃描模組 田态52之掃描模 移動以掃描待掃描文件56，掃描模組54 1來前後 達3°來帶動。待掃描文件％置放於掃描平” 步進馬 區域6〇處，掃描模組54到達掃描區：：的掃福 岐區域62。因此，當步進馬達3〇驅動掃描=先經過— 至掃描區域60時，步進馬達30可先以第_^、，且54則進 轉子32以使掃描模組54以高速走：動 ，區域節省掃_組54於過渡區域m 1 掃描模組54進入至掃描區域 、曰· 二定子36來驅動轉子32,使轉…進馬達3〇便改以第 ._ 更轉子32可以較小的步進自 密度來掃描待掃描文件56，以增加择描的： :=佳的掃描效果。除了掃描器52以外，本發明步達 馬達30亦可用於其他電子梦 子衣置内，例如印表機，本發明步 …、 可用來控制印表機之列印頭的移動動作。 卜第冑子34與第二定子36之相位亦可不相互 匹配：步進馬達3〇可僅利用第-控制器38或僅利用第二 控制器40來控制轉子32的轉動。 —^ ’第-定子34上電磁鐵c的數量亦可設計為等於 第疋子36上的數里，如此之設計可用於需要高轉矩的裝 置上#第一疋子34及第二定子36上相對應的磁極之電 流同時被導通，以同時產生極性驅動轉子32的轉動，這樣 轉子32會具有較高的轉矩。 12 1296875 ,ι、相=於習知步進馬達1〇，本發明步進馬達％包含有至 —兩们疋子34、36 ’其可分別驅動轉手32轉動，由於第一 疋子34的步進角較大，因此可用於驅動轉子82高速運轉 ^減少運動相；而第二定子36的步進角較小，可用於 ’；轉子32轉動較小的角度’以減少習知技術中步進馬達 〇轉動半步所造成的誤差，增加轉子32轉動之精密度。因 此，本發明步進馬達30可藉由第一定子34及第二定子36 同時滿足高速運轉及高精密度之要求。當然，定子的數目 並不了定限定為二個，亦可視實際需要增加定子之數目。 專利==僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請 ㈣之均等變化與修飾’皆應屬本發明專利之涵 【圖式簡單說明】 圖一為習知步進馬達之示意圖。 圖二為圖一步進馬達之側視圖。 圖三為本發明步進馬達之側視圖。 圖四為圖三所示本發明第一定子之正視圖。 圖五為圖三所示本發明第二定子之正視圖。 圖六為本發明應用於掃描器之示意圖。 13 1296875 【主要元件符號說明】 10步進馬達 14定子 18傳動軸 A、B線圈 M1-M8電磁鐵 30步進馬達 34第一定子 38第一控制器 42傳動軸 46金屬片 52掃描器 56待掃描文件 60掃描區域 C1-C8、E1-E16 電磁鐵 12轉子 16控制器 20齒輪 L1 - L 8磁極 R1-R6N磁極 32轉子 36第二定子 40第二控制器 44齒輪 48A、48B、50A、50B 線圈 54掃描模組 58掃描平台 62過渡區域 D1-D8、F1-F16石兹才盈

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Claims (1)

1. j296875 十、申請專利範圍： 1 · /種步進馬達，其包含·· 一轉子； 一疋子，设於該轉子之外圍，該二定子各具有數目不 同之磁極’俾控制該轉子而產生不同之步進角度；以及 一第一控制電路及一第二控制電路，用來分別控制傳 輸至該二定子之電流。 2. 如申請專利範圍第！項所述之步進馬達，其中該二定子間_ 設有一分隔裝置，用來避免該二定子間產生電磁感應。 3. 如申請專利範圍第丨項所述之步進馬達，其中該二定子之 相位匹配，因此該二定子可依序導電來依序感應該轉子。 4·如申請專利範圍第i項所述之步進馬達其中該二定子之 相位不匹配。 5.如申請專利範圍第i項所述之步進馬達，其係為—永久磁 性馬達（permanent magnetic motor) 〇 6·如申請專利範圍第1項所述之步淮 少進馬達，其係用來帶動一 電子裝置之一模組元件。 7·如申請專利範圍第6項所述之步進 要馬達，其中該電子裝置 係為一掃描器，而該模組元件為一掃打模組 8_如申請專利範圍第6項所述之步谁 遷馬達，其中該電子裝置 15 1296875 ， 係為一印表機該模組元件為一列印頭移動模組。

   16 1296875 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（三）圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 30步進馬達 32轉子 34第一定子 36第二定子 38第一控制器 40第二控制器 42傳動軸 44齒輪 46金屬片 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：