CN101355290A - 双径向磁场反应式直线旋转步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双径向磁场反应式直线旋转步进电机，步进电机定子两段磁极产生的是轴向和径向两个空间相交的磁场，而转子磁路是两个空间径向磁通通路，使得转子结构大幅度简化，并且可以使用叠片结构，增加了转子磁导率，降低了磁路磁阻和电机体积。实现了步进电机既能直线运动，又能旋转运动，还能螺旋运动，比磁阻式直线步进电动机结构简单，由于没有永久磁体，加工工艺简单，在控制方面，只需要单极性驱动电源，因此控制电路也简单，总的成本低，可靠性高。

Description

双径向磁场反应式直线旋转步进电机

技术领域

本发明涉及一种电机领域中的步进电机，特别涉及一种具备旋转运动和直线运动和螺旋运动的混合运动步进电机。

背景技术

传统电机以旋转运动或直线运动为主，当系统需要既要旋转又要直线运动时，必须利用机械的方法实现，造成设备体积庞大，重量增加。目前，就电机产生力的原理来说，有三种形式：其一电磁作用原理，现今运行的大部分电机为这类电机，利用这种原理制作的直线旋转电机很难做到精确控制；其二是磁阻作用原理，现今运行的大部分精确控制电机为这类电机，但这种电机基本是只有直线运动或只有旋转运动；其三是摩擦原理产生你的超声波电机，这类电机可以实现精确控制，但是其效率低，功率小。

发明内容

本发明是针对现有国内缺乏既能旋转又能直线运动，并且效率高、功率大的步进电机问题，提出了一种双径向磁场反应式直线旋转步进电机，它既能直线运动，又能旋转运动，还能螺旋运动，该电机在直线运动时，能准确地分步直线运动，也能以不同的速度连续直线运动；该电机在旋转运动时，能准确的转角分步旋转，也能以不同的转速连续旋转。

本发明的技术方案为：一种双径向磁场反应式直线旋转步进电机，包括步进电机，电机转子由圆柱形铁心和叠压的硅钢片组成，所述步进电机的定子的两端分别设有产生直线推力的定子段和产生旋转力矩的定子段。

所述产生直线推力的定子段可分为p对磁极，共2p个磁极，每一对的两个磁极在空间相差180度，其中心线通过电机截面圆的圆心，磁极的机身上绕有一定匝数的铜导线作为励磁绕组，绕向相同，每对极的极靴表面有一定等距齿和槽，每一各齿槽间的宽度为一个极距，各极极靴的齿槽大小相等，个数相同，各齿和槽都沿轴向分布，形成圆弧型齿和槽，每一对磁极与相邻磁极第一各齿中心线的轴向距离相差1/p个齿距。

所述产生旋转力矩的定子段可分为q对磁极，共2q个磁极，每一对的两个磁极在空间相差180度，其中心线通过电机截面圆的圆心，磁极的机身上绕有一定匝数的铜导线作为励磁绕组，绕向相同，每对极的极靴表面有一定等距齿和槽，每一个齿槽间的宽度为一个极距，各极极靴的齿槽大小相等，个数相同，各齿和槽都沿圆周分布，形成沿轴向平行的型齿和槽，每一对磁极与相邻磁极第一各齿中心线在圆周周长方向相差1/q个齿距。

所述叠压的硅钢片按照定子极靴表面齿槽宽度，按一段圆形不带齿叠片连续叠压，其叠加厚度等于极靴上的槽，再按一段圆形带齿叠片连续叠压，其叠加厚度等于极靴上的齿，形成均匀分布的有小齿圆柱形转子。

本发明的有益效果在于：本发明的双径向磁场反应式直线旋转步进电机实现了既能直线运动，又能旋转运动，还能螺旋运动，比磁阻式直线步进电动机结构简单，由于没有永久磁体，加工工艺简单，在控制方面，只需要单极性驱动电源，因此控制电路也简单，总的成本低，可靠性高。

附图说明

图1本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机中定子的剖面图；

图2本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机中定子的右视图；

图3本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机中定子的左视图；

图4本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机中产生直线推力部分的定子的立体示意图；

图5本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机中产生旋转力矩部分的定子的立体示意图；

图6本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机中转子硅钢片形状1示意图；

图7本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机中转子硅钢片形状2示意图；

图8本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机中转子立体示意图；

图9本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机中转子局部放大示意图；

图10本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机产生直线推力的径向磁场示意图；

图11本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机产生直线推力的径向磁场推力的产生示意图；

图12本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机产生旋转力矩的径向磁场示意图；

图13本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机产生旋转力矩径向磁场旋转力矩的产生示意图；

图14本发明双径向磁场反应式直线旋转步进电机控制系统方框图。

具体实施方式

双径向磁场反应式直线旋转步进电机利用两段定子的不同磁极产生的一个定子径向磁场和一个定子轴向磁场，由于定、转子特殊结构，这两个磁场在转子成为两个空间立体相交径向磁场，这两个磁场根据磁阻作用的原理，分别产生磁阻性旋转力矩和磁阻性直线性推力。控制系统可以依据需求使电机实现单独旋转运动、单独直线运动或螺旋运动。由于本发明利用定子两段磁极产生的是轴向和径向两个空间相交的磁场，而转子磁路是两个空间径向磁通通路，使得转子结构大幅度简化，并且可以使用叠片结构，增加了转子磁导率，降低了磁路磁阻和电机体积。下面介绍关键的定子和转子的结构：

一、定子结构描述：

如图1所示定子的剖面图，定子分为两部分，产生旋转力矩的定子段2和产生直线推力的定子段1，两段定子分别设在电机定子的两端。

(1)产生直线推力部分的定子段

如图3所示定子的右视图和图4所示产生直线推力部分的定子的立体图。产生直线推力部分的定子段占定子轴向一定的长度，可分为p对磁极(1对为两个)，每一对的两个磁极在空间相差180度，其中心线通过电机截面圆的圆心，磁极的机身上绕有一定匝数的铜导线作为励磁绕组，绕向相同。每对极的极靴表面有一定等距齿和槽，每一各齿槽间的宽度为一个极距，各极极靴的齿槽大小相等，个数相同，各齿和槽都沿轴向分布。每一对磁极与相邻磁极第一各齿中心线的轴向距离相差1/p个齿距。磁极对数p值根据设计需要设定。

(2)产生旋转力矩部分的定子段

如图2所示定子的左视图和图5所示产生旋转力矩部分的定子的立体图。产生旋转力矩部分的定子段在定子轴向有一定的长度，可分为q对磁极(1对为两个)，每一对的两个磁极在空间相差180度，其中心线通过电机截面圆的圆心，磁极的机身上绕有一定匝数的铜导线作为励磁绕组，绕向相同。每对极的极靴表面有一定等距齿和槽，每一个齿槽间的宽度为一个极距，各极极靴的齿槽大小相等，个数相同，各齿和槽都沿圆周分布。每一对磁极与相邻磁极第一各齿中心线在圆周周长方向相差1/q个齿距。磁极对数q值根据设计需要设定。

磁极p和q数值可以相同也可不同。

二、转子主体结构描述：

如图8所示转子立体图和图9所示转子局部放大图。转子6主体为一个圆柱形铁心和周围的叠压的硅钢片组成，硅钢片由两种不同形状，圆形带齿硅钢片5如图7所示和圆形不带齿槽硅钢片4如图6所示。

按照定子极靴表面齿槽宽度，按一段圆形不带齿槽叠片连续叠压，其叠加厚度等于极靴上的齿槽，再按一段圆形带齿槽叠片连续叠压，其叠加厚度等于极靴上的齿，最终形成均匀分布的有小齿圆柱形转子。

三、双径向磁场及其力的描述

(1)产生直线推力的定子段与转子形成的径向磁阻与推力

如图10所示产生直线推力的径向磁场示意图和如图11所示径向磁场推力的产生示意图。当产生直线运动的p对磁极中的一对磁极的绕组通入电流时，该定子磁极产生磁场，由于磁通有沿磁阻最小路径通过的性质，使定、转子间产生直线推力，在这一推力作用下，通电定子齿和最靠近转子齿对齐。而相邻产生直线运动的定子转子磁极间相差1/p齿距。这样如果按顺序每通电一次，转子直线运动1/p齿距，如果连续使相邻产生直线运动的磁极通电，转子就会连续直线运动。

(2)产生旋转力矩的定子段和转子形成的磁阻转矩

如图12所示产生旋转力矩的径向磁场示意图和如图13所示径向磁场旋转力矩的产生示意图。产生旋转运动的q对磁极中的一对磁极的绕组通入电流时，该定子磁极产生磁场，由于磁通有沿磁阻最小路径通过的性质，使定、转子间产生旋转力矩，在这一力矩作用下，通电定子齿和最靠近转子齿对齐。而相邻产生旋转运动的定子转子磁极间相差1/q齿距。这样如果按顺序每通电一次，转子旋转运动1/q齿距，如果连续使相邻产生旋转运动的磁极通电，转子就会连续旋转运动。

四、控制系统描述

如图14所示双径向磁场反应式直线旋转步进电机控制系统方框图。双径向磁场高精度直线旋转步进电机系统由电源15、方向控制10、直线运行控制11、旋转运行控制12、控制器13、驱动器16和电机17本体组成。

其中：方向控制10是控制旋转方向和直线运动方向，如正转、反转、前进和后退；

直线运行控制11是控制直线运行的速度和连续、步进方式；

旋转运行控制12是控制旋转运行的转速和连续、步进方式；

控制器13接收方向控制10、直线运行控制11、旋转运行控制12的信号，处理转换后送入驱动器16中；

驱动器16是直线旋转电机17的电功率驱动单元，用来提供电机所需要的电能，驱动器16由专门电源15供给；

直线旋转电机17运行带动负载14运动。五、双径向磁场高精度直线旋转步进电机的优点

双径向磁场高精度直线旋转步进电机变磁阻式直线步进电动机结构简单，由于没有永久磁体，加工工艺简单，在控制方面，只需要单极性驱动电源，因此控制电路也简单，总的成本低，可靠性高。具体如下：

作旋转运动时的特点：

a)有较大的电机利用系数，可以是感应电动机利用系数的1.2～1.4倍。

b)电动机的结构简单，转子上没有任何形式的绕组；定子上只有简单的集中绕组，端部较短，没有相间跨接线。因此，具有制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小。

c)转矩与电流极性无关，只需要单向的电流激励。在理论上功率变换电路每相可以只用一个开关元件，而且每个开关元件都与电动机绕组串联，不会出现象PWM逆变器那样电源有通过两个开关元件直通的危险。所以，其线路简单，可靠性高，成本低于PWM交流调速系统。

d)转子的结构形式对转速限制小，可制成高转速电动机。而且转子转动惯量小，在电流每次换向时又可以随时改变相应转矩的大小和方向，因而系统有良好的动态响应。

e)可以通过对电流的导通、断开和幅值的控制，得到满足不同负载要求的机械特性，易于实现系统的软起动和四象限运行等功能，控制灵活。在低频时也不会像变频供电的感应电动机那样出现不稳定和产生振荡问题。

f)由于采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制技巧，其出力可以与感应电动机相媲美，甚至还略占优势。它的效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都可维持在较高水平。

当作直线运动时：

a)响应速度快、精度高，由于直线电机驱动系统可以取消时间常数较大的机械传动件，采用“直接传动”方式，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应灵敏快捷。可获得较高的启动加速度，一般可达(2～10)g(g＝9.8m/s²)，而滚珠丝杠传动的最大加速度只有(0.1～0.5)g。大大减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高系统的定位精度。

b)传动刚度高，由于“直接传动”，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时提高了其传动刚度。

c)噪音低，由于取消了大量的机械部件的机械摩擦，其运动时噪音将大大降低。

d)效率高，由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗。

Claims (4)

1、一种双径向磁场反应式直线旋转步进电机，包括步进电机，电机转子由圆柱形铁心和叠压的硅钢片组成，其特征在于，所述步进电机的定子的两端分别设有产生直线推力的定子段和产生旋转力矩的定子段。

2、根据权利要求1所述双径向磁场反应式直线旋转步进电机，其特征在于，所述可产生直线推力的定子段可分为p对磁极，共2p个磁极，每一对的两个磁极在空间相差180度，其中心线通过电机截面圆的圆心，磁极的机身上绕有一定匝数的铜导线作为励磁绕组，绕向相同，每对极的极靴表面有一定等距齿和槽，每一各齿槽间的宽度为一个极距，各极极靴的齿槽大小相等，个数相同，各齿和槽都沿轴向分布，形成圆弧型齿和槽，每一对磁极与相邻磁极第一各齿中心线的轴向距离相差1/p个齿距。

3、根据权利要求1所述双径向磁场反应式直线旋转步进电机，其特征在于，所述可产生旋转力矩的定子段可分为q对磁极，共2q个磁极，每一对的两个磁极在空间相差180度，其中心线通过电机截面圆的圆心，磁极的机身上绕有一定匝数的铜导线作为励磁绕组，绕向相同，每对极的极靴表面有一定等距齿和槽，每一个齿槽间的宽度为一个极距，各极极靴的齿槽大小相等，个数相同，各齿和槽都沿圆周分布，形成沿轴向平行的型齿和槽，每一对磁极与相邻磁极第一各齿中心线在圆周周长方向相差1/q个齿距。

4、根据权利要求2、3所述双径向磁场反应式直线旋转步进电机，其特征在于，所述叠压的硅钢片按照定子极靴表面齿槽宽度，按一段圆形不带齿叠片连续叠压，其叠加厚度等于极靴上的槽，再按一段圆形带齿叠片连续叠压，其叠加厚度等于极靴上的齿，形成均匀分布的有小齿圆柱形转子。

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