專利名稱：永磁型三相步進(jìn)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，尤其是涉及在用于辦公室自動化等的裝置中所采用的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)。
背景技術(shù)：
在永磁型三相步進(jìn)電機(jī)中所產(chǎn)生的振動小于在永磁型兩相步進(jìn)電機(jī)中所產(chǎn)生的振動。三相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路所需的晶體管的數(shù)目是6個，而兩相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路所需的晶體管的數(shù)目是8個。因此，三相步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格性能比很好。而且，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)目增加時(shí)，可以提高轉(zhuǎn)子的精確定位和低速轉(zhuǎn)動時(shí)的波動。不過，即使在三相步進(jìn)電機(jī)中也將產(chǎn)生振動和噪音，因?yàn)樵诙鄠€極齒的影響下，在由永磁體形成的磁通中產(chǎn)生很多諧波。
考慮到在三相步進(jìn)電機(jī)中的定子主磁極的數(shù)目是3的倍數(shù)，例如3、6、9、12……。有三個定子主磁極的電機(jī)結(jié)構(gòu)最簡單。而且，應(yīng)當(dāng)知道，定子主磁極的數(shù)目越少將產(chǎn)生越大的扭矩，因?yàn)槊總€定子主磁極的互連磁通將變大。日本專利No.3140814和相應(yīng)的美國專利U.S.P.5289064是已知的現(xiàn)有技術(shù)。
當(dāng)這樣有三個定子主磁極的普通步進(jìn)電機(jī)通過兩相勵磁方式驅(qū)動時(shí)，在徑向上產(chǎn)生不平衡的電磁力，且由于大量的小轉(zhuǎn)子齒而產(chǎn)生諧波，因此，變動扭矩增大。而且，由于徑向的不平衡電磁力，轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙中心偏移，因此，振動和變動扭矩也增大。
在有12個定子主磁極的步進(jìn)電機(jī)中，沖壓硅鋼板可以在角度位置改變90度的情況下進(jìn)行堆積，以便形成定子芯，這樣，硅鋼板由于其滾轉(zhuǎn)方向而引起的特性差異將彼此抵消，從而提高磁平衡，諧波也能減少，因?yàn)闅庀吨械拇磐芏然境烧也ǖ男问?，而定子芯的厚度波動小，氣隙均勻。不過，當(dāng)定子主磁極的數(shù)目是6或9時(shí)，沖壓硅鋼板不能在角度位置改變90度的情況下進(jìn)行堆積，因此變動扭矩大于在定子主磁極的數(shù)目為12時(shí)的變動扭矩，因?yàn)楫?dāng)繞組進(jìn)行低階勵磁時(shí)，例如為三階或四階諧波時(shí)，振動扭矩將加在根據(jù)Fleming左手定律所產(chǎn)生的扭矩上，該Fleming左手定律也就是IBL定律(其中I是電流，B是磁通，而L是堆積的板的厚度)。
而且，在普通結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)中，當(dāng)小轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目Nr變大時(shí)，轉(zhuǎn)子的N極和S極的齒之間的齒相位(機(jī)械角度)為180/Nr，將變小。因此，即使當(dāng)機(jī)械角度的誤差(error)較小時(shí)，電角度的誤差也較大。而且，當(dāng)定子主磁極的數(shù)目是3或6時(shí)，沖壓硅鋼板不能在角度位置改變90度的情況下進(jìn)行堆積，因此，由于磁路中的磁阻不平衡或由于氣隙不均勻而產(chǎn)生的較低階的諧波并不在相間消除。
因此，制成的步進(jìn)電機(jī)在變動扭矩、振動或噪音上彼此不同。
發(fā)明簡介為了解決普通步進(jìn)電機(jī)中的前述問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，該永磁型三相步進(jìn)電機(jī)包括定子和布置成與定子同心的轉(zhuǎn)子，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子有三個定子磁極，各三相定子繞組環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有m個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件，永磁體保持在該轉(zhuǎn)子元件之間，并磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，或者所述轉(zhuǎn)子是柱形永磁體，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距交替形成多個(Nr)N和S磁極對，其中定子極齒的節(jié)距小于小轉(zhuǎn)子齒或轉(zhuǎn)子磁極的節(jié)距，m是整數(shù)，并為(Nr±2k)/3，Nr為3n±1，n為不小于1的整數(shù)，而k為不小于1且不大于4的整數(shù)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，該永磁型三相步進(jìn)電機(jī)包括定子和布置成與該定子同心的轉(zhuǎn)子，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子有三個定子磁極，各三相定子繞組環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有m個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件，永磁體保持在該轉(zhuǎn)子元件之間，并磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，或者所述轉(zhuǎn)子具有柱形永磁體，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距形成多個(Nr)N和S磁極對，其中定子極齒的節(jié)距的電角度為2π±α，α是小轉(zhuǎn)子齒或轉(zhuǎn)子磁極的節(jié)距和定子極齒的節(jié)距在電角度上的偏移，m是不小于4的偶數(shù)，各α1和α2是電角度，α2≤α≤α1，且α1和α2由公式1和公式2獲得。Σk=1m/2cos2(k-1/2)α1=0······(1)]]>Σk=1m/2cos7(k-1/2)α2=0······(2)]]>本發(fā)明的另一目的是提供一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，該永磁型三相步進(jìn)電機(jī)包括定子和布置成與該定子同心的轉(zhuǎn)子，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子有三個定子磁極，各三相定子繞組環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有m個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件，永磁體保持在該轉(zhuǎn)子元件之間，并磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，或者所述轉(zhuǎn)子具有柱形永磁體，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距形成多個(Nr)N和S磁極對，其中定子極齒的節(jié)距的電角度為2π±α，α是小轉(zhuǎn)子齒或轉(zhuǎn)子磁極的節(jié)距和定子極齒的節(jié)距在電角度上的偏移，m是不小于3的奇數(shù)，各α1和α2是電角度，α2≤α≤α1，且α1和α2由公式3和公式4獲得。1+Σk=1(m-1)/2cos2kα1=0······(3)]]>1+Σk=1(m-1)/2cos7kα2=0······(4)]]>本發(fā)明的還一目的是提供一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，該永磁型三相步進(jìn)電機(jī)包括定子和布置成與該定子同心的轉(zhuǎn)子，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子有3L個定子磁極，各三相定子繞組環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有多個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件和保持在該轉(zhuǎn)子元件之間的永磁體，該永磁體磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，或者所述轉(zhuǎn)子為柱形永磁體，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距交替形成多個(Nr)N和S磁極對，其中滿足條件0.3≤{(Nr/π)(Ws+Wr)/(Ds+Dr)}≤0.5，其中L是不小于1的整數(shù)，Nr是L(3n±1)，n是不小于1的整數(shù)，Ds是定子的內(nèi)徑，Dr是轉(zhuǎn)子的外徑，Ws是定子極齒的寬度，而Wr是轉(zhuǎn)子齒或轉(zhuǎn)子磁極的寬度。
本發(fā)明的還一目的是提供一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，該永磁型三相步進(jìn)電機(jī)包括定子和布置成與該定子同心的轉(zhuǎn)子，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子有3K個定子磁極，各三相定子繞組環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有多個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件和保持在該轉(zhuǎn)子元件之間的永磁體，該永磁體磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上移動1/2節(jié)距，或者所述轉(zhuǎn)子為柱形永磁體，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距形成多個(Nr)N和S磁極對，其中滿足條件0.3≤{(Nr/π)(Ws+Wr)/(Ds+Dr)}≤0.5，其中K是不小于2的偶數(shù)，Nr是K/2(6n±1)，n是不小于1的整數(shù)，Ds是定子的內(nèi)徑，Dr是轉(zhuǎn)子的外徑，Ws是定子極齒的寬度，而Wr是轉(zhuǎn)子齒或轉(zhuǎn)子磁極的寬度。
三相勵磁通過三相繞組進(jìn)行，經(jīng)過各三相繞組的電流可以控制，以便消除徑向不平衡力。
轉(zhuǎn)子由非磁性材料的托架保持，該托架有沿軸向向內(nèi)延伸的部分，以便支承定子磁極的內(nèi)周表面。
結(jié)合下面的說明和附圖，可以更好地了解本發(fā)明的這些和其它方面和目的。不過，應(yīng)當(dāng)知道，下面的說明以及所述優(yōu)選實(shí)施例都是舉例說明，是非限定的。在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行多種改變和變化，本發(fā)明包括所有這些變化形式。
附圖的簡要說明

圖1A是本發(fā)明的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)的垂直正剖圖。
圖1B是圖1A中所示的步進(jìn)電機(jī)的垂直側(cè)剖圖。
圖2A是本發(fā)明的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)的柱形磁轉(zhuǎn)子的透視圖。
圖2B是圖1B中所示的步進(jìn)電機(jī)的混合型轉(zhuǎn)子的透視圖。
圖3是說明定子齒和轉(zhuǎn)子齒之間的關(guān)系的視圖。
圖4是說明定子齒和轉(zhuǎn)子齒之間的關(guān)系的視圖。
圖5所示為用于驅(qū)動本發(fā)明的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)的三相繞組的星形連接的晶體管電路。
圖6所示為用于驅(qū)動本發(fā)明的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)的三相繞組的三角形連接的晶體管電路。
圖7所示為用于獨(dú)立驅(qū)動本發(fā)明的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)的三相繞組的晶體管電路。
圖8是說明由本發(fā)明的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)的三相繞組的勵磁所產(chǎn)生的不平衡徑向力的視圖。
圖9是說明在三相步進(jìn)電機(jī)中所產(chǎn)生的變動扭矩的視圖。
圖10是說明在本發(fā)明的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)中的變動扭矩的曲線圖。
優(yōu)選實(shí)施例的說明下面將參考附圖介紹本發(fā)明的第一實(shí)施例。
在圖1A和圖1B中，參考標(biāo)號1表示有三個主磁極的定子，2表示混合型的兩個磁轉(zhuǎn)子元件(HB)，這兩個磁轉(zhuǎn)子元件的磁齒的位置為彼此轉(zhuǎn)向偏移1/2齒距，3表示繞組，各繞組環(huán)繞各定子主磁極，以便形成各相，4表示轉(zhuǎn)子軸，5表示由兩個磁轉(zhuǎn)子元件2保持的永磁體，并磁化形成沿其軸向的N和S極，6和7表示非磁材料的托架，該非磁材料例如鋁，該托架有沿軸向延伸的部分，以便支承定子1的內(nèi)周表面，從而在定子1和轉(zhuǎn)子2之間形成氣隙。
在本發(fā)明的三相混合型步進(jìn)電機(jī)中，定子極齒的節(jié)距小于小轉(zhuǎn)子齒的節(jié)距，一個主磁極的定子極齒的數(shù)目m確定為(Nr±2k)/3，Nr確定為(3n±1)，其中m為整數(shù)。Nr是小轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目，n是不小于1的整數(shù)，k是不小于1且不大于4的整數(shù)。
在該結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)中，扭矩基本可以與Nr或m成比例增加。換句話說，通過將數(shù)值m設(shè)置成最大值和使定子極齒的節(jié)距小于小轉(zhuǎn)子齒的節(jié)距，可以增大扭矩，同時(shí)抑制振動和防止扭矩減小。
圖1A和圖1B表示了當(dāng)n為17、Nr為50、k為1和m為16時(shí)的步進(jìn)電機(jī)。本發(fā)明不僅能用于具有HB型轉(zhuǎn)子的三相電機(jī)，而且能用于具有這樣的轉(zhuǎn)子的三相電機(jī)，在該轉(zhuǎn)子中，N極和S極交替形成于柱形磁體9的外周表面上，磁極對數(shù)目為Nr，該轉(zhuǎn)子與HB型定子相結(jié)合。圖2A表示了柱形永磁體轉(zhuǎn)子的外觀，用于與圖2B所示的HB型轉(zhuǎn)子的外觀進(jìn)行比較。在圖2A中，參考標(biāo)號4表示轉(zhuǎn)子軸，9表示柱形永磁體。
下面將介紹本發(fā)明的第二實(shí)施例。當(dāng)在圖1A中所示的定子極齒的節(jié)距設(shè)置成小于小轉(zhuǎn)子齒的節(jié)距時(shí)，氣隙中的諧波和由永磁體的磁通引起的變動扭矩都將減小。為了獲得良好的效果，必須知道在永磁型三相步進(jìn)電機(jī)由電流勵磁時(shí)所產(chǎn)生的變動扭矩或扭矩中包含有何種諧波。不過，應(yīng)當(dāng)知道，三相步進(jìn)電機(jī)的變動扭矩主要涉及六階諧波，由電流產(chǎn)生的扭矩涉及奇階諧波。
公式5表示了由三相步進(jìn)電機(jī)中各相的永磁體所產(chǎn)生的磁通。 公式6表示了三相步進(jìn)電機(jī)中各相的磁導(dǎo)PA、PB、PC、PA、PB、PC。 這里，F(xiàn)m是磁體的磁通勢，Pm是磁體的磁導(dǎo)，P0是各相的磁導(dǎo)常數(shù)。相A的變動扭矩TA可以由公式7計(jì)算。
TA＝-(1/2)δ{Φ2A/PA}/δθ＝(-NrP2mF2m/18P0)(k1sinNrθ+2k2sin2Nrθ+3k3sin3Nrθ+…)…(7)類似的，也可以計(jì)算相B、相C、相A、相B、相C的變動扭矩。通過在相A至相C中添加從n＝1(基波)到n＝12(12階諧波)而獲得的變動扭距T可以由公式8表示。
T＝(-2NrP2mF2m/P0)(k6sin6Nrθ+2k12sin12Nrθ+…)…(8)應(yīng)當(dāng)知道，主要消除6階諧波將很有效，因?yàn)樽儎优ぞ豑由6階和12階諧波組成。因此，優(yōu)選是將定子極齒的節(jié)距和小轉(zhuǎn)子齒的節(jié)距之間的偏移角α確定成能夠消除磁導(dǎo)的6階項(xiàng)，該磁導(dǎo)的6階項(xiàng)形成變動扭矩中的6階諧波。
另一方面，相A的電流扭矩TCA為EI/ωm，其中E是感應(yīng)電動力，I是電流，而ωm是機(jī)械角速度。感應(yīng)電動力E可以由公式9表示，而TCA可以由公式10表示。
E＝dΦ/dt＝dQ(PA-PA)/dt……(9)TCA＝(I/ωm)dQ(PA-PA)/dt……(10)(PA-PA)可以由公式6獲得，可以發(fā)現(xiàn)，常數(shù)P0和偶數(shù)階諧波被消除，但是還留有奇數(shù)階諧波。在奇數(shù)階諧波中，3階諧波最寬。因此，優(yōu)選是將定子極齒的節(jié)距和小轉(zhuǎn)子齒的節(jié)距之間的偏移角α確定成能消除磁導(dǎo)的3階項(xiàng)，該磁導(dǎo)的3階項(xiàng)形成電流扭矩中的3階諧波。
下面將介紹消除氣隙中的3階和6階諧波的方式。
圖3表示了當(dāng)定子極齒是偶數(shù)時(shí)，即為6時(shí)，一個主定子磁極與相應(yīng)轉(zhuǎn)子部分之間的關(guān)系。圖4表示了當(dāng)定子極齒是奇數(shù)時(shí)，即為5時(shí)，一個主定子磁極與相應(yīng)轉(zhuǎn)子部分之間的關(guān)系。在兩種情況下，定子極齒的節(jié)距都相對于小轉(zhuǎn)子齒的節(jié)距偏移α(電角度)。例如，圖3中的磁導(dǎo)的基波P1由公式11表示，而3階磁導(dǎo)P3由公式12表示。P1=26P0(cosα2+cos3α2+cos5α2)······(11)]]>P3=26P0(cos3×α2+cos3×3α2+cos3×5α2)······(12)]]>因此，通過在公式12中將P3設(shè)為0并獲得電角度α，就可以消除3階諧波。類似的，當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，通過建立公式13，可以消除f階磁導(dǎo)。Σk=1m/2cosf(k-1/2)α=0······(13)]]>因此，為了消除3階磁導(dǎo)，通過在公式13中將f設(shè)定為3，即可獲得電角度α。而且，為了消除7階磁導(dǎo)，建立公式14。Σk=1m/2cos7(k-1/2)α2=0······(14)]]>如上所述，為了消除6階諧波，α的范圍定為α2≤α≤α1，其中，α1是當(dāng)f為5時(shí)的值，α2是當(dāng)f為7時(shí)的值。類似的，為了消除3階諧波，α的范圍定為α2≤α≤α1，其中，α1是當(dāng)f為2時(shí)的值，α2是當(dāng)f為4時(shí)的值。
當(dāng)在普通表達(dá)式中m為奇數(shù)時(shí)，為了消除f階磁導(dǎo)，可獲得公式15中的電角度α。1+Σk=1(m-1)/2cosfkα=0······(15)]]>為了消除7階磁導(dǎo)，建立公式16。1+Σk=1(m-1)/2cos7kα2=0······(16)]]>這時(shí)，電角度α1和α2選擇為α2≤α≤α1。
通過如上述設(shè)定電角度α，可以減小有三個主定子磁極的電機(jī)的振動，在該電機(jī)中，沖壓硅鋼板不能在角度位置改變90度的情況下進(jìn)行堆積。并不需要總是嚴(yán)格選擇電角度α以消除3階和6階諧波。減小三相電機(jī)的3階和6階諧波也有效。當(dāng)諧波階數(shù)增加時(shí)，諧波的幅值將變小。因此，可以很容易地知道，為了減小振動，消除大幅值的低階諧波例如3階諧波將很有效。通常，通過研究在電機(jī)的感應(yīng)電壓中大幅值的諧波的階次，可以選擇電角度α。通常，α的優(yōu)選值在能消除2階至7階諧波α值范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。
為了實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電機(jī)的三端勵磁，6個晶體管Tr1至Tr6橋形連接，并與如圖5所示星形連接的三個定子繞組相連，或者與如圖6所示三角形連接的三個定子繞組相連。當(dāng)在如圖1A和1B中所示有三個主定子磁極的步進(jìn)電機(jī)中進(jìn)行兩相勵磁時(shí)，僅有兩個主定子磁極勵磁，因此，施加在轉(zhuǎn)子上的徑向力不能抵消，該徑向力總是施加在軸承等上，噪音將變大。例如，在如圖5所示的星形連接中，通過將晶體管Tr1和Tr4或晶體管Tr5和Tr4同時(shí)轉(zhuǎn)換到ON，就可以進(jìn)行兩相勵磁。相反，當(dāng)晶體管Tr1、Tr4和Tr6同時(shí)轉(zhuǎn)換到ON時(shí)，就可以進(jìn)行三相勵磁，這樣，徑向的不平衡力能夠減小至大約13％。在如圖6所示的三角形連接中，通過同時(shí)將晶體管Tr1和Tr4轉(zhuǎn)換到ON，就可以進(jìn)行兩相勵磁。不過，當(dāng)進(jìn)行三相勵磁時(shí)，沒有空載繞組，因此可以增大扭矩。而且，當(dāng)如圖7所示將三相繞組分開并與晶體管相連時(shí)，需要兩倍數(shù)目的晶體管。不過，該勵磁方式的自由度顯著增加，且即使在有三個主定子磁極的步進(jìn)電機(jī)中，通過獨(dú)立控制各相中的電流，也可以完全消除徑向不平衡力。
對有三個主定子磁極的三相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行三端勵磁將產(chǎn)生大約13％的不平衡力的理由將參考圖8進(jìn)行說明。當(dāng)星形或三角形連接的三個繞組進(jìn)行勵磁時(shí)，當(dāng)電流I經(jīng)過第一相的一個主磁極繞組時(shí)，電流I/2將經(jīng)過第二和第三相的各繞組。當(dāng)?shù)谝幌嗟亩ㄗ訕O齒完全正對著相應(yīng)的小轉(zhuǎn)子齒時(shí)，第二相或第三相的定子極齒將相對于相應(yīng)的小轉(zhuǎn)子齒偏移30°(電角度)。因此，在圖8中，當(dāng)徑向不平衡力F1為I時(shí)，F(xiàn)2＝F3＝(1/2)cos30°，因此F2+F3＝0.87I。也就是，將產(chǎn)生大約13％F1的徑向不平衡力。不過，在圖7所示的系統(tǒng)中，當(dāng)在環(huán)繞定子極齒完全正對著相應(yīng)小轉(zhuǎn)子齒的定子磁極而纏繞的繞組中所經(jīng)過的電流相對于正常值減小大約13％時(shí)，可以消除徑向不平衡力。相反，也可以考慮增加經(jīng)過其它繞組的電流。
除了有三個主定子磁極的三相電機(jī)，在實(shí)際的電機(jī)中，三相電機(jī)還可以有3的倍數(shù)的主定子磁極，例如6、9或12。下面將介紹在這樣的情況下，當(dāng)繞組沒有勵磁時(shí)減小振動和使僅由轉(zhuǎn)子的永磁體所產(chǎn)生的變動扭矩減至最小的其它方法。變動扭矩由場的諧波分量產(chǎn)生，該諧波分量受到定子齒寬和轉(zhuǎn)子齒寬的很大影響。由實(shí)驗(yàn)和磁場分析可知，改變變動扭矩的因素是由定子齒寬和轉(zhuǎn)子齒寬之和改變的。圖9表示了彼此相對的定子極齒寬度Ws和小轉(zhuǎn)子齒寬度Wr之間的關(guān)系。在圖9中，Dr是轉(zhuǎn)子的外徑，Ds是定子的內(nèi)徑。轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙的中心的直徑為(Ds+Dr)/2。圖10表示了(Nr/π)(Ws+Wr)/(Ds+Dr)的比例h和變動扭矩Tc之間的關(guān)系，其中，當(dāng)h為0.4時(shí)，變動扭矩Tc為最小值1。而且，由圖10可知，當(dāng)比例h在0.3和0.5之間選擇或?yàn)?.4的±25％時(shí)，變動扭矩將大幅度減小。
在有3L或3K個主定子磁極的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)中，將h選擇為0.3≤h≤0.5是一個有效方法。
根據(jù)本發(fā)明，永磁型三相步進(jìn)電機(jī)包括定子和布置成與該定子同心的轉(zhuǎn)子，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子有3L個定子磁極，各三相定子繞組環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有多個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件和保持在該轉(zhuǎn)子元件之間的永磁體，該永磁體磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，或者所述轉(zhuǎn)子為柱形永磁體，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距交替形成多個(Nr)N和S磁極對，其中滿足條件0.3≤{(Nr/π)(Ws+Wr)/(Ds+Dr)}≤0.5，其中L是不小于1的整數(shù)，Nr是L(3n±1)，n是不小于1的整數(shù)，Ds是定子的內(nèi)徑，Dr是轉(zhuǎn)子的外徑，Ws是定子極齒的寬度，而Wr是轉(zhuǎn)子齒或轉(zhuǎn)子磁極的寬度。
而且，根據(jù)本發(fā)明，永磁型三相步進(jìn)電機(jī)包括定子和布置成與該定子同心的轉(zhuǎn)子，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子有3K個定子磁極，各三相定子繞組環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有多個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件和保持在該轉(zhuǎn)子元件之間的永磁體，該永磁體磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，或者所述轉(zhuǎn)子為柱形永磁體，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距形成多個(Nr)N和S磁極對，其中滿足條件0.3≤{(Nr/π)(Ws+Wr)/(Ds+Dr)}≤0.5，其中K是不小于2的偶數(shù)，Nr是K/2(6n±1)，n是不小于1的整數(shù)，Ds是定子的內(nèi)徑，Dr是轉(zhuǎn)子的外徑，Ws是定子極齒的寬度，而Wr是轉(zhuǎn)子齒或轉(zhuǎn)子磁極的寬度。
在上述方法所適合的電機(jī)中，L為2、n為8、主定子磁極的數(shù)目為6、Nr為50且步進(jìn)角度為1.2°；或者L為4、n為8、主定子磁極的數(shù)目為12、Nr為100且步進(jìn)角度為0.6°；或者K為4、n為4、主定子磁極的數(shù)目為12、Nr為50且步進(jìn)角度為1.2°。小轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目Nr可以通過公式17和公式18獲得，其中n是自然數(shù)。
60°/Nr＝-/+{360°/3L-360°(n±1/2)/Nr}……(17)60°/Nr＝-/+{360°/3K-360°n/Nr}……(18)公式17的左側(cè)和右側(cè)分別表示了三相電機(jī)的步進(jìn)角(機(jī)械角度)，因此，可以獲得等式Nr＝L(3n±1)。
類似的，由公式18可以獲得等式Nr＝K/2(6n±1)。
根據(jù)本發(fā)明，可以以低成本制造結(jié)構(gòu)簡單、振動小、徑向不平衡力小的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)。
盡管本發(fā)明通過參考優(yōu)選實(shí)施例而特別表示和說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，在不脫離由附加的權(quán)利要求所確定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行多種變化。
權(quán)利要求
1.一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，包括定子(1)和布置成與定子同心的轉(zhuǎn)子(2)，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子(1)有三個定子磁極，各三相定子繞組(3)環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有m個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子(2)有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件，永磁體(5)保持在該轉(zhuǎn)子元件之間，并磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，其中，定子極齒的節(jié)距小于小轉(zhuǎn)子齒的節(jié)距，m是整數(shù)，并為(Nr±2k)/3，Nr為3n±1，n為不小于1的整數(shù)，而k為不小于1且不大于4的整數(shù)。
2.一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，包括定子(1)和布置成與定子同心的轉(zhuǎn)子(2)，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子(1)有三個定子磁極，各三相定子繞組(3)環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有m個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子(2)是柱形永磁體(9)，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距交替形成多個(Nr)N和S磁極對，其中，定子極齒的節(jié)距小于轉(zhuǎn)子磁極的節(jié)距，m是整數(shù)，并為(Nr±2k)/3，Nr為3n±1，n為不小于1的整數(shù)，而k為不小于1且不大于4的整數(shù)。
3.一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，包括定子(1)和布置成與定子同心的轉(zhuǎn)子(2)，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子(1)有三個定子磁極，各三相定子繞組(3)環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有m個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子(2)有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件，永磁體(5)保持在該轉(zhuǎn)子元件之間，并磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，其中，定子極齒的節(jié)距的電角度為2π±α，α是小轉(zhuǎn)子齒的節(jié)距和定子極齒的節(jié)距在電角度上的偏移，m是不小于4的偶數(shù)，各α1和α2是電角度，α2≤α≤α1，且α1和α2由公式1和公式2獲得，Σk=1m/2cos2(k-1/2)α1=0······(1)]]>Σk=1m/2cos7(k-1/2)α2=0······(2).]]>
4.一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，包括定子(1)和布置成與定子同心的轉(zhuǎn)子(2)，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子(1)有三個定子磁極，各三相定子繞組(3)環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有m個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子(2)是柱形永磁體(9)，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距交替形成多個(Nr)N和S磁極對，其中，定子極齒的節(jié)距的電角度為2π±α，α是轉(zhuǎn)子磁極的節(jié)距和定子極齒的節(jié)距在電角度上的偏移，m是不小于4的偶數(shù)，各α1和α2是電角度，α2≤α≤α1，且α1和α2由公式1和公式2獲得，Σk=1m/2cos2(k-1/2)α1=0······(1)]]>Σk=1m/2cos7(k-1/2)α2=0······(2).]]>
5.一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，包括定子(1)和布置成與定子同心的轉(zhuǎn)子(2)，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子(1)有三個定子磁極，各三相定子繞組(3)環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有m個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子(2)有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件，永磁體(5)保持在該轉(zhuǎn)子元件之間，并磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，其中，定子極齒的節(jié)距的電角度為2π±α，α是小轉(zhuǎn)子齒的節(jié)距和定子極齒的節(jié)距在電角度上的偏移，m是不小于3的奇數(shù)，各α1和α2是電角度，α2≤α≤α1，且α1和α2由公式3和公式4獲得，1+Σk=1(m-1)/2cos2kα1=0······(3)]]>1+Σk=1(m-1)/2cos7kα2=0······(4).]]>
6.一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，包括定子(1)和布置成與定子同心的轉(zhuǎn)子(2)，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子(1)有三個定子磁極，各三相定子繞組(3)環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有m個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子(2)是柱形永磁體(9)，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距交替形成多個(Nr)N和S磁極對，其中，定子極齒的節(jié)距的電角度為2π±α，α是轉(zhuǎn)子磁極的節(jié)距和定子極齒的節(jié)距在電角度上的偏移，m是不小于3的奇數(shù)，各α1和α2是電角度，α2≤α≤α1，且α1和α2由公式3和公式4獲得，1+Σk=1(m-1)/2cos2kα1=0······(3)]]>1+Σk=1(m-1)/2cos7kα2=0······(4)]]>
7.一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，包括定子(1)和布置成與該定子同心的轉(zhuǎn)子(2)，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子(1)有3L個定子磁極，各三相定子繞組(3)環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有多個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子(2)有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件和保持在該轉(zhuǎn)子元件之間的永磁體(5)，該永磁體磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，其中，滿足條件0.3≤{(Nr/π)(Ws+Wr)/(Ds+Dr)}≤0.5，其中L是不小于1的整數(shù)，Nr是L(3n±1)，n是不小于1的整數(shù)，Ds是定子的內(nèi)徑，Dr是轉(zhuǎn)子的外徑，Ws是定子極齒的寬度，而Wr是轉(zhuǎn)子齒的寬度。
8.一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，包括定子(1)和布置成與該定子同心的轉(zhuǎn)子(2)，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子(1)有3L個定子磁極，各三相定子繞組(3)環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有多個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子(2)為柱形永磁體(9)，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距交替形成多個(Nr)N和S磁極對，其中，滿足條件0.3≤{(Nr/π)(Ws+Wr)/(Ds+Dr)}≤0.5，其中L是不小于1的整數(shù)，Nr是L(3n±1)，n是不小于1的整數(shù)，Ds是定子的內(nèi)徑，Dr是轉(zhuǎn)子的外徑，Ws是定子極齒的寬度，而Wr是轉(zhuǎn)子磁極的寬度。
9.一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，包括定子(1)和布置成與該定子同心的轉(zhuǎn)子(2)，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子(1)有3K個定子磁極，各三相定子繞組(3)環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有多個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子(2)有兩個分開的轉(zhuǎn)子元件和保持在該轉(zhuǎn)子元件之間的永磁體(5)，該永磁體磁化形成沿其軸向的N和S極，在各所述轉(zhuǎn)子元件的外周表面上等節(jié)距形成有多個(Nr)小轉(zhuǎn)子齒，所述兩個分開的轉(zhuǎn)子元件的小轉(zhuǎn)子齒彼此在周向上錯開1/2節(jié)距，其中，滿足條件0.3≤{(Nr/π)(Ws+Wr)/(Ds+Dr)}≤0.5，其中K是不小于2的偶數(shù)，Nr是K/2(6n±1)，n是不小于1的整數(shù)，Ds是定子的內(nèi)徑，Dr是轉(zhuǎn)子的外徑，Ws是定子極齒的寬度，而Wr是轉(zhuǎn)子齒的寬度。
10.一種永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，包括定子(1)和布置成與該定子同心的轉(zhuǎn)子(2)，在該定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，所述定子(1)有3K個定子磁極，各三相定子繞組(3)環(huán)繞各定子磁極，各所述定子磁極有多個定子極齒，所述轉(zhuǎn)子(2)為柱形永磁體(9)，該柱形永磁體磁化成在其周向上等節(jié)距交替形成多個(Nr)N和S磁極對，其中，滿足條件0.3≤{(Nr/π)(Ws+Wr)/(Ds+Dr)}≤0.5，其中K是不小于2的偶數(shù)，Nr是K/2(6n±1)，n是不小于1的整數(shù)，Ds是定子的內(nèi)徑，Dr是轉(zhuǎn)子的外徑，Ws是定子極齒的寬度，而Wr是轉(zhuǎn)子磁極的寬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9或10所述的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，其中三相勵磁通過三相繞組(3)進(jìn)行，經(jīng)過各三相繞組(3)的電流可以控制，以便消除徑向不平衡力。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11所述的永磁型三相步進(jìn)電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子(2)由非磁性材料的托架(6、7)保持，該托架有沿軸向向內(nèi)延伸的部分，以便支承定子磁極的內(nèi)周表面。
全文摘要
在永磁型三相步進(jìn)電機(jī)中，定子(1)有3L個定子磁極，轉(zhuǎn)子(2)有永磁體(4、9)，該永磁體磁化形成多個(Nr)N和S磁極對，其中，滿足條件0.3≤{(Nr/π)(Ws+Wr)/(Ds+Dr)}≤0.5，其中L是不小于1的整數(shù)，Nr是L(3n±1)，n是不小于1的整數(shù)，Ds是定子的內(nèi)徑，Dr是轉(zhuǎn)子的外徑，Ws是定子極齒的寬度，而Wr是轉(zhuǎn)子齒的寬度。
文檔編號H02K29/03GK1399399SQ0214076
公開日2003年2月26日 申請日期2002年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月24日
發(fā)明者坂本正文 申請人:日本伺服株式會社