專利名稱：雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機(jī)領(lǐng)域中的步進(jìn)電機(jī)，特別涉及一種具備旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和 直線運(yùn)動和螺旋運(yùn)動的混合運(yùn)動步進(jìn)電機(jī)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)電機(jī)以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或直線運(yùn)動為主，當(dāng)系統(tǒng)需要既要旋轉(zhuǎn)又要直線運(yùn) 動時，必須利用機(jī)械的方法實(shí)現(xiàn)，造成設(shè)備體積龐大，重量增加。目前，就 電機(jī)產(chǎn)生力的原理來說，有三種形式其一電磁作用原理，現(xiàn)今運(yùn)行的大部 分電機(jī)為這類電機(jī)，利用這種原理制作的直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)很難做到精確控制； 其二是磁阻作用原理，現(xiàn)今運(yùn)行的大部分精確控制電機(jī)為這類電機(jī)，但這種 電機(jī)基本是只有直線運(yùn)動或只有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；其三是摩擦原理產(chǎn)生你的超聲波 電機(jī)，這類電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確控制，但是其效率低，功率小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)有國內(nèi)缺乏既能旋轉(zhuǎn)又能直線運(yùn)動，并且效率高、功率 大的步進(jìn)電機(jī)問題，提出了一種雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，它既 能直線運(yùn)動，又能旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，還能螺旋運(yùn)動，該電機(jī)在直線運(yùn)動時，能準(zhǔn)確 地分步直線運(yùn)動，也能以不同的速度連續(xù)直線運(yùn)動；該電機(jī)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時， 能準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)角分步旋轉(zhuǎn)，也能以不同的轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，包括 步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子由圓柱形鐵心和疊壓的硅鋼片組成，所述步進(jìn)電機(jī)的定 子的兩端分別設(shè)有產(chǎn)生直線推力的定子段和產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的定子段。
所述產(chǎn)生直線推力的定子段可分為P對磁極，共2p個磁極，每一對的兩
個磁極在空間相差180度，其中心線通過電機(jī)截面圓的圓心，磁極的機(jī)身上 繞有一定匝數(shù)的銅導(dǎo)線作為勵磁繞組，繞向相同，每對極的極靴表面有一定 等距齒和槽，每一各齒槽間的寬度為一個極距，各極極靴的齒槽大小相等， 個數(shù)相同，各齒和槽都沿軸向分布，形成圓弧型齒和槽，每一對磁極與相鄰 磁極第一各齒中心線的軸向距離相差1/P個齒距。
所述產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的定子段可分為q對磁極，共2q個磁極，每一對的兩 個磁極在空間相差180度，其中心線通過電機(jī)截面圓的圓心，磁極的機(jī)身上 繞有一定匝數(shù)的銅導(dǎo)線作為勵磁繞組，繞向相同，每對極的極靴表面有一定 等距齒和槽，每一個齒槽間的寬度為一個極距，各極極靴的齒槽大小相等， 個數(shù)相同，各齒和槽都沿圓周分布，形成沿軸向平行的型齒和槽，每一對磁 極與相鄰磁極第一各齒中心線在圓周周長方向相差1/q個齒距。
所述疊壓的硅鋼片按照定子極靴表面齒槽寬度，按一段圓形不帶齒疊片 連續(xù)疊壓，其疊加厚度等于極靴上的槽，再按一段圓形帶齒疊片連續(xù)疊壓， 其疊加厚度等于極靴上的齒，形成均勻分布的有小齒圓柱形轉(zhuǎn)子。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī) 實(shí)現(xiàn)了既能直線運(yùn)動，又能旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，還能螺旋運(yùn)動，比磁阻式直線步進(jìn)電 動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，由于沒有永久磁體，加工工藝簡單，在控制方面，只需要單 極性驅(qū)動電源，因此控制電路也簡單，總的成本低，可靠性高。


圖1本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)中定子的剖面圖； 圖2本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)中定子的右視圖； 圖3本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)中定子的左視圖4本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生直線推力部分的定子 的立體示意圖5本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩部分的定子 的立體示意圖6本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)中轉(zhuǎn)子硅鋼片形狀1示意圖； 圖7本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)中轉(zhuǎn)子硅鋼片形狀2示意圖； 圖8本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)中轉(zhuǎn)子立體示意圖； 圖9本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)中轉(zhuǎn)子局部放大示意圖10本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生直線推力的徑向磁場示 意圖11本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生直線推力的徑向磁場推 力的產(chǎn)生示意圖12本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的徑向磁場示 意圖13本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩徑向磁場旋轉(zhuǎn) 力矩的產(chǎn)生示意圖14本發(fā)明雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方框圖。
具體實(shí)施例方式
雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)利用兩段定子的不同磁極產(chǎn)生的一 個定子徑向磁場和一個定子軸向磁場，由于定、轉(zhuǎn)子特殊結(jié)構(gòu)，這兩個磁場 在轉(zhuǎn)子成為兩個空間立體相交徑向磁場，這兩個磁場根據(jù)磁阻作用的原理， 分別產(chǎn)生磁阻性旋轉(zhuǎn)力矩和磁阻性直線性推力?？刂葡到y(tǒng)可以依據(jù)需求使電
機(jī)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、單獨(dú)直線運(yùn)動或螺旋運(yùn)動。由于本發(fā)明利用定子兩段 磁極產(chǎn)生的是軸向和徑向兩個空間相交的磁場，而轉(zhuǎn)子磁路是兩個空間徑向 磁通通路，使得轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大幅度簡化，并且可以使用疊片結(jié)構(gòu)，增加了轉(zhuǎn)子 磁導(dǎo)率，降低了磁路磁阻和電機(jī)體積。下面介紹關(guān)鍵的定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu) 一、定子結(jié)構(gòu)描述
如圖1所示定子的剖面圖，定子分為兩部分，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的定子段2和 產(chǎn)生直線推力的定子段l，兩段定子分別設(shè)在電機(jī)定子的兩端。
(1) 產(chǎn)生直線推力部分的定子段
如圖3所示定子的右視圖和圖4所示產(chǎn)生直線推力部分的定子的立體圖。 產(chǎn)生直線推力部分的定子段占定子軸向一定的長度，可分為P對磁極(l對為
兩個)，每一對的兩個磁極在空間相差180度，其中心線通過電機(jī)截面圓的圓
心，磁極的機(jī)身上繞有一定匝數(shù)的銅導(dǎo)線作為勵磁繞組，繞向相同。每'對極 的極靴表面有一定等距齒和槽，每一各齒槽間的寬度為一個極距，各極極靴 的齒槽大小相等，個數(shù)相同，各齒和槽都沿軸向分布。每一對磁極與相鄰磁 極第一各齒中心線的軸向距離相差1/p個齒距。磁極對數(shù)p值根據(jù)設(shè)計需要 設(shè)定。
(2) 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩部分的定子段
如圖2所示定子的左視圖和圖5所示產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩部分的定子的立體圖。 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩部分的定子段在定子軸向有一定的長度，可分為q對磁極(1對 為兩個)，每一對的兩個磁極在空間相差180度，其中心線通過電機(jī)截面圓的 圓心，磁極的機(jī)身上繞有一定匝數(shù)的銅導(dǎo)線作為勵磁繞組，繞向相同。每對 極的極靴表面有一定等距齒和槽，每一個齒槽間的寬度為一個極距，各極極
靴的齒槽大小相等，個數(shù)相同，各齒和槽都沿圓周分布。每一對磁極與相鄰
磁極第一各齒中心線在圓周周長方向相差1/q個齒距。磁極對數(shù)q值根據(jù)設(shè) 計需要設(shè)定。
磁極P和q數(shù)值可以相同也可不同。
二、 轉(zhuǎn)子主體結(jié)構(gòu)描述
如圖8所示轉(zhuǎn)子立體圖和圖9所示轉(zhuǎn)子局部放大圖。轉(zhuǎn)子6主體為一個 圓柱形鐵心和周圍的疊壓的硅鋼片組成，硅鋼片由兩種不同形狀，圓形帶齒 硅鋼片5如圖7所示和圓形不帶齒槽硅鋼片4如圖6所示。
按照定子極靴表面齒槽寬度，按一段圓形不帶齒槽疊片連續(xù)疊壓，其疊 加厚度等于極靴上的齒槽，再按一段圓形帶齒槽疊片連續(xù)疊壓，其疊加厚度 等于極靴上的齒，最終形成均勻分布的有小齒圓柱形轉(zhuǎn)子。
三、 雙徑向磁場及其力的描述
(1)產(chǎn)生直線推力的定子段與轉(zhuǎn)子形成的徑向磁阻與推力 如圖10所示產(chǎn)生直線推力的徑向磁場示意圖和如圖11所示徑向磁場推 力的產(chǎn)生示意圖。當(dāng)產(chǎn)生直線運(yùn)動的P對磁極中的一對磁極的繞組通入電流 時，該定子磁極產(chǎn)生磁場，由于磁通有沿磁阻最小路徑通過的性質(zhì)，使定、 轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生直線推力，在這一推力作用下，通電定子齒和最靠近轉(zhuǎn)子齒對齊。 而相鄰產(chǎn)生直線運(yùn)動的定子轉(zhuǎn)子磁極間相差1/p齒距。這樣如果按順序每通 電一次，轉(zhuǎn)子直線運(yùn)動l/p齒距，如果連續(xù)使相鄰產(chǎn)生直線運(yùn)動的磁極通電， 轉(zhuǎn)子就會連續(xù)直線運(yùn)動。
(2) 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的定子段和轉(zhuǎn)子形成的磁阻轉(zhuǎn)矩 如圖12所示產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的徑向磁場示意圖和如圖13所示徑向磁場旋 轉(zhuǎn)力矩的產(chǎn)生示意圖。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的q對磁極中的一對磁極的繞組通入電 流時，該定子磁極產(chǎn)生磁場，由于磁通有沿磁阻最小路徑通過的性質(zhì)，使定、 轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，在這一力矩作用下，通電定子齒和最靠近轉(zhuǎn)子齒對齊。 而相鄰產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的定子轉(zhuǎn)子磁極間相差1/q齒距。這樣如果按順序每通 電一次，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動l/q齒距，如果連續(xù)使相鄰產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的磁極通電， 轉(zhuǎn)子就會連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
四、 控制系統(tǒng)描述
如圖14所示雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方框圖。雙徑 向磁場高精度直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由電源15、方向控制IO、直線運(yùn)行控制 11、旋轉(zhuǎn)運(yùn)行控制12、控制器13、驅(qū)動器16和電機(jī)17本體組成。
其中方向控制10是控制旋轉(zhuǎn)方向和直線運(yùn)動方向，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、前 進(jìn)和后退；
直線運(yùn)行控制11是控制直線運(yùn)行的速度和連續(xù)、步進(jìn)方式； 旋轉(zhuǎn)運(yùn)行控制12是控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和連續(xù)、步進(jìn)方式； 控制器13接收方向控制10、直線運(yùn)行控制11、旋轉(zhuǎn)運(yùn)行控制12的信號，
處理轉(zhuǎn)換后送入驅(qū)動器16中；
驅(qū)動器16是直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)17的電功率驅(qū)動單元，用來提供電機(jī)所需要
的電能，驅(qū)動器16由專門電源15供給；
直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)17運(yùn)行帶動負(fù)載14運(yùn)動。
五、 雙徑向磁場高精度直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 雙徑向磁場高精度直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)變磁阻式直線步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡
單，由于沒有永久磁體，加工工藝簡單，在控制方面，只需要單極性驅(qū)動電
源，因此控制電路也簡單，總的成本低，可靠性高。具體如下s 作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時的特點(diǎn)-
a) 有較大的電機(jī)利用系數(shù)，可以是感應(yīng)電動機(jī)利用系數(shù)的1.2 1.4倍。
b) 電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組；定子上只有簡單的集 中繞組，端部較短，沒有相間跨接線。因此，具有制造工序少、成本低、工 作可靠、維修量小。
c) 轉(zhuǎn)矩與電流極性無關(guān)，只需要單向的電流激勵。在理論上功率變換電路 每相可以只用一個開關(guān)元件，而且每個開關(guān)元件都與電動機(jī)繞組串聯(lián)，不會 出現(xiàn)象PWM逆變器那樣電源有通過兩個開關(guān)元件直通的危險。所以，其線路 簡單，可靠性高，成本低于PWM交流調(diào)速系統(tǒng)。
d) 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式對轉(zhuǎn)速限制小，可制成高轉(zhuǎn)速電動機(jī)。而且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣 量小，在電流每次換向時又可以隨時改變相應(yīng)轉(zhuǎn)矩的大小和方向，因而系統(tǒng) 有良好的動態(tài)響應(yīng)。
e) 可以通過對電流的導(dǎo)通、斷開和幅值的控制，得到滿足不同負(fù)載要求的 機(jī)械特性，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟起動和四象限運(yùn)行等功能，控制靈活。在低頻 時也不會像變頻供電的感應(yīng)電動機(jī)那樣出現(xiàn)不穩(wěn)定和產(chǎn)生振蕩問題。
f) 由于采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法以及相應(yīng)的控制技巧，其出力可以與 感應(yīng)電動機(jī)相媲美，甚至還略占優(yōu)勢。它的效率和功率密度在寬廣的速度和 負(fù)載范圍內(nèi)都可維持在較高水平。
當(dāng)作直線運(yùn)動時
a)響應(yīng)速度快、精度高，由于直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以取消時間常數(shù)較大的 機(jī)械傳動件，采用"直接傳動"方式，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大
大提高，反應(yīng)靈敏快捷?？色@得較高的啟動加速度， 一般可達(dá)(2 10)g (g = 9.8w"2)，而滾珠絲杠傳動的最大加速度只有(0.1 0.5)g。大大減少了插 補(bǔ)時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大 大提高系統(tǒng)的定位精度。
b) 傳動剛度高，由于"直接傳動"，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動 環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動滯后現(xiàn)象，同時提高了其 傳動剛度。
c) 噪音低，由于取消了大量的機(jī)械部件的機(jī)械摩擦，其運(yùn)動時噪音將大大 降低。
d) 效率高，由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗。
權(quán)利要求
1、一種雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，包括步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子由圓柱形鐵心和疊壓的硅鋼片組成，其特征在于，所述步進(jìn)電機(jī)的定子的兩端分別設(shè)有產(chǎn)生直線推力的定子段和產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的定子段。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，其特征在于， 所述可產(chǎn)生直線推力的定子段可分為P對磁極，共2p個磁極，每一對的兩個 磁極在空間相差180度，其中心線通過電機(jī)截面圓的圓心，磁極的機(jī)身上繞 有一定匝數(shù)的銅導(dǎo)線作為勵磁繞組，繞向相同，每對極的極靴表面有一定等 距齒和槽，每一各齒槽間的寬度為一個極距，各極極靴的齒槽大小相等，個 數(shù)相同，各齒和槽都沿軸向分布，形成圓弧型齒和槽，每一對磁極與相鄰磁 極第一各齒中心線的軸向距離相差1/P個齒距。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，其特征在于， 所述可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的定子段可分為q對磁極，共2q個磁極，每一對的兩個 磁極在空間相差180度，其中心線通過電機(jī)截面圓的圓心，磁極的機(jī)身上繞 有一定匝數(shù)的銅導(dǎo)線作為勵磁繞組，繞向相同，每對極的極靴表面有一定等 距齒和槽，每一個齒槽間的寬度為一個極距，各極極靴的齒槽大小相等，個 數(shù)相同，各齒和槽都沿圓周分布，形成沿軸向平行的型齒和槽，每一對磁極 與相鄰磁極第一各齒中心線在圓周周長方向相差1/Q個齒距。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2、 3所述雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，其特征在 于，所述疊壓的硅鋼片按照定子極靴表面齒槽寬度，按一段圓形不帶齒疊片 連續(xù)疊壓，其疊加厚度等于極靴上的槽，再按一段圓形帶齒疊片連續(xù)疊壓， 其疊加厚度等于極靴上的齒，形成均勻分布的有小齒圓柱形轉(zhuǎn)子。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙徑向磁場反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)定子兩段磁極產(chǎn)生的是軸向和徑向兩個空間相交的磁場，而轉(zhuǎn)子磁路是兩個空間徑向磁通通路，使得轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大幅度簡化，并且可以使用疊片結(jié)構(gòu)，增加了轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)率，降低了磁路磁阻和電機(jī)體積。實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)既能直線運(yùn)動，又能旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，還能螺旋運(yùn)動，比磁阻式直線步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，由于沒有永久磁體，加工工藝簡單，在控制方面，只需要單極性驅(qū)動電源，因此控制電路也簡單，總的成本低，可靠性高。
文檔編號H02K41/06GK101355290SQ20081004274
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月11日
發(fā)明者勇 怡, 楊文煥, 趙天明 申請人:上海理工大學(xué)