申请/专利权人：浙江工业大学

申请日：2019-03-12

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN109921597B

主分类号：H02K37/00

分类号：H02K37/00;H02K16/00;H02K1/16;H02K1/2713;H02K1/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2019.07.16#实质审查的生效;2019.06.21#公开

摘要：本发明公开了一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，包括定子部分、转子部分、左端盖和右端盖，所述定子部分的两端分别安装左端盖和右端盖，所述转子部分位于定子部分的内部；所述定子部分包括内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子、外侧右定子、第一绕线环、第一控制线圈、第二绕线环和第二控制线圈，所述转子部分包括左转子、右转子、磁钢片和转轴，定子部分和转子部分均开设有小齿。本发明的定子部分没有比较大的磁极，定子部分和转子不部分均开设有小齿，步距角可通过小齿的数量进行调节，并且小齿的加工简单，方便了整个装置的生产，降低了生产成本。

主权项：1.一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，其特征在于：包括定子部分、转子部分、左端盖（1）和右端盖（10），所述定子部分的两端分别安装左端盖（1）和右端盖（10），所述转子部分位于定子部分的内部，所述转子部分的两端转子外端装有轴套（4），轴套（4）顶牢安装在转轴（3）上的轴承（2），所述左端盖（1）和右端盖（10）分别设置在定子部分的左右两侧并顶牢轴承（2）的外侧；所述定子部分包括内侧左定子（13）、外侧左定子（9）、内侧右定子（14）、外侧右定子（6）、第一绕线环（7）、第一控制线圈（15）、第二绕线环（17）和第二控制线圈（18），所述内侧左定子（13）、外侧左定子（9）、内侧右定子（14）和外侧右定子（6）均由整块软磁材料加工而成，内侧左定子（13）、外侧左定子（9）、内侧右定子（14）和外侧右定子（6）上均开设有环形槽；所述外侧左定子（9）的环形槽与内侧左定子（13）的环形槽组成形成第一环形空腔，所述第一绕线环（7）设置在第一环形空腔内，所述第一控制线圈（15）绕制在第一绕线环（7）上组成第一相电流激励源；所述外侧右定子（6）的环形槽与内侧右定子（14）的环形槽组成形成第二环形空腔，所述第二绕线环（17）设置在第二环形空腔内，所述第二控制线圈（18）绕制在第二绕线环（17）上组成第二相电流激励源；内侧左定子（13）、外侧左定子（9）、内侧右定子（14）、外侧右定子（6）上均设置有至少四个位置一一对应的安装销孔（19），内侧左定子（13）、外侧左定子（9）、内侧右定子（14）、外侧右定子（6）通过穿过安装销孔（19）的圆柱销（12）固定连接；内侧左定子（13）、外侧左定子（9）、内侧右定子（14）、外侧右定子（6）上开有多个均匀设置的小齿；所述转子部分包括左转子（8）、右转子（5）、磁钢片（16）、和转轴（3），所述左转子（8）和右转子（5）均由整块软磁材料加工成型，所述左转子（8）和右转子（5）上开设有与定子部分相同数量的均匀的小齿；左转子（8）和右转子（5）相靠近的面上都开设有方形通孔，所述转轴（3）上设置有方形凸台，转轴（3）依次穿过所述左转子（8）、磁钢片（16）和右转子（5），转轴（3）通过方形凸台与左转子（8）和右转子（5）上的方形通孔来实现与左转子（8）和右转子（5）的固定以及左转子（8）和右转子（5）上小齿的对齐；所述转轴（3）的两端分别通过轴承（2）连接在左端盖（1）和右端盖（10）上；内侧左定子（13）上的小齿和外侧左定子（9）上的小齿错开12齿距，内侧右定子（14）上的小齿和外侧右定子（6）上的小齿错开12齿距，内侧左定子（13）上的小齿顺时针超过内侧右定子（14）上的小齿14齿距；所述磁钢片（16）固定在左转子（8）和右转子（5）之间，磁钢片（16）轴向充磁，磁钢片（16）的左侧为N极，右侧为S极。

全文数据：低惯量轴向分相混合式步进电动机技术领域本发明涉及电动机领域，更具体的说，尤其涉及一种低惯量轴向分相混合式步进电动机。背景技术步进电机分为磁阻式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。其中，磁阻式步进电机虽然精度较高、制造成本低，但功耗大，输出转矩和功率小；永磁式步进电机虽然功耗小，但是步距角偏大,运行精度偏低。相比之下，混合式步进电机结合了磁阻式步进电机和永磁式步进电机的优点功耗小，输出转矩大，控制精度高，且能提供一定的自定位力矩。但传统的混合式步进电机在结构方面依然存在一定缺陷：1、传统的混合式步进电机中步距角的设计受到大齿数的限制难于实现小步距角。2、传统的混合式步进电机中绕组的绕线较为复杂，电机的定子部分安装较为困难。3、传统的混合式步进电机的永磁体沿轴向充磁，而定子部分和转子部分铁芯由硅钢片叠压而成,硅钢片之间存在着不导磁的绝缘层，不但降低了定子部分和转子部分铁芯轴向的磁导率，而且增大了电机转动惯量。发明内容本发明的目的在于解决传统混合式步进电机难以实现小步距角、绕线较为复杂，定子安装困难以及定子部分和转子部分铁芯的硅钢片之间存在的不导磁的绝缘层降低导磁率、增大电动机转动惯量的问题，提出了一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，能够通过小齿数调节步距角，加工简单，导磁率大幅度提升，并减轻了整体重量，减少了惯性。本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，包括定子部分、转子部分、左端盖和右端盖，所述定子部分的两端分别安装左端盖和右端盖，所述转子部分位于定子部分的内部，所述转子部分的两端转子外端装有轴套，轴套顶牢安装在转轴上的轴承，所述左端盖和右端盖分别设置在定子部分的左右两侧并顶牢轴承的外侧；所述定子部分包括内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子、外侧右定子、第一绕线环、第一控制线圈、第二绕线环和第二控制线圈，所述内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子和外侧右定子均由整块软磁材料加工而成，内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子和外侧右定子上均开设有环形槽；所述外侧左定子的环形槽与内侧左定子的环形槽组成形成第一环形空腔，所述第一绕线环设置在第一环形空腔内，所述第一控制线圈绕制在第一绕线环上组成第一相电流激励源；所述外侧右定子的环形槽与内侧右定子的环形槽组成形成第二环形空腔，所述第二绕线环设置在第二环形空腔内，所述第二控制线圈绕制在第二绕线环上组成第二相电流激励源；内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子、外侧右定子上均设置有至少四个位置一一对应的安装销孔，内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子、外侧右定子通过穿过安装销孔的圆柱销固定连接；所述；内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子、外侧右定子上开有多个均匀设置的小齿。所述转子部分包括左转子、右转子、磁钢片和转轴，所述左转子和右转子均由整块软磁材料加工成型，所述左转子和右转子上开设有与定子部分相同数量的均匀的小齿；左转子和右转子相靠近的面上都开设有方形通孔，所述转轴上设置有方形凸台，转轴依次穿过所述左转子、磁钢片和右转子，转轴通过方形凸台与左转子和右转子上的方形通孔来实现与左转子和右转子的固定以及左转子和右转子上小齿的对齐；所述转轴的两端分别通过轴承连接在左端盖和右端盖上。进一步的，所述内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子、外侧右定子的外部轮廓形状完全相同。进一步的，所述内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子、外侧右定子的内圈均开有45个均匀设置的小齿，内侧左定子上的小齿和外侧左定子上的小齿错开12齿距，内侧右定子上的小齿和外侧右定子上的小齿错开12齿距，内侧左定子上的小齿顺时针超过内侧右定子上的小齿14齿距。进一步的，内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子、外侧右定子上小齿的位置通过圆柱销精确定位互相的错齿关系。进一步的，所述外侧左定子和外侧右定子的外侧面开有左右线圈出线口的槽口。进一步的，所述左转子和右转子均加工成空心环状。使得左转子和右转子可以更进一步的减重，通过加长轴套的长度来缩小左转子和右转子的内圈的轴向长度。进一步的，所述磁钢片固定在左转子和右转子之间，磁钢片轴向充磁，磁钢片的左侧为N极，右侧为S极。进一步的，所述制成内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子、外侧右定子、左转子和右转子的软磁材料为高导磁率的金属软磁材料。本发明的有益效果在于：1、本发明的定子部分没有比较大的磁极，定子部分和转子不部分均开设有小齿，步距角可通过小齿的数量进行调节，并且小齿的加工简单，方便了整个装置的生产，降低了生产成本。2、本发明的定子部分的四个定子和转子部分的两个转子均由整块软磁材料加工成型，相比硅钢片叠压而成的定子部分和转子部分，不仅大幅度提高了定子部分定子部分和转子部分的磁导率，而且了定子部分和转子部分的重量减轻。3、本发明的转子部分的内部设置成方形可以使得左转子的小齿每转动90°将与右转子的小齿产生14齿距，使得转子部分的错齿安装方便。4、本发明的转子部分采用空心环结构，极大的降低了本装置的转动惯量，提高了本装置的动态响应能力。5、本发明的定子部分分为内侧左定子、外侧左定子、内侧右定子、外侧右定子四段，组成两个环形线圈槽，线圈采用周向绕制，绕组安装与绕线简便。附图说明图1是本发明低惯量轴向分相混合式步进电动机的整体结构示意图。图2是本发明转子部分的结构示意图。图3是本发明定子部分的结构示意图。图4是本发明转轴的结构示意图。图5～13为本发明的工作原理示意图。图中，1-左端盖、2-轴承、3-转轴、4-轴套、5-右转子、6-外侧右定子、7-第一绕线环、8-左转子、9-外侧左定子、10-右端盖、11-螺母、12-圆柱销、13-内侧左定子、14-内侧右定子、15-第一控制线圈、16-磁钢片、17-第二绕线环、18-第二控制线圈、19-安装销孔。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明：如图1～13所示，一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，包括定子部分、转子部分、左端盖1和右端盖10，所述定子部分的两端分别安装左端盖1和右端盖10，所述转子部分位于定子部分的内部，所述转子部分的两端转子外端装有轴套4，轴套4顶牢安装在转轴3上的轴承2，所述左端盖1和右端盖10分别设置在定子部分的左右两侧并顶牢轴承2的外侧。本装置不需要装外壳，定子部分本身外部作为外壳存在，直接通过两端的左端盖1和右端盖10固定连接。所述定子部分包括内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6、第一绕线环14、第一控制线圈15、第二绕线环17和第二控制线圈18，所述内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14和外侧右定子6均由整块软磁材料加工而成，内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14和外侧右定子6上均开设有环形槽；所述外侧左定子9的环形槽与内侧左定子13的环形槽组成形成第一环形空腔，所述第一绕线环14设置在第一环形空腔内，所述第一控制线圈15绕制在第一绕线环14上组成第一相电流激励源；所述外侧右定子6的环形槽与内侧右定子14的环形槽组成形成第二环形空腔，所述第二绕线环17设置在第二环形空腔内，所述第二控制线圈18绕制在第二绕线环17上组成第二相电流激励源；内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6上均设置有至少四个位置一一对应的安装销孔19，内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6通过穿过安装销孔19的圆柱销12固定连接；内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6上开有多个均匀设置的小齿。圆柱销13一端设置有螺纹并与左端盖上的螺纹孔固定连接，圆柱销13的另一端通过螺母11固定。所述内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6的外部轮廓形状完全相同。内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6的外轮廓整体呈方形，且在方形的四个角内陷出方形槽，进一步减少内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6的重量，减少整个装置的重量，并且安装销孔设置在方形槽的两侧。所述内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6的内圈均开有45个均匀设置的小齿，内侧左定子13上的小齿和外侧左定子9上的小齿错开12齿距，内侧右定子14上的小齿和外侧右定子6上的小齿错开12齿距，内侧左定子13上的小齿顺时针超过内侧右定子14上的小齿14齿距。内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6上小齿的位置通过圆柱销12精确定位互相的错齿关系。所述外侧左定子9和外侧右定子6的外侧面开有左右线圈出线口的槽口。两个槽口分别与第一环形空腔和第二第二环形空腔连通，用于第一控制线圈15和第二控制线圈18线路的外接。所述转子部分包括左转子8、右转子5、磁钢片16、和转轴3，所述左转子8和右转子5均由整块软磁材料加工成型，所述左转子8和右转子5上开设有与定子部分相同数量的均匀的小齿；左转子8和右转子5相靠近的面上都开设有方形通孔，所述转轴3上设置有方形凸台，转轴3依次穿过所述左转子8、磁钢片16和右转子5，转轴3通过方形凸台与左转子8和右转子5上的方形通孔来实现与左转子8和右转子5的固定以及左转子8和右转子5上小齿的对齐；所述转轴3的两端分别通过轴承2连接在左端盖1和右端盖10上。所述左转子8和右转子5均加工成空心环状。使得左转子8和右转子5可以更进一步的减重，通过加长轴套4的长度来缩小左转子8和右转子5的内圈的轴向长度。所述磁钢片16固定在左转子8和右转子5之间，磁钢片16轴向充磁，磁钢片16的左侧为N极，右侧为S极。所述制成内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6、左转子8和右转子5的软磁材料为高导磁率的金属软磁材料。按照应用场合的不同，低惯量轴向分相混合式步进电动机的控制方式可以是步进式、细分步进式乃至连续跟踪控制式。以下以步进控制二相八拍为例来阐述电机的工作原理。从左往右，定子部分和转子部分形成了四段环形工作气隙δ1、δ2、δ3和δ4。本装置保持稳定平衡的位置为定子部分和转子部分的气隙总磁导最大的位置。假设第一控制线圈15和第二控制线圈18往纸面朝里的通电方向为正，纸面朝外方向为负。当第一控制线圈15和第二控制线圈18不通电时，根据磁路对称以及最大磁导原则，定子部分和转子部分的位置关系如图5所示；当第一控制线圈11负方向通电而第二控制线圈15不通电时，工作气隙δ1下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相反，磁场强度减弱，工作气隙δ2下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相同，磁场强度增强，转子部分受到顺时针力矩转过18齿距，定子部分和转子部分位置关系如图6所示；当第一控制线圈11负方向通电而第二控制线圈15正方向通电时，工作气隙δ1与δ3下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相反，磁场强度减弱，工作气隙δ2与δ4下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相同，磁场强度增强，转子部分受到顺时针力矩转过18齿距，定子部分和转子部分位置关系如图7所示；当第二控制线圈15正方向通电而第一控制线圈11不通电时，工作气隙δ3下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相反，磁场强度减弱，工作气隙δ4下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相同，磁场强度增强，转子部分受到顺时针力矩转过18齿距，定子部分和转子部分位置关系如图8所示；当第一控制线圈11和第二控制线圈15同时正方向通电时，工作气隙δ1与δ4下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相同，磁场强度增强，工作气隙δ2与δ3下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相反，磁场强度减弱，转子部分受到顺时针力矩转过18齿距，定子部分和转子部分位置关系如图9所示；当第一控制线圈11正方向通电而第二控制线圈15不通电时，工作气隙δ1下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相同，磁场强度增强，工作气隙δ2下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相反，磁场强度减弱，转子部分受到顺时针力矩转过18齿距，定子部分和转子部分位置关系如图10所示；当第一控制线圈11正方向通电而第二控制线圈15负方向通电时，工作气隙δ1与δ3下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相同，磁场强度增强，工作气隙δ2与δ4下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相反，磁场强度减弱，转子部分受到顺时针力矩转过18齿距，定子部分和转子部分位置关系如图11所示；当第二控制线圈15负方向通电而第一控制线圈11不通电时，工作气隙δ3下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相同，磁场强度增强，工作气隙δ4下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相反，磁场强度减弱，转子部分受到顺时针力矩转过18齿距，定子部分和转子部分位置关系如图12所示；当第一控制线圈11和第二控制线圈15同时负方向通电时，工作气隙δ1与δ4下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相反，磁场强度减弱，工作气隙δ2与δ3下的电流控制磁场与磁钢极化磁场的方向相同，磁场强度增强，转子部分受到顺时针力矩转过18齿距，定子部分和转子部分位置关系如图13所示；每经过8次通电变化，转子部分将顺时针转过一个齿距。当整个装置一直循环以上通电方式，转子部分将持续顺时针转动。所述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

权利要求：1.一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，其特征在于：包括定子部分、转子部分、左端盖1和右端盖10，所述定子部分的两端分别安装左端盖1和右端盖10，所述转子部分位于定子部分的内部，所述转子部分的两端转子外端装有轴套4，轴套4顶牢安装在转轴3上的轴承2，所述左端盖1和右端盖10分别设置在定子部分的左右两侧并顶牢轴承2的外侧；所述定子部分包括内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6、第一绕线环7、第一控制线圈15、第二绕线环17和第二控制线圈18，所述内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14和外侧右定子6均由整块软磁材料加工而成，内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14和外侧右定子6上均开设有环形槽；所述外侧左定子9的环形槽与内侧左定子13的环形槽组成形成第一环形空腔，所述第一绕线环7设置在第一环形空腔内，所述第一控制线圈15绕制在第一绕线环7上组成第一相电流激励源；所述外侧右定子6的环形槽与内侧右定子14的环形槽组成形成第二环形空腔，所述第二绕线环17设置在第二环形空腔内，所述第二控制线圈18绕制在第二绕线环17上组成第二相电流激励源；内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6上均设置有至少四个位置一一对应的安装销孔19，内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6通过穿过安装销孔19的圆柱销12固定连接；内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6上开有多个均匀设置的小齿；所述转子部分包括左转子8、右转子5、磁钢片16、和转轴3，所述左转子8和右转子5均由整块软磁材料加工成型，所述左转子8和右转子5上开设有与定子部分相同数量的均匀的小齿；左转子8和右转子5相靠近的面上都开设有方形通孔，所述转轴3上设置有方形凸台，转轴3依次穿过所述左转子8、磁钢片16和右转子5，转轴3通过方形凸台与左转子8和右转子5上的方形通孔来实现与左转子8和右转子5的固定以及左转子8和右转子5上小齿的对齐；所述转轴3的两端分别通过轴承2连接在左端盖1和右端盖10上。2.根据权利要求1所述的一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，其特征在于：所述内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6的外部轮廓形状完全相同。3.根据权利要求1所述的一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，其特征在于：所述内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6的内圈均开有45个均匀设置的小齿，内侧左定子13上的小齿和外侧左定子9上的小齿错开12齿距，内侧右定子14上的小齿和外侧右定子6上的小齿错开12齿距，内侧左定子13上的小齿顺时针超过内侧右定子14上的小齿14齿距。4.根据权利要求1所述的一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，其特征在于：内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6上小齿的位置通过圆柱销12精确定位互相的错齿关系。5.根据权利要求1所述的一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，其特征在于：所述外侧左定子9和外侧右定子6的外侧面开有左右线圈出线口的槽口。6.根据权利要求1所述的一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，其特征在于：所述左转子8和右转子5均加工成空心环状。使得左转子8和右转子5可以更进一步的减重，通过加长轴套4的长度来缩小左转子8和右转子5的内圈的轴向长度。7.根据权利要求1所述的一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，其特征在于：所述磁钢片16固定在左转子8和右转子5之间，磁钢片16轴向充磁，磁钢片16的左侧为N极，右侧为S极。8.根据权利要求1所述的一种低惯量轴向分相混合式步进电动机，其特征在于：所述制成内侧左定子13、外侧左定子9、内侧右定子14、外侧右定子6、左转子8和右转子5的软磁材料为高导磁率的金属软磁材料。

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