專利名稱：一種直流步進電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種同步電動機，尤其是一種直流步進電機。
背景技術(shù)：
步進電機屬于同步電動機，是最早適應(yīng)計算機控制的運控電機，交流步進電機以其轉(zhuǎn)矩剛度大、定位穩(wěn)定可靠、易于控制動態(tài)軌跡跟蹤精度及經(jīng)濟、簡單、方便的優(yōu)勢，早期便在計算機外設(shè)和辦公自動化設(shè)備中廣泛應(yīng)用，并迅速推廣到包括數(shù)控機床等很多工業(yè)設(shè)備及裝置中。但在要求運行轉(zhuǎn)速高、輸出功率大以及動態(tài)響應(yīng)快的場合，被逐步發(fā)展完善的無刷直流電機和數(shù)字化交流伺服電機所取代。因此，急需解決交流步進電機的種種不足，實施一種既保持步進電機現(xiàn)有的優(yōu)勢又能實現(xiàn)運行轉(zhuǎn)速高、輸出功率大以及動態(tài)響應(yīng)快的步進電機。

實用新型內(nèi)容為解決現(xiàn)有交流步進電機的缺陷與不足，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種在已有步進電機基礎(chǔ)上又運行轉(zhuǎn)速高、輸出功率大以及動態(tài)響應(yīng)快的直流步進電機。為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是:一種直流步進電機，其包括定子、繞于所述定子磁極的電樞繞組、套裝于所述定子中腔的轉(zhuǎn)子、與所述電樞繞組及直流電源電性連接的電子換向器、以及與所述電子換向器電性連接的電子換向控制器；所述定子由硅鋼片迭加而成，其定子磁極沿定子內(nèi)圓周均勻分布；所述轉(zhuǎn)子由硅鋼片迭加且相間套夾永磁體環(huán)片構(gòu)成，所述轉(zhuǎn)子的外圓周上均布有多個轉(zhuǎn)齒。作為本實用新型直流步進電機技術(shù)方案的改進，所述轉(zhuǎn)子包括至少一個單元，所述單元包含沿圓周相互錯開半個轉(zhuǎn)齒距的兩段硅鋼片以及夾在所述兩段硅鋼片之間且軸向充磁的永磁體環(huán)片，在所述永磁體環(huán)片的作用下，所述單元其中一段硅鋼片的所有轉(zhuǎn)齒呈N極，另一段硅鋼片的所有轉(zhuǎn)齒呈S極，從圓周看，S極與N極相互交錯排列，相鄰的一個S極與一個N極形成一對極，以此構(gòu)成與轉(zhuǎn)齒數(shù)量相同對極的轉(zhuǎn)子磁場。作為本實用新型直流步進電機技術(shù)方案的改進，所述定子磁極為10個，所述每個磁極的的極靴上相間設(shè)有3個極齒，所述3個極齒間嵌有徑向充磁的永磁體條，所述永磁體條的極性與相對位置處轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)齒的極性一致。作為本實用新型直流步進電機技術(shù)方案的進一步改進，相距180°空間角的轉(zhuǎn)子磁場位置相同的兩個電樞繞組可以串聯(lián)或并聯(lián)形成一組換向單元，10個電樞繞組形成五組換向單元，所述五組換向單元在所述轉(zhuǎn)子磁場中相互錯開72°電角度且依次首尾相連形成封閉五邊形連接的電樞繞組，且在首尾相連處引出5個電樞繞組端。作為本實用新型直流步進電機技術(shù)方案的進一步改進，所述電子換向器包括5個半橋電路，每個所述半橋電路包括一個上橋功率開關(guān)管和一個下橋功率開關(guān)管，其上橋功率開關(guān)管的輸出端與下橋功率開關(guān)管的輸入端連接，構(gòu)成橋臂中點，其上橋功率開關(guān)管的輸入端與直流電源正極連接，下橋功率開關(guān)管的輸出端與直流電源的負極連接；5個電樞繞組端分別電性連接于5個半橋電路的橋臂中點。作為本實用新型直流步進電機技術(shù)方案的進一步改進，所述電子換向控制器為可編程邏輯控制器，向電子換向控制器輸入脈沖和方向信號，則電子換向控制器輸出電子換向器中5個半橋電路所有上功率開關(guān)管與下功率開關(guān)管按照設(shè)定順序和規(guī)律的導(dǎo)通或關(guān)斷信號。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型一種直流步進電機的優(yōu)點在于:1.與現(xiàn)有交流步進電機電樞繞組電磁場的Etl有區(qū)別，在交流步進電機中Etl與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，與負載大小無關(guān)；而本實用新型直流步進電機的Etl則與負載有關(guān)，理論上講零負載情況下，電機的功角為零，Etl也趨于零，由此電機的理想空載轉(zhuǎn)速為無限大；2.與現(xiàn)有交流步進電機的牽出特性有區(qū)別，本實用新型直流步進電機在牽出轉(zhuǎn)矩值在超過臨界轉(zhuǎn)速后，不是向有限值的空載轉(zhuǎn)速趨近而是向無限值的理論空載轉(zhuǎn)速趨近，使得電機在轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)還能保持恒功率輸出，擴展了電機運行的轉(zhuǎn)速范圍；加之本實用新型采用增強的定子和轉(zhuǎn)子磁系統(tǒng)，節(jié)省了有效電磁材料，減少了電樞繞組電路的等效電阻，使?fàn)砍鎏匦缘呐R界轉(zhuǎn)速提高；使得本實用新型直流步進電機運行轉(zhuǎn)速高、輸出功率大以及動態(tài)響應(yīng)快。

圖1為本實用新型直流步進電機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為轉(zhuǎn)子硅鋼片示意圖；圖4為定子磁狀態(tài)示意圖；圖5為電樞繞組換向單元構(gòu)成及連接示意圖；圖6為電樞繞組內(nèi)部連線示意圖；圖7為電子換向器電路及二極等效模型；圖8為本實用新型直流步進電機的電路模型；圖9為本實用新型牽出特性示意圖。
具體實施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖說明本實用新型一種直流步進電機的具體實施方式
。請參閱圖1所示，本實用新型一種直流步進電機包括定子4，套裝與定子4中腔的轉(zhuǎn)子3，定子4的兩端卡裝于前端蓋2和后端蓋6之間，轉(zhuǎn)子3通過前軸承I和后軸承5與前端蓋2和后端蓋6可轉(zhuǎn)動連接，且轉(zhuǎn)子3前端部伸出于前端蓋2，電子換向器7與定子磁極的電樞繞組電性連接，電子換向控制器8與電子換向器7電性連接。圖2和圖3是本實用新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及磁系統(tǒng)示意圖，在圖2中，本實用新型的轉(zhuǎn)子包括第I單元、第2單元以及第3單元共三個單元，每個單元包含沿圓周相互錯開半個轉(zhuǎn)齒距的兩段轉(zhuǎn)子硅鋼片31以及夾在兩段轉(zhuǎn)子硅鋼片之間且軸向充磁的永磁體環(huán)片32，轉(zhuǎn)子硅鋼片段是由圖3的多個轉(zhuǎn)子硅鋼片迭加而成，所述轉(zhuǎn)子硅鋼片沖切形成，在轉(zhuǎn)子硅鋼片的外圓周上均布有36個轉(zhuǎn)齒；在永磁體環(huán)片32的作用下，每個單元兩段轉(zhuǎn)子硅鋼片的其中一段硅鋼片的36個轉(zhuǎn)齒呈N極，另一段硅鋼片的36個轉(zhuǎn)齒呈S極，從軸向圓周看，S極與N極相互交錯排列，相鄰的一個S極與一個N極形成一對極，以此構(gòu)成36對極的轉(zhuǎn)子磁場。[0023]在圖4中，本實用新型定子由定子硅鋼片迭加而成，定子的磁極為10個，每個磁極的的極靴上相間設(shè)有3個極齒，且3個極齒間的2個凹槽中嵌有徑向充磁的永磁體條，同一圓周的定子內(nèi)表面的永磁體條極性一致，即都是N極性或都是S極性，而永磁體條的極性取決于相對位置處轉(zhuǎn)子硅鋼片段的轉(zhuǎn)齒的極性，如果硅鋼片段的轉(zhuǎn)齒為N極，則在定子內(nèi)部表面(即相對轉(zhuǎn)子側(cè))的相應(yīng)位置處的永磁體條的同樣為N極性，即永磁體條的極性與相對位置處轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)齒的極性相同。圖5和圖6為電樞繞組的構(gòu)成和連線示意圖，在圖5中，定子10個磁極上的電樞線圈形成五組換向單元，電樞線圈I與相距180°空間角(圓周上相對位置)的另一個電樞線圈Γ在36對極的轉(zhuǎn)子磁場中具有相同的磁場位置，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生同相位的電動勢(EMS)，可以串聯(lián)或并聯(lián)形成一組換向單元，圖中示例給出的是兩個電樞繞組串聯(lián)接法，獲得1-P的I號換向單元，同理可以得到3-3'的3號換向單元、5-5'的5號換向單元、2-2'的2號換向單元和4-f的4號換向單元，S卩10個電樞線圈形成五組換向單元，五組換向單元在轉(zhuǎn)子磁場中相互錯開72°電角度且依次首尾相連形成封閉五邊形連接的電樞繞組，且在首尾相連處引出1、3、5、2和4共5個電樞繞組端(見圖6所示)。五組換向單元相互錯開72°電角度，各處在不同轉(zhuǎn)子磁極下。實際上如果把5個換向單元集中到一對轉(zhuǎn)子磁極下，只要保持它們與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置不變，則它們的電磁感應(yīng)即產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩及旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電勢(EMF)的情況不變，由此可得到本實用新型直流步進電機的二極等效模型，如圖7所示。圖7為電子換向器電路圖，在圖7中，電子換向器包括5個半橋電路，每個所述半橋電路包括一個上橋功率開關(guān)管和一個下橋功率開關(guān)管，其上橋功率開關(guān)管的輸出端與下橋功率開關(guān)管的輸入端連接，構(gòu)成橋臂中點，其所有上橋功率開關(guān)管的輸入端與直流電源正極鏈接，所有下橋功 率開關(guān)管的輸出端與直流電源的負極連接；5個電樞繞組端分別電性連接于5個半橋電路的橋臂中點。每個半橋電路的上橋功率開關(guān)管和下橋功率開關(guān)管與其連接的電樞繞組端標(biāo)號一致，如圖中標(biāo)號為I的上橋功率開關(guān)管和I的下橋功率開關(guān)管對應(yīng)I號電樞繞組端，同理3和3、5和5、2和2及4和4分別對應(yīng)3、5、2和4電樞繞組端。本實用新型所述的電子換向控制器為可編程邏輯控制器，例如可以是GAL或DSP，向電子換向控制器輸入脈沖CP和方向CW/CCW信號，則電子換向控制器輸出電子換向器中5個半橋電路所有上功率開關(guān)管與下功率開關(guān)管按照設(shè)定順序和規(guī)律的導(dǎo)通或關(guān)斷的10路控制信號，分別為l、3、5、2、4、1、3、5、2和
4,導(dǎo)通信號按一定的邏輯隨輸入脈沖信號不斷循環(huán)變化，導(dǎo)通信號變化的循環(huán)邏輯有兩種，一種是整步方式:i2_23_34-45-51-12-23-34-45-5l-l2，一個循環(huán)共10種通電狀態(tài)；另一種是半步方式:I 2-1 2卜2 3~~2 34 M 5-4 5-4 5 1-5 1-5 I 2-1 2—123-23-234-34-34 5-45-451-51-512—12 ,—個循環(huán)共20種通電狀態(tài)。整步通電循環(huán)萬式的每種通電狀態(tài)都是讓電樞繞組分成兩條支路，從二極等效模型上看，一個極距范圍內(nèi)為一條支路，另一個極距范圍則為另一條支路，電流方向相反，電樞磁勢Fs的軸線指向電樞表面電流改變方向的交界處。圖7中表示的是從I 2狀態(tài)向23轉(zhuǎn)換的瞬間，此時導(dǎo)體I的電流為零，導(dǎo)體3和5的電流方向為Θ，導(dǎo)體2和4的電流方向為 ,電樞磁勢的空間位置如Fs所示,經(jīng)過一種狀態(tài)變換時間，即達到從23狀態(tài)向34轉(zhuǎn)換的瞬間，此時導(dǎo)體2的電流為零，導(dǎo)體4和I的電流方向為導(dǎo)體3和5的電流方向為Θ，電樞磁勢的空間位置移到從轉(zhuǎn)子圓心指向?qū)w2的方向，即轉(zhuǎn)過36°電角度。經(jīng)過10個狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間，即一個整步通電循環(huán)，電樞磁勢在空間轉(zhuǎn)過一對極距，也帶動永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一對極距，360°電角度對應(yīng)10°機械角度?？梢娒客饧右粋€控制脈沖，電子換向器按整步方式改變一次通電狀態(tài)時，直流電樞繞組磁勢在空間旋轉(zhuǎn)36°電角度，帶動永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過36°電角度或1°機械角度，這就是整步運行的步距角。如果按半步方式改變通電狀態(tài)時，作用原理也一樣，只不過步距角改變?yōu)?8°電角度或0.5°機械角度。本實用新型直流步進電機的電路模型如圖8所示，從圖7的二極等效模型轉(zhuǎn)換獲得。與現(xiàn)有交流步進電機穩(wěn)態(tài)模型相比較，最大的區(qū)別在于電樞繞組EMF的值Etl，在交流步進電機中Etl與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，與負載大小無關(guān)；而本實用新型直流步進電機的Etl則與負載有關(guān)，理論上講零負載情況下，電機的功角為零，E0也趨于零，由此電機的理想空載轉(zhuǎn)速為無限大。而且從圖9的牽出特性圖看出，與現(xiàn)有交流步進電機的牽出特性有區(qū)別，本實用新型直流步進電機在牽出轉(zhuǎn)矩值在超過臨界轉(zhuǎn)速nk后，不是向有限值的空載轉(zhuǎn)速％趨近而是向無限值的理論空載轉(zhuǎn)速nji近，使得電機在轉(zhuǎn)速η > nk的范圍內(nèi)還能保持恒功率輸出，擴展了電機運行的轉(zhuǎn)速范圍。加之本實用新型采用增強的定子和轉(zhuǎn)子磁系統(tǒng)，節(jié)省了有效電磁材料，減少了電樞繞組電路的等效電阻，使?fàn)砍鎏匦缘呐R界轉(zhuǎn)速nk提高；使得本實用新型直流步進電機運行轉(zhuǎn)速高、輸出功率大以及動態(tài)響應(yīng)快。以上所述實施例僅表達了本實用新型的某種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。 因此，本實用新型專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種直流步進電機，其特征在于:包括定子、繞于所述定子磁極的電樞繞組、套裝于所述定子中腔的轉(zhuǎn)子、與所述電樞繞組及直流電源電性連接的電子換向器、以及與所述電子換向器電性連接的電子換向控制器；所述定子由硅鋼片迭加而成，其定子磁極沿定子內(nèi)圓周均勻分布；所述轉(zhuǎn)子由硅鋼片迭加且相間套夾永磁體環(huán)片構(gòu)成，所述轉(zhuǎn)子的外圓周上均布有多個轉(zhuǎn)齒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流步進電機，其特征在于:所述轉(zhuǎn)子包括至少一個單元，所述單元包含沿圓周相互錯開半個轉(zhuǎn)齒距的兩段硅鋼片以及夾在所述兩段硅鋼片之間且軸向充磁的永磁體環(huán)片，在所述永磁體環(huán)片的作用下，所述單元其中一段硅鋼片的所有轉(zhuǎn)齒呈N極，另一段硅鋼片的所有轉(zhuǎn)齒呈S極，從圓周看，S極與N極相互交錯排列，相鄰的一個S極與一個N極形成一對極，以此構(gòu)成與轉(zhuǎn)齒數(shù)量相同對極的轉(zhuǎn)子磁場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直流步進電機，其特征在于:所述定子磁極為10個，所述每個磁極的的極靴上相間設(shè)有3個極齒，所述3個極齒間嵌有徑向充磁的永磁體條，所述永磁體條的極性與相對位置處轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)齒的極性一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直流步進電機，其特征在于:相距180°空間角的轉(zhuǎn)子磁場位置相同的兩個電樞繞組可以串聯(lián)或并聯(lián)形成一組換向單元，10個電樞繞組形成五組換向單元，所述五組換向單元在所述轉(zhuǎn)子磁場中相互錯開72°電角度且依次首尾相連形成封閉五邊形連接的電樞繞組，且在首尾相連處引出5個電樞繞組端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直流步進電機，其特征在于:所述電子換向器包括5個半橋電路，每個所述半橋電路包括一個上橋功率開關(guān)管和一個下橋功率開關(guān)管，其上橋功率開關(guān)管的輸出端與下橋功率開關(guān)管的輸入端連接，構(gòu)成橋臂中點，其上橋功率開關(guān)管的輸入端與直流電源的正極連接，下橋功率開關(guān)管的輸出端與直流電源的負極連接；5個電樞繞組端分別電性連接于5個半橋電路的橋臂中點。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的直流步進電機，其特征在于:所述電子換向控制器為可編程邏輯控制器，向電子換向 控制器輸入脈沖和方向信號，則電子換向控制器輸出電子換向器中5個半橋電路所有上功率開關(guān)管與下功率開關(guān)管按照設(shè)定順序和規(guī)律的導(dǎo)通或關(guān)斷信號。
專利摘要本實用新型提供一種直流步進電機，其包括定子磁系統(tǒng)、繞于定子磁極的電樞繞組、套裝于定子中腔的轉(zhuǎn)子、與電樞繞組及直流電源電性連接的電子換向器、以及與電子換向器電性連接的電子換向控制器；所述定子包括由硅鋼片疊壓而成的鐵芯，以及填滿定子磁極上所有小槽的永磁體小條；所述轉(zhuǎn)子由硅鋼片迭壓且相間套夾永磁體環(huán)片構(gòu)成，所述轉(zhuǎn)子的外圓周上均布有多個轉(zhuǎn)齒。本實用新型直流步進電機與現(xiàn)有交流步進電機的電樞繞組電路的E0有區(qū)別，牽出特性有區(qū)別，加之本實用新型采用增強的定子和轉(zhuǎn)子磁系統(tǒng)，節(jié)省了有效電磁材料，減少了電樞繞組電路的等效電阻，使?fàn)砍鎏匦缘呐R界轉(zhuǎn)速提高；使得本實用新型直流步進電機運行轉(zhuǎn)速高、輸出功率大以及動態(tài)響應(yīng)快。
文檔編號H02K37/10GK203086316SQ20132005412
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者陳敏祥, 阮國賢, 王宗培 申請人:珠海運控電機有限公司