[发明专利]永磁型步进电动机

说明书

技术领域

本发明总体涉及分度和步进电动机，更具体地，涉及改进的永磁型步进电动机，其具有在更小的壳体中提高性能(例如转矩)的能力。所述性能的提高通过创造性的设计而从两方面的优点中获得：(a)提高电动机转矩密度特征，和(b)改进步进同步性和稳定性。

背景技术

通常存在三类步进电动机：变磁阻型、混合型和永磁型。通过合适的驱动器(也即控制器)，所有三种类型提供宽范围的角度步进或分度运动和特性的能力。关于步进电动机的控制的一般参考可以在Douglas W.Jones的http://www.cs.uiowa.edu/～jones/step/在线找到。本发明关注永磁型步进电动机。

混合型和永磁型步进电动机都采用在运动的结构(例如转子)和固定的结构(例如定子)中的永磁体。它们在电动机驱动器的观点上没有区别。传统地，混合型步进电动机的转子构建为在两个转子极的中心具有环形的磁体，导致主要从磁体到两个转子极的轴向磁通量流。有关永磁体的各种步进电动机设计从极和磁体的磁路处理中获得。本发明主要关注的永磁型步进电动机代表性地由Schaeffer在美国专利第4190779和4315171号中示出和描述，所述专利的总的公开通过参考结合于此。

通过Schaeffer公开的永磁型步进电动机具有大量的定子齿和在转子上的大量径向磁化的磁体，以提供小的步进角度。这些电动机具有的优点有：高的无动力和动力定位转矩(detent torque)，相对短的轴向电动机长度(也即薄饼型)，小的转子惯性，和转子上大的通孔方案。这些电动机在过去三十年中在空间应用中取得了很大的成功，例如为太阳能电池组驱动和天线指向机构供应动力。这样的应用要求轻的质量、高的动力和无动力定位转矩、小的转子惯性，大的轴和/或转子上大量导线馈通(harness feedthrough)。

有利的应用要求现有技术的步进电动机设计具有更大的转矩、减小的尺寸和质量、更高的转矩密度、更小的转子惯性、减小的成本、恒定的峰值动力和无动力定位转矩，和恒定的峰值运行转矩(running torque)。步进电动机设计固有地关注维持同步性，也即电动机和输出负载响应于每个电动机输入命令信号而保持一起旋转的能力。假定典型地没有反馈以确保步进电动机和负载的该同步运行发生，则步进电动机的输出不仅依赖于转矩生产能力，还依赖于电动机在驱动负载时响应于步进命令的动作稳定性。步进电动机开环运行，所以诸如谐振的系统问题可能通过提高电动机的稳定性而减轻。因此，存在改进转矩密度和步进稳定性的必要性，以改进现有技术的步进电动机技术。

发明内容

通过对公开的实施方式(其仅仅出于示例而不是限定的目的)的相应部件、部分或表面的解释性参考，本发明广泛地提供改进的永磁型步进电动机(例如20)，其具有可动元件和固定元件。该改进的电动机广泛地包括：在其中一个元件的表面(例如24)上的多个磁极(例如21)。相邻的转子极具有相反极性。极数是常数、相数和需要的步进间隔的函数。本发明还包括在另一个所述元件上的多个等间隔的齿(例如22)，所述齿设置为面向所述其中一个元件的表面，所述齿的每个具有设置为面向所述一个元件的表面的多个指状件(例如23)。所述齿的数量是完整的整数，该整数是常数、所述极的数量、在每个定子齿上的指状件的数量和相数的函数。所述指状件互相间隔开，从而使得在任意给定齿上的指状件将与相同极性的极对齐。

该可动元件可以是具有外表面的转子。所述固定元件可以是定子。所述需要的步进间距可以是需要的步进角度。所述齿围绕着所述定子圆形地间隔开，以面向所述转子的外表面。

用于单极电动机驱动器的转子极的数量必须是从以下等式确定的偶整数：

(1)

用于双极电动机驱动器的转子极的数量必须是从以下等式确定的偶整数：

(2)

所述转子极可以围绕着所述转子支撑件(24)相等地间隔开，所述转子支撑件能够由固体软磁钢、电叠片材料或这些材料的组合形成。

每相的定子齿的最大数量(m)可以通过以下等式确定：

(3)

其中该表达式中，int(x)是整数函数，其返回其自变量(x)的整数部分。在给定的定子齿上的两个相邻指状件之间的距离可以是这样的，使得当两指状件与转子极对齐时，它们将与相同极性的转子极对齐。

所述齿优选围绕着所述定子相等地间隔开。

所述定子可以由固体软磁钢、铁心硅钢叠片材料或这些材料的组合形成。