[其他]获得小步矩角、高稳态精度及大转矩的一种方法

说明书

本发明属于步进电机领域。

以前在随动系统中使用的执行电动机一般分成两大类：一类是普通电动机、一类是步进电机。采用一般电机驱动可得到较大的驱动功率，其缺点是由于无定位，精度差，而且定位不具重复性，因此系统的稳态精度不好。而采用步进电机驱动时情况有所改善，但是要获得小步矩和大转矩还是相当困难。本发明的目的在于获得小步矩、高精度的同时获得较大的驱动力矩，它与数字化技术相配合就能实现角度随动系统中的数字化角度跟踪，使古典随动系统变成一个简单的线性环节，这将大大地提高了整个系统的稳态精度。

本发明的原理如下：

在结构上，将电机的转子沿圆周方向根据需要和可能尺寸，开成若干个等矩的槽。使槽口宽度与凸齿宽度相等，均为 (α)/2 弧度。使转子形成有一定槽深的均匀的槽口与凸齿。而在电机定子的内圆周上同样开出与转子同样宽度的凸齿，即凸齿宽亦为 (α)/2 弧度，但凸齿与凸齿间的槽口宽度不是凸齿宽度，而是凸齿宽度加上一个θ（弧度），即槽口宽度＝ (α)/2 +θ。

这样，如果定子的第No编号的凸齿处与转子的凸齿（也假定称为no）对齐的话，编号为N1的定子凸齿与转子n1凸齿之间就相差了一个相位角θ，而第N2个定子凸齿与转子凸齿之间相差的相位角即为2θ，……如此等等。从结构上说在电机定子整个圆周上的凸齿数目必定比转子的凸齿数目为少。故只有当θ满足下式时定子的凸齿数目才能是整数。

θ＝（α/2）/P

式中，α-转子凸齿与凸齿间的弧长。

P-为自然数。

定子凸齿的数目与P值的关系在后面再给定。

在每个定子凸齿上，都绕上一个独立的绕组，则共有m个绕组，整个结构示意图见附图（1）所示。

当然定子绕组可以是一组包含一个凸齿，也可以是若干个齿。但是此时应满足一组中齿与齿宽度相等并且与槽口相等，均为 (α)/2 ，但绕组之间的槽宽应满足 (α)/2 +θ，这样结果是一样的。

本方法的驱动原理如下：令定子第NO绕组通电，则转子必有一齿与之相吸而对齐。见图（2）的a。此时如果我们把NO绕组的电源断开，而使N1绕组通电，则由于电磁吸力的作用，转子就要向左移动一角度（θ），并且精确地定位于该绕组最大的磁导那一点位置上。假定转子凸齿的几何中心线与该凸齿弧度所确定的分度法线严格地重合、定子凸齿几何中心线与该齿（ (α)/2 +θ）弧度所确定的分度法线严格地重合、而且定子与转子每个凸齿材料在宏观被认为是均匀的话，则转子与定子就会在定子第N1凸齿处对齐几何中心线而且静止不动。如图（2）b），亦即转子精确地转动了θ角。

此时，编号为N2的定子凸齿与转子凸齿之间相差就不是原来的2θ弧度，而变成θ弧度。编号为N3的定子齿与转子齿之间的相差也变成了3θ-θ＝2θ……如此等等。同理，使N1绕组断电，而使N2绕组通电，转子又将精确转动θ角。依此类推，电机就能一步步地转动。由上述的说明可知，θ角就是该步进电机的步矩角。

很明显，该种结构的步进电机亦可实现反转，只要正确地选择通电的绕组就能实现。

为了保正循环一周之后转子的凸齿能重新进入定子起始齿的吸动范围，并保证步矩角仍为θ，显而易见，定子的绕组数目m应满足下式要求：

m＝2P

如图（2），P＝3，即（ (α/2)/(θ) ）＝3

则m＝2×P＝2×3＝6

即步矩角是转子齿宽的 1/2 时，定子绕组应为6个，且每个绕组在空间上分布相差应为α+θ弧度。

由图（1）或图（2）可知，如果第NO凸齿对齐之后，不是给编号为N1的绕组通电，而是给编号为N2的绕组通电，则步矩角就不再是θ，而是2θ;如果不是给N1或N2通电，而是给N3通电的话，则步矩角就应为3θ。由此可知，用此种方法制造的步进电机可有多种供选择的步矩角为：θ，2θ、3θ……（P-1）θ。只要设计相应的控制线路就能实现。

为了满足功率及很小步矩角的需要，有时m值及齿数要取得很大，此时可以采取分段的结构形式加以实现，此时整个电机长度相应加长。

由以上的论述可知，当转子直径及齿数选定之后，凸齿的分度弧度 (α)/2 是一个定值，它与步矩角θ无关。只要使得定子绕组数目满足：m＝（ (α)/2 /θ）×2，且各组定子间在空间上相差为（α+θ）即可以获得设想的步矩角θ。显而易见，θ值可以取得很小。θ值的稳态精度主要取决于定子及转子凸齿的分度精度，而与它们的齿形尺寸误差及材料不均匀性、绕组之间参数误差相关甚少。故θ值的稳态精度比传统的步进电机有较大的提高。同时按此法制造的电机所费工时大为减少。