專利名稱：多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，尤其是涉及一種普通的混合類型步進(jìn)馬達(dá)，該步進(jìn)馬達(dá)能夠增加輸出和減小變動(dòng)力矩，以便用于辦公室自動(dòng)化(OA)裝置和全自動(dòng)(FA)裝置。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出了可變磁阻(VR)類型的步進(jìn)馬達(dá)、永磁體(PM)類型的步進(jìn)馬達(dá)和混合(HB)類型的步進(jìn)馬達(dá)，該可變磁阻類型的步進(jìn)馬達(dá)具有使用非永磁體的轉(zhuǎn)子，該永磁體類型的步進(jìn)馬達(dá)具有由永磁體組成的轉(zhuǎn)子，而該混合類型的步進(jìn)馬達(dá)通過混合可變磁阻類型步進(jìn)馬達(dá)和永磁體類型步進(jìn)馬達(dá)而形成。永磁體類型步進(jìn)馬達(dá)和混合類型步進(jìn)馬達(dá)能夠減小尺寸，因此用于相對較小的工業(yè)機(jī)器中。特別是，混合類型的步進(jìn)馬達(dá)精確性高和力矩大，且步進(jìn)角較小，因此這種馬達(dá)廣泛使用。不過，該馬達(dá)還需要減小尺寸和增加力矩。
為了增加力矩，有效的是增加使繞組互聯(lián)的磁通和繞組的匝數(shù)。在日本專利申請公開No.12856/81中公開了一種能夠在不減少分辨率(resolution)或轉(zhuǎn)子齒數(shù)的情況下增加使繞組互聯(lián)的磁通的步進(jìn)馬達(dá)。
圖26是如日本專利申請公開No.12856/81中所述的、具有外轉(zhuǎn)子的混合類型馬達(dá)的垂直正剖圖。在圖26中，參考標(biāo)號(hào)1表示靜止軸，2表示前蓋，2′表示后蓋，且3表示環(huán)形磁體，該環(huán)形磁體被磁化為沿它的軸向方向形成N和S極，該磁體3固定在靜止軸1上，該靜止軸1穿過磁體3的中心部分。參考標(biāo)號(hào)4、5分別表示對應(yīng)于A相和B相的柱形定子元件，該定子元件形成固定在軸1上的定子6。定子元件4在它的外周表面上有多個(gè)較小的定子齒A和A，該定子齒A和A沿該定子元件的軸向方向彼此分開，較小定子齒A與磁體3的一個(gè)側(cè)表面接觸。定子元件5在它的外周表面上有多個(gè)較小的定子齒B和B，該定子齒B和B沿該定子元件的軸向方向彼此分開，較小定子齒B與磁體3的另一側(cè)表面接觸。
參考標(biāo)號(hào)8表示在定子元件4的中心部分處形成于外周表面上的環(huán)形槽，9表示在定子元件5的中心部分處形成于外周表面上的環(huán)形槽，12表示布置在環(huán)形槽8中的勵(lì)磁繞組，且13表示布置在環(huán)形槽9中的勵(lì)磁繞組。
參考標(biāo)號(hào)10表示由軸1通過軸承11和11′以及蓋2和2′而可旋轉(zhuǎn)地支承的柱形轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子10的內(nèi)周表面對著定子6的外周表面，同時(shí)在它們之間有氣隙，并有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，數(shù)目與定子元件4或5的較小定子齒的數(shù)目相同。
如圖26A和圖26B所示，較小定子齒A沿周向相對較小定子齒A偏移0.5倍較小定子齒節(jié)距。如圖26C和圖26D所示，較小定子齒B沿周向相對較小定子齒A偏移0.25倍較小定子齒節(jié)距，且較小定子齒B沿周向相對較小定子齒A偏移0.75倍較小定子齒節(jié)距。
在上述情況中，較小定子齒A、B、A和B沿周向分別偏移0.25倍較小定子齒節(jié)距。在另一情況下，較小定子齒并不沿周向偏移，但是與較小定子齒相對應(yīng)的較小轉(zhuǎn)子齒沿周向偏移0.25倍較小轉(zhuǎn)子齒節(jié)距。
下面解釋磁通流。如圖28所示，由磁體3發(fā)出的磁通進(jìn)入定子元件4，并分成經(jīng)過較小定子齒A的磁通φA以及經(jīng)過較小定子齒A的磁通φA。磁通φA和磁通φA進(jìn)入轉(zhuǎn)子10，向右引導(dǎo)，并分成經(jīng)過較小定子齒B的磁通φB以及經(jīng)過較小定子齒B的磁通φB。磁通φB和φB向左引導(dǎo)，并返回磁體3。
磁通φA、φA、φB和φB能夠分別由公式1至4表示。
φA＝ΦA(chǔ)(1+kcosθ)(1)φA＝ΦA(chǔ)(1-k′cosθ) (2)φB＝ΦB(1+ksinθ)(3)
φB＝ΦB(1-k′sinθ) (4)其中，θ表示轉(zhuǎn)子10旋轉(zhuǎn)的電角度，φA、ΦA(chǔ)、φB和ΦB分別是可變磁通φA、φA、φB和φB的平均值，而k和k′是變化率。如圖26所示，除了相位關(guān)系，A相和B相對于磁體相雙對稱，因此，φA＝φB，ΦA(chǔ)＝ΦB，且k＝k′。其中，為了簡化，假設(shè)磁通通過省略諧波分量而作為正弦波變化。
如公式1至4所示，磁通φA、φA、φB和φB的相位分別以該順序偏離90°電角度。
產(chǎn)生的力矩分析如下。
如圖28所示，分別用于激勵(lì)A(yù)相和B相的、使繞組12和13互聯(lián)的有效主磁通分別是磁通φA和φB。當(dāng)轉(zhuǎn)子10以電角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，反電動(dòng)勢eA和eB可以由公式5和6表示。其中，n表示各相的繞組數(shù)目。
eA=-ndφAdt=nΦkωsinθ...(5)]]>eB=-ndφBdt=nΦkωcosθ...(6)]]>力矩TA和力矩TB由公式7和8表示。
TA＝eAi/ωM＝niΦkp sinθ(7)TB＝eBi/ωM＝niΦkp cosθ(8)其中，ωM表示機(jī)械角速度，并為ω/p，且p表示磁極對的數(shù)目，也就是較小定子齒或較小轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目。
應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)繞組數(shù)目和較小齒的數(shù)目恒定時(shí)，為了增加力矩，必須增加使繞組互聯(lián)的平均磁通φ以及變化率k。
通常，馬達(dá)的各轉(zhuǎn)子和定子通過層疊多個(gè)硅鋼板而形成，且各硅鋼板涂覆有防腐蝕膜，這樣，在層疊的鋼板之間不可避免地形成間隙。在普通馬達(dá)中，沿馬達(dá)的軸向方向形成很多磁通通路，且鐵芯的磁導(dǎo)性由于在層疊的板之間的間隙而減小，因此，使繞組互聯(lián)的磁通減小。特別是，在圖28所示的馬達(dá)中，有效主磁通只有φA和φB，而φA和φB都是無功分量。磁通的趨勢是經(jīng)過更小磁阻的磁通路，因此，當(dāng)馬達(dá)使用層疊的鋼板時(shí)，由磁體發(fā)出的幾乎全部磁通都形成φA和φB，而φA和φB變得非常小，公式5和6中所示的力矩也減小，但是變動(dòng)力矩(cogging torque)增大。
圖29表示了當(dāng)普通馬達(dá)以每分鐘500轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)該普通馬達(dá)的一相的反電動(dòng)勢p的波形。這時(shí)，感應(yīng)電壓的幅值是10V。在該馬達(dá)中，與類似尺寸的正常馬達(dá)相比，感應(yīng)電壓降低，且效率降低。
圖30表示了普通馬達(dá)的變動(dòng)力矩r的波形。該變動(dòng)力矩r的幅值為大約0.5Nm，與類似尺寸的正常馬達(dá)相比增加，因此，當(dāng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)使得該馬達(dá)產(chǎn)生較大振動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種馬達(dá)，其中，通過減小通路沿馬達(dá)軸向方向的磁阻以及通過使磁通路A、A、B和B彼此平衡以便增大使繞組互聯(lián)的磁通，從而增加馬達(dá)的輸出；且該馬達(dá)的變動(dòng)力矩減小。
本發(fā)明的另一目的是提供一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，它包括定子；以及柱形外轉(zhuǎn)子，該柱形外轉(zhuǎn)子與定子同心布置，且在它們之間有氣隙；所述定子有兩個(gè)分開的定子元件和保持在定子元件之間的環(huán)形永磁體，該永磁體勵(lì)磁為沿定子的軸向方向形成N和S極；多個(gè)較小定子齒A和A沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件的外周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件的外周表面上，且用于A相和B相的定子繞組分別環(huán)繞定子元件纏繞；所述轉(zhuǎn)子有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的內(nèi)周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；所述較小定子齒A、A、B和B分別沿周向相對所述較小轉(zhuǎn)子齒偏移1/4倍較小定子齒節(jié)距，其中，各所述定子和所述轉(zhuǎn)子由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成。
本發(fā)明還有一目的是提供一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，它包括定子；以及柱形外轉(zhuǎn)子，該柱形外轉(zhuǎn)子與定子同心布置，且在它們之間有氣隙；所述定子有兩個(gè)分開的定子元件和保持在定子元件之間的環(huán)形永磁體，該永磁體勵(lì)磁為沿定子的軸向方向形成N和S極；多個(gè)較小定子齒A和A沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件的外周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件的外周表面上，且用于A相和B相的定子繞組分別環(huán)繞定子元件纏繞；所述轉(zhuǎn)子有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的內(nèi)周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；其中，各所述定子和所述轉(zhuǎn)子由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成，且所述較小轉(zhuǎn)子齒以游標(biāo)節(jié)距(vernier pitch)而軸對稱布置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，它包括內(nèi)轉(zhuǎn)子；以及柱形定子，該柱形定子與轉(zhuǎn)子同心布置，且在它們之間有氣隙；所述定子有兩個(gè)分開的定子元件和保持在定子元件之間的環(huán)形永磁體，該永磁體勵(lì)磁為沿定子的軸向方向形成N和S極；多個(gè)較小定子齒A和A沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件的內(nèi)周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件的內(nèi)周表面上，且用于A相和B相的定子繞組分別環(huán)繞定子元件纏繞；所述轉(zhuǎn)子有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的外周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；所述較小定子齒A、A、B和B分別沿周向相對所述較小轉(zhuǎn)子齒偏移1/4倍較小定子齒節(jié)距，其中，各所述定子和所述轉(zhuǎn)子由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成。
本發(fā)明還有一目的是提供一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，它包括內(nèi)轉(zhuǎn)子；以及柱形定子，該柱形定子與轉(zhuǎn)子同心布置，且在它們之間有氣隙；所述定子有兩個(gè)分開的定子元件和保持在定子元件之間的環(huán)形永磁體，該永磁體勵(lì)磁為沿定子的軸向方向形成N和S極；多個(gè)較小定子齒A和A沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件的內(nèi)周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件的內(nèi)周表面上，且用于A相和B相的定子繞組分別環(huán)繞定子元件纏繞；所述轉(zhuǎn)子有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的外周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；其中，各所述定子和所述轉(zhuǎn)子由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成，且所述較小轉(zhuǎn)子齒以游標(biāo)節(jié)距而軸對稱布置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，它包括內(nèi)轉(zhuǎn)子；以及柱形定子，該柱形定子與轉(zhuǎn)子同心布置，且在它們之間有氣隙；所述轉(zhuǎn)子有兩個(gè)分開的轉(zhuǎn)子元件和保持在轉(zhuǎn)子元件之間的環(huán)形永磁體，該永磁體勵(lì)磁為沿轉(zhuǎn)子的軸向方向形成N和S極；所述定子有兩個(gè)分開的定子元件，且多個(gè)較小定子齒A和A沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件的內(nèi)周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件的內(nèi)周表面上，用于A相和B相的定子繞組分別環(huán)繞定子元件纏繞；所述轉(zhuǎn)子有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的外周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；所述較小定子齒A、A、B和B分別沿周向相對所述較小轉(zhuǎn)子齒偏移1/4倍較小定子齒節(jié)距，其中，各所述定子和所述轉(zhuǎn)子由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成。
本發(fā)明的另一目的是提供一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，它包括內(nèi)轉(zhuǎn)子；以及柱形定子，該柱形定子與轉(zhuǎn)子同心布置，且在它們之間有氣隙；所述轉(zhuǎn)子有兩個(gè)分開的轉(zhuǎn)子元件和保持在轉(zhuǎn)子元件之間的環(huán)形永磁體，該永磁體勵(lì)磁為沿轉(zhuǎn)子的軸向方向形成N和S極；所述定子有兩個(gè)分開的定子元件，且多個(gè)較小定子齒A和A沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件的內(nèi)周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件的內(nèi)周表面上，用于A相和B相的定子繞組分別環(huán)繞定子元件纏繞；所述轉(zhuǎn)子有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的外周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；其中，各所述定子和所述轉(zhuǎn)子由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成，且所述較小轉(zhuǎn)子齒以游標(biāo)節(jié)距而軸對稱布置。
較小定子齒A沿定子軸向方向的厚度與較小定子齒A沿定子軸向方向的厚度的比例設(shè)置為值小于1，以便使兩個(gè)較小定子齒A和A的平均磁導(dǎo)性基本彼此相等，且較小定子齒B沿定子軸向方向的厚度與較小定子齒B沿定子軸向方向的厚度的比例設(shè)置為值小于1，以便使兩個(gè)較小定子齒B和B的平均磁導(dǎo)性基本彼此相等。
較小定子齒A或B沿定子軸向方向的厚度與較小定子齒A或B沿定子軸向方向的厚度的比例設(shè)置為0.5至0.8。
相對標(biāo)準(zhǔn)較小齒節(jié)距，定子齒寬度與轉(zhuǎn)子齒寬度的比例設(shè)置成35％至45％。
通過結(jié)合下面的說明和附圖，可以更好地理解本發(fā)明的這些和其它方面和目的。不過，應(yīng)當(dāng)知道，下面的說明盡管指出是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是是為了進(jìn)行闡述說明，并不是為了進(jìn)行限定。在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行多種變化和改變，本發(fā)明將包括所有這些變化。


圖1是本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子類型的兩相混合式步進(jìn)馬達(dá)的垂直正剖圖。
圖2表示了圖1中所示的外轉(zhuǎn)子類型的兩相混合式步進(jìn)馬達(dá)的反電動(dòng)勢的波形。
圖3表示了圖1中所示的馬達(dá)的變動(dòng)力矩的波形。
圖4是表示變動(dòng)力矩·反電動(dòng)勢特征相對于定子芯的堆疊比(stackratio)的曲線圖。
圖5表示了從圖1中所示的馬達(dá)的磁體發(fā)出的磁通的通路。
圖6表示了圖1中所示的馬達(dá)的較小定子齒的電角度的相位關(guān)系。
圖7表示了本發(fā)明的馬達(dá)的等效磁路。
圖8表示了本發(fā)明的馬達(dá)的改裝(converted)等效磁路。
圖9是在本發(fā)明馬達(dá)的定子和轉(zhuǎn)子的較小齒之間形成的想象磁通路的解釋圖。
圖10是本發(fā)明馬達(dá)的一個(gè)較小齒的總體形狀磁導(dǎo)性變化的解釋圖。
圖11是本發(fā)明馬達(dá)的較小齒的復(fù)合相磁導(dǎo)性的解釋圖。
圖12A是本發(fā)明馬達(dá)的垂直側(cè)剖圖，該馬達(dá)具有用于消除三次和四次諧波的較小齒結(jié)構(gòu)。
圖12B是本發(fā)明馬達(dá)的垂直側(cè)剖圖，該馬達(dá)具有分成兩組的較小齒結(jié)構(gòu)。
圖13是本發(fā)明馬達(dá)的垂直側(cè)剖圖，該馬達(dá)具有用于消除三次和四次諧波的其它較小齒結(jié)構(gòu)。
圖14是表示芯材料的B-H曲線特征的曲線圖。
圖15是表示鐵芯的變動(dòng)力矩和堆疊率特征的曲線圖。
圖16是表示鐵芯的有效磁通和堆疊率特征的曲線圖。
圖17是表示磁通隨旋轉(zhuǎn)而變化的曲線圖。
圖18是表示游標(biāo)(vernier)節(jié)距相對變動(dòng)力矩的效果的曲線圖。
圖19是表示齒寬相對有效磁通和變動(dòng)力矩的效果的曲線圖。
圖20是本發(fā)明的四分游標(biāo)節(jié)距類型馬達(dá)的垂直側(cè)剖圖。
圖21是本發(fā)明的內(nèi)轉(zhuǎn)子類型兩相混合式步進(jìn)馬達(dá)的一部分的垂直正剖圖。
圖22是圖21中所示的馬達(dá)的垂直側(cè)剖圖。
圖23是本發(fā)明的另一內(nèi)轉(zhuǎn)子類型兩相混合式步進(jìn)馬達(dá)的一部分的垂直正剖圖。
圖24是表示齒寬比和變動(dòng)力矩之間的關(guān)系的曲線圖。
圖25表示了本發(fā)明另一實(shí)施例的馬達(dá)的電路。
圖26是外轉(zhuǎn)子類型的普通兩相混合式步進(jìn)馬達(dá)的垂直正剖圖。
圖26A是沿圖26的線A-A的剖視圖。
圖26B是沿圖26的線A′-A′的剖視圖。
圖26C是沿圖26的線B-B的剖視圖。
圖26D是沿圖26的線B′-B′的剖視圖。
圖27是圖26中所示的馬達(dá)的垂直側(cè)剖圖。
圖28表示了由圖26所示的馬達(dá)中的磁體發(fā)出的磁通的通路。
圖29表示了圖26中所示的馬達(dá)的反電動(dòng)勢的波形。
圖30表示了圖26中所示的馬達(dá)的變動(dòng)力矩的波形。
具體實(shí)施例方式
下面將介紹本發(fā)明第一實(shí)施例的混合式步進(jìn)馬達(dá)。與圖26和圖27中所示的普通馬達(dá)的相應(yīng)部件類似的馬達(dá)部件以相應(yīng)的參考標(biāo)號(hào)表示，且不需要再次重新說明。
如圖1所示，多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器(例如本發(fā)明實(shí)施例的外轉(zhuǎn)子類型兩相混合式步進(jìn)馬達(dá))包括定子6和柱形外轉(zhuǎn)子10，該柱形外轉(zhuǎn)子10布置成與定子6同心，且在它們之間有氣隙。
所述定子6有兩個(gè)分開的定子元件4、5和保持在該定子元件4、5之間的環(huán)形永磁體3，該環(huán)形永磁體進(jìn)行勵(lì)磁，以便沿定子6的軸向方向形成N和S極；多個(gè)較小定子齒A和A，這些較小定子齒A和A沿定子6的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件4的外周表面上；多個(gè)較小定子齒B和B，這些較小定子齒B和B沿定子6的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件5的外周表面上；以及用于A相和B相的定子繞組12、13，該定子繞組12、13分別繞定子元件4、5進(jìn)行纏繞。
所述轉(zhuǎn)子10有形成于它的內(nèi)周表面上的多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目與較小定子齒的數(shù)目相同。所述較小定子齒A、A、B和B分別沿周向相對所述較小轉(zhuǎn)子齒偏移1/4倍較小定子齒節(jié)距。各所述定子6和所述轉(zhuǎn)子10由包含軟磁材料的壓制粉末和粘合劑而形成，該壓制粉末例如由HITACHI FUNMATSU YAKIN KABUSHIKIKAISHA制成的NIKKALOY EU-66X(商標(biāo))。該粘合劑包括樹脂和/或無機(jī)材料例如玻璃。
為了證明本發(fā)明的馬達(dá)的效果，利用三維有限元方法對馬達(dá)進(jìn)行了磁場分析，該馬達(dá)的轉(zhuǎn)子外徑為35mm，定子軸向長度為28mm，磁體厚度為2mm，各繞組的厚度為6mm。
圖2表示了馬達(dá)的反電動(dòng)勢的波形，參考標(biāo)號(hào)q表示本發(fā)明的馬達(dá)在以50轉(zhuǎn)每分鐘旋轉(zhuǎn)時(shí)的反電動(dòng)勢的波形，該馬達(dá)的定子和轉(zhuǎn)子由軟磁材料的壓制粉末而形成?？梢灾?，反電動(dòng)勢q是普通馬達(dá)的反電動(dòng)勢p的大約2.2倍，該普通馬達(dá)的定子和轉(zhuǎn)子由層疊的硅鋼板形成。
圖3表示了本發(fā)明的馬達(dá)的變動(dòng)力矩s的波形。
可以知道，本發(fā)明的馬達(dá)的變動(dòng)力矩s減小至普通馬達(dá)的變動(dòng)力矩r的大約1/5，該普通馬達(dá)的定子和轉(zhuǎn)子由層疊的硅鋼板形成。
軟磁材料粉末自身具有很高的電阻，從而可以減小在馬達(dá)中的渦電流損失，因此它能有效用于更高速的馬達(dá)。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，較小定子齒A沿定子軸向方向的厚度與較小定子齒A沿定子軸向方向的厚度的比例C(堆疊比)設(shè)置為小于1的值，優(yōu)選是為0.5至0.8，以便使得兩個(gè)較小定子齒A和A的平均磁導(dǎo)性基本相等，且較小定子齒B沿定子軸向方向的厚度與較小定子齒B沿定子軸向方向的厚度的比例C(堆疊比)設(shè)置為小于1的值，優(yōu)選是為0.5至0.8，以便使得兩個(gè)較小定子齒B和B的平均磁導(dǎo)性基本相等。
圖4是表示變動(dòng)力矩Tc和反電動(dòng)勢c的特征相對定子芯的堆疊比C的曲線圖。在圖4中，橫坐標(biāo)表示比例C，而縱坐標(biāo)表示反電動(dòng)勢e和變動(dòng)力矩Tc。由圖4可知，反電動(dòng)勢e相對比例C的變化較小，變動(dòng)力矩Tc在比例C為大約0.64時(shí)最小。在圖28所示的普通馬達(dá)中，形成最短回路的磁通路，因?yàn)槎ㄗ釉?的較小定子齒A和定子元件5的較小定子齒B布置在磁體3附近，這樣，通過較小定子齒A和B的磁通更大。為了避免該現(xiàn)象，在本發(fā)明中，較小定子齒A和B沿定子軸向方向的厚度設(shè)置成比較小定子齒A和B沿定子軸向方向的厚度更小，以便平衡通過較小定子齒A和A以及B和B的磁通，如圖5所示。因此，在本例中，反電動(dòng)勢的變化較小，變動(dòng)力矩較小。而且，圖4中的比例C的優(yōu)選值取決于在較小定子齒A和A以及B和B之間的磁通路的磁導(dǎo)性，因此，比例C的最佳值將根據(jù)部件的尺寸而變化。
根據(jù)本發(fā)明，在不減小反電動(dòng)勢e的情況下，變動(dòng)力矩Tc可以減小，如圖4所示，這樣，可以獲得功率高、尺寸小和振動(dòng)低的馬達(dá)。
在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，在較小轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目例如為50的情況下，轉(zhuǎn)子10的較小轉(zhuǎn)子齒布置成具有與規(guī)則節(jié)距7.2°(也就是360°/50)不同的游標(biāo)節(jié)距。游標(biāo)節(jié)距的較小轉(zhuǎn)子齒例如分成兩部分，間隙形成于該分開的較小轉(zhuǎn)子齒之間，這樣，分開的較小轉(zhuǎn)子齒軸對稱布置，以便消除沿轉(zhuǎn)子的徑向方向的不平衡磁吸引力。
這時(shí)，較小定子齒A、A、B和B分別沿周向從較小轉(zhuǎn)子齒偏移0°、180°、90°和270°的電角度，如圖6所示。
而且，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，通過將定子的較小定子齒(而不是轉(zhuǎn)子的較小轉(zhuǎn)子齒)布置成具有游標(biāo)節(jié)距，可以獲得相同效果。
(馬達(dá)的等效磁路)為了闡明本發(fā)明，等效磁路原理用于馬達(dá)。圖7表示了本發(fā)明的步進(jìn)馬達(dá)的等效磁路。參考標(biāo)號(hào)Pig表示i相(這里，i是A、B、A或B)的氣隙磁導(dǎo)性，Pic表示i相的磁通路的磁導(dǎo)性，φi表示i相磁通路的磁通，而2FM表示磁動(dòng)勢。為了簡化，磁體的內(nèi)部磁導(dǎo)性包含在各相的磁通路的內(nèi)部磁導(dǎo)性中。
可以認(rèn)為，較小定子齒A和A以及B和B對于磁體的總磁導(dǎo)性并沒有很大變化，因?yàn)檩^小定子齒A和A以及B和B布置成如圖6所示。
因此，當(dāng)假定磁體的一半磁動(dòng)勢等量施加在A相和B相的各較小定子齒上時(shí)，磁路可以轉(zhuǎn)變成圖8中所示的等效磁路。
圖8中i相的磁通φi由公式9表示。
φi=FM1/Pig+1/Pic=FMPig1+Pig/Pic...(9)]]>在本例中，Pic是比可變氣隙磁導(dǎo)性Pig更大的值。
不過，為了簡化，假設(shè)1/(1+Pig/Pic)相對旋轉(zhuǎn)基本為常數(shù)，并由公式10表示。
ki=11+Pig/Pic...(10)]]>
因此，公式9可以由公式11表示φi＝kiFMPig(11)如圖6所示，在各相中，Pig有90°電角度的相位差。因此，當(dāng)較小定子齒的形狀和沿周向的位置相同時(shí)，可以獲得公式12和公式13。
Pig1=hiρig1=hi(ρ0+Σn=1∞ρncosnζi)...(12)]]>ζi=θe-(i-1)π2...(13)]]>其中，參考標(biāo)號(hào)hi表示各相的較小定子齒沿軸向的有效長度，ρig1表示每單位軸向長度的磁導(dǎo)性，ρn表示n次諧波分量的系數(shù)，ζi表示i相的電角度，θe而表示旋轉(zhuǎn)的電角度。
(有效磁通和電流力矩)在本發(fā)明的步進(jìn)馬達(dá)中，力矩TA和TB由使各相的繞組互聯(lián)的磁通φA和φB以及經(jīng)過繞組的電流iA和iB的相互作用而產(chǎn)生。當(dāng)A相和B相的繞組的數(shù)目相同，且該數(shù)目為nA時(shí)，可以獲得公式14。
TA=-iAnAdφAdt,TB=-iBnAdφBdt...(14)]]>對于磁通和公式11至13的關(guān)系，如果只考慮占力矩較大分量的基波，則可以獲得公式15和16。
φA＝kAFMhA(ρ0+ρ1cosθe)，φB＝kAFMhA(ρ0+ρ1cos(θe-π/2)(15)dφAdt=-kAFMhAρ1sinθe,dφBdt=-kAFMhAρ1sin(θe-π/2)...(16)]]>力矩由公式17表示。
TA＝iAnAkAFMhAρ1nsinθe，TB＝iBnAkAFMhAρ1nsin(θe-π/2) (17)考慮到相位與反電動(dòng)勢相同的電流由公式18表示。
iA＝IAsinθe，iB＝IAsin(θe-π/2) (18)獲得由公式19表示的力矩T。
T=TA+TB=2IAnAkAFMhAρ1≡2IAnAΔφA...(19)]]>其中，ΔφA＝kAFMhAρ1是公式15中的磁通的可變分量的幅值。
應(yīng)當(dāng)知道，ΔφA對于增加磁路側(cè)的力矩很重要，因?yàn)殡娏髁?或力矩常數(shù))與磁通的可變分量的幅值ΔφA成正比。還應(yīng)當(dāng)知道，在繞組側(cè)，必須根據(jù)公式19來保持安培匝數(shù)IAnA。
在步進(jìn)馬達(dá)中，除了作為有效力矩的電流力矩外，還產(chǎn)生引起振動(dòng)的變動(dòng)力矩，因此必須減小該變動(dòng)力矩。
(變動(dòng)力矩)占據(jù)圖8中所示等效磁路的磁能中的較大部分的、在氣隙中的磁能由公式20來計(jì)算。
Wg=12Σi=14φi2Pig=12Σi=14(kiFM)2Pig...(20)]]>變動(dòng)力矩Tc由于磁能的角度微分而產(chǎn)生，且在兩相馬達(dá)情況下由公式21表示。
TC=NR2Σi=14(kiFM)2dPigdθe=N2FM2Σi=14ki2hidρigdθe...(21)]]>其中，參考標(biāo)號(hào)N表示較小轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目，θe表示為電角度。假定ki并不隨旋轉(zhuǎn)角度而變化?？梢垣@得公式22。
TC=N2FM2ddθeΣi=14(ki2hi)ρncosnζi...(22)]]>(在諧波分量和變動(dòng)力矩之間的關(guān)系)表1表示了在各相中的氣隙磁導(dǎo)性的諧波分量。為了簡化，省略了各相的系數(shù)(ki2hi)ρn。
表1

其中，在各相中ρn相等。
因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)相同，在A和B以及A和B相之間的(ki2hi)ρn相等，而因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同，在A和A以及B和B相之間的(ki2hi)ρn不相等。因此，如表1所示，第二諧波分量的總和為零。不過，在各相中的(ki2hi)ρn需要彼此相符，以便使第一或第二諧波分量的總和為零。在表1中，通過假設(shè)(ki2hi)ρn對于各相基本相同而獲得。在公式22的總和中，第一至第三諧波分量彼此抵消，因此，剩下的第四諧波分量占據(jù)變動(dòng)力矩的較大部分。因此，相對各繞組磁極，在各相中的氣隙磁導(dǎo)性Pig的第四諧波分量必須減小至零。這意味著在公式22中的ρn設(shè)置為零。
(較小齒結(jié)構(gòu)的改進(jìn))下面將研究通過利用了氣隙磁導(dǎo)性Pig由各較小齒磁導(dǎo)性的總量構(gòu)成這一事實(shí)的較小齒結(jié)構(gòu)來消除特定諧波分量(也就是第四諧波分量)的方法。
(較小齒磁導(dǎo)性的總量)在各相中的氣隙磁導(dǎo)性Pig可以認(rèn)為是在較小齒之間的磁導(dǎo)性Pig(其中，i是相數(shù)，k是較小齒數(shù))的總和，如公式23所示。
Pig=Σk=1NPik...(23)]]>因此，在研究中，磁導(dǎo)性根據(jù)各較小齒進(jìn)行計(jì)算，且繞組磁極的磁導(dǎo)性由計(jì)算的磁導(dǎo)性的總和來獲得。
假定磁通路的方法用于計(jì)算磁導(dǎo)性，一個(gè)較小齒部分的磁通路的實(shí)例如圖9所示。在圖9中，參考標(biāo)號(hào)2T表示磁極對節(jié)距(較小定子齒的節(jié)距)，α和β表示定子和轉(zhuǎn)子的較小齒寬度與磁極節(jié)距的比例，x表示在較小定子齒中心和較小轉(zhuǎn)子齒中心之間的旋轉(zhuǎn)位移，而(1)、(2)...表示根據(jù)磁通路類型的分區(qū)。分區(qū)(1)、(2)、(3)或(4)的各磁通路部分的磁導(dǎo)性由公式24計(jì)算，并計(jì)算它們的總和。
P=μ0∫dSl...(24)]]>其中，μ0表示空間磁導(dǎo)率，dS表示相對面積的微分，而L表示磁通路長度。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒寬度等于定子齒寬度時(shí)(也就是α＝β)，磁導(dǎo)性根據(jù)如圖10所示的均勻函數(shù)而雙軸對稱變化。
全部相的總磁導(dǎo)性可以通過對存在的N個(gè)較小齒進(jìn)行總和而獲得。在圖1所示的馬達(dá)中，較小齒的數(shù)目為50，因此，50個(gè)較小齒的磁導(dǎo)性進(jìn)行總和。不過，為了簡化，圖11表示了通過對六個(gè)較小齒的磁導(dǎo)性進(jìn)行總和而獲得的磁導(dǎo)性復(fù)合值。這時(shí)，較小齒的磁導(dǎo)性波形彼此稍微偏移，因?yàn)檩^小齒的節(jié)距為游標(biāo)節(jié)距，與正常節(jié)距不同，因此，它們的磁導(dǎo)性的復(fù)合值是平滑變化的波形。在各相中的氣隙磁導(dǎo)性Pig是相對角位移的均勻函數(shù)，公式12可以由Fourier展開式來獲得。
(較小齒結(jié)構(gòu)的改進(jìn)原理)可以預(yù)計(jì)，磁導(dǎo)性的波形將通過將較小齒的結(jié)構(gòu)分別從磁極節(jié)距稍微偏移而變得平滑，且變動(dòng)力矩將減小。在此，考慮了該原理。為了通過組合較小齒磁導(dǎo)性而除去特定的n次諧波分量，必須滿足公式25。當(dāng)減小兩相馬達(dá)的變動(dòng)力矩時(shí)，n為4。
ρn=mΣk=1Qρ1kn=0...(25)]]>其中，m是較小齒的組數(shù)，Q是在一組中的較小齒的數(shù)目，且N＝mQ。ρlkn是第k個(gè)較小齒的單位長度磁導(dǎo)性的n次諧波分量，并可以規(guī)定為偏離參考角度的復(fù)向量(較小齒磁導(dǎo)性向量)，如公式26所示。
ρ1kn=ρ1knϵjnpθk...(26)]]>其中，ρlkn是較小齒磁導(dǎo)性的n次諧波分量的幅值，p是磁極對的數(shù)目，并等于圖1中所示的本發(fā)明馬達(dá)中的較小齒數(shù)目N，θk是第k個(gè)較小齒的位置(機(jī)器角度)。
當(dāng)較小齒通過磁極對節(jié)距來布置時(shí)，位置θk可以利用離開角度(參考角度)θk0的偏離角度δθk來表示，如公式27所示。
θk＝θk0+δθk＝2π(k-1)+δθk(27)因?yàn)棣舑npθko＝εj2πnp(k-1)＝1，因此當(dāng)偏離角度δθk用于代替位置θk時(shí)，公式26變成相同形式。用于減小變動(dòng)力矩的條件可以由公式28表示，該公式28同樣使用公式25。
Σk=1Qρ1kn=Σk=1Qρ1knϵjnpδθk=0...(28)]]>
偏離角度δθk可以由距離零位置的角度來表示，因?yàn)閰⒖冀嵌圈萲0總是零角度。在這種情況下，當(dāng)較小齒的磁導(dǎo)性表示在由電角度表示的諧波向量平面上時(shí)，磁導(dǎo)性向量的向量和為零。各向量旋轉(zhuǎn)，同時(shí)保持相對位置，因此在旋轉(zhuǎn)過程中總是保持平衡，且變動(dòng)力矩最小。
(消除第四諧波分量)一種減小變動(dòng)力矩的方法考慮利用上述概念。它需要軸對稱布置較小齒，以避免沿徑向方向的不平衡。當(dāng)較小齒的數(shù)目為50時(shí)，該較小齒分成兩組，并軸對稱布置。
當(dāng)只去除第四諧波分量(該第四諧波分量與變動(dòng)力矩有較大關(guān)系)時(shí)，優(yōu)選是采用游標(biāo)系統(tǒng)，其中，較小齒的節(jié)距變化。
當(dāng)一組中的較小齒布置成規(guī)則節(jié)距時(shí)，對于各較小齒，偏離角度δθk相等，因此必須在向量平面中將Q個(gè)向量ρlknεjnpδθk布置成圓，以便實(shí)現(xiàn)公式25。
這時(shí)，偏離角度δθk由公式29表示。
δθk=2πnpQ...(29)]]>在圖1中所示的本發(fā)明馬達(dá)中，p為50，Q為25，因此n為4，偏離角度δθk為0.072°。較小齒節(jié)距θk0為7.2°，并向負(fù)側(cè)移動(dòng)δθk，因此θk0為7.128°。
顯然，負(fù)側(cè)和正側(cè)的移動(dòng)有彼此相同的效果，如參考公式25至公式29所述。
(消除兩種諧波)如上所述，并不需要以規(guī)則節(jié)距布置較小齒，且為了滿足公式25而可以任意布置。不過，如上所述，優(yōu)選是軸對稱結(jié)構(gòu)。它需要獲得正效果，例如除去在不規(guī)則節(jié)距結(jié)構(gòu)中的兩種諧波。
而且，還考慮不僅除去與變動(dòng)力矩的產(chǎn)生具有較大關(guān)系的第四諧波，而且除去第三諧波。這時(shí)，50個(gè)較小齒分成兩組，以便滿足軸對稱，且根據(jù)情況再將一組分成5個(gè)子組。第三諧波分量從各子組中除去，而第四諧波在5個(gè)子組之間除去。這時(shí)，Q為5，因此偏離角度δθk由公式29表示如下。
在各子組中，δθ為0.48°(消除第三諧波)。
在5個(gè)子組之間，δθ為0.36°(消除第四諧波)。
圖12A表示了具有如上述布置的較小齒的轉(zhuǎn)子。
在圖12A中，在由線X-X′分開的轉(zhuǎn)子上半部分上的25個(gè)較小齒分成5個(gè)子組。
在各子組中，在較小齒之間的距離為(7.2°-0.48°＝6.72°)。在組之間的角度(也就是在線θ1、θ2、θ3、θ4和θ5之間的角度)為(7.2°×5-0.36°＝35.64°)。
在上述情況下，在轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行較小齒結(jié)構(gòu)變化，不過，也可以在定子側(cè)(而不是轉(zhuǎn)子側(cè))進(jìn)行變化。
當(dāng)除去兩種諧波例如第四諧波和第三諧波時(shí)，例如，較小轉(zhuǎn)子齒節(jié)距(距離)設(shè)置為(7.2°-360/(4×50×25)＝7.128°)，且較小定子齒節(jié)距設(shè)置成(7.2°-360/(3×50×25)＝7.104°)，如圖13所示。
(奇數(shù)諧波分量的平衡的改進(jìn))在表1中，通過假設(shè)系數(shù)(ki2hi)ρn對于各相都相等而對磁導(dǎo)性變化進(jìn)行總計(jì)。當(dāng)為奇數(shù)諧波(基波和第三諧波)時(shí)，∑ρ不能設(shè)置成零，除非(ki2hi)對于A相和A相都相等。
kA和kA將根據(jù)公式10而由公式30表示。
對于B相，可以獲得相同公式。
kA=11+PAg/PAC,kA‾=11+PA‾g/PA‾C...(30)]]>A相的磁通路比A相的磁通路長在A和A相之間的鐵芯長度。因此，PAC＜PAC，且kA＜kA。因此，需要有關(guān)系hA＜hA，以便使(kA2hA)與(kA2hA)相等。
也就是，沿軸向方向的A相較小齒長度必須比A相更長。
A相的磁通φA以及它的變化分量的幅值ΔφA將通過磁通路的磁阻而減小，且電流力矩將減小。使用層疊鋼板的電機(jī)在層疊鋼板之間有較小氣隙，因此磁阻增加。因此，優(yōu)選是使用更厚的鋼板，并減少層疊鋼板的數(shù)目。而且，優(yōu)選是使用由絕緣粉末制成的鐵芯，因?yàn)樵趉A和kA之間的相對差值變小。
(通過三維FEM磁場分析而進(jìn)行的研究)通過使用三維有限元方法(該三維有限元方法實(shí)際上已經(jīng)用于混合類型的步進(jìn)馬達(dá))的磁場分析程度而在多個(gè)條件下計(jì)算影響力矩產(chǎn)生的磁通變化的幅值φCM以及影響振動(dòng)的變動(dòng)力矩。
(鐵芯材料和堆疊比)對于層疊硅鋼板和壓制粉末磁芯，研究了當(dāng)較小定子齒沿軸向方向的長度hi變化時(shí)對ki的影響，以便校正在正相A和B以及負(fù)相A和B中不同的ki效果。兩種材料的B-H曲線在圖14中表示。采用具有0.75特拉斯Br的釤鈷磁體(SmCo)。在板厚為0.35mm的情況下通過將鋼板的空間系數(shù)設(shè)置為97％來進(jìn)行計(jì)算，在板厚為0.5mm的情況下將空間系數(shù)設(shè)置為98％，由于層疊引起的較小氣隙，B-H特征沿軸向變化。
要測試的馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的外徑為35.4mm，內(nèi)徑為29.6mm，較小轉(zhuǎn)子齒節(jié)距為7.128°，定子的較小定子齒節(jié)距為7.2°，磁體的外徑為27.6mm，內(nèi)徑為20mm，厚度為2mm，且繞組的軸向長度為6mm。在轉(zhuǎn)子的內(nèi)周表面和定子的外周表面之間的氣隙為0.1mm，各轉(zhuǎn)子和定子的齒寬和槽深分別為0.7mm。通過改變堆疊比來進(jìn)行計(jì)算，這樣，正相和負(fù)相的較小定子齒的軸向長度的總和設(shè)置為6mm。
當(dāng)正相和負(fù)相的堆疊比(1/C)變化時(shí)對變動(dòng)力矩和有效磁通的計(jì)算結(jié)果如圖15和圖16所示。圖15中所示的變動(dòng)力矩是根據(jù)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)而由磁通產(chǎn)生的變動(dòng)力矩的峰至峰的值。圖16中表示的有效磁通φCM是磁通φA的變化(幅值)的一半值。
由圖15可知，當(dāng)在層疊鋼板中板厚更小時(shí)，變動(dòng)力矩更大。當(dāng)為壓制粉末磁芯時(shí)，變動(dòng)力矩在堆疊比為大約1.6時(shí)有零交叉點(diǎn)，但是當(dāng)磁芯由層疊鋼板形成時(shí)，變動(dòng)力矩在堆疊比為1至5的范圍內(nèi)沒有零交叉點(diǎn)。
由圖16可知，在壓制粉末磁芯(它的BH特征不正常)中的有效磁通明顯大于由層疊鋼板形成的磁芯。這是因?yàn)樵谟蓪盈B鋼板形成的鐵芯中，沿軸向的磁導(dǎo)性降低，磁通不能很容易地通過繞組。
如上所述，應(yīng)當(dāng)知道，壓制粉末鐵芯對于有效磁通最好。在圖17中，點(diǎn)線、單點(diǎn)劃線和實(shí)線分別表示了當(dāng)堆疊比為1.0、1.4和2.0時(shí)壓制粉末鐵芯相對旋轉(zhuǎn)角度的磁通。圖17表示了磁通基本恒定，對圖8中所示的等效電路的分析假設(shè)有效，且當(dāng)正相的較小齒的長度增加時(shí)，磁通的平均水平提高，但是變化幅值即有效磁通降低。在堆疊比為1.4時(shí)正相/負(fù)相的平衡最好。
在兩相中有助于力矩產(chǎn)生的變化磁通很小，為40％或更大。不過，認(rèn)為互聯(lián)磁通大于正常結(jié)構(gòu)，因?yàn)榇朋w較大，且在各相的繞組數(shù)目為1。
(游標(biāo)節(jié)距的效果)圖18表示了當(dāng)堆疊比為1.4時(shí)規(guī)則節(jié)距和游標(biāo)節(jié)距的變動(dòng)力矩的變化。當(dāng)使用公式29中所示的游標(biāo)節(jié)距時(shí)，將消除在規(guī)則節(jié)距情況下產(chǎn)生的四次頻率的較大變動(dòng)力矩，但是基頻的可變變動(dòng)力矩仍然保持?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)堆疊比從1.4增加到1.6時(shí)，基頻的可變變動(dòng)力矩可能減小。
(齒寬的影響)圖19表示了對于1.4和2.0的堆疊比，當(dāng)齒寬從0.6mm變成0.8mm時(shí)有效磁通和變動(dòng)力矩的變化。有效磁通沒有很大變化，對于各堆疊比，當(dāng)齒寬在0.7至0.75范圍內(nèi)時(shí)有最大值。對于1.4的堆疊比，變動(dòng)力矩根據(jù)齒寬而增加，但是對于2.0的堆疊比，變動(dòng)力矩將根據(jù)齒寬而減小，因?yàn)檎嗪拓?fù)相中的平衡變化。因此，認(rèn)為齒寬為0.7mm(磁極對節(jié)距的38％)是最佳值。
(齒分成四組的實(shí)施例)當(dāng)較小齒的數(shù)目為50時(shí)，考慮將較小齒分成兩組，每組25個(gè)較小齒，如圖12B所示，或者分成5個(gè)組，每組10個(gè)較小齒，如圖12A所示，同時(shí)保持軸對稱。
當(dāng)較小齒的數(shù)目為48時(shí)，可以將較小齒分成四組，如圖20所示。在圖20中，采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距7.5°-360°/(4×48×12)。
(內(nèi)轉(zhuǎn)子類型馬達(dá)的實(shí)施例)本發(fā)明可以用于具有內(nèi)轉(zhuǎn)子的馬達(dá)，如圖21和22所示。
在圖21中所示的馬達(dá)中，磁體布置在轉(zhuǎn)子外部，因此，相對較強(qiáng)的磁通泄漏到馬達(dá)外部。因此，考慮將磁通布置在內(nèi)轉(zhuǎn)子上，如圖23所示。磁通路如圖21和圖23所示。等效磁路可以與外轉(zhuǎn)子馬達(dá)同樣考慮。
(在最佳堆疊比時(shí)齒寬比的效果)根據(jù)磁場分析，認(rèn)為在堆疊比為1.6(正相的較小齒長度為3.7mm，負(fù)相的較小齒長度為2.3mm)時(shí)變動(dòng)力矩為零。
圖24中表示了齒寬和變動(dòng)力矩的關(guān)系。在圖24中，齒寬表示為相對正常齒節(jié)距1.83mm的百分?jǐn)?shù)(與圖15不同)，且在齒寬為正常齒節(jié)距的35％至45％的范圍內(nèi)時(shí)變動(dòng)力矩最小。
圖25表示了本發(fā)明另一實(shí)施例的兩相無刷馬達(dá)的電路圖。在圖25中，參考標(biāo)號(hào)12和13表示馬達(dá)的A和B相繞組，20表示動(dòng)力源，23和24表示用于檢測磁極位置的Hall元件，21表示用于根據(jù)Hall元件23和24的輸出來控制供給繞組12的電流的控制電路，22表示用于Hall元件23和24的電流調(diào)節(jié)電路，25至28以及29至32表示功率晶體管，分別形成H橋。功率晶體管25和28同時(shí)導(dǎo)電，從而使電流沿向右方向流入繞組12，且功率晶體管26和27同時(shí)導(dǎo)電，從而使電流沿向左方向流入繞組12。
另外的功率晶體管29至32以及繞組13也同樣驅(qū)動(dòng)。
在上述兩相無刷馬達(dá)中，當(dāng)雙線繞組用于各繞組時(shí)，功率晶體管的數(shù)目減少至四個(gè)。優(yōu)選是減少磁極對的數(shù)目，也就是，與普通混合類型馬達(dá)相比，減少較小齒的數(shù)目，以便容易精確安裝用于檢測轉(zhuǎn)子位置的Hall元件。
因?yàn)榭刂齐娐窞閮上?，因此上述無刷馬達(dá)的結(jié)構(gòu)簡單，成本低、尺寸小，且力矩高，并能廣泛使用。
根據(jù)本發(fā)明的步進(jìn)馬達(dá)，可以獲得以下效果。
(1)通過使用合成粉末軟磁材料，盡管使用較少匝數(shù)的柱形繞組，也可以提高主磁通路的磁導(dǎo)性，并增大反電動(dòng)勢、力矩和輸出。
(2)通過選擇兩相較小齒的堆疊比，可以在不減小反電動(dòng)勢的情況下減小變動(dòng)力矩。
(3)因?yàn)槎ㄗ雍娃D(zhuǎn)子可以由壓制粉末軟磁材料制成，因此可以增加設(shè)計(jì)的自由度，并由于沖壓而減小磁性材料的損失和降低制造成本。
(4)可以減小馬達(dá)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的鐵耗，從而可以提高馬達(dá)效率。
(5)本發(fā)明不僅可以用于步進(jìn)馬達(dá)，而且還可以用于無刷馬達(dá)、同步馬達(dá)或發(fā)電機(jī)。
(6)可以明顯減少馬達(dá)的變動(dòng)力矩和振動(dòng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子和定子較小齒的數(shù)目彼此相同，且一個(gè)馬達(dá)的較小齒和定子以游標(biāo)節(jié)距而軸對稱布置。
(7)例如在日本專利申請公開No.12856/81中所述的普通馬達(dá)的成本較低，因?yàn)槔@組能夠很容易形成，不過，反電動(dòng)勢、輸出力矩較小，且變動(dòng)力矩較大，因此可用性小。不過，根據(jù)本發(fā)明，通過使用粉末軟磁材料可以消除上述缺陷。
(8)本發(fā)明的多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器可以廣泛用于不需要振動(dòng)的辦公室自動(dòng)化(OA)裝置，或者用于高速工作的全自動(dòng)(FA)設(shè)備。本發(fā)明還可以同樣用于內(nèi)轉(zhuǎn)子類型馬達(dá)、無刷馬達(dá)、同步馬達(dá)或發(fā)電機(jī)。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例來特別表示和介紹了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種變化。
權(quán)利要求
1.一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，包括定子(6)；以及柱形外轉(zhuǎn)子(10)，該柱形外轉(zhuǎn)子與定子(6)同心布置，且在它們之間有氣隙；所述定子(6)有兩個(gè)分開的定子元件(4、5)和保持在該定子元件(4、5)之間的環(huán)形永磁體(3)，該永磁體勵(lì)磁為沿定子(6)的軸向方向形成N和S極；多個(gè)較小定子齒A和A沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件(4、5)的外周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件(4、5)的外周表面上，且用于A相和B相的定子繞組(12、13)分別環(huán)繞定子元件(4、5)纏繞；所述轉(zhuǎn)子(10)有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的內(nèi)周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；所述較小定子齒A、A、B和B分別沿周向相對所述較小轉(zhuǎn)子齒偏移1/4倍較小定子齒節(jié)距，其中，各所述定子(6)和所述轉(zhuǎn)子(10)由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成。
2.一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，包括定子(6)；以及柱形外轉(zhuǎn)子(10)，該柱形外轉(zhuǎn)子與定子(6)同心布置，且在它們之間有氣隙；所述定子(6)有兩個(gè)分開的定子元件(4、5)和保持在該定子元件(4、5)之間的環(huán)形永磁體(3)，該永磁體勵(lì)磁為沿定子(6)的軸向方向形成N和S極；多個(gè)較小定子齒A和A沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件(4、5)的外周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件(4、5)的外周表面上，且用于A相和B相的定子繞組(12、13)分別環(huán)繞定子元件(4、5)纏繞；所述轉(zhuǎn)子(10)有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的內(nèi)周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；其中，各所述定子(6)和所述轉(zhuǎn)子(10)由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成，且所述較小轉(zhuǎn)子齒以游標(biāo)節(jié)距而軸對稱布置。
3.一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，包括內(nèi)轉(zhuǎn)子(10)；以及柱形定子(6)，該柱形定子與轉(zhuǎn)子(10)同心布置，且在它們之間有氣隙；所述定子(6)有兩個(gè)分開的定子元件(4、5)和保持在該定子元件(4、5)之間的環(huán)形永磁體(3)，該永磁體勵(lì)磁為沿定子(6)的軸向方向形成N和S極；多個(gè)較小定子齒A和A沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件(4、5)的內(nèi)周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件(4、5)的內(nèi)周表面上，且用于A相和B相的定子繞組(12、13)分別環(huán)繞定子元件(4、5)纏繞；所述轉(zhuǎn)子(10)有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的外周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；所述較小定子齒A、A、B和B分別沿周向相對所述較小轉(zhuǎn)子齒偏移1/4倍較小定子齒節(jié)距，其中，各所述定子(6)和所述轉(zhuǎn)子(10)由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成。
4.一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，包括內(nèi)轉(zhuǎn)子(10)；以及柱形定子(6)，該柱形定子與轉(zhuǎn)子(10)同心布置，且在它們之間有氣隙；所述定子(6)有兩個(gè)分開的定子元件(4、5)和保持在該定子元件(4、5)之間的環(huán)形永磁體(3)，該永磁體勵(lì)磁為沿定子(6)的軸向方向形成N和S極；多個(gè)較小定子齒A和A沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件(4、5)的內(nèi)周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件(4、5)的內(nèi)周表面上，且用于A相和B相的定子繞組(12、13)分別環(huán)繞定子元件(4、5)纏繞；所述轉(zhuǎn)子(10)有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的外周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；其中，各所述定子(6)和所述轉(zhuǎn)子(10)由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成，且所述較小轉(zhuǎn)子齒以游標(biāo)節(jié)距而軸對稱布置。
5.一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，包括內(nèi)轉(zhuǎn)子(10)；以及柱形定子(6)，該柱形定子與轉(zhuǎn)子(10)同心布置，且在它們之間有氣隙；所述轉(zhuǎn)子(10)有兩個(gè)分開的轉(zhuǎn)子元件和保持在轉(zhuǎn)子元件之間的環(huán)形永磁體(3)，該永磁體勵(lì)磁為沿轉(zhuǎn)子(10)的軸向方向形成N和S極；所述定子(6)有兩個(gè)分開的定子元件(4、5)，且多個(gè)較小定子齒A和A沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件(4、5)的內(nèi)周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件(4、5)的內(nèi)周表面上，用于A相和B相的定子繞組(12、13)分別環(huán)繞定子元件(4、5)纏繞；所述轉(zhuǎn)子(10)有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的外周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；所述較小定子齒A、A、B和B分別沿周向相對所述較小轉(zhuǎn)子齒偏移1/4倍較小定子齒節(jié)距，其中，各所述定子(6)和所述轉(zhuǎn)子(10)由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成。
6.一種多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，包括內(nèi)轉(zhuǎn)子(10)；以及柱形定子(6)，該柱形定子與轉(zhuǎn)子(10)同心布置，且在它們之間有氣隙；所述轉(zhuǎn)子(10)有兩個(gè)分開的轉(zhuǎn)子元件和保持在轉(zhuǎn)子元件之間的環(huán)形永磁體(3)，該永磁體勵(lì)磁為沿轉(zhuǎn)子(10)的軸向方向形成N和S極；所述定子(6)有兩個(gè)分開的定子元件(4、5)，且多個(gè)較小定子齒A和A沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于一個(gè)分開定子元件(4、5)的內(nèi)周表面上，多個(gè)較小定子齒B和B沿定子(6)的軸向方向彼此分離，并形成于另一分開定子元件(4、5)的內(nèi)周表面上，用于A相和B相的定子繞組(12、13)分別環(huán)繞定子元件(4、5)纏繞；所述轉(zhuǎn)子(10)有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，這些較小轉(zhuǎn)子齒形成于轉(zhuǎn)子的外周表面上，且數(shù)目與較小定子齒相同；其中，各所述定子(6)和所述轉(zhuǎn)子(10)由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料而形成，且所述較小轉(zhuǎn)子齒以游標(biāo)節(jié)距而軸對稱布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述的多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其中較小定子齒A沿定子(6)軸向方向的厚度與較小定子齒A沿定子(6)軸向方向的厚度的比例設(shè)置為值小于1，以便使兩個(gè)較小定子齒A和A的平均磁導(dǎo)性基本彼此相等，且較小定子齒B沿定子(6)軸向方向的厚度與較小定子齒B沿定子(6)軸向方向的厚度的比例設(shè)置為值小于1，以便使兩個(gè)較小定子齒B和B的平均磁導(dǎo)性基本彼此相等。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其中較小定子齒A或B沿定子(6)軸向方向的厚度與較小定子齒A或B沿軸向方向的厚度的比例設(shè)置為0.5至0.8。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述的多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其中相對標(biāo)準(zhǔn)較小齒節(jié)距，定子齒寬度與轉(zhuǎn)子齒寬度的比例設(shè)置成35％至45％。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述的多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其中所述轉(zhuǎn)子(10)和定子(6)形成兩相無刷馬達(dá)。
全文摘要
多極旋轉(zhuǎn)機(jī)器，包括定子；柱形外轉(zhuǎn)子與定子同心布置，在其間有氣隙。定子有兩個(gè)分開的定子元件和保持在其間的環(huán)形永磁體，永磁體沿定子軸向形成N和S極。沿定子軸向分離的多個(gè)較小定子齒A和A、B和B形成于定子元件外周面上。用于A相和B相的定子繞組分別環(huán)繞定子元件。轉(zhuǎn)子有多個(gè)較小轉(zhuǎn)子齒，數(shù)目與定子齒相同；定子齒A、A、B和B分別沿周向相對轉(zhuǎn)子齒偏移1/4倍定子齒節(jié)距。定子和轉(zhuǎn)子由包括軟磁材料的壓制粉末以及樹脂和/或無機(jī)材料形成。定子齒A與定子齒A沿定子軸向的厚度的比例小于1，以使定子齒A和A的平均磁導(dǎo)性基本相等，定子齒B與定子齒B沿定子軸向的厚度的比例小于1，以使定子齒B和B的平均磁導(dǎo)性基本相等。
文檔編號(hào)H02K37/10GK1606220SQ200410011820
公開日2005年4月13日 申請日期2004年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月22日
發(fā)明者大西和夫, 大巖昭二, 茂木康彰 申請人:日本伺服株式會(huì)社