專利名稱：三相混合型步進電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及到三相混合型步進電機，特別涉及到這樣一種三相混合型步進電機，它具有六個帶繞組的磁極及一種能夠降低變動轉矩和磁性失真率并能增大輸出的結構。
如

圖1A，1B和1C所示的按常規實施的三相混合型步進電機是這樣組成的，一個定子，它具有等間隔布置在一個環形扼鐵1的內圓周上的十二個磁極2，繞制在各個磁極2上形成三相繞組的繞組3，以及設置在各磁極2的尖端的許多小齒4，還有一個轉子9，它具有兩個分裂的轉子元件7，夾持在其間并且在軸向上被磁化成兩個磁極N和S的一個永磁體8，以及按照規則的間距設置在各轉子元件7的外圓周上的50個小齒6，上述轉子元件7在角位置上彼此偏移1/2個齒6的間距，轉子9與定子5之間隔著一個氣隙相對，并且被扼鐵1支撐著旋轉。
與此不同的是，在圖2A，2B和2C所示的三相混合型步進電機中，每個轉子元件7具有40個小齒6。
日本專利申請公開號240691/2000公開了降低變動轉矩和電流波形中的三次諧波成分，按照微調間距(vernier pitch)布置設在帶繞組的磁極尖端的極齒，其中相對于具有六個帶繞組的磁極的三相混合型步進電機利用六次諧波成分來平衡磁導分布。
在上述三相混合型步進電機中，帶繞組的磁極數量是6，而轉子磁極上小齒的數量是40。
在此處，如果轉子和定子的小齒布置相對于具有12個帶繞組磁極的三相混合型步進電機和具有六個帶繞組磁極的三相混合型步進電機是變化的，就采用二維磁場分析(FEM)法來分析轉子的小齒和定子之間的磁導分布。
表1中分別表示具有50個小轉子極齒和12個帶繞組磁極的三相混合型步進電機和具有50個小轉子極齒和6個帶繞組磁極的三相混合型步進電機的性能。
表1

如表1所示，具有六個帶繞組磁極的步進電機繞組的磁通Φ和產生的轉矩T分別是具有12個帶繞組磁極的步進電機繞組的磁通Φ和產生的轉矩T的二倍。
按照作為電磁學基本定律之一的法拉第定律，感應電壓e1可以用公式1表示。e1=-n1dφdt=-n1dφdθdθdt=-n1ωdφdθ≡-E1cospθ---(1)]]>式中的n1代表一相的繞組總數，φ代表磁場通過一匝繞組的磁通，ω代表轉子的角速度，而θ＝ωt。
磁通φ可以用公式2表示。Φ=Φsinpθ,dΦdθ=pΦcospθ---(2)]]>式中的p代表轉子的齒數，而φ代表磁通的量值(從峰值到零)。如果e1的峰值到零值(量值)是E1，就能獲得公式3。
E1＝n1pωΦ……(3)按照公式3可以看出，感應的電壓分別與繞組數n1、轉子的齒數p、角速度ω和磁通φ成正比。另一方面，如果電流通過一個繞組產生的感應電壓是e1，電輸入就是e1×i1。按照公式4所示，一相的電輸入等于機械輸出(轉子的轉矩τ1×角速度ω)。
τ1ω＝e1i1……(4)如果電流的相位等于一個反電動勢(相當于最大輸出)的相位，就能獲得公式5和6。τ1=e1i1ω=n1pΦI1cos2pωt≡T1cospωt---(5)]]>i1＝I1cos pωt ……(6)將三相的轉矩相加并彼此消去變量成分就獲得了總轉矩T，由此就能獲得公式7。T=τU+τV+τW=T1cos2pωt+T1cos2p(ωt-2π/3)+T1cos2p(ωt+2π/3)]]>=32n1pΦI1---(7)]]>按照公式7可以注意到轉矩是與磁通φ成正比的。
圖3表示具有6個帶繞組磁極的步進電機的一半和具有12個帶繞組磁極的步進電機的一半。具有6個帶繞細磁極的步進電機的槽的總截面面積和具有12個帶繞細磁極的步進電機是相等的。因此，如果各步進電機的繞組導線直徑和一相的繞組數是相等的，流過各步進電機繞組的電流值就是相等的。然而，具有6個帶繞組磁極的步進電機的磁通和轉矩可以達到具有12個帶繞組磁極的步進電機的二倍，因為在具有六個帶繞組磁極的步進電機中一個磁極的極齒數量是8，這一數量是具有12個帶繞細磁極的步進電機的二倍。
這種步進電機的極對數p明顯大于普通永磁電機的極對數，并且電感L很大，因此，電壓降pωL會很大，在高速時電流供應不足這是一個重要問題。
為了相對于提供給電機的端子電壓產生預定比例的反電動勢，在驅動電機的情況下，按慣例要選擇繞組的數量。表1表示了在選擇繞組數量使各電機的端子之間感應的電壓恒定的情況下用公式8計算的電感。在表1中，用百分數項為相對于具有12個帶繞組磁極的電機而表示的磁通，轉矩和電感等等。 =nsnp(n1nw/m)2PTnw---(8)]]>式中的ns是串聯繞組的數量(與nw/m成正比)，np是并聯電路的數量，nw是極數，m是相數，而PT是總氣隙磁導。
按照公式3，n1被減到了一半，作為其結果，如果nw被減半而φ增大一倍，公式8中的值就不會改變，這是因為，如果端子之間的感應電壓是恒定的，n1就與φ成反比。以下要解釋接線系統。如圖4A和4B所示，在三相電機中采用了一種星形連接和一種三角形連接。在作為典型的驅動系統的一種兩相-兩相驅動系統中，電流始終通過三相繞組當中的兩相繞組，在星形連接中，電流通過U相和V相，因為電源被連接到圖4A所示的三個端子A，B和C當中的任意兩個端子(例如是A和B)之間形成一個串聯電路，而在三角形連接中，電流通過W相和V相，因為電源被連接到圖4B所示的三個端子A，B和C當中的任一端子(例如是A)和另外兩個端子(例如是B和C)之間形成一個并聯電路。在星形連接中，一相的繞組數量n1必須達到三角形連接的1/3=0.577]]>倍。在星形連接中，串聯繞組數n1是2，而在三角形連接中是1。在星形連接中，并聯繞組數np是1，而在三角形連接中是2。因此，按照公式8的計算，星形連接中的電感就是1，而三角形連接中的電感是0.75。這意味著三角形連接可以獲得比較高的工作速度，因為端子之間的電感比較小。
表2表示用二維FEM磁場分析法相對于混合型步進電機直接計算出的結果。
表2

在這種微調系統中，相對于12個帶繞組磁極采用了四次抵銷系統(6.75°間距)，而相對于六個帶繞組磁極采用了六次抵銷系統(7.05°間距)。帶繞組磁極的磁通比例代表了磁場的磁通被有效利用的比例，該值被認為是與帶繞組磁極的磁通成正比，因為由磁場發出的磁通是基本上恒定的。
六個帶繞組磁極的磁通是12個帶繞組磁極的二倍。在6個帶繞組磁極的情況下，設在一個磁極上的極齒數量也是12個帶繞組磁極情況下的二倍，并且極齒彼此間稍有偏離，以便獲得完整的平滑波形，并且能夠降低失真率和變動轉矩。
圖5表示用二維FEM磁場分析法對帶繞組6個磁極具體計算出的結果。
在三相電機中，用于最小化變動轉矩的平衡諧波是六次諧波，但在普通電機中是四次諧波，因而認為三次的平衡諧波對減少三次諧波是有效的。因此，變動轉矩、磁場、和磁場的失真率是參照四類項目來計算的，其中包括一項沒有微調。極齒的寬度最好是設置在0.4。總體上考慮各種性能后可以判定六次平衡是最好的。
在最佳的六次微調系統中考慮極齒的寬度。圖6表示的計算結果是，為了簡化計算將轉子的極齒寬度設置在與定子相同。如圖6所示，大約0.4的小齒寬度被認為是最好的。
根據相對于三相混合型步進電機結構考慮的結果，可以獲得以下的結果。
(1)六個帶繞組磁極的磁通是12個帶繞組磁極的二倍，從這一方面來看可以檢驗轉矩的適當倍數。
(2)在微調系統中，六次平衡相對于變動轉矩和磁通來說是最佳的。
(3)小齒的齒寬比例最好是大約0.4，然而普通電機也可以采用0.41的齒寬比例。
本發明就是按上述設想獲得的。

發明內容
本發明的目的是提供一種三相混合型步進電機，本發明的步進電機包括一個定子，以及和定子同心布置且在二者間有一個氣隙的轉子，上述定子具有一個環形定子扼鐵，在環形定子扼鐵的內圓周面上徑向延伸并且呈規則間距的6個定子磁極，以及各自繞制在每一個定子磁極上的三相定子繞組，在每個上述定子磁極的尖端具有多個小定子齒，上述轉子具有兩個分裂的轉子元件和夾持在其間并且在其軸向上被磁化成兩個磁極N和S的一個永磁體，以及按照規則的間距設置在各個上述轉子元件外圓周上的多個小轉子齒，上述兩個分裂的轉子元件在角位置上彼此偏移1/2個小轉子齒的間距。小定子齒的磁導分布是由六次諧波平衡的一個微調間距，而小轉子齒與小定子齒的齒寬比例被設置在0.35-0.45。
本發明的另一個目的是提供一種三相混合型步進電機，其中小定子齒的磁導分布是由三次諧波平衡的一個微調間距，而小轉子齒與小定子齒的齒寬比例被設置在0.35-0.45。
本發明的再一個目的是提供一種三相混合型步進電機，其中小轉子齒的數量是50，而小定子齒的數量是8，齒間距是7.05，而小轉子齒與小定子齒的齒寬比例被設置在0.36-0.44。
本發明的又一個目的是提供一種三相混合型步進電機，其中定子的三相繞組采取三角形連接。
通過以下結合附圖的說明就能了解到本發明的這些及其他目的和特征。
按照本發明的三相混合型步進電機包括一個定子5、以及和定子5同心布置且在二者間有一個氣隙的轉子9，上述定子5具有一個環形定子扼鐵1，在環形定子扼鐵1的內圓周面上徑向延伸并且呈規則間距的多個定子磁極2，各自繞制在每一個定子磁極2上的定子繞組3，在每個上述定子磁極2的尖端具有六個小定子齒4，上述轉子9具有兩個分裂的轉子元件7和夾持在其間并且在其軸向上被磁化成兩個磁極N和S的一個永磁體8，以及按照規則的間距設置在各個上述轉子元件7外圓周上的五十個小轉子齒6，上述兩個分裂的轉子元件7在角位置上彼此偏移1/2個小轉子齒6的間距。6個小定子齒4的磁導分布是由六次諧波平衡的一個微調間距，而小轉子齒6與小定子齒4的齒寬比例被設置在0.35-0.45。
在本發明的另一個實施例中，6個小定子齒4的磁導分布是由三次諧波平衡的一個微調間距，而小轉子齒6與小定子齒4的齒寬比例被設置在0.35-0.45。
在本發明的再一個實施例中，小定子齒4的數量是八，齒間距是7.05，而小轉子齒6與小定子齒4的齒寬比例被設置在0.36-0.44。
如上所述，按照本發明的三相混合型步進電機可以獲得高功率，低變動轉矩和低失真率的磁場。
盡管本發明是參照其最佳實施例來表示和說明的，本領域的技術人員顯然能夠在權利要求書所限定的本發明的原理和范圍之內對其形式和細節作出各種各樣的變更。
權利要求
1.一種三相混合型步進電機，包括一個定子(5)、以及和定子(5)同心布置且在二者間有一個氣隙的轉子(9)，上述定子(5)具有一個環形定子扼鐵(1)，在環形定子扼鐵(1)的內圓周面上徑向延伸并且呈規則間距的六個定子礠極，各自繞制在每一個定子磁極上的三相定子繞組(3)，在每個上述定子磁極的尖端具有多個小定子齒(4)，上述轉子(9)具有兩個分裂的轉子元件(7)和夾持在其間并且在其軸向上被磁化成N和S極的一個永磁體(8)，以及按照規則的間距設置在各個上述轉子元件(7)外圓周上的多個小轉子齒(6)，上述兩個分裂的轉子元件(7)在角位置上彼此偏移1/2個小轉子齒(6)的間距，小定子齒(4)的磁導分布是由六次諧波平衡的一個微調間距，而小轉子齒(6)與小定子齒(4)的齒寬比例被設置在0.35-0.45。
2.一種三相混合型步進電機，包括一個定子(5)、以及和定子(5)同心布置且在二者間有一個氣隙的轉子(9)，上述定子(5)具有一個環形定子扼鐵(1)，在環形定子扼鐵(1)的內圓周面上徑向延伸并且呈規則間距的六個定子磁極，以及各自繞制在每一個定子磁極上的三相定子繞組(3)，在每個上述定子磁極的尖端具有多個小定子齒(4)，上述轉子(9)具有兩個分裂的轉子元件(7)和夾持在其間并且在其軸向上被磁化成N和S極的一個永磁體(8)，以及按照規則的間距設置在各個上述轉子元件(7)外圓周上的多個小轉子齒(6)，上述兩個分裂的轉子元件(7)在角位置上彼此偏移1/2個小轉子齒(6)的間距，小定子齒(4)的磁導分布是由三次諧波平衡的一個微調間距，而小轉子齒(6)與小定子齒(4)的齒寬比例被設置在0.35-0.45。
3.按照權利要求1或2的三相混合型步進電機，其特征是小轉子齒(6)的數量是50，小定子齒(4)的數量是8，齒間距是7.05，而小轉子齒(6)與小定子齒(4)的齒寬比例被設置在0.36-0.44。
4.按照權利要求1，2或3的三相混合型步進電機，其特征是定子(5)的三相繞組(3)被連接成三角形。
全文摘要
本發明涉及一種三相混合型步進電機，包括一個定子(5)，和定子(5)同心布置且在二者間有一個氣隙的轉子(9)，在一個環形定子扼鐵(1)的內圓周面上徑向延伸并且呈規則間距的六個定子磁極，在每個定子磁極的尖端具有多個小定子齒(4)，轉子(9)具有兩個分裂的轉子元件(7)和夾持在其間并且在其軸向上被磁化成N和S極的一個永磁體(8)，按照規則的間距設置在各個轉子元件(7)外圓周上的五十個小轉子齒(6)，兩個分裂的轉子元件(7)在角位置上彼此偏移1/2個小轉子齒(6)的間距，這其中小定子齒(4)的磁導分布是由六或三次諧波平衡的一個微調間距，而小轉子齒(6)與小定子齒(4)的齒寬比例被設置在0.35－0.45。
文檔編號H02K37/12GK1407696SQ02119069
公開日2003年4月2日 申請日期2002年2月22日 優先權日2001年8月28日
發明者大西和夫, 虻川俊美, 坂本正文, 磯崎弘毅 申請人:日本伺服株式會社