[發明專利]一種定子永磁體混合步進電機

有效

• 申請號: 201410092470.5
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN103812241A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 徐衍亮;魯炳林
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H02K1/17
• 分類號: H02K1/17;H02K1/14;H02K1/22;H02K3/18;H02K37/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種新型混合步進電機，尤其涉及一種將永磁體設置于電機定子上的混合步進電機。

背景技術

步進電機已成為除直流電機和交流電機以外的第三類主要電機。傳統電機主要作為機電能量轉換裝置，在人類的生產和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用。可是在人類社會進入自動化時代的今天，傳統電機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統的要求。為適應這些要求，發展了一系列新的具備控制功能的電機系統，其中較有自己特點，且應用十分廣泛的一類便是步進電機。

步進電機多用于數控車床和機器人系統中。在現代工業，特別是航空、航天、電子等領域中，要求完成的工作量大、任務復雜、精度高，利用人工操作不僅勞動強度大、生產效率低，且難以達到所要求的精度，還有一些工作環境是對人體健康有害的或人類無法達到的，這就需要數控機床和機器人來完成這些工作。另外，在計算機外設和辦公室自動化設備中也大量運用步進電機，如磁盤驅動、打印機、繪圖儀和復印機等。

步進電機按構造主要分為磁阻式步進電機、永磁式步進電機和混合（勵磁）步進電機三類。其中，磁阻式步進電機雖精度較高，但功耗大、效率低；永磁式步進電機雖功耗小，但精度低、運行頻率低。到目前，以上兩類步進電機在工業發達國家已極為少見。相比之下，混合步進電機是磁阻式步進電機和永磁式步進電機的結合，兼具兩者優點，因體積小、性價比高、可靠性好、運行平穩、易于控制而逐步處于主導地位，自上世紀60年代問世以來，取得了工業自動化領域的青睞，并獲得迅速發展。目前最典型的混合步進產品是2相8定子極混合步進電機，也可以是其他相數其他定子極數的混合步進電機，各種混合勵磁步進電機結構原理相近，主要特點是轉子放置有軸向充磁的環形永磁體。以下以2相8極（定子極）混合步進電機為例說明目前通用混合步進電機的結構原理及其缺陷。

目前通用2相8極混合步進電機由定子部分和轉子部分構成。轉子由軸向充磁的環形永磁體及兩段轉子疊壓導磁鐵心構成，兩段轉子疊壓導磁鐵心完全相同，其圓周均勻分布有多個小齒，兩段轉子疊壓鐵心圓周方向錯開1/2齒距后，與插于其間的環形永磁體形成轉子的主體部分。定子主要由定子鐵心和定子繞組構成，定子鐵心由導磁鐵心片疊壓構成，有8個磁極，每個磁極的極靴上分布有與轉子外周小齒齒距完全相同的定子小齒，每個磁極的極身上有一個線圈，8個線圈按一定的順序連接成A、B兩相定子繞組。在轉子永磁體磁場的作用下，通過定子A、B兩相繞組的順序通斷電，利用磁阻力，實現電機轉子的步進轉動。

盡管傳統的混合式步進電機兼具磁阻式步進電機和永磁式步進電機的優點，功耗小、精度高、性價比高、運行平穩，但是其結構上存在以下缺陷：

1.由于永磁體置于轉子上，并放置于兩段疊壓轉子鐵心中間，且兩段轉子上的小齒必須相互錯開1/2齒距，因而電機結構復雜，加工制造困難。

2.永磁體沿軸向充磁，永磁體產生的磁場必須沿軸向垂直穿過兩段轉子鐵心和定子鐵心以構成閉合回路，由于定、轉子鐵心均由疊壓硅鋼片構成，相鄰硅鋼片之間存在不導磁的絕緣層（相當于氣隙），永磁體所產生的磁動勢很大一部分消耗在鐵心片之間的氣隙當中，導致永磁體利用率低，或者說為滿足電機定轉子之間的氣隙永磁磁密必須增加永磁體厚度，從而增加了永磁體用量，增加了電機制造成本。

3.電機定子鐵心和兩段轉子鐵心軸向越長，永磁體消耗在軸向導磁磁路中的磁動勢也就越大，因此也就限制了傳統混合勵磁步進電機的軸向長度，從而限制了傳統混合步進電機的功率等級，即傳統混合步進電機的功率等級最大在1kW左右，一般用于幾W、幾十W功率等級范圍。

4.在電機永磁體軸向長度范圍內不產生機電能量轉換，因此使得該種電機的功率密度和轉矩密度降低，同時在永磁體軸向長度范圍內的定子繞組導體像繞組端部一樣只起連接作用，也不參與能量轉換，這導致電機的效率降低。傳統混合步進電機較低的功率密度、轉矩密度和效率也是該種電機功率等級較低的重要原因。

5.永磁磁場沿定轉子鐵心軸向閉合，導致電機氣隙永磁磁密在軸向不均勻，在靠近兩端部的氣隙永磁磁密低，越靠近永磁體，氣隙永磁磁密就越高，顯然，兩端轉子鐵心軸向越長，氣隙永磁磁密沿軸向的分布就越不均勻，由于在電機設計時需要考慮定轉子鐵心的磁路飽和程度，因此這一現象導致電機的有效材料的利用率降低，導致了成本的增高，也限制了電機功率等級的提高。

6.由于永磁體軸向充磁，其磁路是沿軸向閉合，而電機定子繞組產生的磁場沿圓周方向閉合，因此整體電機的磁場是標準的三維場，對電機的分析、計算和設計帶來難度。