[發明專利]一種用同步電機代替三維打印機用步進電機的方法

在審

• 申請號: 201610990731.4
• 申請日: 2016-11-10
• 公開（公告）號: CN106787425A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 常兆芹
• 主分類號: H02K7/116
• 分類號: H02K7/116
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明主要使用在三維打印領域，也可用于一般的數控機床制造領域。

背景技術

目前三維打印機的驅動電機，普遍采用反應式步進電機。附圖1為這種電機的結構示意圖。其工作原理是：用軟磁體做的轉子和定子上都開小齒，每個定子上的繞組只能讓該繞組的小齒和轉子小齒的一部分對齊，在定子的不同繞組上分別通脈沖電流，不同的小齒先后對齊，轉子形成步進角很小的旋轉，從而輸出轉動力矩。

這種電機定位精度高，但是在制作過程中，需要的加工精度也較高，而且需要開小齒，所以生產成本高。加工誤差稍大，電機便不工作，而不只是降低性能。

這種電機給不同的繞組同時通不同大小的電流，可以實現步進細分。如果細分倍數較大，電機轉子定位到細分步上的能力就比較差了。所以一旦小齒數量一定，電機就不能無限細分。

這種電機，要使其保持恒定的轉動角度，必須持續的通過電流。也就是說這種電機沒有斷電自鎖能力，費電。

永磁式同步電機的結構類似于附圖2。這種電機利用交流電，在其內部形成一個旋轉的磁場，用永磁體做的轉子，同步地跟隨磁場旋轉，從而輸出轉動力矩。

永磁同步電機具有體積小、效率高、功率因數高、起動力矩大、力能指標好、溫升低等特點，而且最重要的是生產量大，使用廣泛，價格便宜。但是，永磁同步電機控制精度低，更無法實現步進角細分。因為當永磁體轉子在定子相鄰的兩極之間時，只要其稍微偏向定子的任何一極，都會被較近的定子磁極吸過去，轉子很難在定子相鄰的兩極之間精確定位。

除了上面提到的“反應式步進電機”和“永磁式同步電機”，還有一種叫做“永磁式步進電機”的電機。實際上永磁式同步電機和永磁式步進電機概念和原理上都很相似，但是具體實現時，還是有一定的差別的。同步電機重點放在交流電能到機械能的轉換上（或者反向轉換），設計時盡量簡單節約成本，提高功率。而步進電機把重點放在高精度的控制上，電能利用效率不高。而永磁式步進電機因為其步進角較大，難以獲得精確控制，已經很少使用了。

目前，同步電機已經應用于三維打印之前的打印平臺清理，和打印之后的打印成品拿取（專利號：2015104814855，申請日 2015-08-07）；但是三維打印過程中，并不使用同步電機。

發明內容

本發明提供一種廉價的三維打印機用步進電機的替代方法；而且打印效果更細膩，打印時更節能。

為達上述目的，本發明采用減速同步電機替代感應式步進電機，并開發設計了一套電機驅動電路。

減速同步電機因為自帶了減速齒輪箱，就相當于縮小的步進角，所以可以精確的輸出。當減速比繼續增大時，其輸出精度可超過細分后的感應式步進電機；此時其定位能力非但沒有減少，還因為減速箱的自鎖功能，定位性能反而增加。而且自鎖功能使得電機在不轉動時，不需要通電。對于暫時不轉動的電機可以斷電，節約能源。斷電和通電可以是幾百分之一秒的交替。所以即便是打印機正在工作，節能機會也會比較多。只要電機不是全速轉動，就可以節能。

因為減速齒輪的齒側間隙，在電機輸出扭矩方向改變時誤差比較大。但是如果僅僅是轉動方向改變，輸出扭矩的方向不變，此時就沒有較大的誤差了。所以本發明一般用于繩牽引的設備，只需要一個扭矩方向的情況。

因為本發明使用了減速箱，所以沒有必要細分電機，更何況同步電機本身也不支持細分；又因為細分功能需要驅動器提供不同的電流強度，而無細分功能的電機驅動，僅僅是二值開關的功能；所以本發明使用的同步電機驅動電路，因為沒有細分功能，而大幅簡化，驅動電路成本大幅降低。因為同步電機把設計重點放在能量轉化上，所以一般這種電機的額定電壓較高，所以也要求電機驅動電路能提供較高的輸出電壓。

實驗證明，不使用電機和電機驅動的細分功能，可以增加打印質量。從理論上來說，電機（包括同步電機和步進電機）的轉子磁極正對定子磁極時，轉子定位能力最強；這種情況實際對應“不使用細分功能”的電機。當使用細分功能時，電機轉子的磁極位于定子磁極之間；電機轉子靠兩個相鄰定子磁極形成的“復合磁場”定位，轉子磁極距離任何一個定子磁極都比較遠；轉子定位能力差，導致打印機難以克服打印頭的慣性，打印效果差。

優選地，本發明適用于繩牽引設備，當減速齒輪的齒側間隙較小時，或者在改變方向時對誤差要求較低的情況下，本發明仍然可以適用于同步帶傳動或者桿傳動的情況。

優選地，使用較常見的永磁同步電機，也可以使用罕見的永磁式步進電機。