專利名稱：步進(jìn)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種步進(jìn)電機(jī)。
背景技術(shù)：
在涉及的步進(jìn)電機(jī)中，有一定子，其構(gòu)造成在一轉(zhuǎn)子的周圍布置磁極齒，并繞轉(zhuǎn)子的軸線方向纏繞有一線圈，以激勵(lì)磁極齒，在永久磁體轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
此外，已知起動(dòng)轉(zhuǎn)矩同樣產(chǎn)生在所謂的混合型的電機(jī)中，該種電機(jī)具有這樣構(gòu)造的一電機(jī)定子設(shè)置多個(gè)側(cè)磁極并繞有如下列專利所介紹的步進(jìn)電機(jī)中的多相的勵(lì)磁繞組，這些專利是日本特許公開(kāi)昭64-30672A，或日本實(shí)用新型審查公開(kāi)平7-33583B。
起動(dòng)轉(zhuǎn)矩還可在電流未導(dǎo)入線圈時(shí)產(chǎn)生，因此，這就達(dá)到轉(zhuǎn)子能自持的優(yōu)點(diǎn)。
此外，在日本實(shí)用新型專利公開(kāi)平5-67187A中，文中介紹一種滾子，其具有沿厚度方向磁化的永久磁體和一對(duì)沿厚度方向從兩端插入磁體的感應(yīng)器板。
然而，例如，當(dāng)使用產(chǎn)生這樣起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生這樣的情況在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響，難于定位轉(zhuǎn)子的位置，這是構(gòu)成妨礙步進(jìn)電機(jī)高速響應(yīng)的一個(gè)因素。另一方面，還要求步進(jìn)電機(jī)成形為有較小的尺寸。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種步進(jìn)電機(jī)，其通過(guò)限制起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)促使高速響應(yīng)，并能達(dá)到小尺寸的構(gòu)造。
為了解決上述的目的，本發(fā)明的特征在于，具有下列的結(jié)構(gòu)
方面1 一種步進(jìn)電機(jī)包括一包括一永久磁體且多極磁化的轉(zhuǎn)子；布置在轉(zhuǎn)子周圍并纏繞在轉(zhuǎn)子的徑向方向的多個(gè)線圈；一用來(lái)支承多個(gè)線圈的圓筒形支承件，其包括具有柔性的絕緣膜；以及一用來(lái)包圍永久磁體、多個(gè)線圈和支承件并固定到支承件上的外殼。
方面2 如方面1所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，支承件包括一柔性板。
方面3 如方面2所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，柔性板包括一布線圖形，圖形的一端頭部分電氣地與線圈連接，以及柔性板包括一接線端部分，布線圖形的另一端頭部分聚集在該接線端部分。
方面4 如方面3所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，接線端部分突出到外殼的外面。
方面5 如方面1所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，還包括一圓筒形件，其通過(guò)卷繞呈條帶形的軟磁性材料來(lái)構(gòu)成，其表面以螺旋形方式絕緣地覆蓋。
方面6 如方面1所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)子包括沿軸線方向在一單一磁極上磁化的永久磁體；布置在永久磁體周圍并沿永久磁體的軸線方向延伸的多個(gè)磁極齒；以及分別具有永久磁體的端頭部分的一對(duì)圓形板件，其用來(lái)諸支承磁極齒，以及其中，磁極齒交替地且電氣地連接到兩圓形板件中的一個(gè)以及圓形板件中的另一個(gè)。
方面7 如方面1所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，絕緣膜的厚度落入0.1mm至0.2mm的范圍內(nèi)。
方面8 一種制造步進(jìn)電機(jī)的方法，包括下列諸步驟提供一條帶形的絕緣膜；將多個(gè)線圈固定到絕緣膜上；將絕緣膜卷繞成圓筒形，且使固定的多個(gè)線圈設(shè)置在絕緣膜的內(nèi)側(cè)；在卷繞步驟之后，將圓筒形絕緣膜插入一圓筒形外殼。
方面9 如方面8所述的方法，還包括設(shè)置包括一永久磁體的一轉(zhuǎn)子、以使外殼包圍永久磁體和多個(gè)線圈的步驟。
方面10 如方面8所述的方法，其特征在于，在卷繞步驟中，絕緣膜的一端固定到絕緣膜的另一端，以形成圓筒形。
圖2是步進(jìn)電機(jī)A分解圖。
圖3是一設(shè)有線圈2的支承件3的展開(kāi)圖。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的一步進(jìn)電機(jī)B的結(jié)構(gòu)的視圖(左半部示出外形，右半部示出截面)，而圖4B是沿圖4A的Y-Y線截取的截面圖(端面視圖)。
圖5是圓筒形件9的外形圖。
圖6A是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的轉(zhuǎn)子10的正視圖，圖6B是沿圖6A的Z-Z線截取的截面圖(端面視圖)，圖6C是轉(zhuǎn)子10的分解圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖，將對(duì)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例說(shuō)明如下。
第一實(shí)施例
圖1A是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一步進(jìn)電機(jī)A的結(jié)構(gòu)的視圖(左半部示出外形，右半部示出截面)，而圖1B是沿圖1A的X-X線截取的截面圖(端面視圖)。圖2是步進(jìn)電機(jī)A的分解圖。步進(jìn)電機(jī)A是永久磁體(PM)型二相步進(jìn)電機(jī)，并設(shè)置有下列結(jié)構(gòu)。
一轉(zhuǎn)子1包括一軸1a和一呈圓筒形的永久磁體1b，并通過(guò)將永久磁體1b穿入軸1a構(gòu)成。如圖1B所示，永久磁體1b在多極上磁化，在周向方向上交替地布置N極和S極，并總共磁化8個(gè)磁極。轉(zhuǎn)子1由軸承6a和6b支承可平順地轉(zhuǎn)動(dòng)，墊圈7a和7b設(shè)置在轉(zhuǎn)子1和軸承6a和6b之間。
在轉(zhuǎn)子1的永久磁體1b的周圍，以一預(yù)定的相位布置，設(shè)置繞轉(zhuǎn)子1的徑向方向(換句話說(shuō)，繞橫穿由永久磁體1b產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向)卷繞的4個(gè)線圈2a至2d(下文中，一般稱之為線圈2)以構(gòu)成一定子。根據(jù)該實(shí)施例，線圈2是通過(guò)卷繞銅導(dǎo)線或諸如此類導(dǎo)線的多匝線圈材料來(lái)構(gòu)成，并在線圈的中央部分形成一孔洞。
使用這樣一個(gè)空氣芯(無(wú)芯)的線圈2，磁極齒不呈現(xiàn)在定子的一側(cè)，因此，不再引起起動(dòng)轉(zhuǎn)矩這樣的傳統(tǒng)問(wèn)題，并可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)A的高速響應(yīng)。此外，盡管根據(jù)實(shí)施例，線圈2的中心是中空的，但中心可設(shè)置由樹脂或諸如此類的非磁性材料制成的芯，且在這種情形中也不產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，線圈被包括在本發(fā)明的線圈范圍內(nèi)。
此外，線圈2a和2c關(guān)于軸向中心對(duì)稱布置，以形成第一相的線圈對(duì)，同樣地，線圈2b和2d關(guān)于軸向中心對(duì)稱布置，以形成第二相的線圈對(duì)。此外，通過(guò)形成一90度電氣角的移位來(lái)布置各相。
接下來(lái)，線圈2由呈圓筒形的支承件3支承。支承件3通過(guò)卷繞具有柔性的呈條帶形的絕緣膜而形成圓筒形。作為這樣的一個(gè)膜，例如，可首選一柔性板，且根據(jù)實(shí)施例，假設(shè)為使用柔性板作為支承件3的情況。例如，柔性板是由絕緣材料、銅箔、基底材料(基底件)或類似的材料構(gòu)成，柔性板的厚度一般約為0.1mm至0.2mm，并具有柔性和絕緣特性。盡管可以使用不是柔性板的膜作為支承件3，但膜的厚度一般最好取大約0.1mm至0.2mm。
這里，圖3是設(shè)置有線圈2的支承件3的展開(kāi)圖。線圈2用粘結(jié)劑、雙面膠帶或諸如此類的粘結(jié)方法固定到支承件3的表面上。支承件3設(shè)置有接線端部分3a，其中，與各自線圈2電氣地連接的布線圖形的端頭部分聚集在這里。接線端部分3a突出到步進(jìn)電機(jī)A的外面，以便于與控制線路的電氣連接。
如圖3所示，在展開(kāi)支承件3構(gòu)成一條帶形的狀態(tài)下，線圈2固定到支承件3上。接下來(lái)，支承件3卷繞以構(gòu)成圓筒形，使線圈2設(shè)置在支承件3的內(nèi)側(cè)。在這種情形下，支承件3的兩個(gè)端頭部分3b可用粘結(jié)劑或諸如此類的材料粘結(jié)。其后，支承件3插入外殼4(將在下文中說(shuō)明)，支承件3的外周面用粘結(jié)劑或諸如此類的材料固定到外殼4的內(nèi)周面，由此，將線圈2固定到外殼4上。
采用這樣的支承件3來(lái)支承線圈2的優(yōu)點(diǎn)在于下列幾點(diǎn)。第一，因?yàn)橹С屑?固定在外殼4上，所以不需要支承件3本身的強(qiáng)度，其厚度可以減薄，因此，步進(jìn)電機(jī)A的直徑可以減小并實(shí)現(xiàn)其小尺寸的構(gòu)造。反過(guò)來(lái)，對(duì)于相同的尺寸，可確保用于沿半徑方向進(jìn)一步加厚線圈2的厚度的空間，可增加線圈繞組的匝數(shù)，并可進(jìn)一步加厚線圈材料的厚度，由此，可提供較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力。此外，線圈2可在支承件3展開(kāi)在一個(gè)平面的狀態(tài)下附連到支承件3上，因此，線圈的定位、布線或諸如此類的操作變得簡(jiǎn)便，并進(jìn)一步簡(jiǎn)化諸部件的集成。
下面，回過(guò)來(lái)參照?qǐng)D1和圖2，外殼4大致上由圓筒形構(gòu)成，并包圍上述的永久磁體1b、線圈2和支承件3。外殼4確保步進(jìn)電機(jī)A的強(qiáng)度，并起一磁路的作用。一托座5連接在外殼4的下端，并用作為外殼4的蓋。托座5設(shè)置有一切口5a，而支承件3的接線端部分3a從此切口突出到步進(jìn)電機(jī)A的外面。
在具有這樣結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)A中，磁場(chǎng)從永久磁體1b始沿徑向方向產(chǎn)生。當(dāng)在此狀態(tài)下將電流導(dǎo)入線圈2時(shí)，由于流過(guò)線圈2的電流分量正交于從永久磁體1b發(fā)出的磁場(chǎng)(法萊明左手定則)，在線圈2和永久磁體1b之間作用一沿周向的力。另外，因線圈2是固定的，所以，轉(zhuǎn)子1開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。
在該實(shí)施例結(jié)構(gòu)的情形中，通過(guò)提供脈沖的相互移位90度的多相電壓，在二相激勵(lì)中步進(jìn)角變?yōu)?2.5度。此外，半步進(jìn)驅(qū)動(dòng)也可通過(guò)1-2相激勵(lì)。此外，也可采用一微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
此外，永久磁體1b的磁極數(shù)和線圈2的個(gè)數(shù)并不分別地限定為8和4，但可在這樣的范圍內(nèi)有關(guān)連地選定，即線圈2的個(gè)數(shù)n/2，相對(duì)于永久磁體1b的磁極數(shù)4×n(n為等于或大于1的整數(shù))。
第二實(shí)施例在上述第一實(shí)施例中，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)永久磁體1b產(chǎn)生一交變的磁場(chǎng)，并在外殼4上產(chǎn)生渦流。首先，當(dāng)一較強(qiáng)的磁體用作為永久磁體1b時(shí)，渦流損失也隨之增加。與此同時(shí)，盡管眾所周知可提供一層合的多層磁性體片的背軛件來(lái)阻止渦流損失，但其制造和組裝集成花費(fèi)時(shí)間和勞力，這種情形不適合小尺寸的結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)實(shí)施例提供一種步進(jìn)電機(jī)，其能實(shí)現(xiàn)小尺寸的結(jié)構(gòu)且阻止渦流的產(chǎn)生。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的一步進(jìn)電機(jī)B的結(jié)構(gòu)的視圖(左半部示出外形，右半部示出截面)，而圖4B是沿圖4A的Y-Y線截取的截面圖(端面視圖)。下面將給出不同于上述步進(jìn)電機(jī)A的結(jié)構(gòu)的說(shuō)明。
一圓筒形件9設(shè)置在支承件3和外殼4之間。圓筒形件9利用在其外周面上的粘結(jié)劑或諸如此類的材料，固定到外殼4的內(nèi)周面，而支承件3固定到圓筒形件9的內(nèi)周面上。因此，在該實(shí)施例的情形中，支承件3通過(guò)圓筒形件9固定到外殼4。
圖5是圓筒形件9的外形圖。通過(guò)卷繞一磁性材料9a，圓筒形件9構(gòu)造成一圓筒形，磁性材料的表面以螺旋形方式絕緣地覆蓋以便緊密接觸。作為磁性材料9a，可以首選如軛材料那樣的磁性特性極佳的材料，其中，材料的導(dǎo)磁性高、磁通密度大以及矯頑磁力低，例如，鐵或諸如此類的軟磁性材料是較佳的。
此外，如圖5所示，通過(guò)將磁性材料9a的橫截面構(gòu)造成一四邊形，圓筒形件9的外周面和內(nèi)周面可構(gòu)造成光滑面，支承件3和圓筒形件9之間，以及外殼4和圓筒形件9之間的間隙可以減小，磁效率也可得到提高。順便提一下，也可采用具有圓形橫截面的圓筒形件，這樣可有望降低成本，因?yàn)榫哂羞@種橫截面的線材在市場(chǎng)上是普遍可見(jiàn)。
當(dāng)設(shè)置圓筒形件9時(shí)，與層合軛的效能等同的效能可在與交變磁場(chǎng)的磁通正交的圓筒形件的一部分上達(dá)到，因此，可增加磁阻，渦流的產(chǎn)生可受到抑制，從而渦流損失可減小。此外，由于圓筒形件9是通過(guò)將呈條帶形的磁性材料9a卷繞成螺旋形來(lái)形成的，因此，制造和集成更為簡(jiǎn)單，較之通過(guò)層合多層磁性體來(lái)構(gòu)成圓筒形件9的情形，圓筒形件9更適于形成小尺寸結(jié)構(gòu)，并且可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)B的總體的小尺寸結(jié)構(gòu)。
第三實(shí)施例盡管根據(jù)上述的第一和第二實(shí)施例，轉(zhuǎn)子1由軸1a和永久磁體1b構(gòu)成，但為了促使步進(jìn)電機(jī)的高速響應(yīng)，最好減小轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在這種情形中，通過(guò)減小每個(gè)磁極的表面積，對(duì)多極磁化的永久磁體來(lái)說(shuō)，不易保證足夠的磁通量，反過(guò)來(lái)說(shuō)，當(dāng)通過(guò)放大永久磁體的直徑來(lái)加大每個(gè)磁極的表面積時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量極大地增加。因此，根據(jù)實(shí)施例，提供一種步進(jìn)電機(jī)，其能減小一轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并促使高速響應(yīng)。
圖6A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的一轉(zhuǎn)子10的正視圖，而圖6B是沿圖6A的Z-Z線截取的截面圖，圖6C是轉(zhuǎn)子10的分解圖。
轉(zhuǎn)子10設(shè)置有一軸11a和一沿軸線方向在2個(gè)極上磁化的永久磁體11b，軸11a穿過(guò)永久磁體11b。在永久磁體11b的周圍，具有圓弧段形截面的板形狀的多個(gè)磁極齒12b和13b交替地布置成環(huán)形，通過(guò)一體地連接在圓形板件12a上，諸磁極齒12b構(gòu)造成一元件12，且諸磁極齒13b連接在圓形板件13a而與之一體地構(gòu)造成元件13。
圓形板件12連接并固定在永久磁體11b的上端，而圓形板件13連接并固定在永久磁體11b的下端。此外，用來(lái)穿過(guò)軸11a的孔設(shè)置在對(duì)應(yīng)的圓形板件12和13的中心。
兩個(gè)元件12和13均由軟磁性材料構(gòu)成，且連接到永久磁體11b上端的端部元件12設(shè)置有N極磁性，而連接到下端的端部元件13設(shè)置有S極磁性。因此，從永久磁體11b產(chǎn)生的沿軸線方向的磁通轉(zhuǎn)換到由磁極齒12b和13b產(chǎn)生的沿徑向方向的磁通。其結(jié)果，分別連接到圓形板件12和13上的磁極齒12b和13b交替地構(gòu)成多極的轉(zhuǎn)子面，并交替地磁化成N極和S極。
因此，由于轉(zhuǎn)子10由沿軸線方向磁化為2極的永久磁體構(gòu)成，而諸元件插入永久磁體，所以，也可增加一中空部分，由此，較之上述第一和第二實(shí)施例僅使用多極磁化的永久磁體的情形，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，且更加高速響應(yīng)的性能提高。此外，通過(guò)壓制成形，元件12和13可相當(dāng)容易和高精度地形成，因此，也可制造出不是用多極磁化永久磁體的方法來(lái)提供的高分辨度(resolution)的轉(zhuǎn)子。
在該實(shí)施例的情形中，多極磁化的轉(zhuǎn)子是通過(guò)使用如永久磁體11b那樣的單極磁化的永久磁體形成，即使通過(guò)增加轉(zhuǎn)子10的外周緣以增加磁極齒12b和13b的表面積，來(lái)增加磁通，但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加的量仍很小，通過(guò)與抑制起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)一起使用該轉(zhuǎn)子，可保持高速響應(yīng)，并且便于微步進(jìn)的驅(qū)動(dòng)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)抑制起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)促成高速響應(yīng)，并且實(shí)現(xiàn)其小型化的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種步進(jìn)電機(jī)，包括一包括一永久磁體且多極磁化的轉(zhuǎn)子；布置在轉(zhuǎn)子周圍并纏繞在轉(zhuǎn)子的徑向方向的多個(gè)線圈；一用來(lái)支承多個(gè)線圈的圓筒形支承件，其包括具有柔性的絕緣膜；以及一用來(lái)包圍永久磁體、多個(gè)線圈和支承件并固定到支承件上的外殼。
2.如權(quán)利要求1所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，支承件包括一柔性板。
3.如權(quán)利要求2所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，柔性板包括一布線圖形，圖形的一端頭部分電氣地與線圈連接，以及柔性板包括一接線端部分，布線圖形的另一端頭部分聚集在該接線端部分。
4.如權(quán)利要求3所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，接線端部分突出到外殼的外面。
5.如權(quán)利要求1所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，還包括一圓筒形件，其通過(guò)卷繞呈條帶形的軟磁性材料來(lái)構(gòu)成，其表面以螺旋形方式絕緣地覆蓋。
6.如權(quán)利要求1所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)子包括沿軸線方向在一單一磁極上磁化的永久磁體；布置在永久磁體周圍并沿永久磁體的軸線方向延伸的多個(gè)磁極齒；以及分別具有永久磁體的端頭部分的一對(duì)圓形板件，其用來(lái)諸支承磁極齒，以及其中，磁極齒交替地且電氣地連接到圓形板件中的一個(gè)以及圓形板件中的另一個(gè)。
7.如權(quán)利要求1所述的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，絕緣膜的厚度落入0.1mm至0.2mm的范圍內(nèi)。
8.一種制造步進(jìn)電機(jī)的方法，包括下列諸步驟提供一條帶形的絕緣膜；將多個(gè)線圈固定到絕緣膜上；將絕緣膜卷繞成圓筒形，且使固定的多個(gè)線圈設(shè)置在絕緣膜的內(nèi)側(cè)；在卷繞步驟之后，將圓筒形絕緣膜插入一圓筒形外殼。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括設(shè)置包括一永久磁體的一轉(zhuǎn)子、以使外殼包圍永久磁體和多個(gè)線圈的步驟。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在卷繞步驟中，絕緣膜的一端固定到絕緣膜的另一端，以形成圓筒形。
全文摘要
一種步進(jìn)電機(jī)，包括一具有一永久磁體(1b)且多極磁化的轉(zhuǎn)子(1)，一布置在轉(zhuǎn)子(1)周圍并纏繞在轉(zhuǎn)子(1)的徑向方向的多個(gè)線圈(2)，一用來(lái)支承多個(gè)線圈(2)的圓筒形支承件(3)，以及一用來(lái)包圍永久磁體(1b)、多個(gè)線圈(2)和支承件(3)的外殼(4)，且外殼(4)固定到支承件(3)上，其特征在于，支承件(3)包括一具有柔性的絕緣膜。
文檔編號(hào)H02K3/47GK1471222SQ03145228
公開(kāi)日2004年1月28日 申請(qǐng)日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月24日
發(fā)明者巖賴將人, 高木正明, 明 申請(qǐng)人:日本電產(chǎn)科寶株式會(huì)社