專利名稱：具有磁性增強和散熱殼體的混合步進電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電機，特別涉及一種磁輔助的混合步進電機。
背景技術：
一般地，混合步進(hybrid stepping )或混合步進器(hybrid stepper)電 機包括向外伸出的轉子，周緣間隔的轉子齒，其與向內伸出的周緣間隔的定 子齒互相配合。定子齒形成或設置在周緣間隔向內伸出的定子柱上，這樣使 得在一個柱上的定子齒可與相對的轉子齒對齊，同時鄰近柱上的齒部分地與 相應的相對轉子齒未對齊。下一個周緣間隔的柱上的定子齒與相對的轉子齒 之間的空間或縫隙對齊。轉子/定子齒對齊狀況與相應的相對極性扇形體相 反。
眾所周知，在定子齒之間或定子齒與轉子齒之間插入永久磁性材料來增 加混合步進電機的效率和扭矩。用此方式增強的混合步進電機具有改善的扭 矩密度和扭矩線性度。扭矩產生的改善量可超過未增強的混合步進電機的 15%至103%之間。峰值電流水平越高，通過增強得到的優(yōu)點越大。
傳統(tǒng)地，增強的混合步進電機和具有與齒的上表面平齊的磁鐵 一 齊制 造。雖然這提供最好的性能，但是由于用于磁鐵的稀土金屬磁性材料非常硬 而制造困難，并且必須小心地加工避免破損。此外，萬茲鐵的平齊不允許腐蝕 保護涂層施加到磁鐵上，因為涂層在加工過程中不會保存下來。加工過程典 型地要求在定子上，為了控制高性能混合步進電機中的較小的空氣縫隙。
在過去，由于未增強的混合步進電機的差的扭矩線性度特性，混合步進 電機被認為"遠離面板"，即不安裝到散熱片上。換句話說，電機產生的扭 矩與施加到電機上的電流沒有線性關系。結果，傳統(tǒng)的未增強的混合步進電 機的制造者沒有設計影響電機的散熱能力的電機。在過去，配備未增強的混 合步進電機來消散更多熱沒有顯著地改善扭轉輸出，這是由于高度的非線性 (在未增強的電機中由磁通量飽和的齒造成)。輸入更大電流來產生更大扭 矩很大程度上導致僅僅產生更多的熱。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及一種混合步進電機，其包括鋁殼體，設置在殼體內且具有許 多柱的定子。齒形成在每個定子柱上，且被槽彼此隔開。磁鐵插入槽內到達 距離定子齒上表面的預定深度。該電機還包括被設置成與定子共軸的轉子。 齒也形成在轉子上與定子齒相對。轉子齒與定子齒配合能夠使轉子相對定子
旋轉。鋁端蓋(aluminum endbell)在一側連接到殼體且被設置成在另 一側連 接到面才反。


圖1是本發(fā)明一個實施例的混合步進電機的透視圖； 圖2是圖1的混合步進電機沿圖1中所示線2-2的剖面圖； 圖3是圖1的混合步進電機沿圖2中所示線3-3的剖面圖； 圖4是設置在圖3的定子上的柱的視圖5是具有與齒表面平齊和次平齊的增強磁鐵的混合步進電機產生的扭 矩比圖；以及
圖6是由增強和未增強的電機構造的混合步進電機在各種電流下產生的 扭矩圖。
具體實施例方式
寬泛地講，本發(fā)明涉及一種混合步進電機，其包括設置在定子和/或轉子 的齒之間的間隙內的永久磁體，用于增強電機的扭矩線性度和扭矩輸出。磁 鐵從齒表面被向后設置或者以離開齒表面一預定距離次平齊，從而可實現合 理的性能增益，同時得到不是必須加工由非常硬的稀土磁性材料組成的磁體 的制造優(yōu)點。因為磁鐵從齒表面被向后設置，腐蝕保護涂層能施加到磁鐵的 表面。所述混合步進電機還設置在鋁殼體內，用于改善熱轉移以利用該增強 提供的扭矩線性度的較大改善。
現在轉到圖1-3,根據本發(fā)明的一個實施例的混合步進電機10包括轉子 12，其被設置在定子14內且在其中旋轉。轉子12和定子14設置在殼體16 內。殼體16的前端連接到前端蓋(front endbell) 18的一端，前端蓋18的 相對端安裝到面板20。軸22連接到轉子12以隨其旋轉，且穿過殼體16和面板20而伸出。殼體16的另一端連接到后端蓋(rearendbell) 24。軸承26 安裝轉子12和軸22使其在殼體16內可旋轉。
如圖2所示，轉子12包括可被磁化而呈現北極^t化的前轉子扇形體28 和呈現南極磁化的后轉子扇形體30。磁鐵29設置在前后轉子扇形體28、 30 之間。如圖3所示，前轉子扇形體28具有50個圓周間隔的齒32,在轉子扇 形體28的整個圓周上其徑向向外突出且被隔開。齒32沿轉子的軸向方向縱 向延伸。顯示的齒32的數目僅是例子，且可使用具有不同齒數的柱。轉子 齒32的數目由要達到的步進角度決定(例如，50個齒x2相x2相=每轉200 步)。在示出的例子中，角或圓周齒距，即在鄰近的轉子齒32上的相似點之 間的角距離為7.2度。這使得在2相位電機的情況下完整步進角為1.8度。
后轉子扇形體30與前轉子扇形體28—樣并且承載向外導引的圓周隔開 的徑向齒34。然而，扇形體30安裝到軸22上使得轉子齒34角偏移一個半 齒距，因此軸向看它們出現在齒32之間。其被最精確地顯示在圖3中轉子 的左手部分。
如圖3所示，八個按角度設置的柱36、 38、 40、 42、 44、 46、 48和50, 從公共外切定子部52向內突出以形成定子14。柱36-50沿定子14的整個軸 向尺度縱向延伸超出轉子10。五個定子柱齒或定子齒54形成每個柱36-50 的內徑向端。定子柱齒54沿假想的圓柱形表面與轉子12共軸形成，且與轉 子齒32和34稍微隔開。在顯示的實施例中，定子柱齒54以7.2度間隔。因 此，定子柱齒54具有與轉子齒32和34—樣的齒距。應當理解雖然在本實 施例中轉子齒齒距和定子齒齒距是一樣的，但是它們可以是不同的，這由本 領域技術人員的設計選"f奪而決定。
柱36-50以及它們各自的齒54被按角度設置，因此在兩相對柱例如36 和44上的齒54能直接與在一個柱底上的轉子齒32相對，同時與之成90度 的柱40和48上的齒54與在相同柱底上的轉子齒32完全沒有對齊。在余下 的45度角度方向上的柱38、 42、 46和50上的齒32被按角度設置，使得它 們在同樣位置與同樣柱底上的轉子齒32的角度排列成異相90電角度 (electrical degree )或270電角度。
定子柱齒54平行于轉子軸從轉子12的一端到另一端縱向延伸。因此， 當柱48和40上的齒54與前扇形體28的齒32成180度電角度而不對齊時， 它們與后扇形體30上的齒34完全對齊。同時，柱36和44上的齒54與后
扇形體30上的齒34完全不對齊。定子線圈56用來按導致轉子旋轉的次序 磁化柱36-50。
現在轉到圖4,每個定子柱齒54被具有普通的矩形底的槽58彼此隔開。 槽58用永久磁鐵62向上填充到距離齒54的表面60預定深度。換句話說， 磁鐵62沒有與表面60平齊而是次平齊。優(yōu)選的是，次平齊應距齒54的表 面60大概0.001到0.020"(圖4中的尺寸被夸大)。磁鐵62近似的是轉子 扇形體28、 30的縱向長度且為矩形橫截面，因此在定子內徑被加工到其最 終尺寸之后，它們可滑動進入槽58內。磁鐵62通過磁鐵產生的磁力和使用 在磁鐵和槽58之間的膠而保持到位。優(yōu)選的是磁鐵62由稀土磁性材料例如 釤鈷或釹鐵硼制成。
參考圖5,顯示了使用具有26MGOe能量乘積(即B( Gauss )xH( Oersted) 的乘積)的平齊磁鐵的電機和具有在0.004'，次平齊的磁鐵62的同一電機的 保持轉矩比。在1 ics (持續(xù)電流)處，具有平齊磁鐵的電機比沒有增強的同 一電機(具有扭矩比1.00 )多提供65%的扭矩。通過引入0.004"次平齊狀態(tài)， 與沒有增強的同一電機相比改善了 48%。雖然次平齊的引入與具有與齒的表 面平齊的磁鐵相比的確導致了較低的扭矩改善，但是這被制造的簡易性所#卜 償，即磁鐵62不是必須被加工成與齒的表面60平齊。
返回參考圖l,混合步進電機10的殼體16和前后端蓋18、24由鋁制成。 鋁殼體16和后端蓋24將產生在電機10內的熱傳導到前端蓋18內，其然后 將熱傳導到也是由鋁制成的面板18。在優(yōu)選的實施例中，前端蓋18、殼體 16和后端蓋24纟皮分隔成部分。然而，殼體16與前端蓋18或后端蓋24可形 成為單獨的完整部分。對于殼體16、前端蓋18和后端蓋24以此方式使用鋁 導致標定性能上重大改善。傳統(tǒng)上，這對于混合步進電機是沒有完成的，這 是由于已知的未增強的混合步進電機所展現的非常差的扭矩線性度超過 "ATcont。
圖6用扭矩隨電流變化的曲線圖說明了具有和不具有鋁殼體16的增強 的次平齊混合步進電機和未增強的混合步進電機之間的比較。電流水平由線 圈的允許上升溫度和環(huán)境溫度決定。在1點(1.19A)顯示的電流水平下， 未增強電機和增強電機的保持扭矩，在沒有鋁殼體16和面板18情況下分別 顯示為186 oz^n和235 oz*in?？勺⒁獾綄τ谠鰪婋姍C來說，保持扭矩的線 性度得到很多改善。
如果增加鋁殼體16并且混合步進電機10設置在面板18上，導致的持 續(xù)電流性能從點1移動到點2 ( 1.77A)。這使得未增強的和增強的電機的保 持扭矩比分別變?yōu)?25 oz*in和310 oz*in。換句話說，如果把點186 oz*in作 為基線，增強混合步進電機導致235 oz^n或26。/。的改善。然而，在混合步 進電機上設置鋁殼體16并且將其安裝到面板18上，增強導致310 oz^n或 超過基線67%的改善。在未增強的電機上設置鋁殼體16到面板18上，僅僅 導致225 oz*in或超過基線21%的改善。
次平齊增強混合步進電機10的另一好處是允許實現峰值扭矩。對于步 進運動的使用者通常遇到的速度變化圖的加速和減速部分，通常使用峰值扭 矩。如果考慮合理的峰值電流1.5fics甚至2+ics被使用來加速，圖6說明了 這種情況。1.5X電流水平作為點3顯示在圖6中。應注意到未增強電機僅產 生超過鋁殼體承裝的點2處的電流水平的少量扭矩，超過基線的實際量是 250 oz*in(超過基線34% ),然而增強電機可產生370 oz*in(超過基線99% )。 進一步實行此方案，增強電機將在2.65A之外能夠繼續(xù)產生附加的可使用的 扭矩，然而未增強電機不能。
應理解在本優(yōu)先實施例中，混合步進電機中使用的磁鐵29是稀土磁鐵， 從而利用峰值扭矩性能以及避免退磁。然而，使用其它材料例如鋁鎳鈷合金 也是預期的。
雖然本發(fā)明的各種實施例已被顯示和描述，應理解其它修改、取代以及 替換對于本領域技術人員是顯然的。這些修改、取代以及替換可得到而沒有 脫離本發(fā)明的精神和范圍，其應根據附加的權利要求來確定。
本發(fā)明的各種特性在附加的權利要求中被提出。
權利要求
1.一種混合步進電機，包括具有多個柱的定子；多個定子齒，形成在每個所述柱上且被槽彼此隔開；磁鐵，從所述定子齒的上表面固定地插入至少一個所述槽內到預定的次平齊深度；轉子，其與所述定子共軸且具有多個與所述定子齒相對的轉子齒，所述轉子齒與所述定子齒配合能夠使所述轉子相對所述定子旋轉。
2. 如權利要求l所述的電機，其中所述槽具有大體上矩形形狀。
3. 如權利要求1所述的電機，其中所述磁鐵從所述定子齒的上表面被 次平齊從0.001"到0.020'，的深度。
4. 如權利要求l所述的電機，其中所述磁鐵由稀土磁性材料制成。
5. 如權利要求4所述的電機，其中所述磁鐵由釤鈷或釹鐵硼制成。
6. 如權利要求l所述的電機，進一步包括 鋁殼體，所述定子設置在其內；以及端蓋，其在一側連接到所述殼體，且被設置成在另一側連接到面板。
7. 如權利要求6所述的電機，其中所述端蓋由鋁制成。
8. —種混合步進電機，包括 鋁殼體；定子，設置在所述殼體內且具有多個柱； 多個定子齒，形成在每個所述柱上且被槽彼此隔開； 磁鐵，固定地插入到至少一個所述槽內；轉子，與所述定子共軸且具有多個轉子齒與所述定子齒相對，所述轉子 齒與所述定子齒配合能夠使所述轉子相對所述定子旋轉；端蓋，其在一側連接到所述殼體，且其被設置成在另一側連接到面板。
9. 如權利要求8所述的電機，其中所述磁鐵被設置到離所述定子齒的 上表面預定的次平齊深度。
10. 如權利要求9所述的電機，其中所述磁鐵被次平齊到離所述定子齒的上表面從o.oor，到0.020'，的深度。
11. 如權利要求9所述的電機，其中所述磁鐵由稀土磁性材料制成。
12. 如權利要求11所述的電機，其中所述磁鐵由衫鈷或釹鐵硼制成。
13. 如權利要求8所述的電機，其中所述端蓋和所述面板由鋁制成。
14. 如權利要求8所述的電機，其中所述端蓋和所述殼體形成單獨的整 體部分。
15. —種混合步進電機，包括 鋁殼體；定子，設置在所述殼體內且具有多個柱； 多個定子齒，形成在每個所述柱上且被槽彼此隔開； 磁鐵，固定地插入至少一個所述槽內到距離所述定子齒的上表面預定的 次平齊深度；轉子，與所述定子共軸且具有多個與所述定子齒相對的轉子齒，所述轉 子齒與所述定子齒配合能夠使所述轉子相對所述定子旋轉；端蓋，其在一側連接到所述殼體，且其被設置成在另一側連接到面板。
16. 如權利要求15所述的電機，其中所述磁鐵被次平齊到距離所述定子齒的上表面從o.oor，到0.020'，的深度。
17. 如權利要求15所述的電機，其中所述磁鐵由稀土磁性材料制成。
18. 如權利要求17所述的電機，其中所述磁鐵由釤鈷或釹鐵硼制成。
19. 如權利要求15所述的電機，其中所述端蓋和所述面板由鋁制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有磁性增強和散熱殼體的混合步進電機，其包括具有多個柱的定子。齒形成在定子柱上，且被槽彼此隔開。磁鐵插入槽內到距離定子齒的上表面預定深度。該電機還包括被設置成與定子共軸的轉子。齒也形成在轉子上與定子齒相對。轉子齒與定子齒配合能夠使轉子相對定子旋轉。
文檔編號H02K37/00GK101197523SQ200710143790
公開日2008年6月11日 申請日期2007年8月6日 優(yōu)先權日2006年8月7日
發(fā)明者布拉德利·A·特拉戈, 格雷戈里·A·里特邁耶, 胡秋玉, 莫德·F·B·達明, 謝永志 申請人:波特斯凱普新加坡有限公司