專利名稱:獲得小步矩角、高穩(wěn)態(tài)精度及大轉(zhuǎn)矩的一種方法
本發(fā)明屬于步進(jìn)電機(jī)領(lǐng)域。
以前在隨動系統(tǒng)中使用的執(zhí)行電動機(jī)一般分成兩大類一類是普通電動機(jī)、一類是步進(jìn)電機(jī)。采用一般電機(jī)驅(qū)動可得到較大的驅(qū)動功率，其缺點(diǎn)是由于無定位，精度差，而且定位不具重復(fù)性，因此系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度不好。而采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動時(shí)情況有所改善，但是要獲得小步矩和大轉(zhuǎn)矩還是相當(dāng)困難。本發(fā)明的目的在于獲得小步矩、高精度的同時(shí)獲得較大的驅(qū)動力矩，它與數(shù)字化技術(shù)相配合就能實(shí)現(xiàn)角度隨動系統(tǒng)中的數(shù)字化角度跟蹤，使古典隨動系統(tǒng)變成一個(gè)簡單的線性環(huán)節(jié)，這將大大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。
本發(fā)明的原理如下在結(jié)構(gòu)上，將電機(jī)的轉(zhuǎn)子沿圓周方向根據(jù)需要和可能尺寸，開成若干個(gè)等矩的槽。使槽口寬度與凸齒寬度相等，均為 (α)/2 弧度。使轉(zhuǎn)子形成有一定槽深的均勻的槽口與凸齒。而在電機(jī)定子的內(nèi)圓周上同樣開出與轉(zhuǎn)子同樣寬度的凸齒，即凸齒寬亦為 (α)/2 弧度，但凸齒與凸齒間的槽口寬度不是凸齒寬度，而是凸齒寬度加上一個(gè)θ(弧度)，即槽口寬度＝ (α)/2 +θ。
這樣，如果定子的第No編號的凸齒處與轉(zhuǎn)子的凸齒(也假定稱為no)對齊的話，編號為N1的定子凸齒與轉(zhuǎn)子n1凸齒之間就相差了一個(gè)相位角θ，而第N2個(gè)定子凸齒與轉(zhuǎn)子凸齒之間相差的相位角即為2θ，……如此等等。從結(jié)構(gòu)上說在電機(jī)定子整個(gè)圓周上的凸齒數(shù)目必定比轉(zhuǎn)子的凸齒數(shù)目為少。故只有當(dāng)θ滿足下式時(shí)定子的凸齒數(shù)目才能是整數(shù)。
θ＝(α/2)/P式中，α-轉(zhuǎn)子凸齒與凸齒間的弧長。
P-為自然數(shù)。
定子凸齒的數(shù)目與P值的關(guān)系在后面再給定。
在每個(gè)定子凸齒上，都繞上一個(gè)獨(dú)立的繞組，則共有m個(gè)繞組，整個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖見附圖(1)所示。
當(dāng)然定子繞組可以是一組包含一個(gè)凸齒，也可以是若干個(gè)齒。但是此時(shí)應(yīng)滿足一組中齒與齒寬度相等并且與槽口相等，均為 (α)/2 ，但繞組之間的槽寬應(yīng)滿足 (α)/2 +θ，這樣結(jié)果是一樣的。
本方法的驅(qū)動原理如下令定子第NO繞組通電，則轉(zhuǎn)子必有一齒與之相吸而對齊。見圖(2)的a。此時(shí)如果我們把NO繞組的電源斷開，而使N1繞組通電，則由于電磁吸力的作用，轉(zhuǎn)子就要向左移動一角度(θ)，并且精確地定位于該繞組最大的磁導(dǎo)那一點(diǎn)位置上。假定轉(zhuǎn)子凸齒的幾何中心線與該凸齒弧度所確定的分度法線嚴(yán)格地重合、定子凸齒幾何中心線與該齒( (α)/2 +θ)弧度所確定的分度法線嚴(yán)格地重合、而且定子與轉(zhuǎn)子每個(gè)凸齒材料在宏觀被認(rèn)為是均勻的話，則轉(zhuǎn)子與定子就會在定子第N1凸齒處對齊幾何中心線而且靜止不動。如圖(2)b)，亦即轉(zhuǎn)子精確地轉(zhuǎn)動了θ角。
此時(shí)，編號為N2的定子凸齒與轉(zhuǎn)子凸齒之間相差就不是原來的2θ弧度，而變成θ弧度。編號為N3的定子齒與轉(zhuǎn)子齒之間的相差也變成了3θ-θ＝2θ……如此等等。同理，使N1繞組斷電，而使N2繞組通電，轉(zhuǎn)子又將精確轉(zhuǎn)動θ角。依此類推，電機(jī)就能一步步地轉(zhuǎn)動。由上述的說明可知，θ角就是該步進(jìn)電機(jī)的步矩角。
很明顯，該種結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)亦可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，只要正確地選擇通電的繞組就能實(shí)現(xiàn)。
為了保正循環(huán)一周之后轉(zhuǎn)子的凸齒能重新進(jìn)入定子起始齒的吸動范圍，并保證步矩角仍為θ，顯而易見，定子的繞組數(shù)目m應(yīng)滿足下式要求m＝2P如圖(2)，P＝3，即( (α/2)/(θ) )＝3則m＝2×P＝2×3＝6即步矩角是轉(zhuǎn)子齒寬的 1/2 時(shí)，定子繞組應(yīng)為6個(gè)，且每個(gè)繞組在空間上分布相差應(yīng)為α+θ弧度。
由圖(1)或圖(2)可知，如果第NO凸齒對齊之后，不是給編號為N1的繞組通電，而是給編號為N2的繞組通電，則步矩角就不再是θ，而是2θ;如果不是給N1或N2通電，而是給N3通電的話，則步矩角就應(yīng)為3θ。由此可知，用此種方法制造的步進(jìn)電機(jī)可有多種供選擇的步矩角為θ，2θ、3θ……(P-1)θ。只要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制線路就能實(shí)現(xiàn)。
為了滿足功率及很小步矩角的需要，有時(shí)m值及齒數(shù)要取得很大，此時(shí)可以采取分段的結(jié)構(gòu)形式加以實(shí)現(xiàn)，此時(shí)整個(gè)電機(jī)長度相應(yīng)加長。
由以上的論述可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子直徑及齒數(shù)選定之后，凸齒的分度弧度 (α)/2 是一個(gè)定值，它與步矩角θ無關(guān)。只要使得定子繞組數(shù)目滿足m＝( (α)/2 /θ)×2，且各組定子間在空間上相差為(α+θ)即可以獲得設(shè)想的步矩角θ。顯而易見，θ值可以取得很小。θ值的穩(wěn)態(tài)精度主要取決于定子及轉(zhuǎn)子凸齒的分度精度，而與它們的齒形尺寸誤差及材料不均勻性、繞組之間參數(shù)誤差相關(guān)甚少。故θ值的穩(wěn)態(tài)精度比傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)有較大的提高。同時(shí)按此法制造的電機(jī)所費(fèi)工時(shí)大為減少。
為了提高工作速度，定子與轉(zhuǎn)子都應(yīng)用軟磁材料制成。
為了防止徑向跳動，定子凸齒應(yīng)對稱地分布于圓周上，故實(shí)際上定子的繞組數(shù)應(yīng)為M＝2m＝4P
權(quán)利要求
1.一種定子與轉(zhuǎn)子有相等的凸齒寬度，轉(zhuǎn)子自身槽口寬度與凸齒寬度相等，但定子的槽口寬度比轉(zhuǎn)子的槽口寬，一個(gè)步矩角θ的步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成法其基本特征在于它不是用合成磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子步進(jìn)，而是用定子的單個(gè)繞組的電磁場吸力驅(qū)動；它的步矩角由定子與轉(zhuǎn)子的槽寬差值來決定。
2.按照權(quán)利(1)要求所述的方法，其特點(diǎn)在于步矩角必須滿足P＝( (α)/2 )/θ而P為正整數(shù)的要求。
3.按照權(quán)利(1)要求所述的方法其特點(diǎn)還在于電機(jī)定子的最少繞組個(gè)數(shù)應(yīng)滿足m＝2P、M＝4P這一關(guān)系式。
4.按照權(quán)利(3)要求所述的方法其特點(diǎn)在于定子在圓周方向并不一定布滿凸齒和槽口，但是，定子凸齒分布在圓周上是對稱的。
專利摘要
一種定子與轉(zhuǎn)子有相等的凸齒寬度，但定子槽口比轉(zhuǎn)子槽口寬一個(gè)步矩角θ的步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成法，可以很容易地實(shí)現(xiàn)小步矩角和高精度的穩(wěn)態(tài)定位，也可以實(shí)現(xiàn)較大的輸出轉(zhuǎn)矩。因而是設(shè)計(jì)小步矩角、高精度、大轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)的新原理、新方法。
文檔編號H02K37/04GK86100304SQ86100304
公開日1987年7月29日 申請日期1986年1月14日
發(fā)明者周偉明, 林德高, 陳景福, 梁永祺, 周成大, 周佑謨 申請人:周偉明導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan