CN103066790A - 一种直流步进电机 - Google Patents

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陈敏祥
阮国贤
王宗培
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Abstract

本发明提供一种直流步进电机，其包括定子磁***、绕于定子磁极的电枢绕组、套装于定子中腔的转子、与电枢绕组及直流电源电性连接的电子换向器、以及与电子换向器电性连接的电子换向控制器；所述定子包括由硅钢片叠压而成的铁芯，以及填满定子磁极上所有小槽的永磁体小条；所述转子由硅钢片迭压且相间套夹永磁体环片构成，所述转子的外圆周上均布有多个转齿。本发明直流步进电机与现有交流步进电机的电枢绕组电路的E0有区别，牵出特性有区别，加之本发明采用增强的定子和转子磁***，节省了有效电磁材料，减少了电枢绕组电路的等效电阻，使牵出特性的临界转速提高；使得本发明直流步进电机运行转速高、输出功率大以及动态响应快。

Description

一种直流步进电机
技术领域
本发明涉及一种同步电动机，尤其是一种直流步进电机。
背景技术
步进电机属于同步电动机，是最早适应计算机控制的运控电机，交流步进电机以其转矩刚度大、定位稳定可靠、易于控制动态轨迹跟踪精度及经济、简单、方便的优势，早期便在计算机外设和办公自动化设备中广泛应用，并迅速推广到包括数控机床等很多工业设备及装置中。但在要求运行转速高、输出功率大以及动态响应快的场合，被逐步发展完善的无刷直流电机和数字化交流伺服电机所取代。因此，急需解决交流步进电机的种种不足，实施一种既保持步进电机现有的优势又能实现运行转速高、输出功率大以及动态响应快的步进电机。
发明内容
为解决现有交流步进电机的缺陷与不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种在已有步进电机基础上又运行转速高、输出功率大以及动态响应快的直流步进电机。
为了解决现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案是：一种直流步进电机，其包括定子、绕于所述定子磁极的电枢绕组、套装于所述定子中腔的转子、与所述电枢绕组及直流电源电性连接的电子换向器、以及与所述电子换向器电性连接的电子换向控制器；所述定子由硅钢片迭加而成，其定子磁极沿定子内圆周均匀分布；所述转子由硅钢片迭加且相间套夹永磁体环片构成，所述转子的外圆周上均布有多个转齿。
作为本发明直流步进电机技术方案的改进，所述转子包括至少一个单元，所述单元包含沿圆周相互错开半个转齿距的两段硅钢片以及夹在所述两段硅钢片之间且轴向充磁的永磁体环片，在所述永磁体环片的作用下，所述单元其中一段硅钢片的所有转齿呈N极，另一段硅钢片的所有转齿呈S极，从圆周看，S极与N极相互交错排列，相邻的一个S极与一个N极形成一对极，以此构成与转齿数量相同对极的转子磁场。
作为本发明直流步进电机技术方案的改进，所述定子磁极为10个，所述每个磁极的的极靴上相间设有3个极齿，所述3个极齿间嵌有径向充磁的永磁体条，所述永磁体条的极性与相对位置处转子的转齿的极性一致。
作为本发明直流步进电机技术方案的进一步改进，相距180°空间角的转子磁场位置相同的两个电枢绕组可以串联或并联形成一组换向单元，10个电枢绕组形成五组换向单元，所述五组换向单元在所述转子磁场中相互错开72°电角度且依次首尾相连形成封闭五边形连接的电枢绕组，且在首尾相连处引出5个电枢绕组端。
作为本发明直流步进电机技术方案的进一步改进，所述电子换向器包括5个半桥电路，每个所述半桥电路包括一个上桥功率开关管和一个下桥功率开关管，其上桥功率开关管的输出端与下桥功率开关管的输入端连接，构成桥臂中点，其上桥功率开关管的输入端与直流电源正极连接，下桥功率开关管的输出端与直流电源的负极连接；5个电枢绕组端分别电性连接于5个半桥电路的桥臂中点。
作为本发明直流步进电机技术方案的进一步改进，所述电子换向控制器为可编程逻辑控制器，向电子换向控制器输入脉冲和方向信号，则电子换向控制器输出电子换向器中5个半桥电路所有上功率开关管与下功率开关管按照设定顺序和规律的导通或关断信号。
相对于现有技术，本发明一种直流步进电机的优点在于：1.与现有交流步进电机电枢绕组电磁场的E0有区别，在交流步进电机中E0与转子转速成正比，与负载大小无关；而本发明直流步进电机的E0则与负载有关，理论上讲零负载情况下，电机的功角为零，E0也趋于零，由此电机的理想空载转速为无限大；2.与现有交流步进电机的牵出特性有区别，本发明直流步进电机在牵出转矩值在超过临界转速后，不是向有限值的空载转速趋近而是向无限值的理论空载转速趋近，使得电机在转速大于临界转速的范围内还能保持恒功率输出，扩展了电机运行的转速范围；加之本发明采用增强的定子和转子磁***，节省了有效电磁材料，减少了电枢绕组电路的等效电阻，使牵出特性的临界转速提高；使得本发明直流步进电机运行转速高、输出功率大以及动态响应快。
附图说明
图1为本发明直流步进电机的结构示意图；
图2为转子结构示意图；
图3为转子硅钢片示意图；
图4为定子磁状态示意图；
图5为电枢绕组换向单元构成及连接示意图；
图6为电枢绕组内部连线示意图；
图7为电子换向器电路及二极等效模型；
图8为本发明直流步进电机的电路模型；
图9为本发明牵出特性示意图。
具体实施方式
现结合附图说明本发明一种直流步进电机的具体实施方式。
请参阅图1所示，本发明一种直流步进电机包括定子4，套装与定子4中腔的转子3，定子4的两端卡装于前端盖2和后端盖6之间，转子3通过前轴承1和后轴承5与前端盖2和后端盖6可转动连接，且转子3前端部伸出于前端盖2，电子换向器7与定子磁极的电枢绕组电性连接，电子换向控制器8与电子换向器7电性连接。
图2和图3是本发明转子结构及磁***示意图，在图2中，本发明的转子包括第1单元、第2单元以及第3单元共三个单元，每个单元包含沿圆周相互错开半个转齿距的两段转子硅钢片31以及夹在两段转子硅钢片之间且轴向充磁的永磁体环片32，转子硅钢片段是由图3的多个转子硅钢片迭加而成，所述转子硅钢片冲切形成，在转子硅钢片的外圆周上均布有36个转齿；在永磁体环片32的作用下，每个单元两段转子硅钢片的其中一段硅钢片的36个转齿呈N极，另一段硅钢片的36个转齿呈S极，从轴向圆周看，S极与N极相互交错排列，相邻的一个S极与一个N极形成一对极，以此构成36对极的转子磁场。
在图4中，本发明定子由定子硅钢片迭加而成，定子的磁极为10个，每个磁极的的极靴上相间设有3个极齿，且3个极齿间的2个凹槽中嵌有径向充磁的永磁体条，同一圆周的定子内表面的永磁体条极性一致，即都是N极性或都是S极性，而永磁体条的极性取决于相对位置处转子硅钢片段的转齿的极性，如果硅钢片段的转齿为N极，则在定子内部表面（即相对转子侧）的相应位置处的永磁体条的同样为N极性，即永磁体条的极性与相对位置处转子的转齿的极性相同。
图5和图6为电枢绕组的构成和连线示意图，在图5中，定子10个磁极上的电枢线圈形成五组换向单元，电枢线圈1与相距180°空间角(圆周上相对位置)的另一个电枢线圈1′在36对极的转子磁场中具有相同的磁场位置，转子旋转时产生同相位的电动势（EMS），可以串联或并联形成一组换向单元，图中示例给出的是两个电枢绕组串联接法，获得1-1′的1号换向单元，同理可以得到3-3′的3号换向单元、5-5′的5号换向单元、2-2′的2号换向单元和4-4′的4号换向单元，即10个电枢线圈形成五组换向单元，五组换向单元在转子磁场中相互错开72°电角度且依次首尾相连形成封闭五边形连接的电枢绕组，且在首尾相连处引出1、3、5、2和4共5个电枢绕组端(见图6所示)。
五组换向单元相互错开72°电角度，各处在不同转子磁极下。实际上如果把5个换向单元集中到一对转子磁极下，只要保持它们与转子磁极的相对位置不变，则它们的电磁感应即产生电磁转矩及旋转感应电势（EMF）的情况不变，由此可得到本发明直流步进电机的二极等效模型，如图7所示。
图7为电子换向器电路图，在图7中，电子换向器包括5个半桥电路，每个所述半桥电路包括一个上桥功率开关管和一个下桥功率开关管，其上桥功率开关管的输出端与下桥功率开关管的输入端连接，构成桥臂中点，其所有上桥功率开关管的输入端与直流电源正极链接，所有下桥功率开关管的输出端与直流电源的负极连接；5个电枢绕组端分别电性连接于5个半桥电路的桥臂中点。每个半桥电路的上桥功率开关管和下桥功率开关管与其连接的电枢绕组端标号一致，如图中标号为1的上桥功率开关管和
Figure BDA00002797531900041
的下桥功率开关管对应1号电枢绕组端，同理3和、5和
Figure BDA00002797531900043
、2和
Figure BDA00002797531900044
及4和
Figure BDA00002797531900045
分别对应3、5、2和4电枢绕组端。
本发明所述的电子换向控制器为可编程逻辑控制器，例如可以是GAL或DSP，向电子换向控制器输入脉冲CP和方向CW/CCW信号，则电子换向控制器输出电子换向器中5个半桥电路所有上功率开关管与下功率开关管按照设定顺序和规律的导通或关断的10路控制信号，分别为1、3、5、2、4、
Figure BDA00002797531900051
、
Figure BDA00002797531900052
、
Figure BDA00002797531900053
、
Figure BDA00002797531900054
和，导通信号按一定的逻辑随输入脉冲信号不断循环变化，导通信号变化的循环逻辑有两种，一种是整步方式：
Figure BDA00002797531900056
，一个循环共10种通电状态；另一种是半步方式：
Figure BDA00002797531900058
，一个循环共20种通电状态。整步通电循环方式的每种通电状态都是让电枢绕组分成两条支路，从二极等效模型上看，一个极距范围内为一条支路，另一个极距范围则为另一条支路，电流方向相反，电枢磁势FS的轴线指向电枢表面电流改变方向的交界处。图7中表示的是从
Figure BDA00002797531900059
状态向
Figure BDA000027975319000510
转换的瞬间，此时导体1的电流为零，导体3和5的电流方向为⊙，导体2和4的电流方向为
Figure BDA000027975319000511
，电枢磁势的空间位置如FS所示，经过一种状态变换时间，即达到从
Figure BDA000027975319000512
状态向
Figure BDA000027975319000513
转换的瞬间，此时导体2的电流为零，导体4和1的电流方向为
Figure BDA000027975319000514
，导体3和5的电流方向为⊙，电枢磁势的空间位置移到从转子圆心指向导体2的方向，即转过36°电角度。经过10个状态转换时间，即一个整步通电循环，电枢磁势在空间转过一对极距，也带动永磁转子转过一对极距，360°电角度对应10°机械角度。可见每外加一个控制脉冲，电子换向器按整步方式改变一次通电状态时，直流电枢绕组磁势在空间旋转36°电角度，带动永磁转子转过36°电角度或1°机械角度，这就是整步运行的步距角。如果按半步方式改变通电状态时，作用原理也一样，只不过步距角改变为18°电角度或0.5°机械角度。
本发明直流步进电机的电路模型如图8所示，从图7的二极等效模型转换获得。与现有交流步进电机稳态模型相比较，最大的区别在于电枢绕组EMF的值E0，在交流步进电机中E0与转子转速成正比，与负载大小无关；而本发明直流步进电机的E0则与负载有关，理论上讲零负载情况下，电机的功角为零，E0也趋于零，由此电机的理想空载转速为无限大。而且从图9的牵出特性图看出，与现有交流步进电机的牵出特性有区别，本发明直流步进电机在牵出转矩值在超过临界转速nk后，不是向有限值的空载转速n0趋近而是向无限值的理论空载转速n∞趋近，使得电机在转速n＞nk的范围内还能保持恒功率输出，扩展了电机运行的转速范围。加之本发明采用增强的定子和转子磁***，节省了有效电磁材料，减少了电枢绕组电路的等效电阻，使牵出特性的临界转速nk提高；使得本发明直流步进电机运行转速高、输出功率大以及动态响应快。
以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种直流步进电机，其特征在于：包括定子、绕于所述定子磁极的电枢绕组、套装于所述定子中腔的转子、与所述电枢绕组及直流电源电性连接的电子换向器、以及与所述电子换向器电性连接的电子换向控制器；所述定子由硅钢片迭加而成，其定子磁极沿定子内圆周均匀分布；所述转子由硅钢片迭加且相间套夹永磁体环片构成，所述转子的外圆周上均布有多个转齿。
2.根据权利要求1所述的直流步进电机，其特征在于：所述转子包括至少一个单元，所述单元包含沿圆周相互错开半个转齿距的两段硅钢片以及夹在所述两段硅钢片之间且轴向充磁的永磁体环片，在所述永磁体环片的作用下，所述单元其中一段硅钢片的所有转齿呈N极，另一段硅钢片的所有转齿呈S极，从圆周看，S极与N极相互交错排列，相邻的一个S极与一个N极形成一对极，以此构成与转齿数量相同对极的转子磁场。
3.根据权利要求1或2所述的直流步进电机，其特征在于：所述定子磁极为10个，所述每个磁极的的极靴上相间设有3个极齿，所述3个极齿间嵌有径向充磁的永磁体条，所述永磁体条的极性与相对位置处转子的转齿的极性一致。
4.根据权利要求3所述的直流步进电机，其特征在于：相距180°空间角的转子磁场位置相同的两个电枢绕组可以串联或并联形成一组换向单元，10个电枢绕组形成五组换向单元，所述五组换向单元在所述转子磁场中相互错开72°电角度且依次首尾相连形成封闭五边形连接的电枢绕组，且在首尾相连处引出5个电枢绕组端。
5.根据权利要求4所述的直流步进电机，其特征在于：所述电子换向器包括5个半桥电路，每个所述半桥电路包括一个上桥功率开关管和一个下桥功率开关管，其上桥功率开关管的输出端与下桥功率开关管的输入端连接，构成桥臂中点，其上桥功率开关管的输入端与直流电源的正极连接，下桥功率开关管的输出端与直流电源的负极连接；5个电枢绕组端分别电性连接于5个半桥电路的桥臂中点。
6.根据权利要求5所述的直流步进电机，其特征在于：所述电子换向控制器为可编程逻辑控制器，向电子换向控制器输入脉冲和方向信号，则电子换向控制器输出电子换向器中5个半桥电路所有上功率开关管与下功率开关管按照设定顺序和规律的导通或关断信号。
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