节能恒转矩无级调速步进智能电机制造技术

节能恒转矩无级调速步进智能电机，它属于电动机的步进电机。本步进电动机定子有二个成正交的激磁绕组，二绕组中的直流电在指令控制下逐一改变电流方向，形成一个步距角为９０°的旋转磁场；转子由铁芯和绕组构成一对磁极，它在外磁场中产生磁场与导线及方向相同的磁场与导磁体的转矩，大大提高转矩；线槽用导磁隔片分隔成若干扇形槽，导线绕于对应槽中，故有高换能效率；转子的转向和转速分别由二绕组电流方向及改变频率控制。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电动机，尤其涉及步进电动机。直流电动机、交流电动机、步进电动机是工业生产和日常生活中广为应用的将电能转化为机械能的装置。在近百年中，上述各类电机在结构上已作过多次改进，而且根据其用途之不同，产生了品种繁多的各种电机，但基本设计思想始终没有突破上述几类电机各自的旧模式。为了说明问题，并将上述几类电动机作如下概略定性分析1、直流电动机一左手定则电机有并励电动机、串励电动机和并复励电动机，但其工作原理如图1所示，转矩产生的因素仅是通电导线与外磁场间的作用力，而通电导线对导磁体产生的磁极与外磁场间的作用力则没有被利用，从磁能角度分析，通电导线产生的磁力线只有与外磁场相平行的部分是有效的，约占磁力线总数的一半;其余磁力线不仅对转矩不产生贡献，反因电磁效应使中性线极化而造成换向困难，在齿槽口部线圈外切向磁力线还可能对转子的运动产生不利影响。另外，从调速角度看，改变电枢回路串联电阻调速，会影响电机效率，这是不经济的，也难以保证转矩的恒定;改变励磁回路的电阻调速，则有调速范围不大的缺点，也不适用于高转速工况下的调速;改变电源电压调速，具有较高的调速比，但电机最好使用专门电源，但设备较复杂，价格较高。目前，一般直流电机的效率为75%～85%。2、交流电动机-旋转磁场电动机它分为感应电动机和同步电动机二种，其中，感应电动机，其工作原理如图2所示，其工作原理是定子上的旋转磁场切割转子导线，使之产生感应电势(右手定则)，由于转子绕组是近于短路的，导线中便产生电流，导线中的电流与气隙磁场间产生按左手定则确定的作用力(转矩)，使转子旋转。但是，在电动机工作过程中，由感应电流产生的磁场没有得到充分利用;而同步电机的物理模型如图3所示，在条件是转子电流频率为零，即电流为直流电流，这二种电动机在工作过程中，转矩产生于定子旋转磁场与转子励磁绕组所生磁极间的作用力，而没有充分利用转子绕组导线与旋转磁场间的作用力，当前一般感应式电动机效率约为80～85%。3、步进电动机它是一步一步地转动的电动机，在本质上是一种反应式或永磁式的同步电动机，其中最为常用的是如图4所示的三相反应式步进电动机，在使绕组A、B、C依次通电时，形成一个旋转磁场，因为磁力线力图通过磁阻最小的途径，使转子在磁阻转矩的作用下一步一步地转动，其工作过程感应式同步电机相似，来自导磁体与外磁场间的作用力，没有将两种作用力都兼用起来。一般常用的步进电动机之效率为约80～85%，经改进的步进电动机之效率最高达95%，尽管步进电动机具有效率高、转矩大而恒定、易受控制和精度高等优点，但由于结构复杂，制造成本为常用直流电动机和感应电动机的2～4倍，非特殊需要的用户不效问津，故其多年来未能在各行业的普通设备中广泛获得应用。综上所析，上述电动机在设计上往往只利用定子磁场与载流导线的作用力，或者只利用了定子磁场与导磁材料之间的作用力，没有能把二种作用力都兼用起来，这无旋是个未能能尽其用;而且从其物理模型可见，感应电动机和步进电动机中，旋转外磁场的几个磁极是交替工作的，在材料利用上也不是太经济的。本专利技术旨在提供一种即能充分利用定子磁场与转子载流导线之间的作用力、又能充分利用定子磁场与转子导磁材料之间的作用力的、而且结构简单的“节能恒转矩无级调速步进智能电动机”的设计方案。本专利技术的基本设计思想是①将直流电动机、交流电动机和步进电动机的基本设计思想集为一个整体，即利用定子磁场与转子载流导线之间的作用力，又利用定子磁场与转子导磁材料之间的作用力，把电动机中的导线总长度都变成有效线段而且在工作中时时发挥其作用，以提高电动机转矩和材料利用率;②从提高线槽局部单位的能量转换率入手，在整体上提高定子与转子之间的磁能利用率;③定子和转子上的激磁绕组均采用变压器式电磁铁初级绕组的方式，以增加电动机的出力与安全性，提高电能量利用率，防止在空载或者在停转、定位、能耗制动时烧毁;④转子的激磁绕组采用不变向的直流电，定子的二个绕组激磁绕组则按预定指令输入直流电并用指令控制的电流输入次序控制转子的转动方向，用指令频率控制电动机的转速。与普通步进电动机相同，本电动机也分为外转子、内转子二种，且每种又均分为永磁式，激磁显极式和激磁隐极式，故将具体设计方案分述如下(一)外转子步进电动机(参见图5、图6、图7、图8)与普通步进电动机相同，本电动机也是由(外)转子、(内)定子和受控电源构成的;外转子由成固定联结的壳体(1)、二个磁极(N、S)、传动轮(2)构成，对称地固定在壳体上的二个磁极(N、S)是二个向心的圆弧形磁瓦，该磁瓦是永久性磁瓦或者是激磁磁瓦(极)，激磁磁瓦(磁极)是用定向直流电激磁的显极或者是隐极;定子由定子导磁铁芯(3)和二个导线绕组(A、B)构成，在定子导磁铁芯上开有四条平行于中心轴线的、成四重轴对称的线槽(齿槽)，构成横断面成十字形的铁芯，二个独立导线绕组(A、B)分别绕在互成对角线位置的线槽内，构成二个成正交的绕组。由于这二组绕组是成正交的，故在通入直流电后，无论各组的电流方向如何，在定子横断面上的二个电流进入导线和二个电流流出导线必均同在十字形铁芯的某一侧如上侧、右侧、下侧或左侧(亦即均在可用纵坐标或者横坐标分割的二个相邻象限中)，于是这二个独立绕组就构成了一个合成绕组，这个合成绕组使十字形铁芯中的一个分隔电流进入和流出导线的线形铁芯激磁并产生合成磁场形成NS磁极;使二绕组(A、B)中的一组电流方向发生一次改变时，合成绕组与其激磁磁极一起向同一方向旋转90;当二绕组(A、B)按指今逐一依次改变电流方向时，则转子绕中心依电流进入(或穿出)导线转动的方向、以90步距角一步一步地转动;若二绕组(A、B)中的电流方向均不变，则转子停转;又若一组电流方向不变而另一组连续改变电流方向，则转子顺逆摆动(转动)。所以，本电动机转子的转矩是方向相同的转子磁场与定子载流导线之间的转矩和转子磁场与定子激磁磁极之间的转矩之和，而且二绕组导线总长度在工作过程中时刻都是有效线段，提高了转矩和电动机的材料利用率。外转子最好由成固定联结的导磁壳体以便形成定子转子间的闭合磁路。本专利技术用导磁材料制作的隔片(4、4)将定子线槽与激磁隐极线槽分隔成为若干扇形线槽，以提高槽密度，并用几根直径较细的截面总和与粗导截面相当的导线以并绕法绕入相对应的扇形线槽中，以在提高换能效率同时提高径向磁力线的比率，使磁力线的利用率得到提高，并进一步增强转矩。其转动过程如图12所示。(二)内转子式步进电动机(参见图9、图10、图11)该步进电动机的定子为一环形筒体，筒体上设有由导线绕组(A、B)激磁的显式磁极或隐式磁极。其中，激磁显极定子的环形内壁上开有四个成四重轴对称的凹槽，在二组成对角线位置的凹槽内分别绕入激磁导线(A、B)，并使每组导线绕组(A或B)的电流进入导线与穿出导线互处对角线位置，形成二组互成正交的每组异极相对的激磁磁组;在激磁隐极定子的外径上开有四个成四重轴对称的凹槽，在二组互成对角线位置上的二个凹槽中分别绕入绕组(A、B)，每个凹槽中的电流方向均是相同的，使形成由一个二组绕组合成的异极相对的合成磁极，在绕组(A、B)中，按指令输入并改变电流方向，在上述二绕组(A、B)中的一组电流方向改变时，二绕组的合成绕组与合成磁极即同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由定子、转子按传统思想设计的受控电源构成的外转子式和内转子式步进电动机的设计方案，其特征在于：“节能恒转矩无级调速步进智能电机”的基本设计思想是：①将直流电动机、交流电动机和步进电动机的基本设计思想集为一个整体，即利用转子磁场与定子载流导线之间的作用力，又利用定子磁场与转子导磁材料之间的作用力，把电动机中的导线总长度都变成有效线段而且在工作中时时发挥其作用，以提高电动机转矩和材料利用率；②从提高线槽局部单位的能量转换率入手，在整体上提高定子与转子之间的磁能利用率；③定子和转子上的激磁绕组均采用变压器式电磁铁初级绕组的方式，以增加电动机的出力与安全性，提高电能量利用率防止在空载或者在停转、定位时烧段；④转子的激磁绕组采用不变向的直流电，定子的二个绕组激磁绕组则按预定指今输入直流电并用指令控制的电流输入次序控制转子的转动方向，用指令频率控制电动机的转速。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔永年，
申请(专利权)人：崔永年，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]