CN1211847A

CN1211847A - 电动机

Info

Publication number: CN1211847A
Application number: CN98115690A
Authority: CN
Inventors: 前川浩章; 青岛力
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 1999-03-24
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: KR100313690B1; KR19990013623A; CN100472918C; EP0891032A3; CN1516327A; EP0891032A2; EP0891032B1; TW472429B; CN1147044C; DE69841192D1; US6081053A

Abstract

一种增大输出的电动机,其是通过形成一个包括永久磁铁的转子,该永久磁铁周向划分成相等部分并磁化为不同磁极;沿转子轴向定位第一线圈、转子和第二线圈;提供由第一线圈磁化的一个第一外磁极和一个第一内磁极;还提供由第二线圈磁化的一个第二外磁极和一个第二内磁极;及以相互移动一个预定相位角的轴向相对关系,定位第一外磁极和第二外磁极;或者以锥形形成第一和第二外磁极的端部,由此减小漏磁通来提供。

Description

电动机

本发明涉及一种电动机，该电动机通过在相对着的第一与第二外部磁极的相互接近部分中形成一个大磁阻的间隙，能够减小漏磁通，由此增大输出。

在常规的小型电动机中，有一种已知的小型圆柱形步进电动机，如图24所示。在这种电动机中，一个定子线圈105同心地缠绕在一个线圈架101上，线圈架101轴向叠置并且由两个定子轭106固定。定子轭106分别装有沿线圈架101的内边缘交错的定子齿106a、106b，同时与定子齿106a或106b一体的定子轭106固定到一个壳体103上，以构成一个定子102。

一个法兰115和一个轴承108固定到两个壳体103的一个上，而另一个轴承108固定到另外的壳体103上。一个转子109包括固定到一个转子轴110上的一个转子磁铁111，并且转子磁铁111和定子102的定子轭106限定径向间隙。转子轴110可转动地支撑在两个轴承108之间。

一种采用这种小型步进电动机来驱动照相机透镜的构造，例如在日本专利公开申请No.3-180823中是已知的。在这样的构造中，一个弧形步进电动机绕一个摄像透镜提供，并且一个阴螺纹由步进电动机的输出轴驱动，以平行于光轴移动一个固定到支撑透镜的透镜保持架上的阳螺纹。

然而，上述常规小型步进电动机伴随处部尺寸大的缺点，因为壳体103、线圈架101、定子线圈105、定子轭106等同心地提供在转子外侧。

而且，如图25中所示，通过定子线圈105的励磁产生的磁通通过定子齿106a的一个端表面106a1和定子齿106b的一个端表面106b1，并且没有高效地作用在转子磁铁111上，从而不能提高电动机输出。

本申请人已经提出了一种电动机，能够解决美国专利申请No.08/831,863(欧洲专利申请No.97105567.8)中这样的缺点。

在提出的电动机中，一个圆柱形转子包括一个圆周划分成相等部分并被交替磁化的永久磁铁、和一个第一线圈，转子和一个第二线圈依次提供在转子的轴向。由第一线圈磁化的一个第一外部磁极和一个第一内部磁极分别相对着转子的外部和内部边缘，而由第二线圈磁化的一个第二外部磁极和一个第二内部磁极分别相对着转子的外部和内部边缘，并且一个旋转转子轴连接到圆柱形永久磁铁上。

上述构造的电动机表现出高输出和减小的外部尺寸，但齿形磁极因为内部磁极的受限直径难以生产。而且希望得到一种没有来自小直径电动机的振动的稳定输出。

为此，本申请人最近在美国专利申请No.08/994,994(欧洲专利申请No.97122508.1)中，已经提出了一种带有一种容易制造形状的内部磁极的电动机，并且在美国专利申请No.09/022,474中提出了一种转子，该转子使齿轮或皮带轮之类的输出传递装置容易安装在小直径转动轴上，由此提供没有振动的稳定输出。

还希望根据第一和第二定子的关系通过减小漏磁通得到一种增大输出的高性能电动机。

考虑到以上描述，本发明的一个目的在于，提供一种通过减小在第一外部磁极和第二外部磁极端部处的漏磁通，能够增大输出的超小型高性能电动机。

本发明的另一个目的在于，通过相互移动第一外部磁极和第二外部磁极一个预定相位角，提供一种通过减小漏磁通能够增大输出的电动机。

本发明的又一个目的于，通过把第一和第二外部磁极的端部形成锥形，提供一种通过减小漏磁通能够增大输出的电动机。

由实施例的如下描述，将完全明白本发明的其他目的。

图1是构成本发明第一实施例的电动机的分解立体图；

图2是图1所示电动机在其组装状态的剖视图；

图3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G和3H表示图1所示电动机的转子的转动操作；

图4是图1所示电动机的转子的放大图；

图5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G和5H表示构成本发明第二实施例的电动机的转子的转动操作；

图6是构成本发明第三实施例的电动机的分解立体图；

图7是图6所示电动机在其组装状态的剖视图；

图8A、8B、8C、8D、8E、8F、8G和8H表示图7所示电动机的转子的转动操作；

图9是构成本发明第四实施例的电动机的分解立体图；

图10是图9所示电动机在其组装状态的剖视图；

图11是图7所示电动机的剖视图，表示与图10所示电动机的剖面的比较；

图12是图10所示电动机的转子的放大图；

图13A和13B表示在图10所示电动机中，转子的第一和第二磁化层与第一和第二磁轭之间关系的第一状态；

图14A和14B表示在图10所示电动机中，转子的第一和第二磁化层与第一和第二磁轭之间关系的第二状态；

图15A和15B表示在图10所示电动机中，转子的第一和第二磁化层与第一和第二磁轭之间关系的第三状态；

图16A和16B表示在图10所示电动机中，转子的第一和第二磁化层与第一和第二磁轭之间关系的第四状态；

图17是构成本发明第五实施例的电动机的分解立体图；

图18是图17所示电动机在其组装状态的剖视图；

图19A、19B、19C、19D、19E、19F、19G和19H表示图17所示电动机的转子的转动操作；

图20表示图1所示电动机的定子和转子；

图21A、21B、21C、21D、21E、21F、21G和21H表示构成本发明第六实施例的电动机的转子的转动操作；

图22是构成本发明第七实施例的电动机的分解立体图；

图23是构成本发明第八实施例的电动机的分解立体图；

图24是剖视图，表示一种常规步进电动机；及

图25表示图24所示常规步进电动机的磁通。动机的组装状态下一些具体元件的布置。

参照图1至4，构成转子的一个空心圆柱形永久磁铁1装有一个第一磁化层和一个轴向相邻的第二磁化层，第一磁化层由通过把外部圆周周向划分成n部分(本实施例中为4部分)并且把这些部分交替地磁化成S和N极而形成的磁化部分1a、1b、1c、1d组成，第二磁化层由通过把外部圆周周向划分成n部分(本实施例中为4部分)并且把这些部分交替地磁化成S和N极而形成的磁化部分1e、1f、1g、1h组成。第一磁化层和第二磁化层彼此移动相位180°/n，或者本实施例中的45°。

在第一磁化层中，磁化部分1a和1c磁化为S极，而磁化部分1b和1d磁化为N极。在第二磁化层中，磁化部分1e和1g磁化为S极，而磁化部分1f和1h磁化为N极。

构成转子轴的一根转动轴2固定到永久磁铁1上，转动轴2和永久磁铁1构成转子。圆柱形线圈3、4提供在与永久磁铁1同心且轴向叠置永久磁铁1的位置中，并且具有基本上等于永久磁铁1的外径。

软磁材料的第一和第二定子18、19的每一个由一个外管和一个内管组成，并且最好通过金属注射模压(MIM)形成。在第一定子18的外管与内管之间，提供一个励磁时磁化第一定子18的线圈3。第一定子18的外管和内管在其端部构成彼此移动360°/(n/2)=180°以便呈现同一相位的外磁极18a、18b和内磁极18c、18d。外磁极18a相对着内磁极18c，而外磁极18b相对着内磁极18d。第一定子18的外磁极18a、18b和内磁极18c、18d如此定位，以便分别相对着永久磁铁1一端的外部和内部圆周。在第一定子18的一个孔18e中，可旋转地装配转动轴2的一端。

在第二定子19的外管与内管之间，提供一个励磁时磁化第二定子19的线圈4。第二定子19的外管和内管在其端部构成彼此移动360°/(n/2)=180°以便呈现同一相位的外磁极19a、19b和内磁极19c、19d。外磁极19a相对着内磁极19c，而外磁极19b相对着内磁极19d。第二定子19的外磁极19a、19b和内磁极19c、19d如此定位，以便分别相对着永久磁铁1另一端的外部和内部圆周。在第二定子19的一个孔19e中，可旋转地装配转动轴2的另一端。

一种非磁性材料的一个圆柱形连接环10在内部圆周的一端设有凹槽10a、10b，而在另一端设有从凹槽10a、10b移动相位360°/n(在本实施例中为90°)的凹槽10c、10d。第一定子18的外磁极18a、18b装在凹槽10a、10b中，而第二定子19的外磁极19a、19b装在凹槽10c、10d中，并且装入部分用一种粘结材料固定，由此把第一定子18和第二定子19安装到连接环10上。

第一定子18和第二定子19彼此如此定位，从而外磁极18a、18b和内磁极18c、18d的端部从外磁极19a、19b和内磁极19c、19d移动相位360°/n(在本实施例中为90°)，并且第一定子18和第二定子19通过连接环10以对应于连接环10的内部凸台10e、10f宽度的间距彼此固定。

图2是步进电动机的剖视图，并且图3A至3D是沿图2线A-A的剖视图，而图3E至3H是沿图2线B-B的剖视图。图3A和3E是处于同一时间的视图；图3B和3F是处于另一同一时间的视图；图3C和3G是处于又一同一时间的视图；及图3E和3H是处于另一同一时间的视图。

如下将解释本发明步进电动机的功能。从图3A和3E所示的状态开始，线圈3、4被励磁，以把第一定子18的外磁极18a、18b磁化为N极，把内磁极18c、18d磁化为S极，把第二定子19的外磁极19a、19b磁化为S极，及把内磁极19c、19d磁化为N极，由此永久磁铁1逆时针转动45°以呈现图3B和3F所示的状态。

然后到线圈3的电流反向，以把第一定子18的外磁极18a、18b磁化为S极，把内磁极18c、18d磁化为N极，把第二定子19的外磁极19a、19b磁化为S极，及把内磁极19c、19d磁化为N极，由此转子1进一步逆时针转动45°以呈现图3C和3G所示的状态。

然后到线圈4的电流反向，以把第二定子19的外磁极19a、19b磁化为S极，把内磁极19c、19d磁化为N极，把第一定子18的外磁极18a、18b磁化为S极，及把内磁极18c、18d磁化为N极，由此永久磁铁1进一步逆时针转动45°以呈现图3D和3H所示的状态。此后类似地依次切换到线圈3、4的电流方向，由此永久磁铁1转动到对应于励磁相位的位置。

如下将解释为了使步进电动机的尺寸最小步进电动机的上述构造是最佳的。步进电动机构造的基本特征如下：

1)永久磁铁成形为空心圆柱；

2)永久磁铁的外部圆周周向划分成磁化为交替的不同磁极的n部分；

3)第一线圈、永久磁铁和第二线圈以该顺序在永久磁铁的轴向布置；

4)由第一和第二线圈磁化的第一和第二定子的外磁极和内磁极，分别相对着永久磁铁的外部和内部圆周；及

5)如图4所示，第一定子18的外磁极18a、18b和第二定子19的那些19a、19b彼此在轴向以相位位移间隔360°/n(在本实施例中为90°)相对着，并且第一定子18的外磁极18a、18b的端部和第二定子的外磁极19a、19b的那些彼此在轴向相互靠近地定位。

因此，该步进电动机仅需要足以以彼此相对的方式把定子的磁极安装在永久磁铁外径上的直径，并且还把步进电动机的轴向长度限制到永久磁铁的长度和第一与第二线圈的长度。因此这种步进电动机的尺寸由永久磁铁和线圈的直径和长度确定，并且通过把永久磁铁和线圈的直径和长度减小到非常小的尺寸能使步进电动机超小型化。

在这样的构造中，由第一线圈磁化的第一定子的外磁极和由第二线圈磁化的第二定子的外磁极的最近点由这些磁极的边缘构成。因此这些点表现出升高的磁阻以减小漏磁通，由此第一定子和第二定子各自形成独立的高效磁路以增大电动机输出。

当永久磁铁和线圈的直径和长度非常小时，步进电动机的输出精度难以保持，但这样的缺点通过一种简单的结构来避免，在这种结构中永久磁铁形成空心圆柱，并且第一和第二定子的外磁极和内磁极以彼此相对的方式提供在这样空心圆柱形状永久磁铁的外部和内部圆周上。在这种构造中，如在如下实施例2中将描述的那样，通过周向即磁化永久磁铁的外部圆周又磁化永久磁铁的内部圆周，能进一步升高电动机的输出。

图5A至5H表示构成本发明第二实施例的步进电动机的转动操作。在上述的第一实施例中，构成转子的永久磁铁1的外部圆周周向划分成交替磁化为S极和N极的n部分，但是，在本第二实施例中，永久磁铁1不仅在外部圆周上而且在内部圆周上划分成n部分(本实施例中为4部分)，并且交替磁化为S极和N极。在这种构造中，内圆周部分的极性与相邻其的外部圆周部分的极性相反，因而，例如，磁化部分1a、1c的内部圆周磁化为N极，而磁化部分1b、1d的内部圆周磁化为S极。

在本第二实施例中，因为永久磁铁1不仅在外部圆周上而且在内部圆周上周向划分成交替磁化为S极和N极的n部分，所以通过在永久磁铁1的内部圆周与第一定子18的内磁极18c、18d和第二定子19的那些19c、19d之间的相互作用，能增大电动机的输出。

参照图6至8H如下将描述构成本发明第三实施例的步进电动机，其中与图1至4所示第一实施例中相同的元件用相同的标号表示。在上述第一实施例中，在第一和第二定子18、19的每一个中，外管和内管整体地形成，但在本第三实施例中，第一和第二定子18、19的外管整体地形成，如图6所示，而第一和第二定子18、19的内管独立地形成。

图6是构成本发明第三实施例的步进电动机的分解立体图；图7是步进电动机在其组装状态的轴向剖视图；图8A至8H是沿图7线A-A或B-B的剖视图。

参照这些图，一个空心圆柱形永久磁铁1装有一个第一磁化层和一个第二磁化层，第一磁化层由通过把圆周周向划分成n部分(本实施例中为4部分)并且把这些部分交替地磁化成S和N极而形成的磁化部分1a、1b、1c、1d组成，第二磁化层由通过把圆周类似划分成4部分并且把这些部分交替地磁化成S和N极而形成的磁化部分1e、1f、1g、1h组成。第一磁化层和第二磁化层彼此移动相位180°/n，或者本实施例中的45°。在本实施例中，第一磁化层的部分1a、1c和第二磁化层的那些1e、1g如此磁化，以便在外部圆周上具有S极而在内部圆周上具有N极，而第一磁化层的部分1b、1d和第二磁化的部分1f、1h如此磁化，以便在外部圆周上具有N极而在内部圆周上具有S极。

一根转动轴2固定到永久磁铁1上，并且转动轴2和永久磁铁1构成转子。线圈3、4提供在与永久磁铁1同心且轴向叠置永久磁铁1的位置中，并且具有基本上等于永久磁铁1的外径。软磁材料的一个第一磁轭5装有要插入线圈3内部3a的一部分5d、和要相对着永久磁铁1的第一磁化层的内部的齿5b、5c。齿5b、5c彼此移动360°/(n/2)=180°，以便呈现与第一磁化层的磁极相同的相位。转动轴2的一部分2a可转动地装配在第一磁轭5的一个孔5a中。

软磁材料的一个第二磁轭6装有要插入线圈4内部4a的一部分6d、和要相对着永久磁铁1的第二磁化层的内部的齿6b、6c。齿6b、6c彼此移动360°/(n/2)=180°，以便呈现与第二磁化层的磁极相同的相位。转动轴2的一部分2b可转动地装配在第二磁轭6的一个孔6a中。

线圈的插入是便利的，因为在第一磁轭5中，线圈插入部分5d和齿5b、5c具有相同的直径，并且在第二磁轭6中，线圈插入部分6d和齿6b、6c具有相同的直径。第一磁轭5的齿5b、5c和第二磁轭6的那些6b、6c在轴向移动360°/n，或本实施例中的90°。这里还提供了软磁材料的一个第三磁轭7。由于线圈3、4和永久磁铁1具有基本相同的外径，所以第三磁轭以简单圆柱形状形成，以适当间隙覆盖着线圈3、4和永久磁铁1的外部圆周。

第三磁轭7在一部分7e中与第一磁轭5的一部分5e偶合，而在一部分7f中，与第二磁轭6的一部分6e偶合。第三磁轭7还装有在跨过永久磁铁1相对着第一磁轭5的齿5b、5c的位置中的部分7a、7b，和在跨过永久磁铁1相对着第二磁轭6的齿6b、6c的位置中的部分7c、7d，并且还装有在其他位置的孔口7g、7h、7i、6j。因为第一磁轭5的齿5b、5c和第二磁轭6的那些6b、6c在轴向彼此移动90°，所以通过整体连接相互靠近的端表面部分，能作为单一的圆柱形元件制备要相对着这些齿的第三磁轭7的磁极部分7a、7c、7d和7b、7c、7d，如图6中所示，由此能容易地制造具有增大和稳定强度的元件。而且因为第一磁轭5与第三磁轭7之间的气隙和第二磁轭6与第三磁轭7之间的气隙大部分填有永久磁铁1，从而由线圈3、4励磁产生的磁通高效地作用在永久磁铁上以增大输出。

图7是步进电动机的剖视图，而图8A至8D是沿图7线A-A的剖视图，而图8E至8H是沿图7线B-B的剖视图。图8A和8E是处于同一时间的视图；图8B和8F是处于另一同一时间的视图；图8C和8G是处于又一同一时间的视图；及图8E和8H是处于另一同一时间的视图。

如下将解释本发明步进电动机的功能。从图8A和8E所示的状态开始，线圈3、4被励磁，以把第一磁轭5的齿5b、5c磁化为S极，把第三磁轭7相对着齿5b、5c的部分7a、7b磁化为N极，把第二磁轭6的齿6b、6c磁化为N极，及把第三磁轭7相对着齿6b、6c的部分7c、7d磁化为S极，由此永久磁铁1逆时针转动45°以呈现图8B和8F所示的状态。

然后到线圈3的电流反向，以把第一磁轭5的齿5b、5c磁化为N极，第三磁轭7相对着齿5b、5c的部分7a、7b磁化为S极，把第二磁轭6的齿6b、6c磁化为N极，及把第三磁轭7相对着齿6b、6c的部分7c、7d磁化为S极，由此永久磁铁1进一步逆时针转动45°以呈现图8C和8G所示的状态。

然后到线圈4的电流反向，以把第二磁轭6的齿6b、6c磁化为S极，及把第三磁轭7相对着齿6b、6c的部分7c、7d磁化为S极，由此永久磁铁1进一步逆时针转动45°以呈现图8D和8H所示的状态。此后类似地依次切换到线圈3、4的电流方向，由此永久磁铁1转动到对应于励磁相位的位置。

在本发明的第三实施例中，构成转子的永久磁铁1周向划分成n部分，并且不仅在永久磁铁1的外部圆周上而且在其内部圆周上交替地磁化为S和N极，但在第三实施例中，还能够仅把外部圆周周向划分成n部分，并且把这些部分交替地磁化为S和N极。

图9和10分别是构成本发明第四实施例的步进电动机的分解立体图和剖视图。参照图9和10，软磁材料的一个第一外磁轭8在跨过永久磁铁1的第一磁化层相对着第一磁轭5的齿5b、5c的位置中装有齿8a、8b。软磁材料的一个第二外磁轭9在跨过永久磁铁1的第二磁化层相对着第二磁轭6的齿6b、6c的位置中装有齿9a、9b。第一外磁轭8以适当间隙覆盖着线圈3和永久磁铁1，而第二外磁轭9以适当间隙覆盖着线圈4和永久磁铁1。即使在整体地形成第一外磁轭8和第一磁轭5时，也能装配线圈3，并且即使在整体地形成第二外磁轭9和第二磁轭6时，也能装配线圈3。第一外磁轭8和第一磁轭5或第二外磁轭9和第二磁轭6的整体形成允许得到齿8a、8b与齿5b、5c之间的或齿9a、9b与齿6b、6c之间的精确相位关系，由此进一步增大输出。

非磁性材料的一个连接环10装有其中装入第一外磁轭8的齿8a、8b的凹槽10a、10b，和其中装入第二外磁轭9的齿9a、9b的凹槽10c、10d，并且第一外磁轭8和第二外磁轭9通过一种已知方法固定，如用粘结材料固定。第一外磁轭8和第二外磁轭9以预定距离固定，由连接环10的内部凸台10e、10f限定。连接环10的凹槽10a、10b和那些10c、10d彼此移动相位360°/n(本实施例中为90°)，从而第一外磁轭8的齿8a、8b和第二外磁轭9的齿9a、9b在轴向以360°/n(本实施例中为90°)的彼此相位位移角彼此相对着。

第一外磁轭8和第二外磁轭9的组合实现类似于第三实施例中第三磁轭7的功能。而且，如图10所示，第一外磁轭8在其一端连接到第一磁轭5上，并且覆盖着线圈3的外部圆周，而在另一端的齿8a、8b以预定间隙相对着永久磁铁1的外部圆周。而且，如图10所示，第二外磁轭9在其一端连接到第二磁轭6上，并且覆盖着线圈4的外部圆周，而在另一端的齿9a、9b以预定间隙相对着永久磁铁1的外部圆周。

图12是转子的放大立体图，并且图13A、13B、14A、14B、15A、15B、16A和16B表示永久磁铁1的不同转动相位，其中图13A、14A、15A和16A表示第一磁化层，而图13B、14B、15B和16B表示第二磁化层。如图11所示的第三实施例中那样，在把第三磁轭7建造成一个整体元件的情况下，将导致永久磁铁1的第一磁化层C与第二磁化层D之间的磁通经第三磁轭7连通。因此，在图13A、13B和15A、15B所示的永久磁铁1的转动位置中，由齿槽效应感应的力变得强于图14A、14B和16A、16B所示的转动位置。这种较强齿槽效应的相位每转出现四次，间距为90°。在本电动机中依次切换到线圈3、4的电流，在这种情况下，一转由八次切换操作实现，从而由线圈3、4励磁产生的电磁力不必与齿槽效应力一致。

为此，产生的驱动力显著波动，并且转动变得不平稳。在第四实施例中，第一外磁轭8和第二外磁轭9通过非磁性材料连接环10磁性地分开，从而磁通在第一与第二磁化层之间经第一和第二外磁轭8、9几乎不连通，由此在相位以45°移动的位置中总共产生八次齿槽效应，即由第一磁化层以间距90°产生四次和由第二磁化层以间距90°产生四次。因为齿槽效应如此以45°的间距产生，所以产生的驱动力的波动变得较小，并且能实现平稳转动。

在本发明的第四实施例中，构成转子的永久磁铁1周向划分成n部分，并且不仅在永久磁铁1的外部圆周上而且在其内部圆周上交替地磁化为S和N极，但在第四实施例中，还能够仅把外部圆周周向划分成n部分，并且把这些部分交替地磁化为S和N极。

根据本发明的第一至第四实施例，如在以上解释的那样，通过提供一种永久磁铁，该永久磁铁以空心圆柱形状形成，并且装有一个第一磁化层和一个第二磁化层，第一磁化层通过至少把其外部圆周划分成成n部分并把这些部分交替地磁化为不同磁极而形成，第二磁化层与该第一磁化层轴向相邻，并且通过至少把其外部圆周以离开第一磁化层180°/n的相位位移划分成成n部分、并把这些部分交替地磁化为不同磁极而形成；还提供了依次沿永久磁铁轴向的一个第一线圈、上述永久磁铁和第二线圈；定位由第一线圈磁化的一个第一外磁极和一个第一内磁极，以便分别相对着永久磁铁第一磁化层的外部和内部圆周；还定位由第二线圈磁化的一个第二外磁极和一个第二内磁极，以便分别相对着永久磁铁第二磁化层的外部和内部圆周；以这样的方式布置第一外磁极和第二外磁极，从而使他们在轴向以360°/n的彼此相位位移彼此相对着，并且使第一和第二外磁极的最近位置形成大磁阻的间隙；而提供了一种能够得到高效输出的电动机。而且，因为第一和第二定子能由单个元件组成，所以能得到一种装配操作容易和性能波动减小的电动机。

图17至20表明构成本发明第五实施例的步进电动机，其中图17是步进电动机的分解立体图；图18是步进电动机在其组装状态的轴向剖视图；图19A至19H是沿图18中的线A-A或B-B的剖视图；及图20是拆去某些元件的步进电动机的平面图。

参照这些图，构成转子的一个空心圆柱形永久磁铁1装有一个磁化层1a、1b、1c、1d，磁化层1a、1b、1c、1d由通过把其外部圆周划分成n部分(本实施例中为4部分)并且把这些部分交替地磁化成S和N极而形成，其中磁化部分1a、1c磁化为S极，而磁化部分1b、1d磁化为N极。构成转子轴的输出轴2固定到磁铁1上。输出轴2和磁铁1构成转子。圆柱形线圈3、4提供在与磁铁1同心且轴向叠置的的位置中。线圈3、4具有基本上等于磁铁1的外径。

软磁材料的第一和第二定子18、19彼此移动180°/n或45°的相位角，并且第一和第二定子18、19的每一个由一个外管和一个内管组成。在第一定子18的外管与内管之间，提供励磁时磁化第一定子18的线圈3。第一定子18的外管与内管在其端部形成外磁极18a、18b和内磁极18c、18d。内磁极18c、18d彼此移动360°/(n/2)=180°，从而他们呈现同一相位，并且外磁极18a相对着内磁极18c，而外磁极18b相对着内磁极18d。

提供第一定子18的外磁极18a、18b和内磁极18c、18d，以便分别相对着磁铁1一端的外部和内部圆周，由此叠置磁铁1的上述端。转动轴2的一端可旋转地装配在第一定子18的一个孔18e中。

在第二定子19的外管与内管之间，提供励磁时磁化第二定子19的线圈4。第二定子19的外管和内管在其端部形成外磁极19a、19b和内磁极19c、19d。内磁极19c、19d彼此移动360°/(n/2)=180°，从而它们呈现相同相位，并且外磁极19a相对着内磁极19c，而外磁极19b相对着内磁极19d。第二定子19的外磁极19a、19b和内磁极19c、19d如此提供，以便分别相对着磁铁1另一端的外部和内部圆周，由此叠置磁铁1的上述另一端。转动轴2的另一端可旋转地装配在第二定子19的一个孔19e中。

因此，由线圈3产生的磁通穿过在外磁极18a、18b与内磁极18c、18d之间的构成转子的磁铁1，由此高效地作用在磁铁1上，而由线圈4产生的磁通穿过在外磁极19a、19b与内磁极19c、19d之间的构成转子的磁铁1，由此高效地作用在磁铁1上，借此能提高电动机的输出。

一种非磁性材料的一个圆柱形连接环10在其内部圆周的一端设有凹槽10a、10b，而在另一端在从凹槽10a、10b移动相位180°/n或45°的位置中设有凹槽10c、10d。第一定子18的外磁极18a、18b装在凹槽10a、10b中，而第二定子19的外磁极19a、19b装在凹槽10c、10d中，并且装入部分用一种粘结材料固定，由此把第一和第二定子18、19安装到连接环10上。第一定子18和第二定子19如此定位，从而外磁极18a、18b和内磁极18c、18d相对着外磁极19a、19b和内磁极19c、19d，并且以由连接环10的内部凸台10e、10f限定的间距固定。

图20是本实施例电动机的侧视图，省去了连接环。如图20中所示，第一定子18的外磁极18a和未表示的外磁极18b、及第二定子19的外磁极19a和未表示的外磁极19b具有锥形，其中端部的宽度D2小于底部的宽度D1。在这种构造中，第一定子18的外磁极18a与基本相对着的第二定子19的外磁极之间的磁阻变得大于每个外磁极都具有平端的情形。因此，由线圈3、4产生的磁通相互干扰较小，由此稳定电动机的转动和升高其输出。

类似地，没有表示在图20中的第一定子18的外磁极18b和第二定子19的外磁极19b也具有锥形，其中端部的宽度D2小于底部的宽度D1。因而，第一定子18的外磁极18b与基本相对着的第二定子19的外磁极之间的磁阻变得大于每个外磁极都具有平端的情形。因此，由线圈3、4产生的磁通相互干扰较小，由此稳定电动机的转动和升高其输出。

如由图20明白的那样，第一定子18的外磁极18a、18b及第二定子19的外磁极19a、19b相对着磁铁1的面积通过为得到锥形而切去的部分仅稍有减小。因此，电动机的输出通过采用这种形状没有什么减小，而通过减小线圈3与4之间的磁通相互干扰增加得较多。

图18是步进电动机的剖视图，并且图19A至19D是沿图18中的线A-A的剖视图，而图19E至19H是沿图18中的线B-B的剖视图。图19A和19E是处于同一时间的视图；图19B和19F是处于另一同一时间的视图；图19C和19G是处于又一同一时间的视图；及图19E和19H是处于另一同一时间的视图。

如下将解释本发明步进电动机的功能。从图19A和19E所示的状态开始，线圈3、4被励磁，以把第一定子18的外磁极18a、18b磁化为N极，把内磁极18c、18d磁化为S极，把第二定子19的外磁极19a、19b磁化为N极，及把内磁极19c、19d磁化为S极，由此构成转子的永久磁铁1逆时针转动45°以呈现图19B和19F所示的状态。

然后到线圈3的电流反向，以把第一定子18的外磁极18a、18b磁化为S极，把内磁极18c、18d磁化为N极，把第二定子19的外磁极19a、19b磁化为N极，及把内磁极19c、19d磁化为S极，由此构成转子的磁铁1进一步逆时针转动45°以呈现图19C和19G所示的状态。

然后到线圈4的电流反向，以把第二定子19的外磁极19a、19b磁化为S极，把内磁极19c、19d磁化为N极，把第一定子18的外磁极18a、18b磁化为S极，及把内磁极18c、18d磁化为N极，由此构成转子的磁铁1进一步逆时针转动45°以呈现图19D和19H所示的状态。此后类似地依次切换到线圈3、4的电流方向，由此磁铁1转动到对应于励磁相位的位置。

如下将解释为了使电动机的尺寸最小步进电动机的上述构造是最佳的。步进电动机构造的基本特征如下：

1)磁铁成形为空心圆柱；

2)磁铁的外部圆周周向划分成磁化为交替不同磁极的n部分；

3)第一线圈、磁铁和第二线圈以该顺序在永久磁铁的轴向布置；及

4)由第一和第二线圈磁化的第一和第二定子的外磁极和内磁极，分别相对着磁铁的外部和内部圆周。

因此，该步进电动机仅需要足以以彼此相对的方式把定子的磁极安装在磁铁外径上的直径，并且还把步进电动机的轴向长度限制到磁铁的长度和第一与第二线圈的长度。因此这种步进电动机的尺寸由磁铁和线圈的直径和长度确定，并且通过把磁铁和线圈的这种直径和长度减小到非常小的尺寸能使步进电动机超小型化。

当磁铁和线圈的直径和长度非常小时，步进电动机的输出精度难以保持，但这样的缺点通过一种简单的结构来避免，在这种结构中磁铁形成空心圆柱，并且第一和第二定子的外磁极和内磁极以彼此相对的方式提供在这样空心圆柱形状磁铁的外部和内部圆周上。在这种构造中，如在如下实施例6中将描述的那样，通过周向即磁化磁铁的外部圆周又磁化磁铁的内部圆周，能进一步升高电动机的输出。第一和第二定子18、19最好由金属注射模压(MIM)形成。

图21A至21H说明本发明的第六实施例。

在上述的第五实施例中，构成转子的磁铁1的外部圆周周向划分成交替磁化为S极和N极的n部分，但是，在本第六实施例中，磁铁1不仅在外部圆周上而且在内部圆周上划分成n部分(本实施例中为4部分)，并且交替磁化为S极和N极，由此能有效地增大电动机的输出。在这种构造中，内圆周部分的极性与相邻其的外部圆周部分的极性相反，因而，例如，磁化部分1a、1c的内部圆周磁化为N极，而磁化部分1b、1d的内部圆周磁化为S极。在本第六实施例中，因为磁铁1不仅在外部圆周上而且在内部圆周上周向划分成交替磁化为S极和N极的n部分，所以通过在磁铁1的内部圆周与第一定子18的内磁极18c、18d和第二定子19的那些19c、19d之间的相互作用，能增大电动机的输出。

参照图22表明本发明第七实施例。在上述第五实施例中，在第一和第二定子18、19的每一个中，外管和内管整体地形成，但在本第七实施例中，如图22所示，在第一和第二定子18、19的每一个中，外管和内管独立地形成。更明确地说，第一定子18的内管构成一个第一磁轭以及端部处的内磁极5b、5c，而第一定子18的外管构成一个第三磁轭以及端部处的外磁极8a、8b。而且第二定子19的内管构成一个第二磁轭以及端部处的内磁极6b、6c，而第二定子19的外管构成一个第四磁轭以及端部处的外磁极9a、9b。而且在第七实施例中，通过不仅把构成转子的磁铁1的外部圆周而且把其内部圆周周向划分成n部分、并且把这些部分交替地磁化为S和N极，能有效地进一步增大电动机的输出。

图23表明适用于一种电动机的第八实施例，在该电动机中，在相对着第一定子18的范围与相对着第二定子19的范围之间，移动永久磁铁1的磁化状态180°/n或45°，而第一定子18的外磁极18a和第二定子19的外磁极19a彼此相对着没有任何相互相位差。这些外磁极8a、8b、9a、9b还具有锥形端部形状，以提供类似于第五实施例中的效果。

根据本发明的第五实施例，如上述解释的那样，第一和第二定子的外磁极以在端部具有较窄宽度的锥形形成，由此这些外磁极在其之间表现出较大的磁阻，以避免第一与第二线圈之间的相互干扰，由此能稳定电动机的转动，并能增大其输出。

在上述实施例中，永久磁铁如此磁化以便具有四个极，但本发明决不受这些实施例的限制。更明确地说，永久磁铁的磁极数可以选择为大于四，并且在这种情况下，相应增加外部和内部磁极的数量。

通过步进电动机已经解释了上述实施例，但本发明不限于这些实施例，并且如果电流供给根据转子位置切换，例如利用霍尔元件，则同样适用于无刷电动机。

Claims

1．一种电动机，包括：

一个磁铁，形成圆柱形，并至少把其外部圆周周向划分成交替磁化为不同磁极的n部分；

一个第一线圈和一个第二线圈，提供在所述磁铁的轴向并跨过所述磁铁；

一个第一外磁极，由所述第一线圈磁化，并相对着所述磁铁一端的外圆周；

一个第一内磁极，由所述第一线圈磁化，并相对着所述磁铁一端的内圆周；

一个第二外磁极，由所述第二线圈磁化，并相对着所述磁铁另一端的外圆周，其中所述第二外磁极的端部轴向相对着所述第一外磁极的端部，形成这样一种间隙以增大磁阻，由此减小漏磁通；及

一个第二内磁极，由所述第二线圈磁化，并相对着所述磁铁另一端的内圆周。

2．根据权利要求1所述的电动机，其中用来减小漏磁通的、所述第二外磁极的端部和所述第一外磁极的端部的轴向相对布置，通过把所述端部放置在相互移动一个预定相位角的位置中而形成一个间隙来实现，以便增大磁阻。

3．根据权利要求2所述的电动机，其中所述第二内磁极的端部和所述第一内磁极的端部以相互移动一个预定相位角而轴向相对着，以便减小漏磁通。

4．根据权利要求1所述的电动机，其中所述第一外磁极和所述第一内磁极构成一个第一定子，而所述第二外磁极和所述第二内磁极构成一个第二定子，并且所述第一外磁极和所述第二外磁极由一个圆柱形连接件连接。

5．根据权利要求1所述的电动机，其中所述磁铁在其内部圆周上周向划分成交替磁化为不同磁极的n部分，并且这些部分的每一个磁化为不同于相邻外部圆周的磁极的磁极。

6．一种电动机，包括：

一个磁铁，形成圆柱形并包括一个第一磁化层和一个轴向相邻所述第一磁化层的第二磁化层，第一磁化层通过至少把其外部圆周周向划分成交替磁化为不同磁极的n部分而形成，第二磁化层通过至少把其外部圆周周向划分成移动相位180°/n并交替磁化为不同磁极的n部分而形成；

一个第一外磁极，由所述第一线圈磁化，并相对着所述磁铁第一磁化层的外圆周；

一个第一内磁极，由所述第一线圈磁化，并相对着所述磁铁第一磁化层的内圆周；

一个第二外磁极，由所述第二线圈磁化，并相对着所述磁铁第二磁化层的外圆周，其中所述第二外磁极的端部以从其移动相位360°/n轴向相对着所述第一外磁极的端部；及

一个第二内磁极，由所述第二线圈磁化，并相对着所述磁铁第二磁化层的内圆周。

7．根据权利要求6所述的电动机，其中所述第二内磁极的端部以相位移动360°/n轴向相对着所述第一内磁极的端部。

8．根据权利要求7所述的电动机，其中所述第一外磁极和所述第一内磁极构成一个第一定子，而所述第二外磁极和所述第二内磁极构成一个第二定子。

9．根据权利要求8所述的电动机，其中所述第一定子的所述第一外磁极和所述第二定子的所述第二外磁极由一个圆柱形连接件连接。

10．根据权利要求7所述的电动机，其中形成具有基本上等于所述磁铁直径的直径的所述第一和第二线圈。

11．根据权利要求7所述的电动机，其中所述磁铁的第一和第二磁化层的内部圆周周向划分成交替磁化为不同磁极的n部分，并且这些部分的每一个磁化为不同于相邻外部圆周的磁极的磁极。

12．一种电动机，包括：

一个第一和一个第二线圈，提供在所述磁铁的轴向并跨过所述磁铁；

一个第一磁轭，插入在所述第一线圈中，并带有一个相对着所述磁铁第一磁化层内部圆周的第一内磁极；

一个第二磁轭，插入在所述第二线圈中，并带有一个相对着所述磁铁第二磁化层内部圆周的第二内磁极；

一个第三磁轭，覆盖着所述第一线圈的外部表面、所述磁铁的外部表面和所述第二线圈的外部表面，并带有一个相对着所述磁铁第一磁化层外部圆周的第一外磁极和一个相对着所述磁铁第二磁化层外部圆周的第二外磁极；

其中所述第二外磁极提供在相对于所述第一外磁极转动地移动相位角360°/n的位置中。

13．一种电动机，包括：

一个第三磁轭，其一端连接到所述第一磁轭上，覆盖着所述第一线圈的外部表面，及其另一端装有一个相对着所述磁铁第一磁化层外部圆周的第一外磁极；

一个第四磁轭，其一端连接到所述第二磁轭上，覆盖着所述第二线圈的外部表面，及其另一端装有一个相对着所述磁铁第二磁化层外部圆周的第二外磁极；

其中所述第二外磁极提供在相对于所述第一外磁极转动地移动相位角360°/n的位置中，以及

一个连接件，用于同心地支撑所述第三磁轭和所述第四磁轭。

14．一种电动机，包括：

一个第二外磁极，由所述第二线圈磁化，并相对着所述磁铁另一端的外圆周，其中所述第二外磁极的端部和所述第一外磁极的端部以这样一种形状形成以便减小漏磁通，并且在轴向相互相对着；及

15．根据权利要求14所述的电动机，其中所述第一外磁极的端部和所述第二外磁极的端部以这样一种锥形形成，以便增大磁阻。

16．根据权利要求15所述的电动机，其中所述第一外磁极和所述第一内磁极构成一个第一定子，而所述第二外磁极和所述第二内磁极构成一个第二定子。

17．根据权利要求16所述的电动机，其中所述磁铁在其内部圆周上周向划分成交替磁化为不同磁极的n部分，并且这些部分的每一个磁化为不同于相邻外部圆周的磁极的磁极。

18．根据权利要求16所述的电动机，其中所述第一定子包括一个外管和一个内管，其中所述第一外磁极形成在所述外管的端部，而所述第一内磁极形成在所述内管的端部，并且所述第二定子也包括一个外管和一个内管，其中所述第二外磁极形成在所述外管的端部，而所述第二内磁极形成在所述内管的端部。

19．根据权利要求18所述的电动机，其中在所述第一和第二定子的每一个中，外管和内管整体地形成。

20．根据权利要求18所述的电动机，其中在所述第一和第二定子的每一个中，外管和内管独立地形成并彼此固定。

21．一种电动机，包括：

一个第二外磁极，由所述第二线圈磁化，并相对着所述磁铁另一端的外圆周，其中所述第二外磁极的端部以从其移动相位360°/n轴向相对着所述第一外磁极的端部，并且所述第二外磁极的端部和所述第一外磁极的端部以这样一种形状形成以便减小漏磁通；及

22．一种电动机，包括：

一个第一磁轭，插入在所述第一线圈中，并带有一个相对着所述磁铁内部圆周的第一内磁极；

一个第二磁轭，插入在所述第二线圈中，并带有一个相对着所述磁铁内部圆周的第二内磁极；及

一个第三磁轭，覆盖着所述第一线圈的外部表面、所述磁铁的外部表面和所述第二线圈的外部表面，并装有一个相对着所述磁铁外部圆周的第一外磁极和一个在所述磁铁的另一端相对着外部圆周的第二外磁极；

其中所述第二外磁极的端部以相位移动180°/n轴向相对着所述第一外磁极的端部，并且所述第二外磁极的端部和所述第一外磁极的端部以这样一种形状形成以便减小漏磁通。

23．一种电动机，包括：

其中所述第二外磁极的端部以相位移动180°/n轴向相对着所述第一外磁极的端部，并且所述第二外磁极的端部和所述第一外磁极的端部以这样一种形状形成以便减小漏磁通；及

一个连接件，用来同心地支撑所述第三磁轭和所述第四磁轭。