电动机 本发明涉及以微结构构成的具有增强加工性能的电动机。
在传统小型电动机中，例如具有一种如图13所示的小型圆柱形步进电动机。定子线圈105集中地绕在每个线圈架101上，每个绕圈架101轴向地夹在两个定子磁轭106之间被固定。定子磁轭106具有定子齿106a及定子齿106b，它们交替地沿线圈架101的内孔表面圆周方向布置。定子磁轭106与定子齿106a或106b整体地固定在外壳103上，于是组成了定子102。
法兰115及轴承108固定在两组外壳103的一个上，及另一轴承108固定在另一外壳103上。转子109包括固定在转子轴110上的转子磁铁111，转子磁铁111及定子102的定子磁轭106形成径向气隙部分。转子轴110可转动地支承在两轴承108之间。
但是，上述的传统小型步进电动机具有这样的缺点，即因为外壳103、线圈架101、定子线圈105、定子磁轭106等集中地位于转子外侧，故电动机外围尺寸大。此外，它具有另一缺点，即电动机的输出不大，这因为由定子线圈105的激磁产生的磁通主要经过定子齿106a的端面106a1及定了齿106b的端表面106b1，如图14所示，而未有效地作用于定子磁铁111。
在美国专利申请No.08/831,863(1997年4月2日申请)中申请人提出解决这些问题地一种电动机。
该提出的电动机是以这样的结构构成的，即以圆柱形状在圆周方向上等距离地隔开并交替磁化不同极的方式形成永磁铁的转子；沿转子轴向按顺序布置第一线圈、转子及第二线圈；被第一线圈激磁的第一外部极及第一内部极与转子的外周面及内周面相对置；及被第二线圈激磁的第二外部极及第二内部极与转子的外周面及内周面相对置。
这种结构的电动机能提供高输出及具有小的电动机外围尺寸，但是包括一对具有单独尖端的磁齿的第一内部极及第二内部极的径向尺寸也就小，当这些齿通过冲压工序加工时，将具有模压强度、碎屑发散等问题。因此，该加工是不易的并且要获得齿的高强度更困难。故希望能够易于加工第一外部极及第二外部极。
本发明的目的在于克服上述缺点，并提供一种能以微结构构成的电动机，其中内部极能以极易加工性加工成型。
本发明的另一目的是提供一种能以微结构构成的电动机，其中外部极容易处理。
通过以下要描述的具体实施例将使本发明的另外目的变得更加明白。
图1是根据本发明第一实施例的电动机的解体透视图；
图2是图1中所示电动机组装状态的横截面图；
图3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G及3H是解释图2中所示电动机转子旋转工作的示图；
图4是作为图2上所示电动机中内部极的磁轭的放大图。
图5是表示作为图2上所示电动机中内部极的磁轭的另一例的示图；
图6是图5上所示磁轭的横截面图；
图7是根据本发明第二实施例的电动机的解体透视图；
图8是图7上所示电动机的组装状态的横截面图；
图9A、9B、9C、9D、9E、9F、9G及9H是解释图7上所示电动机转子旋转工作的示图；
图10是图7上所示电动机的平面图；
图11是表示图7上所示电动机另一例的解体透视图；
图12是图11上所示的电动机的组装状态的平面图；
图13是表示一个传统步进电动机的横截面图；及
图14是表示图13上所示传统步进电动机中磁通的说明图。
将参照附图来描述本发明的各实施例。
(实施例1)
图1至图4是表示实施例1的附图。标号1表示圆柱形永久磁铁，它包括具有通过将圆周面分成四等分并交替磁化成S极和N极获得的四个部分1a、1b、1c、1d的第一磁层，及类似地通过将圆周面分成四等分并交替磁化成S极和N极获得的四个部分1e、1f、1g、1h的第二磁层。第一磁层及第二磁层以彼此45°的相对相位移磁化。
第一磁层的部分1a、1c及第二磁层的部分1e、1g的外圆周表面被磁化成S极，及它们的内圆周表面被磁化成N极；第一磁层的部分1b、1d及第二磁层的部分1f、1h的外圆周表面被磁化成N极，及它们的内圆周表面被磁化成S极。
标号2表示转轴，在其上固定永久磁铁1。转轴2及永久磁铁1组成转子。标号3和4是线圈，它们与永久磁铁1同心地布置并在轴向上将磁铁夹在中间。标号5表示由软磁材料作的第一磁轭，它具有放置在线圈3的孔部分3a中的部分5d及与永磁铁1的第一磁层的孔部分相对置的极部分。
如图4所示，在与轴垂直的方向中的横截面中交替地形成具有大外径的部分5b、5c及具有小外径的部分5e、5f。部分5b、5c形成相对于第一磁层的极的同一相。即，部分5b及部分5c彼此位移180°地布置。转轴2的部分2a安装在第一磁轮的孔5a中，以便可以旋转。
标号6表示由软磁材料作的第二磁轭，它具有设在线圈4孔部分4a中的部分6d及与永磁铁1的第一磁层的孔部分相对置的极部分。在极部分中，在第一磁轭5中那样，交替地形成具有大外径的部分6b、6c及具有小外径的部分6e、6f。部分6b，6c形成相对于第二磁层的极的同一相。即，部分6b及部分6c彼此位移180°地布置。转轴2的部分2b安装在第二磁轭的孔6a中，以便可以旋转。第一磁轭5的大直径部分5b，5c及第二磁轭6的大直径部分6b、6c处于同一相，即彼此在轴向上相对置。
标号8表示由软磁材料作的第三磁轭，其中齿8a，8b形成在围绕着第一磁轭5的5b，5c及永磁铁1的第一磁层的位置上。标号9表示由软磁材料作的第四外磁轭，其中齿9a、9b形成在围绕着第二磁轭6的部分6b、6c及磁铁1的第二磁层的位置上。
标号10表示由非磁性材料作的连接环，它具有与第三磁轭8的齿8a、8b相配合的槽10a、10b及与第四磁轭的齿9a、9b相配合的槽9a、9b。第三磁轭8及第四磁轭9通过传统方法。例如粘接或类似方式被固定在连接环10上。第三磁轭8及第四磁轭9通过连接环10的部分10e、10f以预定间隔固定。第三磁轭8的齿8a、8b布置得与第四磁轭的齿9a、9b面对着。
第三磁轭8这样地布置，即如图2中所示，它的一端与第一磁轭5相连接并盖住线圈3的外径部分，及在另一端的齿8a、8b以预定气隙与永磁铁1的外圆周部分相对置。第四磁轭9这样地布置，即如图2中所示，它的一端与第二磁轭6相连接并盖住线圈4的外径部分，及在另一端的齿9a、9b以预定气隙与永磁铁的外圆周部分相对置。
图2是组装状态的横截面图，图3A、3B、3C及3D是沿图2中线A-A的横截面图，及图3E，3F、3G及3H是沿图2中线B-B的横截面图。图3A及3E是在一个时刻的横截面图，图3B及3F是在另一时刻的横截面图，图3C及3G是在又一时刻的横截面图，和图3D及3H是在另又一时刻的横截面图。当从图3A及3E的状态开始，线圈3及线圈4被激励，使第一磁轭5的极部分5b、5c、5e、5f激磁成S极，与部分5b、5c对置的第三磁轭的部分8a、8b激磁成N极，第二磁轭6的极部分6b、6c、6e、6f激磁成S极，与部分6b、6c对置的第四磁轭的部分9a、9b激磁成N极，永磁铁1逆时针方向转动45°，以致进入到图3B及3F中所示的状态。
由于第一磁轮5极部分中的小直径部分5e、5f离第一磁层的内圆周表面的距离比部分5b、5c离该内圆周表面的距离远，在小直径部分5e、5f上形成的极对第一磁层的作用小，因此很少对产生的驱动力有影响。因而，该第一磁轭5能以与本申请人在先的申请No.08/831.863(申请日1997.4.2)情况中相同的方式工作，该申请中包括具有一对分离磁齿的内磁极。第一磁轭5的形状在用冲压加工生产时不会形成碎屑。因此，无需考虑碎屑的溅射，由此易于生产。由于部分5b、5e、5c、5f在整个圆周上连在一起，故强度高并且在组装时不可能变形。
对于第二磁轭6也是上述的情况。由于第二磁轭6极部分中的小直径部分6e、6f离第二磁层的内圆周表面的距离比部分6b、6c离该内圆周表面的距离远，在小直径部分6e、6f上形成的极对第二磁层的作用小，因此很少对产生的驱动力有影响。因而该第二磁轭6能以与本申请人在先的申请No.08/831.863情况中相同的方式工作。第二磁轭6的形状在用冲压加工生产时不会形成碎屑。因此，无需考虑碎屑的溅射，由此易于生产。由于部分6b、6e、6c、6f在整个圆周上连在一起，故强度高并且在组装时不可能变形。
然后，供电给线圈3的电源反相，使第一磁轭5的极部分5b、5c、5e、5f激磁成N极，与部分5b、5c对置的第三磁轭的部分8a、8b激磁成S极，第二磁轭6的极部分6b、6c、6e、6f激磁成S极，与部分6b、6c对置的第四磁轭的部分9a、9b激磁成N极，因此永磁铁1再逆时针方向转动45°，并进入到圈3C及3G的状态。
然后，供电给线圈4的电源反相，使第二磁轭6的极部分6b、6c、6e、6f激磁成N极，及与6b、6c对置的部分9a、9b激磁成S极，因此永磁铁1再反时针方向转动45°。通过持续地以此方式转换供电给线圈3及线圈4的电源方向，使由永磁铁1及转轴2组成的转子根据电源的相位转动。
下面将描述上述结构的步进电动机为什么最适合电动机的微型化。
该步进电动机的基本结构特征如下。
首先，磁铁形成空心的圆柱体形状。
第二，磁铁的外圆周表面被沿圆周分成n部分，及该n部分被交替地磁化成不同的极。
第三，第一线圈、磁铁、及第二线圈在磁铁的轴向上按次序布置。
第四，由第一及第二线圈激磁的第一及第二定子的外极和内极分别面对着磁铁的外圆周表面及磁铁的内圆周表面。
因此，该步进电动机所需的直径尺寸是使定子的极足够面对着磁铁直径处的尺寸；及该步进电动机所需轴向长度是磁铁长度和第一及第二线圈的长度之和。因而，该步进电动机的尺寸由磁铁和线圈的直径及长度来确定，通过将磁铁及线圈的直径及长度减小到非常小的值可使该步进电动机微型化。
当磁铁及线圈的直径长度作成很小时，变得难于维持步进电动机的输出精确度。这个步进电动机输出精确度的问题是通过简化结构来解决的，其中磁铁作成空心圆柱体形状，及第一和第二定子的外极和内极面对着作成空心圆柱体形状的磁铁的外圆周表面及内圆周表面。
接着描述另一个例子，在该例中第一和第二磁轭的形状被修改。
图5及图6是表示第一实施例的另一例子。
图5是第一磁轭的一个透视图，其中与第一磁层的内圆周表面相对置的极部分在垂直于轴的横截面中形成一个椭圆形状5g(A＞B，这里A是长轴，B是短轴)。图6是其中包含第一磁轭5的电动机横截面图。第一磁轭这样布置，以使得长轴A朝着与第三磁轭8的齿8a、8b相对着的位置。类似地，虽然未表示出来，第二磁轭也至少在极部分的外圆周表面上作成其有长轴A及短轴B(A＞B)的椭圆形状，及长轴这样布置，以使得它朝着与第四磁轭的齿9a、9b相对着的位置。
第一磁轭5及第二磁轭6的外圆周表面在短轴方向上分别与第一磁层及第二磁层的圆周表面相离开，由此它们不会对电动机的输出有副作用，这类似于第一例中的部分5e、5f、6e、6f。由于第一磁轭及第二磁轭的极部分在整个圆周上是连续的，其强度高并在冲压加工期间不产生碎屑，于是获得高的加工性能。
在上述第一实施例中，第一至第四磁轭5、6、8、9是分立部件，但它们可作成这样的结构，即第一和第三磁轭5、8合并成第一定子磁轭，及第二和第四磁轭6、9合并成第二定子磁轭。
第一磁铁1构成由第一磁层及第二磁层组成的双层结构，它们的相位移动180/n度(n是永磁铁磁极的数目)，即45°，但是，并不限于此，本发明也可采用永磁铁1中磁层的单层结构，其中第二和第四磁轭6、9相对第一及第三磁轭5、8位移180/n度，即45°。
以下将描述本发明的第二实施例
(例2)
图7至图10是表示本发明实施例2的附图。在图7至图10中，标号1表示由永磁铁作的圆柱形磁环，它是由具有将圆周分成n(本实施例中为4)部分并交替磁化成S和N极所获得的部分1a、1b、1c、1d的第一磁层及类似地将圆周分成n部分并交替磁化成S和N极所获得的部分1e、1f、1g、1h的第二磁层所组成的。第一磁层及第二磁层的相位彼此移动180/n度，即45°。在本实施例中，第一磁层的部分1a、1c及第二磁层的部分1e、1g的外圆周表面被磁化成S极，及它们的内圆周表面被磁化成N极；第一磁层的部分1b、1d及第二磁层的1f、1h的外圆周表面被磁化成N极，及它们的内圆周表面被磁化成S极。
标号2表示固定永磁铁1的转轴。转轴2及永磁铁1组成转子。标号3、4为线圈，它们与永磁铁同心地布置并在轴向上夹着永磁铁1。标号5表示由软磁材料作成第一磁轭，它具有放置在线圈3的孔部分3a中的部分5d及与永磁铁1的第一磁层的孔部分相对置的齿5b、5c。齿5b、5c作成彼此位移360/(n/2)度、即180°，以致相对第一磁层的极处于同一相位。转轴2的部分2a安装在第一磁轭的孔5a中，以便可以旋转。
标号6表示由软磁材料作的第二磁轭，它具有放置在线圈4的孔部分4a中的部分6d及与永磁铁1的第二磁层的孔部分相对置的齿6b、6c。齿6b、6c作成彼此位移360/(n/2)度、即180°，以致相对第二磁层的极处于同一相位。转轴2的部分2b放置在第二磁轭的孔6a中，以便可以旋转。第一磁轭5的齿5b、5c及第二磁轭的齿6b、6c位于同一相中，即它们在轴向上处于彼此对置的位置。
标号7表示由软磁材料作的第三磁轭。该第三磁轭为圆桶形，它构成为覆盖着线圈3、线圈4及永磁铁1的外圆周表面。第三磁轭的部分7e与第一磁轭5的部分5h相连接，及部分7f与第二磁轭6的部分6h相连接。第三磁轭7具有与在永磁铁1每侧上的第一磁轭5的齿5b、5c及第二磁轭6的齿6b、6c相对置位置上的部分7a、7b，及形成在部分7a、7b以外的另外部分中的孔7c、7d。由于第一磁轭5的齿5b、5c及第二磁轭6的齿6b、6c在同一相中，与这些齿面相对着第三磁轭7的部分7a、7b具有由图7中所示极部分7a、7b的连续部分组成的简单形状，因此它们易于用冲压或类似加工来生产。在形成第三磁轭7的连续部分的极齿7a、7b中，在接近磁环1的第一磁层和第二磁层之间边界位置上形成彼此相对立的孔7g、7h。
这使得靠近第三磁轭7处磁阻高，并使得由线圈3产生的磁通变为难以作用到线圈4，磁环1的第二磁层及第二磁轭6等，并使得由线圈4产生的磁通变为难以作用到线圈3、磁环1的第一磁层及第一磁轭5等。于是，转子变成可根据下述的操作平滑地转动，由此增加了电动机的输出。
图8是组装状态的横截面图，图9A、9B、9C及9D是沿图8中线A-A的横截面图，和图9E、9F、9G及9H是沿图8中B-B的横截面图。图9A及9E是在一个时刻的横截面图，图9B及9F是在另一时刻的横截面图，图9C及9G是在又一时刻的横截面图，和图9D及9H是在另又一时刻的横截面图。
当从图9A及9E的状态开始，线圈3及线圈4被激励，使第一磁轭5的齿5b、5c激磁成S极，与部分5b、5c对置的第三磁轭的部分7a、7b激励成N极，第二磁轭6的齿6b、6c激励成S极，及与齿6b、6c对置的第三磁轭的部分7a、7b激磁成N极，磁环1向左(反时针)转动45°，进入图9B及9F中所示的状态。
然后供电给线圈3的电源反相，使第一磁轭5的齿5b、5c激磁成N极，与齿5b、5c对置的第三齿轭7的部分7a、7b激磁成S极，第二磁轭6的齿6b、6c激磁成S极，与齿6b、6c对置的第三磁轭7的部分7a、7b激磁成N极，由此使磁环1再逆时针方向转动45°，并进入到图9C及9G的状态。
然后供给到线圈4的电源反相，使第二磁轭6的齿6b、6c激励成N极，及5齿6b、6c对置的第三磁轭7的部分7a、7b激励成S极，由此使永磁铁1再反时针方向转动45°。通过持续地以此方式转换供电给线圈3及线圈4的电源方向，供电磁环1及转轴2组成的转子根据电源的相位转动。图10是该是动机的顶视平面图。
下面将描述其中第三磁轭的形状改型的另一例子。
图11及图12是表示第二实施例中另一例的附图。
在图11及图12中，标号1表示由永磁铁作成的圆柱体形状的磁环，它是由具有将圆周分成n(本实施例中为4)部分并交替磁化成S和N极所获得的部分1a、1b、1c、1d的第一磁层及类似地将圆周分成4部分并交替磁化成S和N极所获得的部分1e、1f、1g、1h的第二磁层所组成。第一磁层及第二磁层的相位彼此移动180/n度、即45°。在本实施例中，第一磁层的部分1a、1c及第二磁层的部分1e、1g的外圆周表面被磁化成S极，及它们的内圆周表面被磁化成N极；第一磁层的部分1b、1d及第二磁层的部分1f、1h的外圆周表面被磁化成N极，及它们的内圆周表面被磁化成S极。
标号2表示固定永磁铁1的转轴。转轴2及永磁铁1组成转子。标号3、4为线圈，它们与永磁铁同心地布置并在轴向上夹着永磁铁1。标号5表示由软磁材料作成的第一磁轭，它具有放置线圈3的孔部分3a中的部分5d及与永磁铁1的第一磁层的孔部分相对置的齿5b、5c。齿5b、5c作成彼此位移36/(n/2)度，即180°，以致相对于第一磁层的极处于同一相位。转轴2的部分2a安装在第一磁轭的孔5a中，以便可以转动。
标号6表示由软磁材料作成的第二磁轭，它具有放置在线圈4的孔部分4a中的部分6d及与永磁铁1的第二磁层的孔部分相对置的齿6b、6c。齿6b、6c作成彼此位移360/(n/2)度，即180°，以致相对第二磁层的极处于同一相位。转轴2的部分2b放置在第二磁轭的孔6a中，以便可以旋转。第一磁轭5的齿5b、5c及第二磁轭6的齿6b、6c位于同一相中，即它们在轴向上处于彼此对置的位置。
标号7表示由软磁材料作的第三磁轭。该第三磁轭为圆桶形，以致覆盖着线圈3、线圈4及永磁铁1的外圆周表面。第三磁轭7的部分7e与第一磁轭5的部分5e相连接，及部分7f与第二磁轭6的部分6e相连接。第三磁轭7具有与在永磁铁1每侧上的第一磁轭5的齿5b、5c及第二磁轭6的齿6b、6c相对置位置上的部分7a、7b，及形成在部分7a、7b以外的另外部分中的7c、7d。第一磁轭5的齿5b、5c及第二磁轭6的齿6b、6c在同一相中，与这些面相对着的第三磁轭7的部分7a、7b为由图11中所示磁极部分的连续部分组成的简单形状。因此它们易于用冲压或类似加工来生产。在形成第三磁轭7的连续部分的极齿7a、7b中，在接近磁环1的第一磁层和第二磁层之间边界位置上形成其宽度比其它位置窄的槽口部分7i、7j。
这使得靠近第三磁轭7处磁阻高，并使得由线圈3产生的磁通变为难以作用到线圈4、磁环1的第二磁层及第二磁轭6等，并使得由线圈4产生的磁通变为难以作用到线圈3、磁环1的第一磁层及第一磁轭等。于是，转子变成可根据已述的操作平滑地转动，由此增加了电动机的输出。
如上所述，本发明可提供价廉的电动机，因为磁轭作成具有良好可加工性及高强度的形状。本发明也可提供易于生产的、具有小直径且转动平滑的高输出电动机。
在以上实施例中，形成转子的永磁铁是通过将外圆周表面在圆周上分成n部分并将这n部分磁化成S和N极，及也通过将内圆周表面在圆周上分成n部分地这n部分磁化成S和N极获得一种转子，以致内圆周表面磁化成与相邻的外圆周表面不同的极。但是，本发明并不限于此，而永磁铁可以是通过仅将外圆周表面在圆周上分成n部分并将这n部分磁化成S和N极来获得的一种永磁铁。
在上述实施例中，永久磁铁的极数为4，但是并不限于此，本发明可应用于其中永磁铁的极数不小于4的情况。在永磁铁的极数不小于4的情况下，内极和外极的数目也随之增加。