混合式直線步進(jìn)電機(jī)技術(shù)詳解

步進(jìn)電機(jī)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榫€性運(yùn)動(dòng)可用幾種機(jī)械方法完成，包括齒條和齒輪傳動(dòng)及皮帶輪傳動(dòng)以及其他機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械。所有這些設(shè)計(jì)都需要各種機(jī)械零件。而完成這種轉(zhuǎn)變的最有效方法是在電機(jī)自身內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

說明

基本的步進(jìn)電機(jī)是由有磁性的轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈動(dòng)的定子電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。直線電機(jī)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榫€性運(yùn)動(dòng)，完成這個(gè)轉(zhuǎn)變的精密性取決于轉(zhuǎn)子的步進(jìn)角度和所選方法。線性步進(jìn)電機(jī)，或者稱為直線步進(jìn)電機(jī)，首先出現(xiàn)在1968年的第3，402，308號(hào)專利上，是頒發(fā)給Willian Henschke的。從此以后，直線步進(jìn)電機(jī)被應(yīng)用于包括制造、精密調(diào)準(zhǔn)和精密流體測量在內(nèi)的諸多高要求領(lǐng)域。

使用螺紋的直線電機(jī)的精密度，取決于它的螺距。在直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子中心安裝一個(gè)螺母，相應(yīng)地采用一根螺桿與此螺母嚙合，為使螺桿軸向移動(dòng)，必須用某種方法來防止螺桿與轉(zhuǎn)子組件一同轉(zhuǎn)動(dòng)。由于螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)受到制約，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿實(shí)現(xiàn)了線性運(yùn)動(dòng)。無論是在電機(jī)內(nèi)部用固定螺紋軸組件還是在外部的螺紋軸上使用不能旋轉(zhuǎn)但軸向可自由移動(dòng)的螺母，都是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)約束的典型方法。

為簡化設(shè)計(jì)，在電機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)線性變換是有意義的。該方法極大的簡化了設(shè)計(jì)，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置的情況下直接使用直線電機(jī)進(jìn)行精密的線性移動(dòng)。

最初的直線電機(jī)采用了一個(gè)滾珠螺母和絲桿的結(jié)合體。滾珠絲桿提高達(dá)90%以上的效率，而根據(jù)螺紋條件，梯形螺紋提供的效率僅有20%-70%。

盡管對于轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為線性運(yùn)動(dòng)而言滾珠絲桿是一種高效的方法，但是滾珠螺母對校準(zhǔn)要求很高，而且體積較大，費(fèi)用昂貴。因此，在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，滾珠絲桿并非是一個(gè)較實(shí)用的解決方法。

大多數(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)人員對以混合式步進(jìn)電機(jī)為基礎(chǔ)的直線電機(jī)十分熟悉。該產(chǎn)品已有多年歷史，與其它設(shè)備一樣有其自身的長處和局限性。設(shè)計(jì)簡便、緊湊、無電刷（因此無火花）、驚人的機(jī)械優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計(jì)的實(shí)用性以及可靠性是它與生俱來的優(yōu)點(diǎn)，然而在某些情況下，此直線電機(jī)不能用于某些設(shè)備，因?yàn)樵跊]有日常維護(hù)的條件下它是不能保證其耐久性的。

不過，目前有幾種方法可以克服這樣的障礙，使直線電機(jī)具有更高的耐久性且不用維護(hù)，由于步進(jìn)電機(jī)的無電刷設(shè)計(jì)，產(chǎn)生磨損的唯一部件是轉(zhuǎn)子軸承以及由導(dǎo)螺桿/螺母組成的螺紋接合。滾珠軸承近年來的改進(jìn)已經(jīng)提供了適應(yīng)直線運(yùn)動(dòng)的長壽命產(chǎn)品。最近導(dǎo)螺桿和螺母組合的壽命和耐用性也都有了改進(jìn)。

提高耐久性

首先有必要了解電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。一個(gè)較好的研究實(shí)例Size 17電機(jī)，它屬于混全式步進(jìn)電機(jī)家庭中尺寸較小的。習(xí)慣上，直線電機(jī)使用由一軸承級(jí)金屬材料（如青銅）加工成的空心軸，該空心軸具有內(nèi)螺紋然后與螺紋導(dǎo)桿連接。空心軸沿轉(zhuǎn)子軸線安裝。導(dǎo)桿材料通常為不銹鋼，它具有相當(dāng)?shù)姆栏g性能。大多數(shù)零件所用的螺紋的型式是加工螺紋（如#10-32），此螺紋有單頭或多頭，這取決于電機(jī)所需的精度和速度。

加工螺紋一般選擇 “V”形螺紋，這是由于其易加工并可軋制成形。盡管這對加工來說是較為適用，但對動(dòng)力的傳輸而言卻是不利。相比之下Acme螺紋更為合適，主要理由如下：

Acme螺紋的設(shè)計(jì)更加高效。而從使用角度來看，低損耗（包括磨擦），就意味著磨損少和使用壽命長。從螺紋的基本幾何原理看就很容易理解其中的原因。“V”形螺紋的相對面之間的角度為60度，而Acme螺紋的僅為29度。

假定磨擦、扭矩和螺紋角相同，“V”形螺紋能傳送的力約為梯形螺紋的85%。用式（1）和（2）可以求出效率，因?yàn)槭褂玫穆菁y是V形的，取決于負(fù)載方向。60度螺紋的效率除以29度螺紋效率就能計(jì)算出比率。

這里的效率計(jì)算還未考慮由于“V”形螺紋表面的高壓力而產(chǎn)生的額外的損耗。

Acme螺紋導(dǎo)桿一般是為傳送動(dòng)力而制作的，所以其表面光潔度、螺距精度及公差得到嚴(yán)格保證。“V”形螺紋基本上用于緊固螺紋，所以其表面光潔度和直線性并不受到嚴(yán)格控制。

與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)螺桿的螺母甚至顯得更重要，該螺母通常是嵌入電機(jī)轉(zhuǎn)子中的。傳統(tǒng)的螺母材料采用軸承級(jí)的青銅并在其內(nèi)部加工螺紋，這樣做是綜合考慮了物理穩(wěn)定性和潤滑性。當(dāng)然，說它是綜合考慮是因?yàn)槠湓谶@兩方面并非特別優(yōu)秀。直線電機(jī)中驅(qū)動(dòng)螺母的較好材料是自潤滑的熱塑性材料。這是因?yàn)橛眯碌墓こ趟芰夏苁孤輻U螺母運(yùn)動(dòng)磨擦系數(shù)降低。圖3是不同內(nèi)螺紋轉(zhuǎn)子材料的磨擦性能的比較。

結(jié)果很明顯，但為何不用塑料的驅(qū)動(dòng)螺母？對螺紋來說塑料是好的，可惜的是對于混合式電機(jī)中的轉(zhuǎn)子軸頸來說工程塑料卻不穩(wěn)定。由于電機(jī)的溫度在運(yùn)行時(shí)可能升至167°F，在這種情況下塑料的膨脹量可能達(dá)到0.004英寸，但黃銅在同樣熱條件下僅膨脹0.001英寸。見圖4

軸承軸頸在混合式電機(jī)結(jié)構(gòu)中是非常重要的，為了達(dá)到最佳性能，混合式電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)必須保持千分之幾英寸的轉(zhuǎn)子鐵芯外徑和定子內(nèi)徑之間的空隙。如果轉(zhuǎn)子裝配不同心則將與定子內(nèi)壁磨擦。設(shè)計(jì)人員希望通過選擇合適的材料在螺紋壽命和軸承軸頸的穩(wěn)定性上都取得較好的效果，而注塑有內(nèi)螺紋的金屬轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)正好是理想的選擇。（圖5）

該結(jié)構(gòu)極大地提高了電機(jī)運(yùn)行壽命和效率，并降低了運(yùn)行噪音。電機(jī)壽命比在其它電機(jī)中使用的常規(guī)青銅螺母結(jié)構(gòu)高，且不需維護(hù)。（圖6）