混合式直線步進電機技術(shù)詳解

　　步進電機由旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榫€性運動可用幾種機械方法完成，包括齒條和齒輪傳動及皮帶輪傳動以及其他機械聯(lián)動機械。所有這些設(shè)計都需要各種機械零件。而完成這種轉(zhuǎn)變的最有效方法是在電機自身內(nèi)部實現(xiàn)。

　　說明

　　基本的步進電機是由有磁性的轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈動的定子電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。直線電機把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榫€性運動，完成這個轉(zhuǎn)變的精密性取決于轉(zhuǎn)子的步進角度和所選方法。線性步進電機，或者稱為直線步進電機，首先出現(xiàn)在1968年的第3，402，308號專利上，是頒發(fā)給Willian Henschke的。從此以后，直線步進電機被應(yīng)用于包括制造、精密調(diào)準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的精密度，取決于它的螺距。在直線電機的轉(zhuǎn)子中心安裝一個螺母，相應(yīng)地采用一根螺桿與此螺母嚙合，為使螺桿軸向移動，必須用某種方法來防止螺桿與轉(zhuǎn)子組件一同轉(zhuǎn)動。由于螺桿轉(zhuǎn)動受到制約，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，螺桿實現(xiàn)了線性運動。無論是在電機內(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)但軸向可自由移動的螺母，都是實現(xiàn)轉(zhuǎn)動約束的典型方法。

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

　　最初的直線電機采用了一個滾珠螺母和絲桿的結(jié)合體。滾珠絲桿提高達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)運動為線性運動而言滾珠絲桿是一種高效的方法，但是滾珠螺母對校準要求很高，而且體積較大，費用昂貴。因此，在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，滾珠絲桿并非是一個較實用的解決方法。

　　大多數(shù)設(shè)備設(shè)計人員對以混合式步進電機為基礎(chǔ)的直線電機十分熟悉。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)計簡便、緊湊、無電刷（因此無火花）、驚人的機械優(yōu)點、設(shè)計的實用性以及可靠性是它與生俱來的優(yōu)點，然而在某些情況下，此直線電機不能用于某些設(shè)備，因為在沒有日常維護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，使直線電機具有更高的耐久性且不用維護，由于步進電機的無電刷設(shè)計，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已經(jīng)提供了適應(yīng)直線運動的長壽命產(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。

　　提高耐久性

　　首先有必要了解電機的基本結(jié)構(gòu)。一個較好的研究實例Size 17電機，它屬于混全式步進電機家庭中尺寸較小的。習(xí)慣上，直線電機使用由一軸承級金屬材料（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?？招妮S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，因為使用的螺紋是V形的，取決于負載方向。60度螺紋的效率除以29度螺紋效率就能計算出比率。

　　這里的效率計算還未考慮由于“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)桿一般是為傳送動力而制作的，所以其表面光潔度、螺距精度及公差得到嚴格保證?！癡”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格控制。

　　與此同時，驅(qū)動螺桿的螺母甚至顯得更重要，該螺母通常是嵌入電機轉(zhuǎn)子中的。傳統(tǒng)的螺母材料采用軸承級的青銅并在其內(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為其在這兩方面并非特別優(yōu)秀。直線電機中驅(qū)動螺母的較好材料是自潤滑的熱塑性材料。這是因為用新的工程塑料能使螺桿螺母運動磨擦系數(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)動螺母？對螺紋來說塑料是好的，可惜的是對于混合式電機中的轉(zhuǎn)子軸頸來說工程塑料卻不穩(wěn)定。由于電機的溫度在運行時可能升至167°F，在這種情況下塑料的膨脹量可能達到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結(jié)構(gòu)中是非常重要的，為了達到最佳性能，混合式電機在設(shè)計時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)極大地提高了電機運行壽命和效率，并降低了運行噪音。電機壽命比在其它電機中使用的常規(guī)青銅螺母結(jié)構(gòu)高，且不需維護。（圖6）