反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理及設(shè)計

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，是一種傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)，由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單，轉(zhuǎn)子上均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。市場上一般以二、三、四、五相的反應(yīng)式步進(jìn)機(jī)居多 [2] 。定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2°、但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)主要應(yīng)用于計算機(jī)外部設(shè)備、攝影系統(tǒng)、光電組合裝置、閥門控制、核反應(yīng)堆、銀行終端、數(shù)控機(jī)床、自動繞線機(jī)、電子鐘表及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中 [3] 。

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理:

轉(zhuǎn)子上均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。市場上一般以二、三、四、五相的反應(yīng)式步進(jìn)機(jī)居多。轉(zhuǎn)子由硅鋼片或電工純鐵棒等導(dǎo)磁體構(gòu)成，轉(zhuǎn)子外表面為多齒緒(轉(zhuǎn)子的齒槽在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生磁骸阻變化故稱為變磁阻電機(jī)，簡稱VR)。定子線圈通電時，定子磁極磁化，吸引轉(zhuǎn)子齒而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使其移動一步。與永磁電機(jī)產(chǎn)生磁性吸引轉(zhuǎn)矩和排斥轉(zhuǎn)矩相比,VR型只產(chǎn)生吸引轉(zhuǎn)矩。圖2.22示出VR型步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理。圖2.22 上圖，定子上均勻分布了12個磁極，每個磁極相距30°，相差90°(間隔三個槽)的四個線圈組成一相繞組。轉(zhuǎn)子齒數(shù)為8,當(dāng)一相繞組通電時,其定子極吸引轉(zhuǎn)子齒,使氣隙磁阻最小達(dá)到靜止位置。

下面,從步驟1到步驟3來說明工作原理。

步驟1,為第1相線圈的簡化圖，剖面線表示第1相定子激磁,轉(zhuǎn)子被第1相定子磁極吸引,轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)到定子磁極之下。

步驟2,第1相繞組電流關(guān)閉,第2相繞組通電,轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)一步(15),旋轉(zhuǎn)至第2相定子磁極之下停止。步距角15°由360°(1/8~1/12)決定，即由轉(zhuǎn)子齒節(jié)距與定子齒節(jié)距之差而求得步距角，也可以用轉(zhuǎn)子齒節(jié)距除以相數(shù)3而得到。

VR型步進(jìn)電機(jī)的步距角不能用式(2.1)來計算，而是式(2.1)計算值的兩倍。即分辨率與永磁式比較，雖然轉(zhuǎn)子齒數(shù)相同,但VR型只有1/2。

步驟3,同樣給第3相繞組通電,轉(zhuǎn)子同樣逆時針旋轉(zhuǎn)15° ，與定子第3相磁極相對位置停止。下一刻,第1相繞組通電,又由步驟3的轉(zhuǎn)子位置逆時針旋轉(zhuǎn)15°到第1相定子磁極下,恢復(fù)到步驟1狀態(tài)。依次進(jìn)行不斷切換激磁相，1相、2相、3相、1.....轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。此為VR型步進(jìn)電機(jī)的工作原理。如順時針方向旋轉(zhuǎn),換相順序為1相、3相、2相。此時,步距角為轉(zhuǎn)子齒節(jié)距的1/3,即齒節(jié)距被相數(shù)除得到步距角，輸出轉(zhuǎn)矩與永磁電機(jī)不同,其與激磁電流的平方成正比。

VR型步進(jìn)電機(jī)因不使用永久磁鐵,其定轉(zhuǎn)子磁場強(qiáng)度與激磁電流成正比，要想增大磁場強(qiáng)度,就需要很大的激磁電流,因此，溫升很高,散熱片也很大。

反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，按定轉(zhuǎn)子鐵芯的段數(shù)分為單段式和多段式兩種。

1、單段式步進(jìn)電機(jī)

單段式步進(jìn)電機(jī)是定轉(zhuǎn)子為一段鐵芯。由于各相繞組沿圓周方向均勻排列所以又稱為徑向分相式。它是步進(jìn)電動機(jī)中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。如圖4-4為相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的徑向截面圖。定轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子磁極為凸極式，磁極的極面上開有小齒。定子上有三套控制繞組，每一套有兩個串聯(lián)的集中控制繞組分別繞在徑向相對的兩個磁極上。每套繞組叫一相，三相繞組接成星形，所以定子磁極數(shù)通常為相數(shù)的兩倍，即2p=2m(p為極對數(shù)m為相數(shù))轉(zhuǎn)子上沒有繞組，沿圓周也有均勻的小齒，其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是制造簡便，精度易于保證，步距角可以做得較小。容易得到較高的啟動和運(yùn)行頻率。其缺點是在電機(jī)的直徑較小而相數(shù)又較多時，沿徑向分相較為困難，消耗功率大，斷電時無定位轉(zhuǎn)矩。

2、多段式步進(jìn)電機(jī)

多段式步進(jìn)電機(jī)是定轉(zhuǎn)子鐵芯沿電機(jī)軸向按相數(shù)分成m段。由于各相繞組沿著軸向分布，所以又稱為軸向分相式。按其磁路的結(jié)構(gòu)特點有兩種，一種是主磁路仍為徑向，另一種是主磁路包含有軸向部分。

反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特點

1、較高的力矩轉(zhuǎn)動慣量比

2、步進(jìn)頻率較高，頻率響應(yīng)快

3、不通電時可以自由轉(zhuǎn)動、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長的特點。