一文解析直線步進(jìn)電機(jī)工作原理

　　直線步進(jìn)電機(jī)可以直線運動或直線往復(fù)運動。旋轉(zhuǎn)電動機(jī)作為動力源，要轉(zhuǎn)變成直線運動，需要借助齒輪、凸機(jī)輪構(gòu)及皮帶或鋼絲。本文主要詳解直線步進(jìn)電機(jī)的工作原理，首先介紹了直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，其次介紹了直線步進(jìn)電機(jī)的基本原理及工作原理，最后闡述了它的優(yōu)勢及應(yīng)用。

　　直線步進(jìn)電機(jī)簡介

　　直線步進(jìn)電機(jī)，或稱線性步進(jìn)電機(jī)，是由磁性轉(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，直線步進(jìn)電機(jī)在電機(jī)內(nèi)部把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為線性運動。

　　直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　如下圖所示為旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動直線運動的機(jī)構(gòu)：軟盤驅(qū)動器（FDD）磁頭運動機(jī)構(gòu)。以前3.5英寸FDD的機(jī)構(gòu)多采用圖（a）的螺桿機(jī)構(gòu)，雖然間隙很小，但效率低，因此高速運行困難，但由于價格便宜得以廣泛使用。圖（b）、（c）、（d）的機(jī)構(gòu)為5.25英寸FDD的使用方式，（c）的皮帶式多用在打印機(jī)的傳輸筒驅(qū)動上。這些直線轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可以使用圖（e）的直線步進(jìn)電機(jī)來代替。

　　

　　

　　

　　直線步進(jìn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)型比較，能直接直線運動，可以使機(jī)器小型化；對負(fù)載慣量敏感；如行程長，氣隙會比旋轉(zhuǎn)型的大，從而會產(chǎn)生效率下降等問題，使用時要特別注意便用用途和使用環(huán)境等方面的問題。

　　直線步進(jìn)電機(jī)基本原理

　　采用一根螺桿和螺母相嚙合，采取某種方法防止螺桿螺母相對轉(zhuǎn)動，從而使螺桿軸向移動。一般而言，目前有兩種實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的方式，第一種是在電機(jī)內(nèi)置一個帶內(nèi)螺紋的轉(zhuǎn)子，以轉(zhuǎn)子的內(nèi)螺紋和螺桿相嚙合而實現(xiàn)線性運動，第二種是以螺桿作為電機(jī)出軸，在電機(jī)外部通過一個外部驅(qū)動螺母和螺桿相嚙合從而實現(xiàn)直線運動。這樣做的結(jié)果是大大簡化了設(shè)計，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精密的線性運動。

　　直線步進(jìn)電機(jī)工作原理（索耶為例）

　　直線步進(jìn)電機(jī)有三相VR型，此處介紹永久磁鐵轉(zhuǎn)子的運行原理：索耶（Sawyer）原理。下圖表示利用索耶原理的直線步進(jìn)電機(jī)工作原理。

　　

　　如按①、②、③、④的順序切換電流，利用線圈電流給兩個磁極激磁，產(chǎn)生相反的極性，與永久磁鐵產(chǎn)生的磁通進(jìn)行疊加，一個磁極的磁通相加，另一個就相減，當(dāng)繞組產(chǎn)生的磁通與永久磁鐵的相同時，相減磁極的磁通為零，此時永久磁鐵的磁通通過同方向的激磁磁極，通過定子磁軛、動子的兩個磁極，返回到永久磁鐵的另一磁極，①、②、③、④順序切換激磁電流，轉(zhuǎn)子每次向右移動1/4定子齒距。此為索耶直線步進(jìn)電機(jī)的工作原理。

　　直線步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢（對比傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)）

　?。?）高速響應(yīng)性

　　一般來講機(jī)械傳動件比電氣元器件的動態(tài)響應(yīng)時間要大幾個數(shù)量級。由于系統(tǒng)中取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的如絲杠等機(jī)械傳動件，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高，使反應(yīng)異常靈敏快捷。

　?。?）高精度性

　　由于取消了絲杠等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，因而減少了插補(bǔ)時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，可大大提高機(jī)床的定位精度。

　?。?）傳動剛度高、推力平穩(wěn)

　　“直接驅(qū)動”提高了其傳動剛度。同時直線電機(jī)的布局，可根據(jù)機(jī)床導(dǎo)軌的形面結(jié)構(gòu)及其工作臺運動時的受力情況來布置。通常設(shè)計成均布對稱，使其運動推力平穩(wěn)。

　　（4）速度快、加減速過程短

　　直線電機(jī)最早主要用于磁浮列車（時速可達(dá)500km/h），現(xiàn)在用于機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動中，要滿足其超高速切削的最大進(jìn)給速度（要求達(dá)60～100m/min或更高）當(dāng)然是沒問題的。也由于“零傳動”的高速響應(yīng)性，使其加減速過程大大縮短，從而實現(xiàn)起動時瞬間達(dá)到高速，高速運行時又能瞬間準(zhǔn)停。加速度一般可達(dá)到2～10g（g=9.8m/s2）。

　　（5）行程長度不受限制

　　在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線步進(jìn)電機(jī)的定件，就可無限延長動件的行程長度。

　　（6）運行時噪聲低

　　由于取消了傳動絲杠等部件的機(jī)械摩擦，而其導(dǎo)軌副又可采用滾動導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無機(jī)械接觸），使運動噪聲大大下降。

　　（7）效率高

　　由于無中間傳動環(huán)節(jié)，也就取消了其機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗。

　　

　　直線步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

　　直線步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于包括制造、精密校準(zhǔn)、精密流體測量、精確位置移動等諸多高精度要求領(lǐng)域。