HB型混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理詳解

　　混合式步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。反應(yīng)式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或1.5度；永磁式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。

　　混合式（即HB型）步進(jìn)電機(jī)有兩相、三相、五相式，轉(zhuǎn)子因與相數(shù)無關(guān)，而采用相同轉(zhuǎn)子，本文以兩相HB型混合式步進(jìn)電機(jī)為例加以說明。HB型的名稱由其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)得來，其轉(zhuǎn)子是PM型永磁步進(jìn)電機(jī)與VR型變磁阻反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的復(fù)合體，故而也稱此類電機(jī)為為混合式步進(jìn)電機(jī)。

　　本文主要介紹HB型混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，具體的跟隨小編來了解一下。

　　HB型混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)為兩個(gè)導(dǎo)磁圓盤中間夾著一個(gè)永磁圓柱體軸向串在一起，兩個(gè)導(dǎo)磁圓盤的外圓齒節(jié)距相同，與前述的VR型可變磁阻反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同，其兩個(gè)圓盤的齒錯(cuò)開1/2齒距安裝，轉(zhuǎn)子圓柱永磁體軸向充磁一端為N極，另一端為S極。

　　此種電機(jī)轉(zhuǎn)子與前面敘述的PM型永磁步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子從結(jié)構(gòu)來看，PM型轉(zhuǎn)子N極與S極分布于轉(zhuǎn)子外表面，要提高分辨率，就要提高極對(duì)數(shù)，通常20mm的直徑，轉(zhuǎn)子可配置24極，如再增加極數(shù)，會(huì)增大漏磁通，降低電磁轉(zhuǎn)矩；而HB型轉(zhuǎn)子N極與S極分布在兩個(gè)不同的軟磁圓盤上，因此可以增加轉(zhuǎn)子極數(shù)，從而提高分辨率，20mm的直徑可配置100個(gè)極，并且磁極磁化為軸向，N極與S極在裝配后兩極磁化，所以充磁簡單。

　　與轉(zhuǎn)子齒對(duì)應(yīng)的定子極，主極內(nèi)徑有與轉(zhuǎn)子齒節(jié)距相同的小齒，與轉(zhuǎn)子齒的磁通在氣隙處相互作用，能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。此種轉(zhuǎn)子的步進(jìn)電機(jī)在近期被廣泛應(yīng)用。

　　此種結(jié)構(gòu)源自于1992年美國GE通用電氣公司的Karl Feiertag，取得美國專利的發(fā)電機(jī)。與現(xiàn)在的兩相HB型步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)相同，當(dāng)初是作為低速同步電機(jī)使用，其后，美國的Superior Electric公司和Sigma Instruments 公司開發(fā)出步距角為1.8°，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50的兩相HB型步進(jìn)電機(jī)。

　　如下圖所示為定子為兩相繞組，轉(zhuǎn)子齒數(shù)50，1.8°的HB型混合式步進(jìn)電機(jī)的剖視圖。為加大輸出轉(zhuǎn)矩，盡量加長了轉(zhuǎn)子軟磁磁極的軸向長度。

　　下圖為HB型步進(jìn)電機(jī)各結(jié)構(gòu)示意圖：

　　定子為8個(gè)磁極（放置繞組的主磁極）均勻分布，此8個(gè)磁極的內(nèi)圓分布有與轉(zhuǎn)子齒距相同的齒，與轉(zhuǎn)子齒分布在氣隙兩邊。轉(zhuǎn)子齒多于定子齒。

　　線圈用繞線機(jī)直接繞制在樹脂注塑成型的槽絕緣骨架上，線圈繞好后安裝在磁極上。前、后端蓋采用鑄鋁材料，采用機(jī)械加工方法保證軸承座與安裝止口的同心度。通常HB型混合式步進(jìn)電機(jī)的氣隙為0.05~0.1mm，由于氣隙小，所以控制各組件的加工精度相當(dāng)重要。

　　轉(zhuǎn)子裝入定子和前后端蓋，確保氣隙均勻，永磁體的磁化方向?yàn)檩S向，N、S極在兩端磁化，產(chǎn)生的磁力線方向如箭頭所示，為容易理解，簡化實(shí)際磁路為定子為4個(gè)主極與5個(gè)轉(zhuǎn)子齒（如下圖所示），此處省略了定子繞組。

　　由于轉(zhuǎn)子的永久磁鐵的磁通在定子中變成交鏈磁通，當(dāng)定子線圈流過電流時(shí)，根據(jù)弗萊明左手定則（I為電流，B為磁通密度，L為線圈軸向有效長度）產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。2個(gè)導(dǎo)磁體夾著1個(gè)永磁體，轉(zhuǎn)子的齒位置互相相差1/2齒節(jié)距。轉(zhuǎn)子的磁通從N極出發(fā)，經(jīng)過氣隙最小處（定轉(zhuǎn)子齒相對(duì)的地方）到定子磁路，再返回轉(zhuǎn)子的S極，磁路如箭頭所示。

　　上圖左側(cè)的轉(zhuǎn)子上部，右側(cè)的轉(zhuǎn)子下部產(chǎn)生吸引力，軸兩側(cè)產(chǎn)生力矩（此力是不平衡電磁力），轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)受定子激磁線圈切換產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力。軸承的間隙會(huì)很容易產(chǎn)生振動(dòng)。實(shí)際上定子主極為8個(gè)極，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為偶數(shù)，目的是消除此不平衡電磁力。實(shí)際上與2個(gè)轉(zhuǎn)子齒部相對(duì)的定子，在軸向上并非是分開成兩個(gè)，而是采用硅鋼片疊壓而成一體。

　　下圖描述了兩相HB型步進(jìn)電機(jī)的工作原理。永久磁鐵使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生N極和S極，由吸引力和排斥力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，兩相繞組假設(shè)為A相、B相、“杠A”相、“杠B”相。例如，A相和“杠A”相接通電源，根據(jù)右手螺旋法則產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)。同樣，B相與“杠B”相也是如此。圖中，實(shí)線箭頭表示轉(zhuǎn)子磁通，虛線表示為其磁路磁通Фm。從轉(zhuǎn)子磁鐵的軸向圖看，轉(zhuǎn)子N極通過氣隙向下進(jìn)入定子，通過定子磁極軸向穿過鐵心到達(dá)上面的定子磁極后，穿過氣隙回到轉(zhuǎn)子S極。下圖充分說明了HB型混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

　　轉(zhuǎn)子磁路中間為永久磁鐵，下側(cè)為N極，上側(cè)為S極。磁鐵的厚度方向磁通由上向下。開始狀態(tài)（a）為A相激磁，則“杠A”相極性相反，因此停在圖示位置，轉(zhuǎn)子與A相和“杠A”相的各一半對(duì)應(yīng)，形成交鏈磁通Фm，如圖中虛線所示。

　　下一步，激磁相轉(zhuǎn)換到狀態(tài)（b），斷開A相激磁電流，接通B相激磁電流，則轉(zhuǎn)子向右移動(dòng)1/4轉(zhuǎn)子齒距，運(yùn)行到圖（b）的位置。

　　再一步，激磁相轉(zhuǎn)換到狀態(tài)（c），斷開B相激磁，接通“杠A”相激磁，則轉(zhuǎn)子從狀態(tài)（b）向右移動(dòng)一步（1/4齒距）運(yùn)行到狀態(tài)（c）的位置。同樣，激磁相換到狀態(tài)（d），斷開“杠A”相激磁，接通“杠B”相激磁，則轉(zhuǎn)子從狀態(tài)（c）向右移動(dòng)一步（1/4齒距）運(yùn)行到狀態(tài)（d）的位置。再一步，就返回狀態(tài)（a），依次不斷循環(huán)。