混合式直線步進電機技術詳解

步進電機由旋轉運動變?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。所有這些設計都需要各種機械零件。而完成這種轉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)生轉動。直線電機把旋轉運動變?yōu)榫€性運動，完成這個轉變的精密性取決于轉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。在直線電機的轉子中心安裝一個螺母，相應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子組件一同轉動。由于螺桿轉動受到制約，當轉子旋轉時，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但軸向可自由移動的螺母，都是實現(xiàn)轉動約束的典型方法。

為簡化設計，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計，使得在許多應用領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%。

盡管對于轉換旋轉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)應用領域中，滾珠絲桿并非是一個較實用的解決方法。

大多數(shù)設備設計人員對以混合式步進電機為基礎的直線電機十分熟悉。該產(chǎn)品已有多年歷史，與其它設備一樣有其自身的長處和局限性。設計簡便、緊湊、無電刷（因此無火花）、驚人的機械優(yōu)點、設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計，產(chǎn)生磨損的唯一部件是轉子軸承以及由導螺桿/螺母組成的螺紋接合。滾珠軸承近年來的改進已經(jīng)提供了適應直線運動的長壽命產(chǎn)品。最近導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構。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)螺紋然后與螺紋導桿連接?？招妮S沿轉子軸線安裝。導桿材料通常為不銹鋼，它具有相當?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。“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格控制。