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2021.06.09 电机

混合式步进电机的结构和工作原理

步进电机

此前已经以PM型步进电机为例介绍了步进电机的工作。本文将介绍当今应用广泛的混合式步进电机的结构和工作原理。

混合式步进电机的结构

混合式步进电机是兼具VR型和PM型电机优点的步进电机。VR(Variable Reluctance)型电机使用齿轮状的铁芯作为转子。其优点是可以通过机械加工减小步距角,缺点是转矩稍低,难以同时实现小型化和大转矩。而PM(Permanent Magnet)型电机则可以通过强力永磁体实现小型化的同时获得转矩,但是在减小步距角方面存在限制。

混合式电机使用VR型结构来实现精细的步距角,并且可以通过与永磁体相结合来增加转矩,这种电机已被用于众多应用。

转子的基本结构是在两个铁转子之间夹着沿轴向着磁的圆柱形磁铁。转子的圆周上刻有齿。从轴向看,是将两个转子的齿错开1/2节距进行安装。定子具有多个带有励磁线圈的磁极,每个磁极也具有类似于转子的齿。

在该图中,定子绕组有四个,它们布置在转子周围,彼此对置的线圈作为一组连接,在该图中,上侧和下侧的线圈为A相,左侧和右侧的线圈为B相。线圈的连接使两个相对的磁极在通电后互为N极和S极。

图中的转子齿数为15个。假设白色转子是靠近自己这边的转子并已通过永磁体被磁化为N极,则蓝色转子位于背面并被磁化为S极。

混合式步进电机的工作原理

下面使用下图来介绍混合式步进电机的工作原理。在初始状态(参见上面的“初始状态”图),通电后A相(上下)的上磁极变为S极,下磁极变为N极。白色的齿为N极,因此与A相的S极相吸;而蓝色的齿为S极,因此与A相的N极相吸。从该状态开始,使线圈的通电状态按照①~⑤的顺序变化。

下面对①~⑤的工作进行说明。

  • ①B相(左右)通电,使右侧为S极,左侧为N极。位于前面的白色齿(N)与右磁极(S)相吸,位于背面的蓝色齿(S)与左磁极(N)相吸。
  • ②当通电使A相(上下)的上磁极为N、下磁极为S时,前面的白色齿(N)与下磁极(S)相吸,背面的蓝色齿(S)与上磁极(N)相吸,转子进一步沿逆时针方向转动。
  • ③当使B相(左右)与①反向通电时,前面的白色齿(N)与左磁极(S)相吸并转动,背面的蓝色齿(S)与右磁极(N)相吸并转动。
  • ④当使A相(上下)与②反向通电时,前面的白色齿(N)与上磁极(S)相吸并转动,背面的蓝色齿(S)与下磁极(N)相吸并转动。当通电使上磁极为S、下磁极为N时,转子以相同的方式转动,并且转子相对于初始状态(参见上面的“初始状态”图)旋转一个齿距。
  • ⑤当通电使B相(左右)右磁极为S、左磁极为N(与①相同)时,转子以相同的方式转动,并且相对于①旋转一个齿距。

综上所述,转子按照①~⑤中的四个步骤沿逆时针方向转动一个齿距,通过重复这些步骤的动作来使电机连续旋转。要沿相反的顺时针方向旋转时,请按⑤~①的顺序控制通电。

图片来源 Fig_1:http://www.minebea.co.jp/news/ 小型、高分辨率、高刚性混合式步进电机“25□(见方)1.8°”(外形尺寸25mm见方、步距角1.8度)的产品化

关键要点:

・混合式步进电机是兼具VR型和PM型电机优点的步进电机。

・混合式步进电机使用VR型结构来实现精细的步距角,并且可以通过与永磁体相结合来增加转矩。

・步进电机通过切换两对线圈的通电状态(4步),可以使转子旋转一个齿距。

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