直线步进电机技术概述 - 文章

直线步进电机技术概述

作者：Robert Pulford Jr. Keith Kowalski 来源：DesignNews

步进电机由旋转运动转变为线性运动可用几种机械方法完成，包括齿条和齿轮传动及皮带和皮带轮传动以及其他机械联接机构。所有这些设计都需要各种机械零件。完成这个转变的最有效方法是在电机自身内进行。

基本的步进电机是由有磁性的转子铁芯通过与由定子产生的脉动的定子电磁场相互作用而产生转动。直线电机把旋转运动转变为线性运动，完成这个转变的精密性取决于转子的步进角度和所选方法。线性步进电机，或者称为直线步进电机，首先出现在1968年的第3,402,308号专利上，是颁发给William Henschke的。从此以后，直线步进电机在许多要求极高的领域有了用武之地。包括制造应用、精密调准和精密流体测量在内的诸多高要求领域。

使用螺纹的直线电机精密度，取决于它的螺距。在直线电机的转子中心安装一个螺母，相应地一个螺杆与此螺母啮合，为使螺杆轴向移动，必须用某种方法来防止螺杆与转子组件一同转动。由于螺杆转动受到制约，当转子旋转时，螺杆实现了线性运动。无论是在电机内部用固定螺纹轴组件还是在外部的螺纹轴上使用不能旋转但轴向可自由移动的螺母，都是实现转动约束的典型方法。

为简化设计，在电机内部实现线性变换是有意义的。该方法极大地简化了设计，使得在许多应用领域中能够在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线电机进行精密的线性移动。

最初的直线电机采用了一个滚珠螺母和丝杆的结合体。滚珠丝杆提供了90%以上的效率，而根据螺纹条件，梯形螺纹提供的效率仅有20%～70%。

尽管滚珠丝杆对转换旋转运动为线性运动是一个高效的方法，但是滚珠螺母很难校准，而且体积庞大，费用昂贵。因此，在大多数应用领域中，滚珠丝杆并非是一个实际的解决方法。

大多数设备设计人员对以直线电机为基础的混合式步进电机是熟悉的。该产品有多年的历史了，与其它设备一样它有其自己的长处和局限性。设计简便、紧凑、无电刷（因此无火花）、惊人的机械优点、设计的实用性以及可靠性是它与生俱来的优点，然而在某些情况下，此直线电机不能用于某些设备，因为在没有日常维护的条件下它是不能保证耐久的。

然而，有几种方法克服了这样的障碍，使直线电机具有高的耐久性且不用维护，由于步进电机的无电刷设计，产生磨损的唯一部件是转子轴承以及由导向螺杆/螺母组成的螺纹接合。滚珠轴承几年来的改进已经提供了适合直线运动的长寿命类型。最近导向螺杆和螺母组合的寿命和耐用性都有了改进。

提高耐久性

首先必须看一下电机的基本设计。一个较好研究实例是Size 17电机，它发球混合式步进电机家族中尺寸较小的。习惯上，直线电机使用由一轴承级金属材料（如青铜）加工成的一个空心轴，该空心轴具有内螺纹然后与螺纹导杆连接。该空心轴沿转子轴线安装。导杆材料通常为不锈钢，它具有某种防腐蚀性能。大多数零件所用螺纹的型式是加工螺纹（如#10-32），此螺纹有单头或多头，这取决于电机所需的分辨率和速度。

加工螺纹一般选择“V”形螺纹，这是由于其容易加工和轧制成形。虽然这对加工来说是一个合适的选择，但对动力的传输却不利。梯形螺纹更为合适，对此有几个理由。

梯形螺纹的设计更为有效。比较好的效果是其损耗小，包括摩擦，这就意味着磨损少和使用寿命长。查看一下螺纹的基本几何形状就很容易进行解释。“V”形螺纹的相对面之间有一个60度角，而梯形仅有29度角。

假定摩擦、扭矩和螺纹角相同，“V”形螺纹能传送的力约为梯形螺纹的85%。用方程式1和2可以求出效率，因为使用的螺纹是V形的，取决于负载方向。60度螺纹的效率除以29度螺纹效率就能计算出比率。

效率计算没有考虑。在“V”形螺纹表面上的压力要高的多的情况，此高压力会进一步增加的损耗。

梯形螺纹导杆一般是为传送动力而制作的，所以应该严格关注表面光洁度、螺距精度和公差。“V”形螺纹基本上用于紧固螺纹，所以其表面光洁度和直线性并不严格控制。

同样，甚至更重要的是驱动螺杆的螺母，该螺母通常是嵌入电机转子中的。通常螺母材料是轴承级的青铜在其自身进行内加工螺纹，它综合考虑了物理稳定性和润滑性。当然，说它是综合考虑是因为它在两方面都不是完美的。直线电机中驱动螺母的较好材料是自润滑的热塑性材料。这是因为用新的工程塑料能使螺杆螺母运动摩擦系数降低。图3是不同内螺纹转子材料的摩擦性能的比较。

图3 青铜与工程塑料的摩擦性能

结果很明显，但为何不用塑料的驱动螺母？对螺纹来说塑料是好的，但对于混合式电机中的转子轴颈来说却不够稳定。由于电机的温度在运行时可能升至167°F，在这种情况下塑料的膨胀量可能达到0.004英寸，但黄铜在同样热条件下仅膨胀0.001。见图4

图4 热膨胀比较

轴承轴颈在混合式电机设计中是严格要求的，为了达到最佳性能，混合式电机在设计时必须保持千分之几英寸的转子铁芯外径和定子内径之间的空隙。如果转子装配不同心则将与定子壁摩擦。通过材料的选择，设计人员希望在螺纹寿命和轴承轴颈耐久性两方面都具有优势。在金属转子组件内注入模压塑料螺纹，在两方面都取得最佳效果。

该结构极大地提高了运行寿命、效率及安静性。电机寿命比在其它电机中使用的常规青铜螺母结构提高了10～100倍，且不需要维护保养。

免维护终生润滑

一种专门配制的高性能合成油脂给予了海顿电机以不需再加润滑油的特殊的耐久性，润滑剂具有特殊的温度特性，范围从-65℃（-85°F）～250℃（482°F）。该润滑剂不易燃，具有化学惰性和低气化压力，对灵敏仪表的污染程度也很低。

图6 试验表明HSI混合式直线电机的超长寿命

参考书目：Mark’s Standard Handbook for Mechanical Engineers

Keith Kowalski，1995年于Connecticut大学毕业，获得BSME学位，曾担任Haydon Switch &Instrument公司工公司工程部副总裁，现在是Tritex公司（HSI和HLM的母公司）的技术副总裁。其电子邮件是kkowalski@hsi-inc.com。

Robert Pulford，产品经理，曾经在Martin Marietta公司担任高级工程师，在Superior Electric公司担任测试专家。(end)

(投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2008-4-6，阅读916次)

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