混合式直线步进电机技术详解

　　步进电机由旋转运动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轮传动以及其他机械联动机械。所有这些设计都需要各种机械零件。而完成这种转变的最有效方法是在电机自身内部实现。

　　说明

　　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Willian Henschke的。从此以后，直线步进电机被应用于包括制造、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的精密度，取决于它的螺距。在直线电机的转子中心安装一个螺母，相应地采用一根螺杆与此螺母啮合，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。该方法极大的简化了设计，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。滚珠丝杆提高达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%。

　　尽管对于转换旋转运动为线性运动而言滚珠丝杆是一种高效的方法，但是滚珠螺母对校准要求很高，而且体积较大，费用昂贵。因此，在大多数应用领域中，滚珠丝杆并非是一个较实用的解决方法。

　　

　　大多数设备设计人员对以混合式步进电机为基础的直线电机十分熟悉。该产品已有多年历史，与其它设备一样有其自身的长处和局限性。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其耐久性的。

　　不过，目前有几种方法可以克服这样的障碍，使直线电机具有更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螺杆/螺母组成的螺纹接合。滚珠轴承近年来的改进已经提供了适应直线运动的长寿命产品。最近导螺杆和螺母组合的寿命和耐用性也都有了改进。

　　提高耐久性

　　首先有必要了解电机的基本结构。一个较好的研究实例Size 17电机，它属于混全式步进电机家庭中尺寸较小的。习惯上，直线电机使用由一轴承级金属材料（如青铜）加工成的空心轴，该空心轴具有内螺纹然后与螺纹导杆连接。空心轴沿转子轴线安装。导杆材料通常为不锈钢，它具有相当的防腐蚀性能。大多数零件所用的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精度和速度。

　　加工螺纹一般选择 “V”形螺纹，这是由于其易加工并可轧制成形。尽管这对加工来说是较为适用，但对动力的传输而言却是不利。相比之下Acme螺纹更为合适，主要理由如下：

　　Acme螺纹的设计更加高效。而从使用角度来看，低损耗（包括磨擦），就意味着磨损少和使用寿命长。从螺纹的基本几何原理看就很容易理解其中的原因。“V”形螺纹的相对面之间的角度为60度，而Acme螺纹的仅为29度。

　　

　　假定磨擦、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。

　　

　　这里的效率计算还未考虑由于“V”形螺纹表面的高压力而产生的额外的损耗。

　　Acme螺纹导杆一般是为传送动力而制作的，所以其表面光洁度、螺距精度及公差得到严格保证。“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受到严格控制。

　　与此同时，驱动螺杆的螺母甚至显得更重要，该螺母通常是嵌入电机转子中的。传统的螺母材料采用轴承级的青铜并在其内部加工螺纹，这样做是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其在这两方面并非特别优秀。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磨擦系数降低。图3是不同内螺纹转子材料的磨擦性能的比较。

　　

　　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，可惜的是对于混合式电机中的转子轴颈来说工程塑料却不稳定。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英寸。见图4

　　

　　轴承轴颈在混合式电机结构中是非常重要的，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内壁磨擦。设计人员希望通过选择合适的材料在螺纹寿命和轴承轴颈的稳定性上都取得较好的效果，而注塑有内螺纹的金属转子结构正好是理想的选择。（图5）

　　

　　该结构极大地提高了电机运行寿命和效率，并降低了运行噪音。电机寿命比在其它电机中使用的常规青铜螺母结构高，且不需维护。（图6）