一文解析直线步进电机工作原理

　　直线步进电机可以直线运动或直线往复运动。旋转电动机作为动力源，要转变成直线运动，需要借助齿轮、凸机轮构及皮带或钢丝。本文主要详解直线步进电机的工作原理，首先介绍了直线步进电机的结构，其次介绍了直线步进电机的基本原理及工作原理，最后阐述了它的优势及应用。

　　直线步进电机简介

　　直线步进电机，或称线性步进电机，是由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动，直线步进电机在电机内部把旋转运动转化为线性运动。

　　直线步进电机的结构

　　如下图所示为旋转步进电机驱动直线运动的机构：软盘驱动器（FDD）磁头运动机构。以前3.5英寸FDD的机构多采用图（a）的螺杆机构，虽然间隙很小，但效率低，因此高速运行困难，但由于价格便宜得以广泛使用。图（b）、（c）、（d）的机构为5.25英寸FDD的使用方式，（c）的皮带式多用在打印机的传输筒驱动上。这些直线转换机构可以使用图（e）的直线步进电机来代替。

　　

　　

　　

　　直线步进电机与旋转型比较，能直接直线运动，可以使机器小型化；对负载惯量敏感；如行程长，气隙会比旋转型的大，从而会产生效率下降等问题，使用时要特别注意便用用途和使用环境等方面的问题。

　　直线步进电机基本原理

　　采用一根螺杆和螺母相啮合，采取某种方法防止螺杆螺母相对转动，从而使螺杆轴向移动。一般而言，目前有两种实现这种转化的方式，第一种是在电机内置一个带内螺纹的转子，以转子的内螺纹和螺杆相啮合而实现线性运动，第二种是以螺杆作为电机出轴，在电机外部通过一个外部驱动螺母和螺杆相啮合从而实现直线运动。这样做的结果是大大简化了设计，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步进电机进行精密的线性运动。

　　直线步进电机工作原理（索耶为例）

　　直线步进电机有三相VR型，此处介绍永久磁铁转子的运行原理：索耶（Sawyer）原理。下图表示利用索耶原理的直线步进电机工作原理。

　　

　　如按①、②、③、④的顺序切换电流，利用线圈电流给两个磁极激磁，产生相反的极性，与永久磁铁产生的磁通进行叠加，一个磁极的磁通相加，另一个就相减，当绕组产生的磁通与永久磁铁的相同时，相减磁极的磁通为零，此时永久磁铁的磁通通过同方向的激磁磁极，通过定子磁轭、动子的两个磁极，返回到永久磁铁的另一磁极，①、②、③、④顺序切换激磁电流，转子每次向右移动1/4定子齿距。此为索耶直线步进电机的工作原理。

　　直线步进电机的优势（对比传统步进电机）

　　（1）高速响应性

　　一般来讲机械传动件比电气元器件的动态响应时间要大几个数量级。由于系统中取消了一些响应时间常数较大的如丝杠等机械传动件，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，使反应异常灵敏快捷。

　　（2）高精度性

　　由于取消了丝杠等机械传动机构，因而减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，可大大提高机床的定位精度。

　　（3）传动刚度高、推力平稳

　　“直接驱动”提高了其传动刚度。同时直线电机的布局，可根据机床导轨的形面结构及其工作台运动时的受力情况来布置。通常设计成均布对称，使其运动推力平稳。

　　（4）速度快、加减速过程短

　　直线电机最早主要用于磁浮列车（时速可达500km/h），现在用于机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进给速度（要求达60～100m/min或更高）当然是没问题的。也由于“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短，从而实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。加速度一般可达到2～10g（g=9.8m/s2）。

　　（5）行程长度不受限制

　　在导轨上通过串联直线步进电机的定件，就可无限延长动件的行程长度。

　　（6）运行时噪声低

　　由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，而其导轨副又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），使运动噪声大大下降。

　　（7）效率高

　　由于无中间传动环节，也就取消了其机械摩擦时的能量损耗。

　　

　　直线步进电机应用领域

　　直线步进电机被广泛应用于包括制造、精密校准、精密流体测量、精确位置移动等诸多高精度要求领域。