什么是步進電機？

步進電機（也稱為步進或步進電機）是一種通過電脈沖轉換實現機械運動的機電設備。步進電機由數字脈沖驅動，而不是連續施加的電壓。與連續旋轉的傳統電動機不同，步進電動機以固定的角度增量旋轉或“步進”。步進電機最常用于位置控制。使用步進電機/驅動IC/控制IC系統設計，假設步進電機將遵循數字指令。步進電機的一個重要方面是缺乏反饋來保持對位置的控制，這將導致步進電機歸類為開環系統。

步進電機系統框圖

步進電機的物理特性

步進電機的主要部件是軸、轉子和定子層壓板、磁鐵、軸承、銅線和引線、墊圈以及前蓋和端蓋。軸通常由不銹鋼金屬制成，而定子和轉子層壓由硅鋼組成。硅鋼允許更高的電阻率，從而降低磁芯損耗。步進電機中可用的各種磁體允許多種結構考慮。磁鐵可以是鐵氧體塑料、燒結鐵氧體和Nd-Fe-B粘結磁鐵。軸承隨電機尺寸而變化。外殼材料由鋁等各種其他金屬組成，具有高耐熱性。

步進電機如何工作？

步進電機的主要用途是控制運動，無論是線性的還是旋轉的。在旋轉運動的情況下，以正確的順序接收數字脈沖允許軸以離散的步長增量旋轉。脈沖（也稱為時鐘或步進信號）可由微處理器、定時邏輯、撥動開關或繼電器閉合產生。一連串數字脈沖轉化為軸旋轉。每轉一圈都需要給定數量的脈沖，每個脈沖等于一個旋轉增量或步進，這只是一個完整旋轉的一部分。輸入脈沖和電機的軸旋轉之間存在許多關系。其中一個關系是施加的脈沖序列和旋轉方向之間的關系。當適當的順序脈沖傳遞到設備時，軸將順時針或逆時針旋轉。輸入脈沖和電機旋轉之間的另一個關系是頻率和速度之間的關系。增加輸入脈沖頻率可提高軸轉速。

步進電機的基本類型

步進電機因應用而異，結構和功能不同。三種最常見的步進電機類型是可變磁阻、永磁和混合步進電機。

可變磁阻 （VR） 步進電機

VR步進電機的特點是具有多個軟鐵轉子和一個纏繞定子。它們通常根據磁通量的基本原理工作，通過磁路找到最低的磁阻通路。在一般操作中，VR步進電機具有相對較高的步進率，為5至15度，并且沒有止動扭矩。VR步進電機的步進角與定子和轉子中包含的齒數有關。與這兩個變量相關的等式可以在本指南的公式部分找到。

VR步進電機如何工作？

參考下圖，當定子繞組用直流電流通電時，磁極被磁化。當磁極被磁化時，轉子齒被通電的定子極吸引并旋轉以對齊。一旦定子相位A周圍的繞組通電，轉子齒就會被吸引到定子極上，從而使兩極對齊。當相位A的繞組斷電并且相位B的通電時，轉子旋轉以使其齒與定子的齒對齊。該過程按順序進行，階段C，然后是階段D通電，促使轉子旋轉。

可變磁阻步進電機

VR步進電機的簡要總結：

• 轉子具有多個帶繞組定子的軟鐵轉子
• 最不復雜（因此也更便宜）的步進電機
• 大步距角
• 在手動旋轉斷電電機軸時未檢測到制動扭矩

永磁（PM）步進電機

永磁步進電機由沒有齒的永磁轉子組成，這些轉子垂直于旋轉軸被磁化。通過按順序為四相通電，轉子由于磁極的吸引力而旋轉。下圖所示的步進電機將采用90度步進，因為繞組按順時針順序通電：ABAB。PM步進電機通常具有45或90度的步進角，并且步進速率相對較低。然而，它們具有高扭矩和良好的阻尼特性。阿納海姆自動化提供多種PM步進電機選擇，直徑范圍從15到57mm。

PM步進電機的簡要總結：

• 轉子是永磁體
• 大到中等步距角
• 通常在計算機打印機中用作進紙器

混合式步進電機

混合式步進電機

混合式步進電機融合了VR和PM步進電機設計的品質。憑借其與VR電機的多齒轉子相似性以及軸周圍的軸向磁化同心磁鐵，混合步進電機可增加制動，保持和動態扭矩。與永磁步進電機相比，它在步進分辨率、扭矩和速度方面提供了性能增強。典型的混合式步進電機設計步進角為0.9°、1.8°、3.6°和4.5°，其中1.8°是最常用的步進角。它們非常適合具有穩定負載且速度低于 1，000 rpm 的應用。在設計電機的最佳扭矩輸出時，要考慮的關鍵因素是層壓次數，齒的精度和鋒利度以及磁性材料的強度。

混合式步進電機的簡要總結：

• 與VR和PM步進電機相比，步進角更小
• 轉子由具有細齒的永磁體制成
• 增加制動、保持和動態扭矩
• 1.8°是最常見的步進角

注意：在阿納海姆自動化，1.8度混合式步進電機是庫存最廣泛的步進電機，尺寸從NEMA 08到42不等。混合式步進電機也可以一次驅動兩相以產生更大的扭矩，或者交替地驅動一個，然后是兩個，然后是一個相位，以產生半步或0.9度的增量。

步進減速電機

單個步進減速電機之間的主要區別在于其性能特征。步進減速電機的主要功能是將步進電機的輸入轉換為具有高扭矩和低RPM的輸出。阿納海姆自動化公司提供正齒輪步進和行星減速電機，提供各種齒輪比、堆疊長度和扭矩輸出。

帶正齒輪箱的步進電機

帶正齒輪箱的步進電機

與正齒輪箱集成的步進電機隨手可得，緊湊而高效。阿納海姆自動化的步進減速電機的齒輪比范圍為3：1至150：1。帶正齒輪箱的步進電機廣泛用于需要增速或減速以及高輸出扭矩的應用。在考慮正齒輪箱時，重要的是要考慮孔徑和軸直徑以及齒輪中心，以滿足特定的應用需求。

帶行星齒輪箱的步進電機

與行星齒輪箱集成的步進電機尺寸緊湊，效率高，并具有各種堆疊長度。“行星”這個詞源于齒輪箱與太陽系的相似性。該系統由三個主要部件組成：太陽齒輪，環形齒輪和兩個或多個行星齒輪。太陽齒輪位于中心，環形齒輪是最外層的齒輪，行星齒輪圍繞著環形齒輪內的太陽齒輪。行星齒輪箱用于低背隙、緊湊尺寸、高效率、抗沖擊性、高扭矩重量比和改進潤滑的應用中。

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