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详细说明无功步进电机的结构和工作原理

发布日期:2021-04-27 09:11 浏览量:0
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步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的开环控制元件。在不过载的情况下,电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,不受负载变化的影响,即当一个脉冲信号加到电机上时,电机转动一个步进角。这种线性关系的存在,加上步进电机只有周期误差而没有累积误差等特点。在速度和位置控制领域,用步进电机控制非常简单。

摘要:本文主要介绍了无功步进电机的结构和工作原理,并以三相和四相无功步进电机为例详细说明了其工作原理。

  反应式步进电机简介

反应式步进电机是一种传统的步进电机,它是由磁性转子铁芯和定子产生的脉冲电磁场相互作用而旋转的。

无功步进电机工作原理简单,转子上均匀分布着许多小齿,定子齿有三个励磁绕组,它们的几何轴线依次与转子齿轴线错开。电机的位置和速度在导通次数(脉冲数)和频率之间是一一对应的。而方向是由传导顺序决定的。市场上一般有二、三、四、五相无功步进电机。

  反应式步进电机的结构

无功步进电机的结构形式有多种,根据定子和转子铁芯的分段数,可分为单段式和多段式。

1.单级步进电机

单级步进电机是由一段铁芯组成的定子和转子。由于每相绕组沿圆周方向均匀排列,也称为径向分相式。它是步进电机中最常用的结构形式之一。图4-4是反相步进电机的径向剖视图。定子和转子铁芯由硅钢片层压而成,定子磁极为极面有小齿的凸极。定子上有三组控制绕组,每组有两个串联的集中控制绕组,缠绕在两个完全相反的磁极上。每组绕组称为一相,三相绕组连成星形,所以定子极数通常是相数的两倍,即2p=2m(p为极数,m为相数)。转子上没有绕组,圆周上甚至有小齿,其节距必须等于定子磁极上的小齿,转子上的齿数受到一定的限制。这种结构的优点是制造简单,精度容易保证,步距角小。很容易获得更高的启动和运行频率。其缺点是电机直径小,相数多时,径向很难分相,耗电多,断电时没有定位力矩。

2.多级步进电机

多级步进电机的特点是定子和转子铁芯沿电机轴向按相数分为m段。由于每相绕组沿轴向分布,也称为轴向分相式。根据磁路的结构特点,有两种,一种是主磁路仍然是径向的,另一种是主磁路含有轴向部分。

  反应式步进电动机的特点

1.更高的转动惯量比

2.高步进频率和快速频率响应

3.不通电时可自由转动,结构简单,使用寿命长。

  反应式步进电机的工作原理

1、三相无功步进电机的工作原理

旋转:

如果A相通电,B相和C相不通电,由于磁场的作用,齿1与A对齐(这同样适用于没有任何力的转子)。如果b相通电,而a相和c相未通电,则齿2应与b对齐。此时,转子在1/3上方向右移动。此时,齿3和齿c偏移了1/3,齿4和齿a偏移了2/3 .如果c相通电,则a相和b相不通电,齿3应与c对齐。此时,转子向右移动1/3,齿4为a1

顺序决定。 不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,这就是电机细分驱动的基本理论依据。

  不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。

  力矩: 电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力 F与(dФ/dθ)成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br为磁密,S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度,D为转子直径 Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比(只考虑线性状态) 因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。

  2、四相反应式步进电机工作原理

  该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

  开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

  四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

  单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示:

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