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④细分通电方式。若调整两相绕组中电流分配的比例和方向,使相应的合成转矩在空间可处于任意位置上,则循环拍数可为任意值,称为细分通电方式。实质上就是把步距角减小,如前面八拍通电方式已经将单四拍或双四拍细分了一半。采用细分通电方式可使步进电机的运行更平稳,定位分辨率更高,负载能力也有所增加,并且步进电机可做低速同步运行。1.3 反应式步进电机的特性
反应式步进电机有静止、单步运行和连续运行三种运行状态,下面简单介绍不同状态下的运行特性。
④在断电情况下有定位转矩。转子中间为轴向磁化的环形磁铁,磁铁两端各套有一段转子铁芯,转子铁芯由整块钢加工或用硅钢片叠成,两段转子铁芯上沿外圆周开有小齿,其齿距与定子小齿齿距相同,两端的转子铁芯上的小齿彼此错过1/2齿距,定、转子齿数的配合与单段反应式步进电机相同。
S极铁芯段截面图即为Ⅰ—Ⅰ截面;N极铁芯段截面图截面。S极铁芯段截面图中,当磁极1下是齿对齿时,磁极5下也是齿对齿,气隙磁阻小;磁极3和磁极7下是齿对槽,气隙磁阻大。
此时,极铁芯段截面图中,磁极1'和磁极5'下,正好是齿对槽,磁极3'和磁极7'下,正好是齿对齿。可见,两端的转子铁芯上的小齿彼此错过1/2齿距。
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⑤有强的内阻尼力矩。
1.2.3 混合式步进电机
混合式步进电机(又称感应子式步进电机)既有反应式步进电机小步距角的特点,又有永磁式步进电机效率高、绕组电感比较小的特点。
(1)两相混合式步进电机的结构
图1-11为混合式步进电机的轴向剖视图。它的定子铁芯与单段反应式步进电机基本相同,即沿着圆周有若干凸出的磁极,每个磁极的极面上有小齿,机身上有控制绕组;定子控制绕组与永磁式步进电机基本相同,也是两相集中绕组,每相为两对极,控制绕组的接线。
中可以看出,当定子绕组按A西门子B西门子(-A)西门子(-B)西门子A…的次序轮流通以直流脉冲时(如A相通入正脉冲,则定子上形成上下S、左右N四个磁极),按N、S相吸原理,转子必为上下N、左右S,若将A相断开、B相接通,则定子极性将顺时针转过45°,转子也将按顺时针方向转动,每次转过45°空间角度,也就是步距角θs为45°。一般来说,步距角θs的值为
式中,m为相数;p为转子极对数。
永磁式步进电机的步距角大,启动和运行频率低。但是它消耗的功率比反应式步进电机小,在断电情况下有定位转矩,有较强的内阻尼力矩。
星形磁极的加工工艺比较复杂,如采用的爪形磁极结构,将磁钢做成环形,则可简化加工工艺。这种爪极式永磁步进电机的磁钢为轴向充磁,磁钢两端的两个爪形磁极分别为S和N极性。由于两个爪形磁极是对插在一起的,从转子表面看,沿圆周方向各个极爪是N、S极性交错分布的,极爪的极对数与定子每相绕组的极对数相等。爪极式永磁步进电机的运行原理与星形磁钢结构的相同。
(1)永磁式步进电机的基本结构
永磁式步进电机也有多种结构,是一种典型结构。它的定子为凸极式,定子上有两相或多相绕组,转子为一对或几对极的星形磁钢,转子的极数应与定子每相的极数相同。图中定子为两相集中绕组(AO、BO),每相为两对极,因此转子也是两对极的永磁转子。
由以上分析可知,反应式步进电机的步距角θs的大小是由转子的齿数Zr、控制绕组的相数m和通电方式所决定的。它们之间存在以下关系
式中,C为状态系数,当采用单三拍和双三拍通电方式运行时,C=1;而采用单、双六拍通电方式运行时,C=2。
如果以N表示步进电机运行的拍数,则转子经过N步,将经过一个齿距。每转一圈(即360°机械角),需要走NZr步,所以步距角又可以表示为
若步进电机通电的脉冲频率为f(拍/s或脉冲数/s),则步进电机的转速n为
式中,f的单位是s-1;n的单位是r/min。
由此可知,反应式步进电机的转速与拍数N、转子齿数Zr及脉冲的频率f有关。相数和转子齿数越多,步距角越小,转速也越低。在同样脉冲频率下,转速越低,其他性能也有所改善,但相数越多,电源越复杂。目前步进电机一般做到六相,个别的也有做成八相或更多相数。
同理,当转子齿数一定时,步进电机的转速与输入脉冲的频率成正比,改变脉冲的频率,可以改变步进电机的转速。,如在数控机床中应用就会影响到加工工件的精度。所示的结构是常见的一种小步距角的三相反应式步进电机。它的定子上有6个极,分别绕有A-A'、B-B'、C-C'三相控制绕组。转子上均匀分布40个齿。定子每个极上有5个齿。定、转子的齿宽和齿距都相同。当A相控制绕组通电时,转子受到反应转矩的作用,使转子齿的轴线和定子A、A'极下齿的轴线对齐。因为转子上共有40个齿,其每个齿的齿距角为,而定子磁极的极距为,定子每个极距所占的转子齿数为,不是整数。同理,定子一个极距所占的齿距数也不是整数,由于相邻磁极间的转子齿不是整数,因此,当定子A极面下的定、转子齿对齐时,定子B'极和C'极面下的齿就分别和转子齿依次有1/3齿距的错位,即3°。同样,当A相控制绕组断电,B相控制绕组通电时,这时步进电机中产生沿B极轴线方向的磁场,在反应转矩的作用下,转子按顺时针方向转过3°。使转子齿的轴线和定子B'极面下齿的轴线对齐,这