前言

基本信息

名称	描述说明
教材名称	步进电机应用技术
作者	坂本正文
译者	王自强

公式

θs = 180° /P*Nr                公式（2. 1)
步进电机的步距角θs，其中Nr 为转子极对数，P为定子相数

前言说明

根据我读的《步进电机应用技术》这本书，进行的学习过程中的知识记录和心得体会的记录。

转子的分类与结构

前一节是根据定子相数进行步进电机的分类，本节根据转子的结构
进行分类。

2.VR型步进电机

  转子由硅钢片或电工纯铁棒等导磁体构成，转子外表面为多齿结构（转子的齿槽在转动时产生磁阻变化故称为变磁阻电机，简称VR) .光定子线圈通电时，定子磁极磁化，吸引转子齿而产生转矩，使其移动一步。与永磁电机产生磁性吸引转矩和排斥转矩相比，VR型只产生吸引转矩。
  图2. 22示出 VR型步进电机的结构与工作原理。图2. 22上图，定子上均匀分布了12个磁极，每个磁极相距30°, 相差90° (间隔三个槽）的四个线圈组成一相绕组。转子齿数为8, 当一相绕组通电时，其定子极吸引转子齿，使气隙磁阻最小达到静止位置。
  下面，从步骤1到步骤3来说明工作原理。
  步骤1, 为第1相线圈的简化图，剖面线表示第1相定子激磁，转子被第1相定子磁极吸引，转子齿转到定子磁极之下。
  步骤2, 第1相绕组电流关闭，第2相绕组通电，转子逆时针旋转一步（15°) , 旋转至第2相定子磁极之下停止。步距角15°由360°(1/8~1/12) 决定，即由转子齿节距与定子齿节距之差而求得步距角，也可以用转子齿节距除以相数3而得到。
  VR型步进电机的步距角不能用式（2. 1) 来计算，而是式（2. 1) 计算值的两倍。即分辨率与永磁式比较，虽然转子齿数相同，但VR型只有1/2.

  步骤3, 同样给第3相绕组通电，转子同样逆时针旋转15°, 与定子第3相磁极相对位置停止。下一刻，第1相绕组通电，又由步骤3的转子位置逆时针旋转15°到第1相定子磁极下，恢复到步骤1状态。依次进行不断切换激磁相，1相、2相、3相、1相······转子逆时针旋转。此为VR型步进电机的工作原理。如顺时针方向旋转，换相顺序为1相、3相、2相。此时，步距角为转子齿节距的1/3, 即齿节距被相数除得到步距角，输出转矩与永磁电机不同，其与激磁电流的平方成正比。
  图2. 23为一台VR型步进电机的外形图。VR型步进电机因不使用永久磁铁，其定转子磁场强度与激磁电流成正比，要想增大磁场强度，就需要很大的激磁电流，因此，温升很高，散热片也很大。图2. 23的电机直径为50mm (不算散热片尺寸）， 步距角为15°, 用于打字机等电子设备。

3. HB型步进电机

  HB型步进电机有两相、三相、五相式，转子因与相数无关，而采用相同转子，本以两相HB型步进电机为例加以说明。HB型的名称由其转子结构得来，其转子是 PM 型与 VR型转子的复合体，在日本被普遍使用。
  转子结构为两个导磁圆盘中间夹着一个永磁圆柱体轴向串在一起，两个导磁圆盘的外圆齿节距相同，与前述的VR 型转子结构相同，其两个圆盘的齿错开 1/2齿距安装，转子圆柱永磁体轴向充磁一端为N极，另一端为S极。
  此种电机转子与前面叙述的PM型转子从结构来看，PM型转子极与S极分布于转子外表面，要提高分辨率，就要提高极对数，通常20mm 的直径，转子可配置24极，如再增加极数，会增大漏磁通，降低电磁转矩；而HB型转子N极与S极分布在两个不同的软磁圆盘上，因此可以增加转子极数，从而提高分辨率，20mm的直径可配置100个极，并且磁极磁化为轴向，N极与S极在装配后两极磁化，所以充磁简单。
  与转子齿对应的定子极，主极内径有与转子齿节距相同的小齿，与转子齿的磁通在气隙处相互作用，能产生电磁转矩。此种转子的步进电机在近期被广泛应用。
  此种结构源自于1992年美国 GE公司的 Karl Feiertag, 取得美国专利的发电机。与现在的两相HB型步进电机结构相同，当初是作为低速同步电机使用，其后，美国的 Superior Electric 公司和 Sigma Instruments 公司开发出步距角为1. 8°, 转子齿数为50的两相 HB型步进电机。
  图2. 24所示为定子为两相绕组，转子齿数50, 1. 8°的HB型步进电机的剖视图。为加大输出转短，尽量加长了转子软磁磁极的轴向长度，图2. 25所示为HB型步进电机的结构。


  定子为8个磁极（放置绕组的主磁极）均匀分布，此8个磁极的内圆分布有与转子齿距相同的齿，与转子齿分布在气隙两边。转子齿多于定子齿。
  线圈用绕线机直接绕制在树脂注塑成型的槽绝缘骨架上，线圈绕好后安装在磁极上。前、后端盖采用铸铝材料，采用机械加工方法保证轴承座与安装止口的同心度。通常HB型步进电机的气隙为0. 05~0. 1mm,由于气隙小，所以控制各组件的加工精度相当重要。
  转子装入定子和前后端盖，确保气隙均匀，永磁体的磁化方向为轴向，N、S极在两端磁化，产生的磁力线方向如箭头所示，为容易理解，简化实际磁路为定子为4个主极与5个转子齿（见图2. 26) , 此处省略了定子绕组。
  由于转子的永久磁铁的磁通在定子中变成交链磁通，当定子线圈流过电流时，根据弗莱明左手定则（I为电流，B为磁通密度，L为线圈轴向有效长度）产生电磁转矩。2个导磁体夹着1个永磁体，转子的齿位置互相相差1/2齿节距。转子的磁通从N极出发，经过气隙最小处（定转子因相对的地方）到定子磁路，再返回转子的S极，磁路如箭头所示。
  图2. 26左侧的转子上部，右侧的转子下部产生吸引力，轴两侧产生力矩（此力是不平衡电磁力）， 转子的旋转受定子激磁线圈切换产生旋转力。轴承的间隙会很容易产生振动。实际上定子主极为8个极，转子齿双为偶数，目的是消除此不平衡电磁力。实际上与2个转子齿部相对的定子，在轴向上并非是分开成两个，而是采用硅钢片叠压面成一体。

  图2. 27描述了两相HB型步进电机的工作原理。永久磁铁使转子产生N极和S极，由吸引力和排斥力产生电磁转矩，两相绕组假设为A 相、B相、A相、B相。例如，A相和A 相接通电源，根据右手螺旋法则产生相反的磁场（如图 2. 27 所示）。同样，B相与B相也是如此。图2. 27 中，实线箭头表示转子磁通，虚线表示为其磁路磁通Φ…从转子磁铁的轴向图看，转子N极通过气隙向下进人定子，通过定子磁极轴向穿过铁心到达上面的定子磁极后，穿过气隙回到转子S极。图2. 27充分说明了HB型步进电机的结构和工作原理。
  转子磁路中间为永久磁铁，下侧为N极，上侧为S极。磁铁的厚度方向磁通由上向下。开始状态（a) 为A相激磁，则A 相极性相反，因此停在图示位置，转子与A相和A相的各一半对应，形成交链磁通如图中虚线所示。
  下一步，激磁相转换到状态（b) , 断开A相激磁电流，接通B相激磁由流，则转子向右移动 1/4转子齿距，运行到图（b) 的位置
  再一步，激磁相转换到状态（c) , 断开B相激磁，接通A 相激磁，则转子从状态（b) 向右移动一步（1/4齿距）运行到状态（c) 的位置 同样激磁相换到状态（d) , 断开A相激磁，接通B相激磁，则转子从状态（c)向右移动一步（1/4 齿距）运行到状态（d) 的位置，再一步，就返回状（a），依次不断循环。