市場上的步進電機主要分為三種類型：PM(永磁)型、VR(可變磁阻)型和混合型。有什么區(qū)別，您應該使用哪一個，它們是如何工作的?

讓我們快速回顧一下步進電機的作用。步進電機以特定的“步數(shù)”增量旋轉(zhuǎn)，無需編碼器反饋或復雜的 PID 回路。旋轉(zhuǎn)量和速度可通過脈沖數(shù)和頻率輕松控制，步進電機可提供±3 弧分 (±0.05°)的高度可重復停止精度。當步進電機通電但處于靜止狀態(tài)時，在沒有電磁制動器的情況下會產(chǎn)生保持轉(zhuǎn)矩。它們非常適合電機需要準確停止并提供保持扭矩的成本敏感型應用。

步進電機的設計會影響其特性。在接下來的幾分鐘內(nèi)，我將介紹市場上的三種步進電機，以及為什么偏愛其中一種。

PM“永磁”型

這是一種步進電機，其轉(zhuǎn)子由兩個彼此略微偏移的永磁體轉(zhuǎn)子制成。永磁體軸向充磁;這意味著北極和南極交替出現(xiàn)并且與電機軸位于同一軸線上。 當電流施加到繞組時，定子上的磁極被磁化并與永磁轉(zhuǎn)子的相反磁極對齊。例如，北極將與南極直接對齊。

廣泛使用的 PM 型步進電機是 2 相爪形電機，如下所示。

下圖顯示了一個轉(zhuǎn)子和一個定子，其中施加了電流，因此 A1 極被磁化為南極，A2 極被磁化為北極，因此吸引了轉(zhuǎn)子永磁體的相反磁極。如果電流從A相切換到B相，使B1磁化為南極，B2磁化為北極，轉(zhuǎn)子將順時針旋轉(zhuǎn)90°。

步距角使用轉(zhuǎn)子的極數(shù) (Np) 和相數(shù) (Nphase) 表示如下。如果極數(shù)或相數(shù)增加，則步距角將減小。但是，隨著極數(shù)的增加，磁力和轉(zhuǎn)矩也變?nèi)酢?/p>

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PM 型步進電機結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。永磁體允許 PM 型步進電機輸出更高的扭矩。然而，由于旋轉(zhuǎn)過程中損耗大，高速性能受到限制。PM 型步進電機通常用于簡單定位，因為它的分辨率往往大于其他類型(即：3.6° 或更大)。對于更高分辨率，建議使用半步或微步。 通過微步進，驅(qū)動器精確控制每相電流的能力在確定電機的重復位置精度方面變得越來越重要。另一個區(qū)別是 PM 型步進電機使用恒壓驅(qū)動器，它比恒流斬波驅(qū)動器更難使用。

VR“可變磁阻”型

這是一種步進電機，在磁力集中的轉(zhuǎn)子和定子上提供齒。它提供了此處討論的三種類型中最簡單的設計。下圖顯示了一個 8 極 12 槽的 3 相 VR 型步進電機。大多數(shù)磁芯都使用鐵等鐵磁材料，因為它在地球上儲量豐富，并且能夠輕松通過磁通量。VR型步進電機沒有磁鐵，這意味著它不能輸出靜止時的保持扭矩或制動扭矩。

下圖顯示了 4 極 6 槽 VR 型步進電機的示例。轉(zhuǎn)子上的“齒”被吸引到定子上的磁極。轉(zhuǎn)子每一側(cè)的定子磁極通過反向纏繞磁極來磁化南北。

在下圖中，我們在左側(cè)顯示了“B 相激發(fā)”狀態(tài)。在這種情況下，離轉(zhuǎn)子最近的齒將與定子上最近的磁極對齊。轉(zhuǎn)子將逆時針旋轉(zhuǎn) 30°，直到齒彼此對齊(參見“B 相的停止位置”)?，F(xiàn)在，當 C 相以同樣的方式被激勵時，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn) 60°，直到齒與 C 相對齊。

B相激發(fā)B相停止位置C相停止位置

VR型步進電機的一個優(yōu)點是不需要改變定子磁極的極性，因此可以簡化其驅(qū)動電路。它的缺點是不能進行精細的轉(zhuǎn)矩控制，因為轉(zhuǎn)矩與電流的平方成正比，而不是與電流成正比。但是，由于它不使用永磁體，因此其高速性能優(yōu)于 PM 型步進電機。

VR型步進電機的步進角用下式表示。Np是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，Nphase是相數(shù)。為了更精細的分辨率，增加轉(zhuǎn)子的齒數(shù)是有效的。然而，如果定子槽的數(shù)量也增加，則該結(jié)構(gòu)制造起來非常復雜。下圖顯示了 50 齒轉(zhuǎn)子和定子設計。這是一個 4 相步進電機，線圈分為 4 組。輸入 Np = 50 和 Nphase = 4 將導致步距角為 1.8°。

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VR 型步進電機已經(jīng)存在很長時間了。這些電機在電機速度較高時扭矩下降較小，因此在中高速應用中，它們通常是比 PM 型步進電機更好的選擇。然而，眾所周知它們會產(chǎn)生更多噪音，因此它們的應用范圍受到限制。VR 型步進電機在市場上不如 PM 型步進電機常見。

混合式步進電機

“混合”型步進電機結(jié)合了永磁型和可變磁阻型步進電機的設計和優(yōu)點。因此，混合型步進電機在其設計中同時使用永磁體轉(zhuǎn)子以及帶齒的轉(zhuǎn)子和定子。憑借強大的永磁體、帶齒轉(zhuǎn)子、帶齒定子和微小氣隙，混合式步進電機能夠比其他兩種類型更好地集中磁通量。通過堆疊磁鋼疊片可以實現(xiàn)低損耗，磁通量很容易通過。

混合型步進電機的構(gòu)造從兩個轉(zhuǎn)子杯(轉(zhuǎn)子 1 和轉(zhuǎn)子 2)和一個軸向磁化的強稀土永磁體開始。兩個滾珠軸承將轉(zhuǎn)子安裝到電機外殼中。轉(zhuǎn)子上有 50 個齒(每步 1.8°)或 100 個齒(每步 0.9°)。一個轉(zhuǎn)子磁化為北極，一個轉(zhuǎn)子磁化為南極。轉(zhuǎn)子杯上的每個齒都成為磁極。

在下面的兩張圖片中，我們展示了兩個轉(zhuǎn)子的俯視圖;從頂部的北極轉(zhuǎn)子開始。兩個轉(zhuǎn)子杯顏色不同。紅色是北極轉(zhuǎn)子，藍色是南極轉(zhuǎn)子。

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由于有 50 個齒，因此全齒距為 7.2°。兩個轉(zhuǎn)子杯偏移半個螺距 (3.6°)，因此轉(zhuǎn)子 1 的南極齒在轉(zhuǎn)子 2 的北極齒之間排成一行。從轉(zhuǎn)子的橫截面視圖中，您可以清楚地 看到由于兩個轉(zhuǎn)子杯的偏移，北極和南極齒交替出現(xiàn)。 當驅(qū)動器給繞組通電或勵磁時，定子磁極變成電磁鐵，永磁體轉(zhuǎn)子通過拉力和推力跟隨它們，并以固定的增量停止。定子的北極將吸引轉(zhuǎn)子的南極，反之亦然。

定子中有八個定子極。當繞組纏繞到主磁極并施加電流時，每個磁極都被磁化為北極或南極。電流的方向可以決定磁極。激發(fā)時，相對側(cè)的兩個極具有相同的極性，與這些極成 90° 的兩個極具有相反的極性。一起激發(fā)的主要磁極稱為“相”，可分為兩相(A相和B相)。這就是它被稱為“兩相”步進電機的原因。

混合式步進電機的步距角與轉(zhuǎn)子上小齒數(shù)ZR和相數(shù)n成反比。分母2表示定子的主磁極可以配置成北極和南極兩種狀態(tài)。這是 VR 型和混合型步進電機之間的根本設計差異。

牙齒排列偏移A相興奮B相激發(fā)

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混合型步進電機每步旋轉(zhuǎn)1.8°的原因是由于轉(zhuǎn)子和定子之間的幾何設計，電機每步僅移動四分之一齒距。當A相勵磁為南極，其定子齒與轉(zhuǎn)子的北極齒直接對齊時，B相的定子齒實際上與轉(zhuǎn)子齒偏移1.8°。這稱為齒排列偏移，是兩相混合式步進電機每步旋轉(zhuǎn) 1.8° 的原因。

對于每步0.9°的步進電機，兩個轉(zhuǎn)子齒都需要增加到100。任何超過100齒的東西都很難制造。

對于混合式步進電機，稀土永磁體可以獲得高扭矩，同時保持小齒獲得的高分辨率。另外，電流和扭矩之間的關系接近正比;使其比 VR 型步進電機更易于控制?；旌闲筒竭M電機還可以獲得更高的分辨率(即：每整步 0.72°/每轉(zhuǎn) 500 步)。通過微步進可以實現(xiàn)更高的分辨率。

概括

PM(Permanent Magnet)型：使用永磁體，中等扭矩，中低速

VR(可變磁阻)類型：齒形轉(zhuǎn)子/定子，低扭矩，中高速

混合型：結(jié)合永磁體和齒，扭矩和速度的良好結(jié)合

市場上最受歡迎的步進電機是混合型，因為它提供最佳性能，但成本較高。 混合式步進電機適用于大多數(shù)應用，而永磁或可變磁阻步進電機僅限于某些應用。近年來，由于步進電機在功能、分布式控制和易于編程方面的技術改進，它們變得越來越智能?？梢詾椴竭M電機添加減速機和閉環(huán)反饋以擴大其應用范圍。與可以提供所有必要組件和培訓的制造商合作可以讓生活更輕松。

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審核編輯：湯梓紅