改進步進電機的扭矩和振動設計

隨著對機器自動化的需求增加，公司通常需要想辦法在相同的面積內最大限度地提高生產率。使用高扭矩步進電機是一種通過增加現有機器的吞吐量或使機器更小來最大限度地提高生產率的方法。首先，我們將討論高扭矩步進電機為機器制造商提供的優勢。

1、使用高扭矩步進電機有什么優勢?

增加負載能力或吞吐量

通過與相同尺寸的其他電機相比具有更大的扭矩，高扭矩步進電機可以在不增加占地面積的情況下增加機器的負載能力和生產吞吐量。

機器占地面積可以最小化

通過使用可以匹配較大電機扭矩輸出的較小電機，可以最大限度地減小機器或設備(例如 3D 打印機、機械臂、醫用泵或閥門)的尺寸。

其他隱藏的好處

由于功率密度高，步進電機傳統上會發熱，無法連續運行。高扭矩步進電機提供了幾種提高性能的替代方案。電機的工作溫度與輸入電流大致成正比，降低 15° C (27° F) 可使電機的預期壽命延長一倍。通過將電流降低到適合電機和應用的水平，步進電機實際上可以運行溫度更低、運行時間更長，這意味著更高的生產量和更少的機器維護。最后，由于瓦特 = 伏特 x 安培，降低電流意味著降低功耗，這也有助于降低運營成本。

2. 如何從電機中獲得更大的扭矩?

首先，我們需要了解扭矩從何而來。簡單來說，扭矩可以描述為定子中的電磁鐵與轉子中的永磁體相互作用產生的旋轉力。

雖然鋁鎳鈷 (AlNiCo) 和三菱鈷 (SmCo) 磁鐵在過去很受歡迎，但現在市場上的大多數電機在轉子中使用釹鐵硼 (NdFeB) 稀土磁鐵，因為它具有高磁場力量。假設永磁體保持不變，轉矩與定子磁極上的繞組匝數乘以輸入電流成正比。

T：扭矩

N：繞組圈數

I：電流

要增加電機的扭矩，需要增加繞組匝數或輸入電流。現在這聽起來很容易，但是這兩種方法都存在問題。由于電機制造商通常將繞組匝數設計為其最大值，因此增加繞組匝數的最簡單方法是增加電機尺寸。增加輸入電流也會提高電機的工作溫度，這會限制占空比，或者如果長時間使用可能會損壞銅繞組。

為了增加扭矩，一些電機制造商探索了使用更強的磁鐵，增加更多的定子齒，或者在定子齒的槽之間增加永磁體，但這些高扭矩設計往往使電機的價格更高一些。

另一種增加扭矩的方法是使用雙極串聯或并聯配置的步進電機，而不是單極或雙極半線圈配置。通過這樣做，可以改變繞組的電氣特性，例如電壓、電阻和電感，并且電機的速度和扭矩性能也會發生變化。通過使用電機繞組的全線圈，扭矩可以增加 √2 倍，即大約 41%。當前降低驅動器成本和提高性能的趨勢已將雙極步進電機配置定位為大多數應用的主要選擇。

在本文中，我們將介紹一種高扭矩設計，它以不同的方式增加扭矩，同時最大限度地減少振動。我們的設計和制造努力的結果是，我們的電機的最大保持扭矩比相同尺寸的傳統型號高出1.2 到 1.7 倍，比我們以前的高扭矩步進電機高出約 20%。

3. 我們是怎么做到的?

我們不僅關注磁鐵、齒、繞組或電流，還著眼于設計和制造的整個過程，并取得了多項技術進步。

轉子/定子的優化磁設計

· 轉子與定子直徑比

定子內徑與轉子外徑之間的特定比例可使它們的磁通量最大化。但是，使轉子太大會增加轉子慣性，并會使電機對速度變化的響應變差。較大的轉子直徑也會導致定子繞組的空間減少，從而減少產生的磁通量。進行了重復測試以確定最佳比例。

· 定子疊片

為了最大限度地減少磁通量損耗，我們重點設計了定子疊片上小齒的凸極寬度、背軛寬度和表面積。齒形也比過去的設計更方，這最大限度地減少了定子齒和轉子齒之間的磁通量損失。

· 轉子疊片

轉子是通過在永磁體的每一側固定許多薄齒硅鋼片而制成的。研究證明，存在可使扭矩最大化的理想疊片數量。通過檢查磁化特性的峰值電壓和飽和電壓，我們能夠同時增加扭矩并降低扭矩波動引起的振動。

提高剛性

采用更大的軸承以提高剛性并增加徑向載荷。軸的底部直徑已增加。這導致徑向載荷比過去的設計大 1.4 到 1.5 倍。還在電機輸出側的軸承組件中添加了粘合劑，從而減少了軸承箱組件上的間隙，增加了增加轉子長度的空間，并減少了振動。我們還改進了定子疊片的緊固方法，以提高轉子和定子鐵芯的剛性，這也有助于進一步降低電機產生的振動。

扁平連接器

在定期聽取客戶的反饋后，我們用扁平連接器更新了我們的設計。這增加了電纜輸出方向的自由度，并為連接器和電纜組件創造了更小的占地面積，有助于使機器更小。

最小氣隙

最小化定子和轉子齒之間的微小氣隙并非易事。它是電機設計的關鍵部分，因為加工不精確會導致旋轉不均勻、失步、振動、噪音，甚至轉子鎖定。它需要對許多設計和制造過程進行廣泛的審查和反復測試。

通過獨特的工具管理技術以及采用更高精度的機械，我們能夠降低轉子和定子疊片的直徑公差以及滾珠軸承直徑和軸壓機的最終配合間隙。這種精度還需要對零件和機械更加小心。對于定子和轉子鐵芯，我們會定期使用高壓清洗和超聲波清洗來去除工藝中的異物。我們的操作員也需要定期培訓。

作為我們制造和裝配精度的證明，我們能夠將氣隙減小到 30 微米(0.03 毫米)。作為比較，一根人類頭發的粗度為 17 至 181 微米。從歷史上看，大多數電機制造商都從具有大約 100 微米氣隙的設計開始。我們的研究表明，氣隙減小 10 微米會使扭矩增加約 5%。

高繞線密度

前面已經說過，在不增加電機尺寸的情況下很難增加電機的扭矩輸出。隨著高密度繞組技術的進步，我們能夠在保持匝數不變的情況下，通過增加繞組線徑將繞組密度提高 8% 。較大的線徑降低了繞組的電阻，因此也將電機的功率損耗 (I2R) 降低了 2W或更多。這種提高效率的組合有助于提高電機的扭矩、降低發熱量和降低電機振動。

4. 結果：扭矩更大，振動更小

如前所述，我們的PKP 系列步進電機可提供比相同尺寸電機高 1.2 至 1.7 倍的扭矩，但同樣重要的是我們能夠降低電機的振動。

五、總結：

有許多方法可以增加步進電機的扭矩。通過結合電機設計不同部分的改進，例如磁性設計、剛度、氣隙和繞組密度，Oriental Motor 能夠創造出整體更好的步進電機，同時保持實際應用的價格經濟。憑借從 20 毫米 (NEMA 8) 到 85 毫米 (NEMA 34) 以及可選編碼器或齒輪箱的完整系列，我們相信我們新近重新設計的 PKP 系列高扭矩步進電機是任何需要更高扭矩或更小占地面積的應用的理想選擇。

關于 PKP 系列的更多信息

為了獲得更高的停止精度，我們提供高分辨率型電機，其步進分辨率為 0.9° 或 0.36°，可實現 ±2 弧分 (±0.034°) 的停止精度。對于需要更高微步精度、更低振動或更低噪音的應用，我們鼓勵您嘗試使用 5 相步進電機。為了幫助簡化升級，兩相和五相電機都提供相同的框架尺寸和輸出軸尺寸。

要了解如何進一步提高這些電機的性能，請閱讀我們的另一篇論文，克服旋轉振動，CVD 系列 2 相雙極驅動器。

關于作者

Johann Tang 是 Oriental Motor USA Corp. 的產品專家，擁有超過 15 年的知識和經驗，支持各種類型的電動機和執行器產品。

審核編輯：湯梓紅