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第四章步进电动机

4-1 概述

步进电动机 stepping motor 是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机
每输入一个电脉冲信号电机就转动一个角度它的运动形式是步进式的所以称为步进电动机
又由于它输入的是脉冲电流所以也叫脉冲电动机
步进电动机在不需要变换的情况下能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移因此它很
适合作为数字控制系统的伺服元件此外它还具有一系列的优点一是输出角位移量或线位移量
与其输入的脉冲数成正比而转速或线速度与脉冲的频率成正比在负载能力范围内这些关系不
受电压的大小负载的大小环境条件等外界各种因素的干扰二是它每转一周都有固定的步数
所以步进电动机在不失步的情况下运行其步距误差不会长期积累三是控制性能好它可以在开
环系统中在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速并且能够快速启动制动和反转
四是有些型式的步进电动机在停止供电的状态下还有定位转矩有些型式在停机后某些相绕组仍保
持通电状态具有自锁能力不需要机械制动装置等当采用速度和位置检测装置后它可构成闭
环控制系统
计算机技术电力电子技术和微电子技术的发展给步进电动机的应用开辟了广阔的前景应
用非常广泛如数控机床绘图机自动记录仪表遥控装置和航空系统等等都大量使用步进电
动机
步进电动机的主要缺点是效率较低并且需要专用电源供给电脉冲信号带负载惯量的能力不
强在运行中会出现共振和振荡问题
步进电动机的种类很多主要有反应式永磁式和混合式近年来又发展有直线步进电动机和
平面步进电动机等其中反应式步进电动机结构较简单应用比较普遍而且其他类型步进电动机的
基本原理与它基本相似所以本章着重分析反应式步进电动机

4-2 反应式步进电动机的结构及工作原理

一反应式步进电动机的结构
反应式步进电动机的结构形式很多按定转子铁芯的段数分为单段式和多段式两种
1 单段式
单段式是定转子为一段铁芯由于各相绕组沿圆周方向均匀排列所以又称为径向分相式它
是步进电动机中使用最多的一种结构形式如图 4-1 为三相反应式步进电动机的径向截面图定转
子铁芯由硅钢片叠压而成定子磁极为凸极式磁极的极面上开有小齿定子
上有三套控制绕组每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上每套绕组
叫一相三相绕组接成星形所以定子磁极数通常为相数的两倍即 2p=2m p 为极对数 m 为相
数转子上没有绕组沿圆周也有均匀的小齿其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等而且
转子的齿数有一定的限制这种结构形式的优点是制造简便精度易于保证步距角可以做得较小
容易得到较高的启动和运行频率其缺点是在电机的直径较小而相数又较多时沿径向分相较为困
1
难消耗功率大断电时无定位转矩

图 4-1 三相反应式步进电动机的结构

2 多段式
多段式是定转子铁芯沿电机轴向按相数分成 m 段由于各相绕组沿着轴向分布所以又称为轴
向分相式按其磁路的结构特点有两种一种是主磁路仍为径向另一种是主磁路包含有轴向部分
多段式径向磁路步进电动机的结构如图 4-2 所示每一段的结构和单段式径向分相结构相似
通常每一相绕组在一段定子铁芯的各个磁极上定子的磁极数从结构合理考虑决定最多可以和转
子齿数相等定转子铁芯的圆周上都有齿形相近和齿距相同的均匀小齿转子齿数通常为定子极数
的倍数定子铁芯或转子铁芯每相邻两段沿圆周错开 1/m 齿距此外也可以在一段铁芯上放
置两相或三相绕组定子铁芯或转子铁芯每相邻两段要错开相应的齿距这样可增加电机制
造的灵活性

图 4-2 多段式径向磁路反应式步进电动机
1 线圈 2 定子 3 转子

多段式轴向磁路步进电动机的结构如图 4-3 所示每段定子铁芯为П字形在其中间放置环形
控制绕组定转子铁芯上均有齿形相近和齿数相等的小齿定子铁芯或转子铁芯每相邻两段沿
圆周错开 1/m 齿距
多段式结构的共同特点是铁芯分段和错位装配工艺比较复杂精度不易保证特别对步距角较
2
小的电机更是困难但步距角可以做的很小启动和运行频率较高对轴向磁路的结构定子空间
利用率高环形控制绕组绕制方便转子的惯量较低


图 4-3 多段式轴向磁路反应式步进电动机
1 线圈 2 定子 3 磁轭 4 转子 5 引出线

二反应式步进电动机的工作原理
反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以
也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理
图 4-4 是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极
每两个相对的磁极上绕有一