步进电机基础（2.2）- 转子的分类与结构（1.PM型步进电机）

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。

1. PM型步进电机

  PM (Permanent Magnet, 永久磁铁）型转子为内转子型（外部为定子，中间为气隙的电机）， 圆柱形转子的外表面分布N、S极（外表面无齿）。

1 单相PM型步进电机

  根据步进电机相数分类的单相步进电机如图2. 2~图2. 4所示。有关内容在前节已经说明，此处不再赘述。

2 两相PM型步进电机

  以图2. 5所示的两相步进电机为例，定子绕组在圆周上分布排列，最简单的转子极数为2, 即极对数Nr =1。根据式（2, 1) , 令P=2, 则机械角θs = 90°/Nr ， 此90°为电气角表示的步距角，电气角除以Nr, 即为机械角。转子极数为2, 即Nr =1, 则电气步距角与机械步距角相等，为90° (θs = 90° /P*Nr) 。
  两相PM型电机定子内圆有四个磁极，每个磁极上绕了一个线圈，每两个相差180°的磁极线圈组成一相绕组，PM型步进电机的单极和双极工作方式在图2. 5和图2. 6中均已说明。
  下面以单极工作方式为例说明步进电机的旋转原理（如图2. 10所示）， 由图2. 10可知，转子步距角为90°, 4步旋转一周（360°) 。图2. 10中在一个磁极上绕了两个线圈，每个线圈的激磁电流只流一个方向的电流，故图2. 10 (a) 中A相线圈为下层线圈，A为上层线圈。步进1状态，给1相下层线圈A相通电，在上磁极产生N极，下磁极产生S极，利用定转子磁极异性相吸，直至平衡位置。

  然后1相电流断开，2相线圈B相接通电流，定子磁极左边为S极，右边为N极，吸引转子顺时针旋转90°, 转到步进2状态，如图2. 10 (b) 所示。再次电流切换到1相线圈A相，1相磁极反转，转子顺方向（顺时针方向）旋转。如磁极上为单线圈，则线圈需要流过正反向电流（此为双向驱动，Bipolar) 。
  图2. 10中1相有两个线圈，电流单向流过，两个线圈产生的极性相反，给A线圈通电，磁极极性反转成为图2. 10中（c) 所示状态。同样原理，2相线圈依靠电流的方向的变化，使其磁极极性从第2步变成第4步的极性，使转子旋转到图2. 10 (d) 状态，此时，转子由第3步顺时针转过90°到第4步。不断重复进行第1步至第4步，转子就连续旋转。如要逆时针旋转，只要使第2步与第4步的定子极性相反即可。

3 两相PM型爪极步进电机

  两相 PM 型爪极步进电机的结构如图2. 11所示，定子相绕组不像前面介绍的电机一样分布在圆周上，而是轴向放置，这种相绕组安装方式称为从属型结构。
  转子为圆柱形永久磁铁，其中心安装了输出轴。圆柱形永久磁铁的圆周外表面交替分布着N极和S极，极对数为Nr , N、S极等极距。其转子磁极通过气隙，对着定子磁极。定子磁极依其形状称为爪极（claw pole) , 由导磁钢板冲压成型，形成N, 个爪极。两个定子极板其磁极交互安放，相差1/2极距，共2N, 个与转子磁极数2N, 相对应，形成一相定子。

  定子相绕组绕在圆形骨架上，绕制成环状线圈。定子上的两节定子磁路相同，其相邻磁极相差1/4极距，即偏差90°/Nr 。两转子磁极对应一致。
  定子为爪极型的步进电机，气隙为0. 2mm (比 HB型步进电机的气隙大3-4倍）。其分辨率与相同尺寸的HB型步进电机相比相差1/4.与相同尺寸的 HB型步进电机相比，其转矩只有1/3.决定步距角的分辨率由式（2. 1) 得知，如P=2, 则θs=90°/N. .若Nr =5-12, 则步距角θs 为1. 8°~7. 5°, 通常使用7. 5°.
  图2. 13 所示为PM型步进电机（42*x长度27mm, 步距角7. 5°) 的速度－转矩特性［与尺寸接近的HB型步进电机（39口X长度27mm, 步距角1. 8°) 比较］。因为HB型为方形，其对角线为42mm以上，而且转子为永久磁铁，PM型为便宜的铁氧体磁铁，HB为钕铁硼磁铁，极对数相同，且PM型的气隙比HB型大3倍以上，故转矩差如此之大也是必然。关于最高转速和电气时间常数（线圈电感除以电阻之值）的差异，仅供参考。


  此种 PM 型步进电机的最大特点为价格便宜。从成本角度分析如下。
  PM型转子通常使用铁氧体磁铁等低成本材料，轴承使用金属滑轴承（Sleeve metal) , 导磁材料使用电工钢板，从材料费方面考虑做到你成本的设计。线圈卷绕在线圈骨架上，可提高绕线效率，节省绕线时间线圈端头采用低价接线端子。与相同尺寸大小的HB型相比，只有其价格的 1/3.使用的数量为HB型的3倍以上，其使用量有逐年增加的趋势。

4 两相 PM型爪极步进电机的旋转原理

  两相 PM 型爪极步进电机的旋转原理与图2. 10的两相 PM 型分布线圈步进电机的旋转原理基本相同。但是，由图2. 10可知，一个线圈只能给一个磁极激磁，然而爪极电机的一相线圈可以给多极激磁。图2. 14示出爪极步进电机的旋转原理。实际的两相 PM型爪极步进电机如图2. 11所示，设计的多极N, =12, 此时定子的爪极数每相有12对极。为简化原理便于理解，图2. 14将一相简化成一对极。对比图2. 11和图2. 14,理解容易，简化为一相激磁状态的说明，一相激磁如能驱动转子旋转，两相激磁肯定也能运转。
  如图2. 14所示，Stl、St2为定子的两相绕组，各线圈如图所示方向绕制。Rt为转子，采用铁氧体磁铁构成，N、S极分布在转子外表面，与定子极之间形成工作气隙。由图知道，一相线圈激磁一对定子磁极，转子极对数与定子极对数的节距相同，相邻转子的S极与N极必定相互吸引，产生电磁力。该点与后面叙述的 HB型和 RM型不同。
  第一步，图2. 14 (a) 为1相线圈激磁图，转子与定子Stl的磁极互相异性相吸。如果此时施加外力，转子会带着负载移动，电磁力会产生图2. 14 (a) 所示位置的恢复力，负载力的大小决定了位置精度。此时，2相定子St2的磁极中心线在转子磁极N、S极的中间位置，2相定子与转子
磁极中心线相差π／2, 此位移角为一个步距角。
  第二步，图2. 14 (b) 中，Stl的线圈电流为OFF, St2的线圈电流变成ON, 转子向右移动π／2, 转子被St2吸引而停止。
  第三步，图2. 14 © 中，Stl的线圈电流反向通电，定子极性反转，转子再旋转π／2后静止。
  第四步，图2. 14 (d) 中，St2 的线圈电流反向通电，定子极性反转，转子再旋转π／2后静止。
  再返回图2. 14 (a) , 依次（b) 、 © 、 (d) 反复循环，不断旋转。以上为两相PM型爪极步进电机的运行原理。
  根据以上叙述，一个步距角为转子磁极极距的1/2, 走4步为一个循环。步距角由转子的极数来决定，定子的极数对转矩的增加有影响。当然，此型步进电机有单极（uni-polar) 型和双极（Bi-polar) 型，均伴随定子磁极磁化而旋转，反转亦相同。

5 三相 PM型爪极步进电机

  本步进电机的三相定子绕组在轴向三重配置，三相Y (三个线圈的末端接在一起，简称屋形）或Δ (三个线圈首尾相接，简称三角形）接出三个出线端，为三相驱动PM型爪极步进电机。

  转子R的结构完全与两相步进电机相同。定子每相结构基本上与两相步进电机的相同。与两相步进电机不同的是定子三个相的配置角度不同。图2, 15为三相 PM型爪极步进电机的结构，立体剖面图只表示定子与转子结构。转子R与两相 PM型步进电机相同，其外表面为N、S 极，极对数为N, .如图所示，转子R的极对数的节距为τ。定子由A, B、C相组成，各线陶绕制成DA, DB, DC的环状线圈，以CA、CB、CC在转子轴方向纵向配置，线圈CA 激磁形成 A相的磁极 A, 和Az, CB激磁形成B相的磁极B, 和Bz, CC激磁形成C相的磁极C, 和Cz.此电机转子极对数节距为τ, A1 与A2, B1 与B2, C1 与C2 各相差τ/2, A1 、B1、C1、各相差τ/3, 故相邻相 A2与B1 , B2与C1, 之间相差：τ／6。
  此电机的运行原理如图2. 16所示。
  各定子相磁极的符号与图2. 15的结构图相同，两图对照来看。三个线圈CA, CB, CC为Y连接，如用Δ接法也能同样运行。例如，如图2. 16 (a) 所示，A相B相间加电压，两个线圈磁通方向相反如箭头所示，该激磁驱动电路如图2. 17所示。
  T1 ~T6为功率管，各相线圈接法如图所示，T1 ~T6的B端为电源端， G端为接地端。

  T1~T6导通顺序如表2. 1所示，O表示功率管导通，由此给Y 接法的3个端子中的两个加正负电压。由于三个线圈的尾端短接，必定使两相绕组顺次激磁，即三相绕组两相激磁驱动。图2. 14为两相 PM型步进电机以两相激磁方式驱动，此时两相激磁，转子R的磁极静止在两相定子磁极之间。
  表2. 1步骤1为T1 与T4导通，A相与B相激磁。如图2. 16 (a) 所示。A相与B相激磁，箭头方向为两绕组线圈产生的磁通方向，A相与B 相磁极极性如图2. 16所示。由此，转子 R 被吸引到稳定位置（如图2. 16（a) 所示）。
  到表2. 1的步骤2, T1, 关断，T5 变成导通，T4与T5导通，B相和C相激磁，如图2. 16 (b) 所示，B相和C相的线圈磁通方向相反。此时，转子R 从图2. 16 (a) 位置向左移动τ/6的稳定位置，τ/6为三相永磁步进电机的步距角，即步距角为转子一对极极距的1/6.与两相永磁步进电机的1/4 相比，分辨率提高1. 5倍。

  同样，表2. 1步骤3, T, 关断，T变成导通，C相和A相的线圈导通，转子移动到图2. 16 ( c ) 的稳定位置，转子R又向左移动τ/6.依次切换功率管，使定子绕组依次导通，实现图2. 16 (d) 、 (e) 、 (f) 步骤的激磁，使转子依次步进。六步一个循环，转子移动一对极的极距，如此反复循环。与 PM型爪极步进电机的特点不同，三相PM型与两相PM型的步进电机相同，转子磁场从N极发出，相邻S极返回，与定子线圈交链。
  图2. 15中A、B、C (A、B、C等）相差：／3即电气角120°, 各相偏差τ／6, 图2. 16的接线方式还不能达到连续步进的动作，要将B相线圈与其他的A相和C相反接才行，即绕制方向相同的三个线圈，将其中一个反接，并装配成一体，如图2. 15所示。
  图2. 18为相同尺寸和同一转子的两相PM型与三相 PM型步进电机的速度－转矩特性。其速度－振动特性如图2. 19所示。转矩特性方面，三相PM型步进电机在高速旅转时转矩较高，振动特性中三相PM型在步进电机低速下比较小，相应的噪音特性与两相PM型电机相比有更大改善、总之，三相PM 型步进电机虽然结构比两相PM型步进电机复杂，但性价比更好。


表2. 2为试验电机参数，即相同尺寸的两相HB型与三相 PM型步进电机的参数。图2. 20 为两种电机的速度－转矩特性，图2. 21为其速度-噪音特性。速度－转矩特性两者相差不多，三相 PM型电机的噪音特性约低
10dB.在分辨率和寿命及其成本都能满足要求时，三相 PM型电机较两相HB型电机振动噪音更低。