改進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的扭矩和振動設(shè)計

隨著對機(jī)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(nèi)最大限度地提高生產(chǎn)率。使用高扭矩步進(jìn)電機(jī)是一種通過增加現(xiàn)有機(jī)器的吞吐量或使機(jī)器更小來最大限度地提高生產(chǎn)率的方法。首先，我們將討論高扭矩步進(jìn)電機(jī)為機(jī)器制造商提供的優(yōu)勢。

1、使用高扭矩步進(jìn)電機(jī)有什么優(yōu)勢?

增加負(fù)載能力或吞吐量

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

機(jī)器占地面積可以最小化

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

其他隱藏的好處

由于功率密度高，步進(jìn)電機(jī)傳統(tǒng)上會發(fā)熱，無法連續(xù)運(yùn)行。高扭矩步進(jìn)電機(jī)提供了幾種提高性能的替代方案。電機(jī)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(jī)的預(yù)期壽命延長一倍。通過將電流降低到適合電機(jī)和應(yīng)用的水平，步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上可以運(yùn)行溫度更低、運(yùn)行時間更長，這意味著更高的生產(chǎn)量和更少的機(jī)器維護(hù)。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(yùn)營成本。

2. 如何從電機(jī)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(zhuǎn)子中的永磁體相互作用產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力。

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

T：扭矩

N：繞組圈數(shù)

I：電流

要增加電機(jī)的扭矩，需要增加繞組匝數(shù)或輸入電流。現(xiàn)在這聽起來很容易，但是這兩種方法都存在問題。由于電機(jī)制造商通常將繞組匝數(shù)設(shè)計為其最大值，因此增加繞組匝數(shù)的最簡單方法是增加電機(jī)尺寸。增加輸入電流也會提高電機(jī)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(jī)制造商探索了使用更強(qiáng)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(shè)計往往使電機(jī)的價格更高一些。

另一種增加扭矩的方法是使用雙極串聯(lián)或并聯(lián)配置的步進(jìn)電機(jī)，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(jī)的速度和扭矩性能也會發(fā)生變化。通過使用電機(jī)繞組的全線圈，扭矩可以增加 √2 倍，即大約 41%。當(dāng)前降低驅(qū)動器成本和提高性能的趨勢已將雙極步進(jìn)電機(jī)配置定位為大多數(shù)應(yīng)用的主要選擇。

在本文中，我們將介紹一種高扭矩設(shè)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(shè)計和制造努力的結(jié)果是，我們的電機(jī)的最大保持扭矩比相同尺寸的傳統(tǒng)型號高出1.2 到 1.7 倍，比我們以前的高扭矩步進(jìn)電機(jī)高出約 20%。

3. 我們是怎么做到的?

我們不僅關(guān)注磁鐵、齒、繞組或電流，還著眼于設(shè)計和制造的整個過程，并取得了多項技術(shù)進(jìn)步。

轉(zhuǎn)子/定子的優(yōu)化磁設(shè)計

· 轉(zhuǎn)子與定子直徑比

定子內(nèi)徑與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子太大會增加轉(zhuǎn)子慣性，并會使電機(jī)對速度變化的響應(yīng)變差。較大的轉(zhuǎn)子直徑也會導(dǎo)致定子繞組的空間減少，從而減少產(chǎn)生的磁通量。進(jìn)行了重復(fù)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(diǎn)設(shè)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(shè)計更方，這最大限度地減少了定子齒和轉(zhuǎn)子齒之間的磁通量損失。

· 轉(zhuǎn)子疊片

轉(zhuǎn)子是通過在永磁體的每一側(cè)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(shù)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(dǎo)致徑向載荷比過去的設(shè)計大 1.4 到 1.5 倍。還在電機(jī)輸出側(cè)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(zhuǎn)子長度的空間，并減少了振動。我們還改進(jìn)了定子疊片的緊固方法，以提高轉(zhuǎn)子和定子鐵芯的剛性，這也有助于進(jìn)一步降低電機(jī)產(chǎn)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(shè)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(chuàng)造了更小的占地面積，有助于使機(jī)器更小。

最小氣隙

最小化定子和轉(zhuǎn)子齒之間的微小氣隙并非易事。它是電機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵部分，因為加工不精確會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)不均勻、失步、振動、噪音，甚至轉(zhuǎn)子鎖定。它需要對許多設(shè)計和制造過程進(jìn)行廣泛的審查和反復(fù)測試。

通過獨(dú)特的工具管理技術(shù)以及采用更高精度的機(jī)械，我們能夠降低轉(zhuǎn)子和定子疊片的直徑公差以及滾珠軸承直徑和軸壓機(jī)的最終配合間隙。這種精度還需要對零件和機(jī)械更加小心。對于定子和轉(zhuǎn)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(xùn)。

作為我們制造和裝配精度的證明，我們能夠?qū)庀稖p小到 30 微米(0.03 毫米)。作為比較，一根人類頭發(fā)的粗度為 17 至 181 微米。從歷史上看，大多數(shù)電機(jī)制造商都從具有大約 100 微米氣隙的設(shè)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(jīng)說過，在不增加電機(jī)尺寸的情況下很難增加電機(jī)的扭矩輸出。隨著高密度繞組技術(shù)的進(jìn)步，我們能夠在保持匝數(shù)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(jī)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(jī)的扭矩、降低發(fā)熱量和降低電機(jī)振動。

4. 結(jié)果：扭矩更大，振動更小

如前所述，我們的PKP 系列步進(jìn)電機(jī)可提供比相同尺寸電機(jī)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(jī)的振動。

五、總結(jié)：

有許多方法可以增加步進(jìn)電機(jī)的扭矩。通過結(jié)合電機(jī)設(shè)計不同部分的改進(jìn)，例如磁性設(shè)計、剛度、氣隙和繞組密度，Oriental Motor 能夠創(chuàng)造出整體更好的步進(jìn)電機(jī)，同時保持實(shí)際應(yīng)用的價格經(jīng)濟(jì)。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(shè)計的 PKP 系列高扭矩步進(jìn)電機(jī)是任何需要更高扭矩或更小占地面積的應(yīng)用的理想選擇。

關(guān)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(jī)，其步進(jìn)分辨率為 0.9° 或 0.36°，可實(shí)現(xiàn) ±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(yīng)用，我們鼓勵您嘗試使用 5 相步進(jìn)電機(jī)。為了幫助簡化升級，兩相和五相電機(jī)都提供相同的框架尺寸和輸出軸尺寸。

要了解如何進(jìn)一步提高這些電機(jī)的性能，請閱讀我們的另一篇論文，克服旋轉(zhuǎn)振動，CVD 系列 2 相雙極驅(qū)動器。

關(guān)于作者

Johann Tang 是 Oriental Motor USA Corp. 的產(chǎn)品專家，擁有超過 15 年的知識和經(jīng)驗，支持各種類型的電動機(jī)和執(zhí)行器產(chǎn)品。

審核編輯：湯梓紅