機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
混合式步進(jìn)電動機(jī)選型_步進(jìn)電機(jī)帶絲桿調(diào)節(jié)
閱讀：238 發(fā)布時間：2022-6-3
同步電動機(jī)與異步電動機(jī)
原理：
同步電機(jī)就是靠勵磁電流運行的，如果沒有勵磁，電機(jī)就是異步的。勵磁是加在轉(zhuǎn)子上的直流系統(tǒng)，它的旋轉(zhuǎn)速度和極性與定子是一致的，如果勵磁出現(xiàn)問題，電動機(jī)就會失步，調(diào)整不過來，觸發(fā)保護(hù)“勵磁故障”電動機(jī)跳閘說的白一點，勵磁電流就是同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中流過的電流（有了這個電流，使轉(zhuǎn)子相當(dāng)于一個電磁鐵，有N極和S極），在正常運行時，這個電流是由外部加在轉(zhuǎn)子上的直流電壓產(chǎn)生的。以前這個直流電壓是由直流電動機(jī)供給，現(xiàn)在大多是由可控硅整流后供給。我們通常把可控硅整流系統(tǒng)稱為勵磁裝置。
直線異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括定子、動子和直線運動的支撐輪三部分。為了保證在行程范圍內(nèi)定子和動子之間具有良好的電磁場耦合，定子和動子的鐵心長度不等。定子可制成短定子和長定子兩種形式。由于長定子結(jié)構(gòu)成本高、運行費用高，所以很少采用。直線電動機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁場一樣，定子鐵心也是由硅鋼片疊成，表面開有齒槽；槽中嵌有三相、兩相或單相繞組；單相直線異步電動機(jī)可制成罩極式，也可通過電容移相。直線異步電動機(jī)的動子有三種形式：
(1)磁性動子動子是由導(dǎo)磁材料制成（鋼板），既起磁路作用，又作為籠型動子起導(dǎo)電作用。
(2)非磁性動子，動子是由非磁性材料（銅）制成，主要起導(dǎo)電作用，這種形式電動機(jī)的氣隙較大，勵磁電流及損耗大。
(3)動子導(dǎo)磁材料表面覆蓋一層導(dǎo)電材料，導(dǎo)磁材料只作為磁路導(dǎo)磁作用；覆蓋導(dǎo)電材料作籠型繞組。
因磁性動子的直線異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，動子不僅作為導(dǎo)磁、導(dǎo)電體，甚至可以作為結(jié)構(gòu)部件，其應(yīng)用前景廣闊。
異步機(jī)就是電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度與定子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度不一致，有一個差值（不同步）。我們叫轉(zhuǎn)差。這個轉(zhuǎn)差與定子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速的比率叫轉(zhuǎn)差率。
同步機(jī)與異步機(jī)的區(qū)別在于：
從供電方面說，異步機(jī)只是在定子側(cè)加上電壓（也有轉(zhuǎn)子上加電壓的），而同步機(jī)要在定子和轉(zhuǎn)子上都加上電壓。也就是說異步機(jī)是單邊勵磁，同步機(jī)是雙邊勵磁。從轉(zhuǎn)速方面說，異步機(jī)的轉(zhuǎn)速只與負(fù)荷大小有關(guān)（當(dāng)然有一定的范圍），而同步機(jī)的轉(zhuǎn)速只與電網(wǎng)的頻率有關(guān)。從結(jié)構(gòu)上說，同步電機(jī)與異步機(jī)轉(zhuǎn)子的構(gòu)造也不一樣。異步機(jī)的轉(zhuǎn)子是有夕鋼片和鋁條（或夕鋼片和線圈組成），而同步機(jī)一般由數(shù)塊磁鋼和線圈組成（也有隱極式的不太一樣）。當(dāng)然還有許多差別，如工藝要求、設(shè)計問題等等，我也說不全，請共同探討。
在電機(jī)設(shè)計上，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般為鼠籠型的，還有繞線型的，定子上繞組也有不同的繞制方法。而同步電機(jī)設(shè)計上定子轉(zhuǎn)子可能都是繞線的。
電機(jī)的工作上，同步電機(jī)工作時，電機(jī)的轉(zhuǎn)子通入直流電，產(chǎn)生類似永磁體產(chǎn)生的磁場，而定子上通入三相交流電，此時定子隨磁場變化同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速n＝60f/p，這里f是電源頻率，p是電機(jī)的極對數(shù)。異步電機(jī)工作時候，只有定子通電（三相交流電），轉(zhuǎn)子由于受到感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場（原理同變壓器），由于是感應(yīng)電流，所以，產(chǎn)生磁場旋轉(zhuǎn)時候要滯后定子磁場一個角度，在定子側(cè)看，是定子磁場拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速要低于同步轉(zhuǎn)速，所以就稱之為異步電機(jī)。
直線異步電動機(jī)的工作原理和旋轉(zhuǎn)式異步電動機(jī)一樣，定子繞組與交流電源相連接，通以多相交流電流后，則在氣隙中產(chǎn)生一個平穩(wěn)的行波磁場（當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場半徑很大時，就成了直線運動的行波磁場）。該磁場沿氣隙作直線運動，同時，在動子導(dǎo)體中感應(yīng)出電動勢，并產(chǎn)生電流，這個電流與行波磁場相互作用產(chǎn)生異步推動力，使動子沿行波方向作直線運動。若把直線異步電動機(jī)定子繞組中電源相序改變一下，則行波磁場移動方向也會反過來，根據(jù)這一原理，可使直線異步電動機(jī)作往復(fù)直線運動。
直線異步電動機(jī)主要用于功率較大場合的直線運動機(jī)構(gòu)，如門自動開閉裝置，起吊、傳遞和升降的機(jī)械設(shè)備，驅(qū)動車輛，尤其是用于高速和超速運輸?shù)取Ｓ捎跔恳蛲苿恿芍苯赢a(chǎn)生，不需要中間連動部分，沒有摩擦，無噪聲，無轉(zhuǎn)子發(fā)熱，不受離心力影響等問題。因此，其應(yīng)用將越來越廣。直線同步電動機(jī)由于性能*，應(yīng)用場合與直線異步電動機(jī)相同，有取代趨勢。直線步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)用于數(shù)控繪圖儀、記錄儀、數(shù)控制圖機(jī)、數(shù)控裁剪機(jī)、磁盤存儲器、精密定位機(jī)構(gòu)等設(shè)備中。
同步式(次級為磁鋼)由于效率高、推力密度大、可控性好等優(yōu)點，盡管其對隔磁防塵要求較高和裝配較困難，現(xiàn)在也已成為機(jī)床用直線電機(jī)的主流。
步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較
步進(jìn)電機(jī)是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。
一、控制精度不同
兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGERLAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。
交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。
二、低頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機(jī)器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。
交流伺服電機(jī)運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測出機(jī)械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。
三、矩頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
四、過載能力不同
步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。
五、運行性能不同
步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
六、速度響應(yīng)性能不同
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。