混合式直線步進電機技術概述

基本的步進電機是由有磁性的轉子鐵芯通過與由定子產生的脈動的定子電磁場相互作用而產生轉動。直線電機把旋轉運動變為線性運動，完成這個轉變的精密性取決於轉子的步進角度和所選方法。線性步進電機，或者稱為直線步進電機，首先出現在1968年的第3，402，308號專利上，是頒發給Willian?Henschke的。從此以後，直線步進電機被應用於包括製造、精密調準和精密流體測量在內的諸多高要求領域。

使用螺紋的直線電機的精密度，取決於它的螺距。在直線電機的轉子中心安裝一個螺母，相應地採用一根螺桿與此螺母嚙合，為使螺桿軸向移動，必須用某種方法來防止螺桿與轉子組件一同轉動。由於螺桿轉動受到制約，當轉子旋轉時，螺桿實現了線性運動。無論是在電機內部用固定螺紋軸組件還是在外部的螺紋軸上使用不能旋轉但軸向可自由移動的螺母，都是實現轉動約束的典型方法。

為簡化設計，在電機內部實現線性變換是有意義的。該方法極大的簡化了設計，使得在許多應用領域中能夠在不安裝外部機械聯動裝置的情況下直接使用直線電機進行精密的線性移動。

最初的直線電機採用了一個滾珠螺母和絲桿的結合體。滾珠絲桿提高達90%以上的效率，而根據螺紋條件，梯形螺紋提供的效率僅有20%-70%。?

儘管對於轉換旋轉運動為線性運動而言滾珠絲桿是一種高效的方法，但是滾珠螺母對校準要求很高，而且體積較大，費用昂貴。因此，在大多數應用領域中，滾珠絲桿並非是一個較實用的解決方法。

大多數設備設計人員對以混合式步進電機為基礎的直線電機十分熟悉。該產品已有多年歷史，與其它設備一樣有其自身的長處和局限性。設計簡便、緊湊、無電刷（因此無火花）、驚人的機械優點、設計的實用性以及可靠性是它與生俱來的優點，然而在某些情況下，此直線電機不能用於某些設備，因為在沒有日常維護的條件下它是不能保證其耐久性的。

不過，目前有幾種方法可以克服這樣的障礙，使直線電機具有更高的耐久性且不用維護，由於步進電機的無電刷設計，產生磨損的唯一部件是轉子軸承以及由導螺桿/螺母組成的螺紋接合。滾珠軸承近年來的改進已經提供了適應直線運動的長壽命產品。最近導螺桿和螺母組合的壽命和耐用性也都有了改進。

提高耐久性

首先有必要了解電機的基本結構。一個較好的研究實例Size?17電機，它屬於混全式步進電機家庭中尺寸較小的。習慣上，直線電機使用由一軸承級金屬材料（如青銅）加工成的空心軸，該空心軸具有內螺紋然後與螺紋導桿連接。空心軸沿轉子軸線安裝。導桿材料通常為不鏽鋼，它具有相當的防腐蝕性能。大多數零件所用的螺紋的型式是加工螺紋（如#10-32），此螺紋有單頭或多頭，這取決於電機所需的精度和速度。

加工螺紋一般選擇?"V"形螺紋，這是由於其易加工並可軋製成形。儘管這對加工來說是較為適用，但對動力的傳輸而言卻是不利。相比之下Acme螺紋更為合適，主要理由如下：

Acme螺紋的設計更加高效。而從使用角度來看，低損耗（包括磨擦），就意味著磨損少和使用壽命長。從螺紋的基本幾何原理看就很容易理解其中的原因。"V"形螺紋的相對面之間的角度為60度，而Acme螺紋的僅為29度。

假定磨擦、扭矩和螺紋角相同，"V"形螺紋能傳送的力約為梯形螺紋的85%。用式（1）和（2）可以求出效率，因為使用的螺紋是V形的，取決於負載方向。60度螺紋的效率除以29度螺紋效率就能計算出比率。

這裡的效率計算還未考慮由於"V"形螺紋表面的高壓力而產生的額外的損耗。

Acme螺紋導桿一般是為傳送動力而製作的，所以其表面光潔度、螺距精度及公差得到嚴格保證。"V"形螺紋基本上用於緊固螺紋，所以其表面光潔度和直線性並不受到嚴格控制。?

與此同時，驅動螺桿的螺母甚至顯得更重要，該螺母通常是嵌入電機轉子中的。傳統的螺母材料採用軸承級的青銅並在其內部加工螺紋，這樣做是綜合考慮了物理穩定性和潤滑性。當然，說它是綜合考慮是因為其在這兩方面並非特別優秀。直線電機中驅動螺母的較好材料是自潤滑的熱塑性材料。這是因為用新的工程塑料能使螺桿螺母運動磨擦係數降低。圖3是不同內螺紋轉子材料的磨擦性能的比較。

結果很明顯，但為何不用塑料的驅動螺母？對螺紋來說塑料是好的，可惜的是對於混合式電機中的轉子軸頸來說工程塑料卻不穩定。由於電機的溫度在運行時可能升至167°F，在這種情況下塑料的膨脹量可能達到0.004英寸，但黃銅在同樣熱條件下僅膨脹0.001英寸。

軸承軸頸在混合式電機結構中是非常重要的,為了達到最佳性能,混合式電機在設計時必須保持千分之幾英寸的轉子鐵芯外徑和定子內徑之間的空隙。如果轉子裝配不同心則將與定子內壁磨擦。設計人員希望通過選擇合適的材料在螺紋壽命和軸承軸頸的穩定性上都取得較好的效果，而注塑有內螺紋的金屬轉子結構正好是理想的選擇。

該結構極大地提高了電機運行壽命和效率，並降低了運行噪音。電機壽命比在其它電機中使用的常規青銅螺母結構高，且不需維護。