步进电机结构简介

步进电机结构简介（通用6篇）

篇1：步进电机结构简介

步进电机简介

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；

混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为

1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

一.工作原理

（一）反应式步进电机

1、结构：

电机转子均匀分布着很多小齿（1，2，3，4，5），电机定子有三个励磁绕阻（A，B，C），A与齿1相对齐，B与齿2错开1/3て，C与齿3错开2/3て，A与齿5相对齐...。将定子和转子展开如下

2、旋转：

如A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐；如B相通电，A、C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移2/3て；如C相通电，A、B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐；如A相通电，B、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。这样经过A、B、C、A分别通电，齿4移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A、B、C、A...通电，电机就向右旋转；如按A、C、B、A……通电，电机就向左转。由此可见：电机的位置和速度由导电脉冲数和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。

不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑，往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。但经过理论分析及大量的实验证明：细分数如果超过10，电机带负载后，就会产生跳步和失步现象。

不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移

1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩：

电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）。当转子与定子错开一定角度时，产生的吸引力 F=K*dФ/dθ成正比。其中磁通量Ф=Br*S（Br=N*I/R为磁密，S为导磁面积，N*I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻），θ为错齿量，K为系数。可见，F与L*D*Br成正比（L为铁芯有效长度，D为转子直径）。

力矩=F*D/2，因此，力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（设为线性状态），即电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

（二）感应子式步进电机（永磁式）

1、特点：

感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。

感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。

例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=。

一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。

2、分类

感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

3、步进电机的静态指标术语

相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。每转步数：电机每转一转所转过的步数。

定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

保持扭矩：电机绕组通电不转动时的最大输出扭矩值。

工作扭矩：电机绕组通电转动时的最大输出扭矩值。注意：保持扭距比工作扭矩大，选电机是要以工作扭矩为选择依据。

静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

4、步进电机动态指标及术语：

1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。

3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。这个速度远大于启动频率。

6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下左图所示：其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如上右图所示。其中，曲线3电流最大、或电压最高；曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

7、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然。为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应远离共振区。

现在，步进电机的发展非常迅速，如德国百格拉公司的交流伺服电机运行性能的步进电机系统，其三相混合式步进电机采用交流伺服原理工作，运用特殊精密机械加工工艺，使步进电机定子和转子之间间隙仅为50um，转子和定子的直径比提高到59%，大大提高了电机工作扭矩，特别是高速时的工作扭矩。由于定子和转子上磁槽数远多于五相和两相混合式步进电机，使三相混合式步进电机可以按五相和两相混合式步进电机的步数进行工作。电机的扭矩仅与转速有关，而与电机每转的步数无关，例如：2Nm电机在每转500步和10000步，800转/分时的扭矩都是1.75Nm。在低速时运行极其平稳，几乎无共振区，高速时扭矩大，运行特性类同交流伺服电机。

二.步进电机选用

（一）力矩与功率计算

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

P= Ω·M

Ω=2π·n/60

P=2πnM/60

其中P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米。

P=2πfM/400(半步工作）

其中f为每秒脉冲数（简称PPS)

（二）步进电机的选择

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2、静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

3、电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：

三.应用中的注意点

1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。

4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。

6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。

7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。

8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。

9、应遵循先选电机后选驱动的原则。最好采用同一生产厂家的控制器、驱动器和电机。

10、应注重可靠性而轻性能、重品质而轻价格。

机电产品网 供稿

篇2：步进电机结构简介

步进电机

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。

步进电机驱动器

步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。

步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

步进电机问与答 1.什么是步进电机?步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。2.步进电机分哪几种?步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

3.什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）?保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。4.什么是DETENT TORQUE?DETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

5.步进电机精度为多少？是否累积?一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。6.步进电机的外表温度允许达到多少?步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。7.为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降?当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。8.为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声?步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；

D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。10.细分驱动器的细分数是否能代表精度?步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8° 的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。11.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。12.如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?A.电压的确定：混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

B.电流的确定：供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。13.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。14.如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。

常用单相交流感应电动机种类

在家用电器设备中，常配有小型单相交流感应电动机。交流感应电动机因应用类别的差异，一般可分为分相式电动机、电容启动式电动机、永久分相式电容电动机、罩极式电动机、永磁直流电动机及交直流电动机等类型。

一般的三相交流感应电动机在接通三相交流电后，电机定子绕组通过交变电流后产生旋转磁场并感应转子，从而使转子产生电动势，并相互作用而形成转矩，使转子转动。但单相交流感应电动机，只能产生极性和强度交替变化的磁场，不能产生旋转磁场，因此单相交流电动机必须另外设计使它产生旋转磁场，转子才能转动，所以常见单相交流电机有分相启动式、罩极式、电容启动式等种类。

1、分相启动式电动机

分相式电动机广泛应用于电冰箱、洗衣机、空调等家用电器中。该电机有一个鼠笼式转子和主、副两个定子绕组。两个绕组相差一个很大的相位角，使副绕组中的电流和磁通达到最大值的时间比主绕组早一些，因而能产生一个环绕定子旋转的磁通。这个旋转磁通切割转子上的导体，使转子导体感应一个较大的电流，电流所产生的磁通与定子磁通相互作用，转子便产生启动转矩。当电机一旦启动，转速上升至额定转速70%时，离心开关脱开副绕组即断电，电机即可正常运转。

2、罩极式电动机

罩极式单相交流电动机，它的结构简单，其电气性能略差于其他单相电机，但由于制作成本低，运行噪声较小，对电器设备干扰小，所以被广泛应用在电风扇、电吹风、吸尘器等小型家用电器中。罩极式电动机只有主绕组，没有副绕级（启动绕组），它在电机定子的两极处各设有一副短路环，也称为电极罩极圈。当电动机通电后，主磁极部分的磁场产生的脉动磁场感应短路而产生二次电流，从而使磁极上被罩部分的磁场，比未罩住部分的磁场滞后些，因而磁极构成旋转磁场，电动机转子便旋转启动工作。罩极式单相电动机还有一个特点，即可以很方便地转换成二极或四极转速，以适应不同转速电器配套使用。

3、电容式启动电动机

该类电动机可分为电容分相启动电机和永久分相电容电机。这种电机结构简单，启动快速，转速稳定，被广泛应用在电风扇、排风扇、抽油烟机等家用电器中。电容分相式电动机在定子绕组上设有主绕组和副绕组（启动绕组），并在启动绕组中串联大容量启动电容器，使通电后主、副绕组的电相角成90°，从而能产生较大的启动转矩，使转子启动运转。

对于永久分相电容电动机来说，均与启动绕组串接。由于永久分相电机其启动的转矩较小，因此很适于排风机、抽风机等要求启动力矩低的电器设备中应用。电容式启动电动机，由于其运行绕组分正、反相绕制设定，所以只要切换运行绕组和启动绕组的串接方向，即可方便实现电机逆、顺方向运转。

4、交、直流两用电动机

一般常用单相交流电动机，在交流50Hz电源中运行时，电动机转速较高的也只能达每分钟3000转。而交直流两用电动机在交流或直流供电下，其电机转速可高达20000转，同时其电机的输出启动力矩也大，所以尽管电机体积小，但由于转速高输出功率大，因此交直流两用电动机在洗衣机、吸尘器、排风扇等家用电器中得以应用。

交、直流两用电动机的内在结构与单纯直流电机无大差异，均由电机电刷经换向器将电流输入电枢绕组，其磁场绕组与电枢绕组构成串联形式。为了充分减少转子高速运行时电刷与换向器间产生的电火花干扰，而将电机的磁场线圈制成左右两只，分别串联在电枢两侧。两用电机的转向切换很方便，只要切换开关将磁场线圈反接，即能实现电机转子的逆转或顺转。

在家用电器电机类中还有一种直流微型电动机。该电机在录音机、随身听、录像机、打印机、传真机等家用电器中广泛应用。直流微型电机由于定子绕组和转子绕组之间的串接形式不同，又可分为并激、串激、复激等几种类别。

应用在家用电器中的电机，其定子绕组的转子，绕组之间的串接一般采用并激形式，即电机的定子磁场线圈与电枢绕组线圈并联后接到电源上。当通电后电机可保持磁场恒定，并利用电枢电路控制电机转速。这种直流电机的最大特点是当负载产生波动变化时，电机的转速保持定速状态。

篇3：步进电机简介及控制原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号时, 就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (称为“步距角”) , 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的, 通过控制脉冲个数控制角位移量, 达到准确定位的目的, 同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度, 达到调速的目的。步进电机作为一种控制用的特种电机, 其没有积累误差 (精度为100%) , 被广泛应用于各种开环控制。

一、步进电机的种类

永磁式步进电机一般为两相, 转矩和体检较小, 步踞角一般为7.5度或15度, 多用于空调风摆上。

反应式步进电机常见的有三相反应式, 步踞角为1.5度。

混合式步进电机常见的有两相、三相、四相、五相混合式。两相和四相混合式可以通用驱动器, 步踞角多是1.8度, 具有体积小、大力距、低噪音的特点。五相混合式步踞角为0.72度, 分辨率高, 但是驱动电路复杂, 接线麻烦。三相混合式步踞角为1.2度, 其拥有比两相、五相混合式更多的磁极, 有利于电机夹角的对称, 因而比两相、五相精度更高, 误差更小, 运行更平稳。

二、步进电机的相关概念

步进电机的精度:步进电机的精度为步进角的3%—5%, 且不累积。

步踞角:就是发送一个脉冲, 电机对应转动的角度。

定位转矩:是指步进电机不通电的情况下, 定子锁住转子的力矩。

运行频率:步进电机不失步运行的最高频率。

细分驱动器:主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动, 提高电机的运作精度, 减少噪音。

三、步进电机的特征

1.高精度的定位。

步进电机的最大特征是能够简单地做到高精度的定位控制。以五相步进电机为例:其定位基本单位 (分辨率) 为0.72度 (全步级) /0.36度 (半步级) , 是非常小的;停止定位精度误差皆在±3分 (±0.05度) 以内, 且无累计误差, 因而能达到高精度的定位控制。 (步进电机的定位精度取决于电机本身的机械加工精度)

2.位置及速度控制。

步进电机在输入脉冲信号时, 可以依输入的脉冲数做固定角度的回转, 进而得到灵活的角度控制 (位置控制) , 并可得到与该脉冲信号周波数 (频率) 成比例的回转速度。

3.具定位保持力。

步进电机在停止状态下 (无脉波信号输入时) 仍具有激磁保持力, 因此, 即使不依靠机械式的刹车, 也能做到停止位置的保持。

4.动作灵敏。

步进电机因为加速性能优越, 所以可做到瞬时起动、停止、正反转等快速、频繁的定位动作。

5.开回路控制, 不必依赖传感器定位。

步进电机的控制系统构成简单, 不需要速度感应器 (EN-CODER、转速发电机) 及位置传感器 (SENSOR) , 就能以输入的脉波达到速度与位置的控制。也因其属开回路控制, 所以最适合于短距离、高频度、高精度等定位控制的场合下使用。

6.中低速时具备高转矩。

步进电机在中低速时具有较大的转矩, 所以能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。

7.高信赖性。

使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较, 步进电机的故障及误动作少, 所以在检查及保养时也较简单容易。

8.体积小, 功率高。

步进电机体积小、扭力大, 在狭窄的空间内也可顺利做安装, 并提供高转矩输出。

四、步进电机的控制原理

步进电机是数字控制电机, 它将脉冲信号转变成角位移, 即给一个脉冲信号, 步进电机就转动一个角度, 因此非常适合于单片机控制。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是:它是通过输入脉冲信号进行控制的, 即电机的总转动角度由输入脉冲数决定, 而电机的转速则由脉冲信号频率决定。

步进电机的驱动电路根据控制信号工作, 而控制信号则由单片机产生。其基本原理如下:

(一) 控制换相顺序。

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如:三相步进电机的三拍工作方式, 其各相通电顺序为A—B—C—D, 通电控制脉冲就必须严格按照这一顺序分别控制A, B, C, D, 进行电的通断。

(二) 控制步进电机的转向。

如果给定工作方式是正序换相通电, 步进电机就正转;如果按反序通电换相, 步进电机就反转。

(三) 控制步进电机的速度。

篇4：驱动电机转子结构优化分析

（东风汽车公司 技术中心，武汉 430058）

世界汽车技术正朝着节能、环保、安全等方向发展，汽车的能量消耗与汽车自身质量成正比，因此，要想减少不必要的能量消耗，应在保证安全的前提下尽量减轻汽车自身质量。对于电动汽车来说，电池、电机和车身结构件所占整车质量的比例较高，从电池、电机和车身结构入手减轻质量，对电动汽车整车的轻量化效果十分显著。

本文针对某自主设计电动车的驱动电机转子进行结构强度仿真分析，在保证结构强度满足设计要求的前提下，对转子结构进行拓扑优化和形状优化，优化后的电机转子通过了试验验证，满足设计目标要求。

1 电机转子结构强度分析

1.1 仿真分析说明

内嵌式永磁电机采用转子冲片内嵌磁钢块且磁极表面对称分布的方式，不仅使电机反电动势波形得到优化，而且有效的抑制了电机齿槽力矩和负载力矩扰动。电机转子结构如图1所示。在电机高速运转时，电机转子结构主要承受离心力、电磁力和永磁体吸引力的作用，研究结果表明，离心力是影响电机转子结构强度的主要因素。本文在进行电机转子结构强度分析时，主要考虑电机转子在离心力作用下的结构强度。

1.2 结构强度分析结果

转子冲片结构采用壳单元模拟，单元尺寸为0.5 mm，能够较好的反映转子的几何特征。在分析过程中，电机转子单个冲片处于自由状态，对结构施加电机最高转速12 000转/分钟，采用惯性释放的方法，考虑永磁体与冲片之间的接触关系，利用Abaqus求解器计算，分析结果如图2所示。

电机转子的最大应力为137.4 MPa，采用材料的屈服强度为395 MPa，安全系数为2.9，存在较大的设计优化空间。

2 电机转子结构优化分析

2.1 结构拓扑优化分析

拓扑优化技术是在特定的设计空间、载荷和边界条件的前提下，寻求材料的最优分布。它的特点就是在产品概念设计阶段，在不知道结构形状的前提下，得到合理的结构形式，提出最佳形状设计。本文利用Altai公司的OptiStruct工具进行结构拓扑优化设计。

本文以电机转子冲片非设计区域的单元密度为设计变量，以转子冲片结构的一阶模态频率为约束条件，以转子冲片结构的总质量最小为目标函数，应用OptiStruct进行结构拓扑优化分析，经过7次迭代计算，得到优化设计方案，根据软件优化方案，形成最终的设计方案。优化过程如图3所示。

2.2 结构形状优化分析

形状优化是一种细节设计方法，是设计人员对模型结构变化有了一定思路进行的设计。目的是通过改变某些形状参数来实现好的力学性能，如应力、位移等。在形状优化中，通过修改网格节点的位置以改变结构的形状。在HyperMesh中，通过HyperMorh实现网格变形。OptiStruct通过HyperMorph进行区域变形，建立形状变量，以形状变量为设计变量进行优化计算。

本文以隔磁桥1的宽度、隔磁桥2的宽度和减重孔半径作为设计变量，如图4所示，通过HyperMorh实现网格变形，建立形状变量，以材料的屈服强度作为约束条件，以转子冲片结构的总质量最小为目标函数，应用OptiStruct进行结构形状优化分析，经过迭代计算，得到各设计变量的结构最优参数如表1所示。

表1 形状优化分析结果

对优化后的电机转子进行结构强度分析，分析结果如图5所示。电机转子最大应力为241.4MPa，安全系数由优化前的2.9降为1.6，能够满足设计目标要求。

2.3 电机转子热变形分析

电机转子在高速运转时，除了受离心力外，随着温度的升高，电机转子发生膨胀变形，变形量的大小直接影响电机定子与转子之间的间隙量，进一步影响电机的工作效率。分别对优化前后的电机转子进行热变形分析。

采用惯性释放的分析方法，对转子结构施加极限温度载荷，分析结果如图6所示。分析结果表明，对转子结构进行优化后，转子的热变形性能未发生变化，最大变形量均为0.11mm，满足设计目标要求。

3 分析总结

（1）优化前后驱动电机转子结构性能对比如表2所示，优化方案的最大应力为241.4 MPa，安全系数为1.6，最大热变形与原方案一致，满足目标要求，质量与原方案相比减重18.8%，轻量化效果显著。

表2 优化前后电机转子结构性能对比

（2）优化后的驱动电机转子方案通过了台架试验验证，未出现强度问题，现已实现小批量装车。

（3）本文形成的电机转子的结构强度分析方法，有效的指导了电机转子的设计工作，并应用于后续的电机产品开发过程中。

（4）通过实现仿真与设计同步工程，使CAE工作在概念设计阶段介入，尽早发现设计缺陷并及时进行结构改进，可以将设计问题降至最低，提高设计的可靠性和设计质量，缩短设计周期。

［1］陈远扬.高速内嵌式永磁电机转子机械强度分析［J］.微电机，2012， 40（5）.

篇5：上海电机厂YBJC隔爆电机简介

一、技术来源

上海电机厂有限公司先后从德国西门子公司，瑞士ABB公司、美国西屋公司，日本TMEIC公司引进各类电机的设计制造技术，通过消化吸收、自主创新，研发的电机已达到国际先进水平。

二、电机特点

1.体积小、马力大

上海电机厂所有的防爆电机都采用少胶绝缘技术，采用此技术生产的电机拥有以下优点：

1)绝缘性能得到大幅度的提高和改善

2)定子的槽满率增加

3)定子的温升低，散热能力增强

4)电动机的功率、功率因数提高，可耐电机10%的超负载率，效率高。

5)电动机的机座号可以做得更小，同等功率比YB2小一个机座号。

2.高稳定性、高可靠性

1)电动机轴经过万吨空气锤锻打，密实度高，轴的强度和抗疲劳能力增强。

2)线圈制造生产车间为恒温无尘车间，有效提高线圈的质量。采用加拿大生产的自动包带机，确保云母带包扎均匀，有

效避免人工包扎出现的误差。

3)定子采用真空压力浸渍无溶剂漆工艺(VPI)处理，电动机的绝缘性能优良，做到了常态介损极低，高温介损极低，整机泄漏电流极低，执老化电压下降率极低。线圈制造精良，机械强度高，有很强的防潮能力、耐腐蚀性和防电晕能力。

3.高效节能、安全环保

1)上电已全部淘汰了铸铝转子、采用铜笼结构。焊点全部用银焊丝焊接，提高导电率。转子采用铜笼结构，并经独特的转子铜排紧固工艺措施，保证铜排在转子槽内配合紧密。转子铜排与铜端环采用中频焊接技术，保证了铜排与端环熔焊为一个整体，采用铜笼结构可以减小转子损耗、提高效率、降低温升，保证转子运行平衡，降低电机振动值。

2)电机冲片设备采用西德SCHULER公司的高速自动压力机，生产出的硅钢片边缘光滑、没有毛刺，可避免形成电磁涡流，提高电机的效率。

3)YBJC系列电机比YB系列电机效率平均提高2.2%。

4)采用经过多年验证安全的防爆结构，选用的材料均为环保材料，噪声值比GB 10069规定的噪声限值平均低10dB。

5)安装维修方便，旧电机改造时原基础座不用动，对轮不用变。

篇6：罩极电机的基本简介

一：概述

将电能转化为机械能（此时称为电动机）；或将机械能转化为电能（此时称为发电机）；或是将一种形式的电能转化为另一种形式的电能（此时称为变压器）等等所有这些能够实现能量的转化的这样一种设备统称电机。

电机工作的基本原理是应用两大定律：即法拉第电磁感应定律与欧姆定律，同样遵循能量守恒定律。

电机有交流电机、直流电机以及交直流两用电机。交流电机又分为异步电机、同步电机。本司生产的罩极电机即是异步电机的一种，步进电机是同步电机的一种也称脉冲电动机，串激电机则可以设计为交直流两用电动机。

所谓微电机一般来说是指输入功率为1000W以下的电机，而输入功率在750W以下的微电机也称为分马力电机。

本司生产的罩极电机是单相异步驱动微电机的一种，其结构特别简单，一般采用凸极定子，主绕组为集中绕组，而在每个磁极表面开有小槽，其中嵌放短路环（或称罩极线圈）作为副绕组，其功能是将短路环所罩住的磁势移相，从而形成椭圆形磁场产生定向起动力矩，将电机起动。这种电机具有结构简单、制造方便、适合批量生产和成本低廉的优点，而且运转时噪音低，没有无线电干扰。其缺点是运行性能和起动性能较差，效率和功率因数较低。因此一般用于空载或轻载起动的小容量场合，如电扇、仪用风机和电动模型等产品。

二：基本技术要求

常规罩极电机的额定指标主要有下列几项：

1）电压（V）指电机在正常运行时，定子绕组应接的电源电压。世界各国、各地区使用的电压很多不同，因此电机的电压规格也很多，譬如：120V、230V、220V、240V、100V等，在工业应用中也有用12V、24V、36V、45V等。电源电压的允许偏差为不大于±5%。

2）频率（Hz）即交流电源的频率，我国电力网的频率规定为50赫兹，有的出口产品为60赫兹。频率允许偏差不超过±1%。

3）功率（W）指电机在额定运行时转轴的机械输出功率，对于输出功率较小的电动机，为便于用户选用，也可用输出转矩来表示，有些电机是以整机综合指标考核的，此时往往用最大输入功率来反映它的功率指标。我们公司的电机铭牌上标示的功率一般是指额定最大输入功率。

4）转速（RPM）表示电机在额定的电压、频率和输出功率的情况下运行的旋转速度。通常，电机的转速是指电机转轴的转速，对于某些与齿轮系组成一体的特种产品，则往往表示经过齿轮减速后输出转轴的实际旋转速度，罩极电机的转速均低于由电源频率和电机磁极数决定的同步转速。

5）电流（A）指电机在额定条件运行时定子绕组的输入电流，可用来检查电机是否过载或有故障。

6）效率（η）指电机在额定运行时输出功率与输入功率的比值。一般是在电机达到热稳定状态后，用测功仪直接测其输出转矩，并记录额定转速，从而计算出输出功率，而电机输入功率则直接从测试仪表读出。

7）绝缘等级 表示电机绕组的绝缘等级，用以决定电机的允许温升，常用的绝缘等级有A、E、B、F和H五级，对应的极限工作温度为105℃、120℃、130℃、155℃和180℃。

8）其它指标有些经过特殊设计或特殊使用的电机，铭牌上还要标明有关的技术指标，如工作方式（连续、短时、断续周期运行）、热保护形式（阻抗保护、一次性热保险保护等）、功率因素、起动电流及转矩、过载倍数等等。

三：结构

和普通异步电机一样，罩极电机也包括电路、磁路和结构件三部分，对应的基本部件为定子和转子铁心、绕组、支架和轴承等。

1）定、转子铁心用来构成电机的磁路，其中通以交变的磁通，为了减少铁耗，一般都用相互绝缘的硅钢片冲制后叠成。本司常用的是50W1300、50W800。

2）绕组用漆包线绕制在线圈骨架的集中绕组作为主绕组，用铜线焊接成短路环作为副绕组，这些为定子绕组。转子有好几种，在此只讲用得最普遍的鼠笼转子，它是将冲有齿槽的转子冲片经叠装并压入转轴后，在转子的每个槽内铸入铝或铝合金制成的，铸入转子槽内和端部压模内的铝导体形成一个笼形的短路绕组。由于铝导体的电阻率对于电机的性能有着很大的影响，因而需根据要求慎重选择牌号。

3）支架本司支架材料一般多为锌铝合金、铝合金等非导磁材料，也有用冷轧钢板等导磁材料的如YJ58系列的铁皮支架、YJ80系列的铁皮支架。需要强调的是设计电机时支架选材必须要考虑漏磁的问题。

4）轴承它有含油轴承和滚珠轴承。含油轴承由于具有结构简单、成本低、噪音小及能自润滑等优点，广泛地应用于日用电器用的电机。这种轴承是一个具有弥散孔隙的海绵状烧结体，其中均匀分布的孔隙相互连接成贯通内外表面的毛细管，转轴开始转动时，转轴和轴承间的摩擦面构成旋转空气泵，将儲存在孔隙中的润滑油抽至轴承表面，形成油膜，起润滑作用。转轴停止时，在毛细作用下，润滑油又被吸入孔隙储存起来。轴承在选用时要根据运行情况确定合适的形式，同时还要严格注意轴承室的加工精度和装配工艺。

四：简单讲解罩极电机原理