步進電機基礎（2.2）- 轉子的分類與結構（1.PM型步進電機）
步進電機基礎（2.2）- 轉子的分類與結構（1.PM型步進電機）
前言
基本資訊
| 名稱 | 描述說明 |
|---|---|
| 教材名稱 | 步進電機應用技術 |
| 作者 | 阪本正文 |
| 譯者 | 王自強 |
公式
θs = 180° /P*Nr 公式（2. 1)
步進電機的步距角θs，其中Nr 為轉子極對數，P為定子相數
前言說明
根據我讀的《步進電機應用技術》這本書，進行的學習過程中的知識記錄和心得體會的記錄。
前一節是根據定子相數進行步進電機的分類，本節根據轉子的結構
進行分類。
1. PM型步進電機
PM (Permanent Magnet, 永久磁鐵）型轉子為內轉子型（外部為定子，中間為氣隙的電機）， 圓柱形轉子的外表面分布N、S極（外表面無齒）。
1 單相PM型步進電機
根據步進電機相數分類的單相步進電機如圖2. 2~圖2. 4所示。有關內容在前節已經說明，此處不再贅述。
2 兩相PM型步進電機
以圖2. 5所示的兩相步進電機為例，定子繞組在圓周上分佈排列，最簡單的轉子極數為2, 即極對數Nr =1。根據式（2, 1) , 令P=2, 則機械角θs = 90°/Nr ， 此90°為電氣角表示的步距角，電氣角除以Nr, 即為機械角。轉子極數為2, 即Nr =1, 則電氣步距角與機械步距角相等，為90° (θs = 90° /P*Nr) 。
下面以單極工作方式為例說明步進電機的旋轉原理（如圖2. 10所示）， 由圖2. 10可知，轉子步距角為90°, 4步旋轉一週（360°) 。圖2. 10中在一個磁極上繞了兩個線圈，每個線圈的激磁電流只流一個方向的電流，故圖2. 10 (a) 中A相線圈為下層線圈，A為上層線圈。步進1狀態，給1相下層線圈A相通電，在上磁極產生N極，下磁極產生S極，利用定轉子磁極異性相吸，直至平衡位置。
然後1相電流斷開，2相線圈B相接通電流，定子磁極左邊為S極，右邊為N極，吸引轉子順時針旋轉90°, 轉到步進2狀態，如圖2. 10 (b) 所示。再次電流切換到1相線圈A相，1相磁極反轉，轉子順方向（順時針方向）旋轉。如磁極上為單線圈，則線圈需要流過正反向電流（此為雙向驅動，Bipolar) 。
3 兩相PM型爪極步進電機
兩相 PM 型爪極步進電機的結構如圖2. 11所示，定子相繞組不像前面介紹的電機一樣分佈在圓周上，而是軸向放置，這種相繞組安裝方式稱為從屬型結構。
轉子為圓柱形永久磁鐵，其中心安裝了輸出軸。圓柱形永久磁鐵的圓周外表面交替分佈著N極和S極，極對數為Nr , N、S極等極距。其轉子磁極通過氣隙，對著定子磁極。定子磁極依其形狀稱為爪極（claw pole) , 由導磁鋼板衝壓成型，形成N, 個爪極。兩個定子極板其磁極互動安放，相差1/2極距，共2N, 個與轉子磁極數2N, 相對應，形成一相定子。
定子相繞組繞在圓形骨架上，繞製成環狀線圈。定子上的兩節定子磁路相同，其相鄰磁極相差1/4極距，即偏差90°/Nr 。兩轉子磁極對應一致。
定子為爪極型的步進電機，氣隙為0. 2mm (比 HB型步進電機的氣隙大3-4倍）。其解析度與相同尺寸的HB型步進電機相比相差1/4.與相同尺寸的 HB型步進電機相比，其轉矩只有1/3.決定步距角的解析度由式（2. 1) 得知，如P=2, 則θs=90°/N. .若Nr =5-12, 則步距角θs 為1. 8°~7. 5°, 通常使用7. 5°.
圖2. 13 所示為PM型步進電機（42*x長度27mm, 步距角7. 5°) 的速度－轉矩特性［與尺寸接近的HB型步進電機（39口X長度27mm, 步距角1. 8°) 比較］。因為HB型為方形，其對角線為42mm以上，而且轉子為永久磁鐵，PM型為便宜的鐵氧體磁鐵，HB為釹鐵硼磁鐵，極對數相同，且PM型的氣隙比HB型大3倍以上，故轉矩差如此之大也是必然。關於最高轉速和電氣時間常數（線圈電感除以電阻之值）的差異，僅供參考。
此種 PM 型步進電機的最大特點為價格便宜。從成本角度分析如下。
PM型轉子通常使用鐵氧體磁鐵等低成本材料，軸承使用金屬滑軸承（Sleeve metal) , 導磁材料使用電工鋼板，從材料費方面考慮做到你成本的設計。線圈卷繞線上圈骨架上，可提高繞線效率，節省繞線時間線圈端頭採用低價接線端子。與相同尺寸大小的HB型相比，只有其價格的 1/3.使用的數量為HB型的3倍以上，其使用量有逐年增加的趨勢。
4 兩相 PM型爪極步進電機的旋轉原理
兩相 PM 型爪極步進電機的旋轉原理與圖2. 10的兩相 PM 型分佈線圈步進電機的旋轉原理基本相同。但是，由圖2. 10可知，一個線圈只能給一個磁極激磁，然而爪極電機的一相線圈可以給多極激磁。圖2. 14示出爪極步進電機的旋轉原理。實際的兩相 PM型爪極步進電機如圖2. 11所示，設計的多極N, =12, 此時定子的爪極數每相有12對極。為簡化原理便於理解，圖2. 14將一相簡化成一對極。對比圖2. 11和圖2. 14,理解容易，簡化為一相激磁狀態的說明，一相激磁如能驅動轉子旋轉，兩相激磁肯定也能運轉。
如圖2. 14所示，Stl、St2為定子的兩相繞組，各線圈如圖所示方向繞制。Rt為轉子，採用鐵氧體磁鐵構成，N、S極分佈在轉子外表面，與定子極之間形成工作氣隙。由圖知道，一相線圈激磁一對定子磁極，轉子極對數與定子極對數的節距相同，相鄰轉子的S極與N極必定相互吸引，產生電磁力。該點與後面敘述的 HB型和 RM型不同。
第一步，圖2. 14 (a) 為1相線圈激磁圖，轉子與定子Stl的磁極互相異性相吸。如果此時施加外力，轉子會帶著負載移動，電磁力會產生圖2. 14 (a) 所示位置的恢復力，負載力的大小決定了位置精度。此時，2相定子St2的磁極中心線在轉子磁極N、S極的中間位置，2相定子與轉子
磁極中心線相差π／2, 此位移角為一個步距角。
第二步，圖2. 14 (b) 中，Stl的線圈電流為OFF, St2的線圈電流變成ON, 轉子向右移動π／2, 轉子被St2吸引而停止。
第三步，圖2. 14 © 中，Stl的線圈電流反向通電，定子極性反轉，轉子再旋轉π／2後靜止。
第四步，圖2. 14 (d) 中，St2 的線圈電流反向通電，定子極性反轉，轉子再旋轉π／2後靜止。
再返回圖2. 14 (a) , 依次（b) 、 © 、 (d) 反覆迴圈，不斷旋轉。以上為兩相PM型爪極步進電機的執行原理。
根據以上敘述，一個步距角為轉子磁極極距的1/2, 走4步為一個迴圈。步距角由轉子的極數來決定，定子的極數對轉矩的增加有影響。當然，此型步進電機有單極（uni-polar) 型和雙極（Bi-polar) 型，均伴隨定子磁極磁化而旋轉，反轉亦相同。
5 三相 PM型爪極步進電機
本步進電機的三相定子繞組在軸向三重配置，三相Y (三個線圈的末端接在一起，簡稱屋形）或Δ (三個線圈首尾相接，簡稱三角形）接出三個出線端，為三相驅動PM型爪極步進電機。
轉子R的結構完全與兩相步進電機相同。定子每相結構基本上與兩相步進電機的相同。與兩相步進電機不同的是定子三個相的配置角度不同。圖2, 15為三相 PM型爪極步進電機的結構，立體剖面圖只表示定子與轉子結構。轉子R與兩相 PM型步進電機相同，其外表面為N、S 極，極對數為N, .如圖所示，轉子R的極對數的節距為τ。定子由A, B、C相組成，各線陶繞製成DA, DB, DC的環狀線圈，以CA、CB、CC在轉子軸方向縱向配置，線圈CA 激磁形成 A相的磁極 A, 和Az, CB激磁形成B相的磁極B, 和Bz, CC激磁形成C相的磁極C, 和Cz.此電機轉子極對數節距為τ, A1 與A2, B1 與B2, C1 與C2 各相差τ/2, A1 、B1、C1、各相差τ/3, 故相鄰相 A2與B1 , B2與C1, 之間相差：τ／6。
此電機的執行原理如圖2. 16所示。
各定子相磁極的符號與圖2. 15的結構圖相同，兩圖對照來看。三個線圈CA, CB, CC為Y連線，如用Δ接法也能同樣執行。例如，如圖2. 16 (a) 所示，A相B相間加電壓，兩個線圈磁通方向相反如箭頭所示，該激磁驅動電路如圖2. 17所示。
T1 ~T6為功率管，各相線圈接法如圖所示，T1 ~T6的B端為電源端， G端為接地端。
T1~T6導通順序如表2. 1所示，O表示功率管導通，由此給Y 接法的3個端子中的兩個加正負電壓。由於三個線圈的尾端短接，必定使兩相繞組順次激磁，即三相繞組兩相激磁驅動。圖2. 14為兩相 PM型步進電機以兩相激磁方式驅動，此時兩相激磁，轉子R的磁極靜止在兩相定子磁極之間。
表2. 1步驟1為T1 與T4導通，A相與B相激磁。如圖2. 16 (a) 所示。A相與B相激磁，箭頭方向為兩繞組線圈產生的磁通方向，A相與B 相磁極極性如圖2. 16所示。由此，轉子 R 被吸引到穩定位置（如圖2. 16（a) 所示）。
到表2. 1的步驟2, T1, 關斷，T5 變成導通，T4與T5導通，B相和C相激磁，如圖2. 16 (b) 所示，B相和C相的線圈磁通方向相反。此時，轉子R 從圖2. 16 (a) 位置向左移動τ/6的穩定位置，τ/6為三相永磁步進電機的步距角，即步距角為轉子一對極極距的1/6.與兩相永磁步進電機的1/4 相比，解析度提高1. 5倍。
同樣，表2. 1步驟3, T, 關斷，T變成導通，C相和A相的線圈導通，轉子移動到圖2. 16 ( c ) 的穩定位置，轉子R又向左移動τ/6.依次切換功率管，使定子繞組依次導通，實現圖2. 16 (d) 、 (e) 、 (f) 步驟的激磁，使轉子依次步進。六步一個迴圈，轉子移動一對極的極距，如此反覆迴圈。與 PM型爪極步進電機的特點不同，三相PM型與兩相PM型的步進電機相同，轉子磁場從N極發出，相鄰S極返回，與定子線圈交鏈。
圖2. 15中A、B、C (A、B、C等）相差：／3即電氣角120°, 各相偏差τ／6, 圖2. 16的接線方式還不能達到連續步進的動作，要將B相線圈與其他的A相和C相反接才行，即繞制方向相同的三個線圈，將其中一個反接，並裝配成一體，如圖2. 15所示。
圖2. 18為相同尺寸和同一轉子的兩相PM型與三相 PM型步進電機的速度－轉矩特性。其速度－振動特性如圖2. 19所示。轉矩特性方面，三相PM型步進電機在高速旅轉時轉矩較高，振動特性中三相PM型在步進電機低速下比較小，相應的噪音特性與兩相PM型電機相比有更大改善、總之，三相PM 型步進電機雖然結構比兩相PM型步進電機複雜，但價效比更好。
表2. 2為試驗電機引數，即相同尺寸的兩相HB型與三相 PM型步進電機的引數。圖2. 20 為兩種電機的速度－轉矩特性，圖2. 21為其速度-噪音特性。速度－轉矩特性兩者相差不多，三相 PM型電機的噪音特性約低
10dB.在解析度和壽命及其成本都能滿足要求時，三相 PM型電機較兩相HB型電機振動噪音更低。
