淺析步進(jìn)電機(jī)的兩種摩擦機(jī)構(gòu)

江 勇 杜吉祥 王梅生

格力電器(合肥)有限公司 安徽 合肥 230088

步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移或直線位移的一種電機(jī),控制器每輸入一個(gè)脈沖,步進(jìn)電機(jī)就會(huì)前進(jìn)一步。由于電機(jī)步數(shù)通過控制器很容易掌控,所以其在精確位置控制、速度控制領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用?？照{(diào)導(dǎo)風(fēng)板控制,就是通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的時(shí)序控制,來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)板打開、關(guān)閉、掃風(fēng)。

1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行原理

我司使用的步進(jìn)電機(jī)為四相八拍永磁爪極步進(jìn)電機(jī),分為上下兩個(gè)繞組骨架,上、下繞組骨架分別有一個(gè)順時(shí)針、一個(gè)逆時(shí)針的繞組,共計(jì)四個(gè)繞組。結(jié)構(gòu)圖如圖1-1,若上骨架為繞組A 為順時(shí)針,繞組C 為逆時(shí)針;下骨架為繞組D 為順時(shí)針,繞組B為逆時(shí)針。通過公共端通入12V 供電電壓,則其驅(qū)動(dòng)順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA。

當(dāng)繞組A 導(dǎo)通時(shí),上骨架形成磁極如圖1-1,此時(shí)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)作用下移動(dòng)至圖1-1位置;當(dāng)繞組A 與繞組B同時(shí)導(dǎo)通時(shí),此時(shí)電機(jī)磁極發(fā)生變化,轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下移動(dòng)至如圖1-2所示位置。當(dāng)控制器以A-AB-B-BC-C-CD-DDA 順序給繞組通電時(shí),轉(zhuǎn)子則每次移動(dòng)一個(gè)步距角,循環(huán)通電,轉(zhuǎn)子也循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

為保證空調(diào)導(dǎo)風(fēng)板閉合嚴(yán)密,控制器設(shè)置時(shí)序步數(shù)時(shí)會(huì)預(yù)留一定的脈沖數(shù),當(dāng)運(yùn)行至預(yù)留脈沖數(shù)時(shí),電機(jī)會(huì)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài),這就導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后摩擦機(jī)構(gòu)的動(dòng)作,而摩擦機(jī)構(gòu)的可靠性也直接影響空調(diào)掃風(fēng)性能的可靠性。

2 兩種摩擦機(jī)構(gòu)介紹

摩擦機(jī)構(gòu)的作用是電機(jī)在輸出軸卡死或受到突然的沖擊力時(shí),內(nèi)部設(shè)置的專門結(jié)構(gòu)出現(xiàn)打滑摩擦,以保證齒輪齒牙免受大力沖擊導(dǎo)致斷裂問題。由于摩擦機(jī)構(gòu)本身就是起到保護(hù)齒輪的作用,其在設(shè)計(jì)時(shí)不得影響到步進(jìn)電機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù),如牽入力矩。牽入力矩是保證電機(jī)能帶動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩值,為保證牽入力矩符合要求,故摩擦力矩要始終大于牽入力矩。

目前我司使用的步進(jìn)電機(jī)摩擦機(jī)構(gòu)有兩種,這里為了方便后續(xù)描述,我們將位于電機(jī)末級(jí)齒輪,摩擦機(jī)構(gòu)由POM 齒輪與粉末冶金軸組成的叫做A 摩擦機(jī)構(gòu),如圖2-1。將摩擦機(jī)構(gòu)位于C傳動(dòng)齒輪,摩擦機(jī)構(gòu)由POM 齒與PBT 齒捏合成的叫做B摩擦機(jī)構(gòu),如圖2-2。

圖2 -1 A 摩擦機(jī)構(gòu)

圖2 -2 B摩擦機(jī)構(gòu)

兩種摩擦機(jī)構(gòu),因其結(jié)構(gòu)不同處于步進(jìn)電機(jī)齒輪箱的不同位置。A 摩擦機(jī)構(gòu)作為輸出軸與POM 齒的配合,位于電機(jī)輸出軸位置,即作為輸出齒輪,如圖2-3;B摩擦機(jī)構(gòu)由大小兩齒輪捏合而成,位于第三個(gè)傳動(dòng)齒輪處,如圖2-4。

圖2 -3 A 摩擦機(jī)構(gòu)位置

圖2 -4 B摩擦機(jī)構(gòu)位置

步進(jìn)電機(jī)的齒輪結(jié)構(gòu)也是步進(jìn)電機(jī)的減速機(jī)構(gòu)及輸出力放大機(jī)構(gòu)。齒輪之間要求配合緊密,防止齒輪配合不良導(dǎo)致的電機(jī)打滑問題。而步進(jìn)電機(jī)每個(gè)齒輪輸入端均是大齒輪,輸出端均是小齒輪,這樣既保證了減速,同時(shí)也增大了輸出力。各個(gè)齒輪間的傳動(dòng)可以用杠桿原理來解釋,輸入力矩等于輸出力矩,即F1*L1=F2*L2如下圖2-5。由于所有傳動(dòng)齒輪的輸入端均為大齒輪,輸出端均為小齒輪,即L1＞L2,則輸出力F2=F1*L1÷L2要大于F1,即輸出力被放大。故步進(jìn)電機(jī)越靠近輸出軸的齒輪,所受的外力越大,也就是說相同的電機(jī),A 摩擦機(jī)構(gòu)比B摩擦機(jī)構(gòu)所受外力更大。同樣當(dāng)受到突然外力沖擊時(shí),A 摩擦機(jī)構(gòu)也能及時(shí)動(dòng)作,避免齒牙受力斷裂。

3 負(fù)載長期運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦機(jī)構(gòu)衰減情況

電機(jī)負(fù)載下的長期運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成電機(jī)各關(guān)鍵性能的衰減,是電機(jī)可靠性驗(yàn)證的主要方法。為驗(yàn)證兩種摩擦機(jī)構(gòu)在長期運(yùn)轉(zhuǎn)后的磨損衰減情況,針對(duì)同型號(hào)分別采用以上兩種摩擦機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行長期運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),試驗(yàn)方法：電機(jī)加額定電壓,負(fù)載為電機(jī)設(shè)計(jì)牽入轉(zhuǎn)矩規(guī)定值的45%,頻率按圖紙規(guī)定選取,輸出軸作90°的往返運(yùn)轉(zhuǎn)。分別取4個(gè)樣品運(yùn)轉(zhuǎn)1000h、1250h、1500h、1750h后測(cè)試電機(jī)的牽入力矩與摩擦力矩,得到如表1的電機(jī)力矩衰減情況。

從表中試驗(yàn)和兩種摩擦機(jī)構(gòu)的衰減數(shù)據(jù)可以看出,A 摩擦機(jī)構(gòu)電機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)過后電機(jī)摩擦力矩衰減較小。B 摩擦機(jī)構(gòu)電機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)后摩擦力矩在運(yùn)轉(zhuǎn)1000h后衰減較多。

表1 長期運(yùn)轉(zhuǎn)后兩種電機(jī)的力矩(單位：m N.m)

圖2 -5 齒輪力矩傳遞

4 結(jié)論

1)本文通過介紹步進(jìn)電機(jī)工作原理,闡述了步進(jìn)電機(jī)摩擦力矩必須始終大于牽入力矩,否則電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中就會(huì)打滑失效。

2)通過對(duì)比A 摩擦機(jī)構(gòu)與B 摩擦機(jī)構(gòu)在齒輪箱中的位置,以及各齒輪受力特點(diǎn)分析可以知道,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)輸出軸受到外界非正常力沖擊時(shí),越靠近輸出軸的齒輪受到的沖擊越大,而A 摩擦機(jī)構(gòu)位于輸出軸,能及時(shí)動(dòng)作,減少外力對(duì)內(nèi)部齒輪的沖擊,更好的保護(hù)齒輪。

3)通過長期試驗(yàn)對(duì)比,B摩擦機(jī)構(gòu)在長期運(yùn)轉(zhuǎn)后摩擦力矩開始明顯衰減,其使用壽命雖符合空調(diào)使用要求,但對(duì)于使用更頻繁、使用周期更長的產(chǎn)品不適宜使用。