淺析步進電機的兩種摩擦機構

江 勇 杜吉祥 王梅生

格力電器(合肥)有限公司 安徽 合肥 230088

步進電機是一種把電脈沖信號轉變成角位移或直線位移的一種電機,控制器每輸入一個脈沖,步進電機就會前進一步。由于電機步數通過控制器很容易掌控,所以其在精確位置控制、速度控制領域有著廣泛應用。空調導風板控制,就是通過對步進電機的時序控制,來實現導風板打開、關閉、掃風。

1 步進電機運行原理

我司使用的步進電機為四相八拍永磁爪極步進電機,分為上下兩個繞組骨架,上、下繞組骨架分別有一個順時針、一個逆時針的繞組,共計四個繞組。結構圖如圖1-1,若上骨架為繞組A 為順時針,繞組C 為逆時針;下骨架為繞組D 為順時針,繞組B為逆時針。通過公共端通入12V 供電電壓,則其驅動順序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。

當繞組A 導通時,上骨架形成磁極如圖1-1,此時轉子在磁場作用下移動至圖1-1位置;當繞組A 與繞組B同時導通時,此時電機磁極發生變化,轉子在磁場的作用下移動至如圖1-2所示位置。當控制器以A-AB-B-BC-C-CD-DDA 順序給繞組通電時,轉子則每次移動一個步距角,循環通電,轉子也循環轉動。

為保證空調導風板閉合嚴密,控制器設置時序步數時會預留一定的脈沖數,當運行至預留脈沖數時,電機會處于堵轉狀態,這就導致步進電機運轉后摩擦機構的動作,而摩擦機構的可靠性也直接影響空調掃風性能的可靠性。

2 兩種摩擦機構介紹

摩擦機構的作用是電機在輸出軸卡死或受到突然的沖擊力時,內部設置的專門結構出現打滑摩擦,以保證齒輪齒牙免受大力沖擊導致斷裂問題。由于摩擦機構本身就是起到保護齒輪的作用,其在設計時不得影響到步進電機的關鍵性能參數,如牽入力矩。牽入力矩是保證電機能帶動相應機構轉動而設計的電機驅動力矩值,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電機摩擦機構有兩種,這里為了方便后續描述,我們將位于電機末級齒輪,摩擦機構由POM 齒輪與粉末冶金軸組成的叫做A 摩擦機構,如圖2-1。將摩擦機構位于C傳動齒輪,摩擦機構由POM 齒與PBT 齒捏合成的叫做B摩擦機構,如圖2-2。

圖2 -1 A 摩擦機構

圖2 -2 B摩擦機構

兩種摩擦機構,因其結構不同處于步進電機齒輪箱的不同位置。A 摩擦機構作為輸出軸與POM 齒的配合,位于電機輸出軸位置,即作為輸出齒輪,如圖2-3;B摩擦機構由大小兩齒輪捏合而成,位于第三個傳動齒輪處,如圖2-4。

圖2 -3 A 摩擦機構位置

圖2 -4 B摩擦機構位置

步進電機的齒輪結構也是步進電機的減速機構及輸出力放大機構。齒輪之間要求配合緊密,防止齒輪配合不良導致的電機打滑問題。而步進電機每個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,同時也增大了輸出力。各個齒輪間的傳動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。故步進電機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,A 摩擦機構比B摩擦機構所受外力更大。同樣當受到突然外力沖擊時,A 摩擦機構也能及時動作,避免齒牙受力斷裂。

3 負載長期運轉摩擦機構衰減情況

電機負載下的長期運轉會造成電機各關鍵性能的衰減,是電機可靠性驗證的主要方法。為驗證兩種摩擦機構在長期運轉后的磨損衰減情況,針對同型號分別采用以上兩種摩擦機構的步進電機進行長期運轉試驗,試驗方法：電機加額定電壓,負載為電機設計牽入轉矩規定值的45%,頻率按圖紙規定選取,輸出軸作90°的往返運轉。分別取4個樣品運轉1000h、1250h、1500h、1750h后測試電機的牽入力矩與摩擦力矩,得到如表1的電機力矩衰減情況。

從表中試驗和兩種摩擦機構的衰減數據可以看出,A 摩擦機構電機長期運轉過后電機摩擦力矩衰減較小。B 摩擦機構電機長期運轉后摩擦力矩在運轉1000h后衰減較多。

表1 長期運轉后兩種電機的力矩(單位：m N.m)

圖2 -5 齒輪力矩傳遞

4 結論

1)本文通過介紹步進電機工作原理,闡述了步進電機摩擦力矩必須始終大于牽入力矩,否則電機運轉過程中就會打滑失效。

2)通過對比A 摩擦機構與B 摩擦機構在齒輪箱中的位置,以及各齒輪受力特點分析可以知道,當步進電機輸出軸受到外界非正常力沖擊時,越靠近輸出軸的齒輪受到的沖擊越大,而A 摩擦機構位于輸出軸,能及時動作,減少外力對內部齒輪的沖擊,更好的保護齒輪。

3)通過長期試驗對比,B摩擦機構在長期運轉后摩擦力矩開始明顯衰減,其使用壽命雖符合空調使用要求,但對于使用更頻繁、使用周期更長的產品不適宜使用。