開發(fā) PKP 系列緊湊型扁平連接器配備步進電機

Oriental Motor 開發(fā)了PKP系列緊湊型扁平連接器配備步進電機，無需改變電機尺寸，以響應(yīng)PKP系列中更容易布線的引線和較低高度的連接器單元的更大需求。為了實現(xiàn)更低的連接器高度，我們修改了電機結(jié)構(gòu)以及連接器的端子材料和形狀以支持高電流。由于優(yōu)化的磁路設(shè)計以及輸出軸在軸向和徑向方向上的允許負(fù)載增加，新型PKP系列電機還具有改進的扭矩和振動特性。這篇文章解釋了PKP的結(jié)構(gòu)和特點系列緊湊型扁平連接器配備步進電機。

一、簡介

步進電機能夠通過開環(huán)系統(tǒng)進行位置和速度控制。因此，它被廣泛應(yīng)用于自動檢票機和監(jiān)控攝像機等各種應(yīng)用中。特別是東方電機的混合式步進電機具有高扭矩和高精度的特點。以往的PKP系列電機（以下簡稱“以往機型”）在PK系列的特性基礎(chǔ)上進行了改良，采用了在電機上安裝連接器，使用連接電纜與驅(qū)動器連接的方式（以下簡稱“連接器型”） ) 而不是直接從電機中拉出引線（以下簡稱“引線型”），以提高電機安裝和拆卸過程中的可操作性。隨著新開發(fā)的PKP系列緊湊型扁平連接器配備步進電機（以下簡稱“新型號”；見圖 1），我們的目標(biāo)是實現(xiàn)更短的連接器單元、更高的扭矩和更高的輸出軸允許負(fù)載，所有這些都是高要求的與傳統(tǒng)模型。

2. 緊湊型扁平連接器配備步進電機

2.1. 連接器類型的優(yōu)點

導(dǎo)線型的情況下，一般使用中繼端子排或連接器連接電機和驅(qū)動器。對于連接器類型，連接電纜用于直接連接電機和驅(qū)動器。（參照圖2） 電機和連接電纜的插拔容易的連接器型的優(yōu)點如表1所示。連接器型的優(yōu)點在于零件的配置、更換作業(yè)容易，庫存管理。（見圖 2 至圖 5。）

2.2. 支持大電流的小型扁平連接器

對于傳統(tǒng)型號，需要更小的尺寸以及改進布線方向和連接器的連接和斷開連接。此外，隨著近年來步進電機的應(yīng)用越來越廣泛，對更高轉(zhuǎn)速下更高扭矩的需求也在增長，因此需要一種能夠支持電機中更高電流的連接器。由于市售連接器無法實現(xiàn)連接器的小型化和大電流對應(yīng)，東方電機與廣瀨電機株式會社共同開發(fā)了適用于該電機的連接器。開發(fā)的連接器采用側(cè)面鎖定結(jié)構(gòu)，改進了連接和斷開連接的便利性，這也導(dǎo)致了更小的尺寸和更低的外形。（見圖 6。）

對于端子的材料，我們采用了低電阻銅合金，以確保端子和引腳之間有足夠的接觸表面積，同時保持較低的接觸電阻。這使得能夠開發(fā)出支持更高電流的緊湊型扁平連接器。傳統(tǒng)型號必須根據(jù)電流規(guī)格使用不同的連接器，而新開發(fā)的連接器可用于不同電流規(guī)格的電機。

2.3. 連接器單元的結(jié)構(gòu)和特點

新型號通過將緊湊的扁平連接器集成到電機中來實現(xiàn)更低的高度。此外，為了提高配線作業(yè)性，連接電纜的引出方向與輸出軸垂直。（見圖 7。）

如果電機在傳統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上配備新的連接器，則這種電機的總長度會更長（圖8-a）。通過對支架進行薄壁鑄造，為線圈提供空間，電機的全長保持與傳統(tǒng)型號相同，同時還降低了連接器單元的高度（圖 8-b） . 此外，改進了 PCB 和線圈之間的連接以支持更高的電流。

傳統(tǒng)型號適用于輸出軸方向的連接電纜的引出和布線，但同時限制了連接器可接入電機輸出軸方向的方向，也限制了電機輸出軸方向的走線。連接電纜（參見圖 9）。此外，在電機總長度過短的情況下，安裝板和連接器之間的間隙會變得過窄，不易插拔（見圖 10）。

新型號的連接電纜出線方向垂直于電機側(cè)，提高了連接電纜走線的靈活性，方便連接器的插拔。

表2顯示了不同制造商的電機的連接器高度和出線方向。新型號的連接器高度對于 42 毫米框架尺寸為 3.0 毫米，對于 56.4 毫米框架尺寸為 2.0 毫米。

3、通過優(yōu)化磁路設(shè)計改善電機特性

對于步進電機，由于其電機線圈的利用效率，與單極驅(qū)動相比，雙極驅(qū)動的使用正在增加。現(xiàn)在的主流是微步驅(qū)動，逐漸增加每相電流以產(chǎn)生更精細(xì)的步距角——從半步驅(qū)動到整步驅(qū)動的過渡，在保持每相電流恒定的情況下切換勵磁。對于新型號，我們的目標(biāo)是通過微步驅(qū)動實現(xiàn)高扭矩和低振動的設(shè)計。

電機的基本結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。轉(zhuǎn)子由兩個轉(zhuǎn)子鐵芯之間的永磁盤組成。永磁體被磁化到軸的軸向方向。通常，轉(zhuǎn)矩隨著永磁體的尺寸和轉(zhuǎn)子鐵芯的長度而增加。但是，由于磁通量與永磁體的大小成正比，因此即使轉(zhuǎn)子伸長到必要以上，轉(zhuǎn)矩也不會增加。

另一方面，如果電機的機座尺寸保持不變，而使用更大的永磁體，則軸徑必須更小，從而導(dǎo)致軸強度降低。我們在使用 AB 和 AB 的 θ -T 特性點等約束的同時優(yōu)化了磁路設(shè)計。這個交點就是旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大扭矩，稱為拔出扭矩。全步進驅(qū)動兩相電機的牽引力矩約為最大保持力矩的 70%。

電機的基本結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。轉(zhuǎn)子由兩個轉(zhuǎn)子鐵芯之間的永磁盤組成。永磁體被磁化到軸的軸向方向。通常，轉(zhuǎn)矩隨著永磁體的尺寸和轉(zhuǎn)子鐵芯的長度而增加。但是，由于磁通量與永磁體的大小成正比，因此即使轉(zhuǎn)子伸長到必要以上，轉(zhuǎn)矩也不會增加。另一方面，如果電機的機座尺寸保持不變，而使用更大的永磁體，則軸徑必須更小，從而導(dǎo)致軸強度降低。我們在處理此類約束的同時優(yōu)化了磁路設(shè)計。

3.1. 改善轉(zhuǎn)矩特性

3.1.1. 基于驅(qū)動系統(tǒng)的拔出力矩差異

步進電機通過切換電機線圈的勵磁順序來旋轉(zhuǎn)。使用角度-扭矩特性（θ-T 特性），以下說明每個驅(qū)動系統(tǒng)的步進運動和產(chǎn)生的扭矩 (2)。

2 相步進電機通常由 2 相勵磁驅(qū)動。2 相勵磁的 θ -T 特性如圖 12 所示。該特性的最大值稱為最大保持轉(zhuǎn)矩。流過A相和B相的電流表示為AB，流過A相反方向的電流表示為A。如果在AB勵磁過程中切換到AB勵磁，則轉(zhuǎn)子靠吸引力運動到勵磁穩(wěn)定點。每切換一次勵磁相，穩(wěn)定點移動 1.8°。驅(qū)動系統(tǒng)稱為全步進驅(qū)動，通過重復(fù)此操作，轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。施加負(fù)載時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與θ-T特性的交點為動作點。轉(zhuǎn)子最高可承受AB與AB的θ-T特性的交點。這個交點就是旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大扭矩，稱為拔出扭矩。全步進驅(qū)動兩相電機的牽引力矩約為最大保持力矩的 70%。

1-2相勵磁發(fā)生在半步驅(qū)動中，1相勵磁和2相勵磁交替重復(fù)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0.9°（表示為0.9°/步）。這種情況下的θ-T特性如圖13所示。半步驅(qū)動時的牽引力矩是1相勵磁的最大保持力矩。

如上所述，全步驅(qū)動和半步驅(qū)動具有相等的牽引力矩。

電機的輸入電流是由電機繞組損耗（銅損）引起的溫升決定的。銅損與電流的平方成正比，因此可以將1相勵磁電流增加2倍，使1相勵磁的銅損與2相勵磁的銅損相等。1相勵磁電流2倍時的θ-T特性如圖14所示。牽引力矩因該驅(qū)動動作而增加。

微步驅(qū)動器具有更高的分辨率（更精細(xì)的步距角）。通過為電流開關(guān)點設(shè)置中間電平，隨著電流值的變化，步進角變得更精細(xì)。步進角為0.45°時的θ-T特性如圖15所示。分辨率越高，拉出力矩越大，越接近2相勵磁的最大保持力矩。因為電流接近正弦波，所以有時也稱為正弦波驅(qū)動。

3.1.2. 改善轉(zhuǎn)矩特性

原則上，轉(zhuǎn)矩與電機輸入電流成正比，由下式（1）表示。

但是，實際上電流和轉(zhuǎn)矩并不是如圖16所示的正比關(guān)系，轉(zhuǎn)矩容易飽和。這是由于定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯所用的電磁鋼板的磁性所致。如果在微步驅(qū)動中進一步增加 1 相勵磁的電流，則 1 相勵磁的轉(zhuǎn)矩低于 2 相勵磁的轉(zhuǎn)矩，因此將電流乘以 √ 2 不會將轉(zhuǎn)矩增加 √2 倍。

總之，與2相勵磁相比，傳統(tǒng)模型具有更高的1相勵磁轉(zhuǎn)矩飽和度，這導(dǎo)致1相勵磁轉(zhuǎn)矩低于2相勵磁轉(zhuǎn)矩。包括轉(zhuǎn)矩飽和在內(nèi)的 θ -T 特性如圖 17 所示。拔出轉(zhuǎn)矩是 1 相勵磁時的最大保持轉(zhuǎn)矩。

圖18是新機型與以往機型的1相勵磁的輸入電流轉(zhuǎn)矩特性的比較圖。新模型具有適用于微步驅(qū)動的磁路設(shè)計，展示了改進的線性度，可以抵消傳統(tǒng)模型的電機輸入電流觀察到的轉(zhuǎn)矩飽和。

圖19顯示了新型號與支持全速度范圍微步驅(qū)動的 CVD驅(qū)動器組合時的速度-扭矩特性。與傳統(tǒng)型號相比，實現(xiàn)了全速度范圍內(nèi)扭矩的增加。

3.2. 減少共振引起的振動

通常，步進電機往往會隨著更大的扭矩波動而增加振動。振動會導(dǎo)致同步丟失或噪音。原則上，θ -T 特性在微步驅(qū)動模式下與不同的激勵狀態(tài)等間隔對齊。穩(wěn)定點間隔就是步距角。采用微步驅(qū)動，A相電流和B相電流逐漸變化，即穩(wěn)定點由AB相力矩平衡決定。傳統(tǒng)模型由于磁飽和，按原理不產(chǎn)生AB相合成轉(zhuǎn)矩，因此它們的穩(wěn)定點間隔不相等（見圖20）。

變化的穩(wěn)定點間隔表示穩(wěn)定點行進速度的波動。當(dāng)穩(wěn)定點的行進速度發(fā)生變化時，就會出現(xiàn)扭矩波動。如果該扭矩波動的頻率與電機的固有頻率匹配，則軸的速度波動會迅速增加。這是一種稱為共振的現(xiàn)象。

圖 21 顯示了傳統(tǒng)模型和新模型的振動特性。80r/min左右的較大振動是共振引起的振動。新型號改進了電流-扭矩特性的線性度，有助于減少扭矩波動和由此產(chǎn)生的振動。

3.3. 提高容許載荷

步進電機特性的改進使產(chǎn)品的應(yīng)用范圍更廣。當(dāng)然，電機輸出軸需要提高允許負(fù)載。如圖22所示，容許載荷包括容許徑向載荷和容許軸向載荷。對于新型號，采用了具有更大基本額定動載荷的滾珠軸承，以提高允許軸向載荷。滾珠軸承還具有更大的軸徑以提高允許的徑向載荷?？紤]到與舊型號的兼容性，客戶使用的聯(lián)軸器與傳統(tǒng)型號的輸出軸直徑相同。

簡單地增大軸徑只會減少轉(zhuǎn)子永磁體的體積和產(chǎn)生的扭矩。新型號采用以使用更大軸徑為前提的磁路設(shè)計。

圖 23 顯示了框架尺寸均為 42 mm 的傳統(tǒng)型號和新型號之間的容許負(fù)載比較。

4.總結(jié)

新型號具有薄型連接器，在保持與傳統(tǒng)型號相同的電機總長度的同時，提高了連接電纜布線方向的靈活性。除了優(yōu)化的磁路設(shè)計外，新型號還提供更高的扭矩、更低的振動和改進的輸出軸允許負(fù)載。它是一種可用于更廣泛應(yīng)用的電機。我們Oriental Motor將繼續(xù)致力于電機開發(fā)，旨在為提高客戶設(shè)備的性能做出貢獻。

審核編輯：湯梓紅