浅析步进电机的两种摩擦机构

2020-01-18杜吉祥王梅生

探索科学(学术版) 2019年1期

江勇杜吉祥王梅生

格力电器(合肥)有限公司安徽合肥 230088

步进电机是一种把电脉冲信号转变成角位移或直线位移的一种电机,控制器每输入一个脉冲,步进电机就会前进一步。由于电机步数通过控制器很容易掌控,所以其在精确位置控制、速度控制领域有着广泛应用。空调导风板控制,就是通过对步进电机的时序控制,来实现导风板打开、关闭、扫风。

1 步进电机运行原理

我司使用的步进电机为四相八拍永磁爪极步进电机,分为上下两个绕组骨架,上、下绕组骨架分别有一个顺时针、一个逆时针的绕组,共计四个绕组。结构图如图1-1,若上骨架为绕组A 为顺时针,绕组C 为逆时针;下骨架为绕组D 为顺时针,绕组B为逆时针。通过公共端通入12V 供电电压,则其驱动顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。

当绕组A 导通时,上骨架形成磁极如图1-1,此时转子在磁场作用下移动至图1-1位置;当绕组A 与绕组B同时导通时,此时电机磁极发生变化,转子在磁场的作用下移动至如图1-2所示位置。当控制器以A-AB-B-BC-C-CD-DDA 顺序给绕组通电时,转子则每次移动一个步距角,循环通电,转子也循环转动。

为保证空调导风板闭合严密,控制器设置时序步数时会预留一定的脉冲数,当运行至预留脉冲数时,电机会处于堵转状态,这就导致步进电机运转后摩擦机构的动作,而摩擦机构的可靠性也直接影响空调扫风性能的可靠性。

2 两种摩擦机构介绍

摩擦机构的作用是电机在输出轴卡死或受到突然的冲击力时,内部设置的专门结构出现打滑摩擦,以保证齿轮齿牙免受大力冲击导致断裂问题。由于摩擦机构本身就是起到保护齿轮的作用,其在设计时不得影响到步进电机的关键性能参数,如牵入力矩。牵入力矩是保证电机能带动相应机构转动而设计的电机驱动力矩值,为保证牵入力矩符合要求,故摩擦力矩要始终大于牵入力矩。

目前我司使用的步进电机摩擦机构有两种,这里为了方便后续描述,我们将位于电机末级齿轮,摩擦机构由POM 齿轮与粉末冶金轴组成的叫做A 摩擦机构,如图2-1。将摩擦机构位于C传动齿轮,摩擦机构由POM 齿与PBT 齿捏合成的叫做B摩擦机构,如图2-2。

图2 -1 A 摩擦机构

图2 -2 B摩擦机构

两种摩擦机构,因其结构不同处于步进电机齿轮箱的不同位置。A 摩擦机构作为输出轴与POM 齿的配合,位于电机输出轴位置,即作为输出齿轮,如图2-3;B摩擦机构由大小两齿轮捏合而成,位于第三个传动齿轮处,如图2-4。

图2 -3 A 摩擦机构位置

图2 -4 B摩擦机构位置

步进电机的齿轮结构也是步进电机的减速机构及输出力放大机构。齿轮之间要求配合紧密,防止齿轮配合不良导致的电机打滑问题。而步进电机每个齿轮输入端均是大齿轮,输出端均是小齿轮,这样既保证了减速,同时也增大了输出力。各个齿轮间的传动可以用杠杆原理来解释,输入力矩等于输出力矩,即F1*L1=F2*L2如下图2-5。由于所有传动齿轮的输入端均为大齿轮,输出端均为小齿轮,即L1＞L2,则输出力F2=F1*L1÷L2要大于F1,即输出力被放大。故步进电机越靠近输出轴的齿轮,所受的外力越大,也就是说相同的电机,A 摩擦机构比B摩擦机构所受外力更大。同样当受到突然外力冲击时,A 摩擦机构也能及时动作,避免齿牙受力断裂。

3 负载长期运转摩擦机构衰减情况

电机负载下的长期运转会造成电机各关键性能的衰减,是电机可靠性验证的主要方法。为验证两种摩擦机构在长期运转后的磨损衰减情况,针对同型号分别采用以上两种摩擦机构的步进电机进行长期运转试验,试验方法：电机加额定电压,负载为电机设计牵入转矩规定值的45%,频率按图纸规定选取,输出轴作90°的往返运转。分别取4个样品运转1000h、1250h、1500h、1750h后测试电机的牵入力矩与摩擦力矩,得到如表1的电机力矩衰减情况。

从表中试验和两种摩擦机构的衰减数据可以看出,A 摩擦机构电机长期运转过后电机摩擦力矩衰减较小。B 摩擦机构电机长期运转后摩擦力矩在运转1000h后衰减较多。