馬達｜基礎篇

混合式步進馬達的結構和工作原理

2024.01.17

重點

・混合式步進馬達是兼具VR型和PM型馬達優點的步進馬達。

・混合式步進馬達使用VR型結構來實現精細的步距角，並且可以透過與永磁體相結合來增加轉矩。

・步進馬達透過切換兩對線圈的通電狀態（4步），可以使轉子旋轉一個齒距。

目錄

此前已經以PM型步進馬達為例介紹了步進馬達的工作。本文將介紹當今應用廣泛的混合式步進馬達的結構和工作原理。

混合式步進馬達的結構

混合式步進馬達是兼具VR型和PM型馬達優點的步進馬達。VR（Variable Reluctance）型馬達使用齒輪狀的鐵芯作為轉子。其優點是可以透過機械加工減小步距角，缺點是轉矩稍低，難以同時實現小型化和大轉矩。而PM（Permanent Magnet）型馬達則可以透過強力永磁體實現小型化的同時獲得轉矩，但是在減小步距角方面存在限制。

混合式馬達使用VR型結構來實現精細的步距角，並且可以透過與永磁體相結合來增加轉矩，這種馬達已被用於眾多應用。

轉子的基本結構是在兩個鐵轉子之間夾著沿軸向著磁的圓柱形磁鐵。轉子的圓周上刻有齒。從軸向看，是將兩個轉子的齒錯開1/2節距進行安裝。定子具有多個帶有激磁線圈的磁極，每個磁極也具有類似於轉子的齒。

在該圖中，定子線圈有四個，它們佈置在轉子周圍，彼此對置的線圈作為一組連接，在該圖中，上側和下側的線圈為A相，左側和右側的線圈為B相。線圈的連接使兩個相對的磁極在通電後互為N極和S極。

圖中的轉子齒數為15個。假設白色轉子是靠近自己這邊的轉子，並已透過永磁體被磁化為N極，則藍色轉子位於背面並被磁化為S極。

混合式步進馬達的工作原理

下面使用下圖來介紹混合式步進馬達的工作原理。在初始狀態（參見上面的“初始狀態”圖），通電後A相（上下）的上磁極變為S極，下磁極變為N極。白色的齒為N極，因此與A相的S極相吸；而藍色的齒為S極，因此與A相的N極相吸。從該狀態開始，使線圈的通電狀態按照①～⑤的順序變化。

下面對①～⑤的工作進行說明。

  • ①B相（左右）通電，使右側為S極，左側為N極。位於前面的白色齒（N）與右磁極（S）相吸，位於背面的藍色齒（S）與左磁極（N）相吸。
  • ②當通電使A相（上下）的上磁極為N、下磁極為S時，前面的白色齒（N）與下磁極（S）相吸，背面的藍色齒（S）與上磁極（N）相吸，轉子進一步沿逆時針方向轉動。
  • ③當使B相（左右）與①反向通電時，前面的白色齒（N）與左磁極（S）相吸並轉動，背面的藍色齒（S）與右磁極（N）相吸並轉動。
  • ④當使A相（上下）與②反向通電時，前面的白色齒（N）與上磁極（S）相吸並轉動，背面的藍色齒（S）與下磁極（N）相吸並轉動。當通電使上磁極為S、下磁極為N時，轉子以相同的方式轉動，並且轉子相對於初始狀態（參見上面的“初始狀態”圖）旋轉一個齒距。
  • ⑤當通電使B相（左右）右磁極為S、左磁極為N（與①相同）時，轉子以相同的方式轉動，並且相對於①旋轉一個齒距。

綜上所述，轉子按照①～⑤中的四個步驟沿逆時針方向轉動一個齒距，透過重複這些步驟的動作來使馬達連續旋轉。要沿相反的順時針方向旋轉時，請按⑤～①的順序控制通電。

※圖片來源
Fig_1：小型、高解析度、高剛性混合式步進馬達“25□（見方）1.8°”（外形尺寸25mm見方、步距角1.8度）的產品化

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混合式步進馬達的結構和工作原理
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