開(kāi)發(fā) PKP 系列緊湊型扁平連接器配備步進(jìn)電機(jī)

Oriental Motor 開(kāi)發(fā)了PKP系列緊湊型扁平連接器配備步進(jìn)電機(jī)，無(wú)需改變電機(jī)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(shí)現(xiàn)更低的連接器高度，我們修改了電機(jī)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(jì)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(jī)還具有改進(jìn)的扭矩和振動(dòng)特性。這篇文章解釋了PKP的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)系列緊湊型扁平連接器配備步進(jìn)電機(jī)。

一、簡(jiǎn)介

步進(jìn)電機(jī)能夠通過(guò)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行位置和速度控制。因此，它被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)檢票機(jī)和監(jiān)控?cái)z像機(jī)等各種應(yīng)用中。特別是東方電機(jī)的混合式步進(jìn)電機(jī)具有高扭矩和高精度的特點(diǎn)。以往的PKP系列電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“以往機(jī)型”）在PK系列的特性基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，采用了在電機(jī)上安裝連接器，使用連接電纜與驅(qū)動(dòng)器連接的方式（以下簡(jiǎn)稱“連接器型”） ) 而不是直接從電機(jī)中拉出引線（以下簡(jiǎn)稱“引線型”），以提高電機(jī)安裝和拆卸過(guò)程中的可操作性。隨著新開(kāi)發(fā)的PKP系列緊湊型扁平連接器配備步進(jìn)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“新型號(hào)”；見(jiàn)圖 1），我們的目標(biāo)是實(shí)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(jìn)電機(jī)

2.1. 連接器類型的優(yōu)點(diǎn)

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(jī)和驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于連接器類型，連接電纜用于直接連接電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。（參照?qǐng)D2） 電機(jī)和連接電纜的插拔容易的連接器型的優(yōu)點(diǎn)如表1所示。連接器型的優(yōu)點(diǎn)在于零件的配置、更換作業(yè)容易，庫(kù)存管理。（見(jiàn)圖 2 至圖 5。）

2.2. 支持大電流的小型扁平連接器

對(duì)于傳統(tǒng)型號(hào)，需要更小的尺寸以及改進(jìn)布線方向和連接器的連接和斷開(kāi)連接。此外，隨著近年來(lái)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)更高轉(zhuǎn)速下更高扭矩的需求也在增長(zhǎng)，因此需要一種能夠支持電機(jī)中更高電流的連接器。由于市售連接器無(wú)法實(shí)現(xiàn)連接器的小型化和大電流對(duì)應(yīng)，東方電機(jī)與廣瀨電機(jī)株式會(huì)社共同開(kāi)發(fā)了適用于該電機(jī)的連接器。開(kāi)發(fā)的連接器采用側(cè)面鎖定結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了連接和斷開(kāi)連接的便利性，這也導(dǎo)致了更小的尺寸和更低的外形。（見(jiàn)圖 6。）

對(duì)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(shí)保持較低的接觸電阻。這使得能夠開(kāi)發(fā)出支持更高電流的緊湊型扁平連接器。傳統(tǒng)型號(hào)必須根據(jù)電流規(guī)格使用不同的連接器，而新開(kāi)發(fā)的連接器可用于不同電流規(guī)格的電機(jī)。

2.3. 連接器單元的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

新型號(hào)通過(guò)將緊湊的扁平連接器集成到電機(jī)中來(lái)實(shí)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(jiàn)圖 7。）

如果電機(jī)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(jī)的總長(zhǎng)度會(huì)更長(zhǎng)（圖8-a）。通過(guò)對(duì)支架進(jìn)行薄壁鑄造，為線圈提供空間，電機(jī)的全長(zhǎng)保持與傳統(tǒng)型號(hào)相同，同時(shí)還降低了連接器單元的高度（圖 8-b） . 此外，改進(jìn)了 PCB 和線圈之間的連接以支持更高的電流。

傳統(tǒng)型號(hào)適用于輸出軸方向的連接電纜的引出和布線，但同時(shí)限制了連接器可接入電機(jī)輸出軸方向的方向，也限制了電機(jī)輸出軸方向的走線。連接電纜（參見(jiàn)圖 9）。此外，在電機(jī)總長(zhǎng)度過(guò)短的情況下，安裝板和連接器之間的間隙會(huì)變得過(guò)窄，不易插拔（見(jiàn)圖 10）。

新型號(hào)的連接電纜出線方向垂直于電機(jī)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(jī)的連接器高度和出線方向。新型號(hào)的連接器高度對(duì)于 42 毫米框架尺寸為 3.0 毫米，對(duì)于 56.4 毫米框架尺寸為 2.0 毫米。

3、通過(guò)優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)改善電機(jī)特性

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，由于其電機(jī)線圈的利用效率，與單極驅(qū)動(dòng)相比，雙極驅(qū)動(dòng)的使用正在增加?，F(xiàn)在的主流是微步驅(qū)動(dòng)，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(dòng)到整步驅(qū)動(dòng)的過(guò)渡，在保持每相電流恒定的情況下切換勵(lì)磁。對(duì)于新型號(hào)，我們的目標(biāo)是通過(guò)微步驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高扭矩和低振動(dòng)的設(shè)計(jì)。

電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。轉(zhuǎn)子由兩個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯之間的永磁盤(pán)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(zhǎng)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(zhǎng)到必要以上，轉(zhuǎn)矩也不會(huì)增加。

另一方面，如果電機(jī)的機(jī)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(qiáng)度降低。我們?cè)谑褂?AB 和 AB 的 θ -T 特性點(diǎn)等約束的同時(shí)優(yōu)化了磁路設(shè)計(jì)。這個(gè)交點(diǎn)就是旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大扭矩，稱為拔出扭矩。全步進(jìn)驅(qū)動(dòng)兩相電機(jī)的牽引力矩約為最大保持力矩的 70%。

電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。轉(zhuǎn)子由兩個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯之間的永磁盤(pán)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(zhǎng)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(zhǎng)到必要以上，轉(zhuǎn)矩也不會(huì)增加。另一方面，如果電機(jī)的機(jī)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(qiáng)度降低。我們?cè)谔幚泶祟惣s束的同時(shí)優(yōu)化了磁路設(shè)計(jì)。

3.1. 改善轉(zhuǎn)矩特性

3.1.1. 基于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的拔出力矩差異

步進(jìn)電機(jī)通過(guò)切換電機(jī)線圈的勵(lì)磁順序來(lái)旋轉(zhuǎn)。使用角度-扭矩特性（θ-T 特性），以下說(shuō)明每個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)生的扭矩 (2)。

2 相步進(jìn)電機(jī)通常由 2 相勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)。2 相勵(lì)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(guò)A相和B相的電流表示為AB，流過(guò)A相反方向的電流表示為A。如果在AB勵(lì)磁過(guò)程中切換到AB勵(lì)磁，則轉(zhuǎn)子靠吸引力運(yùn)動(dòng)到勵(lì)磁穩(wěn)定點(diǎn)。每切換一次勵(lì)磁相，穩(wěn)定點(diǎn)移動(dòng) 1.8°。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)稱為全步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)重復(fù)此操作，轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。施加負(fù)載時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與θ-T特性的交點(diǎn)為動(dòng)作點(diǎn)。轉(zhuǎn)子最高可承受AB與AB的θ-T特性的交點(diǎn)。這個(gè)交點(diǎn)就是旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大扭矩，稱為拔出扭矩。全步進(jìn)驅(qū)動(dòng)兩相電機(jī)的牽引力矩約為最大保持力矩的 70%。

1-2相勵(lì)磁發(fā)生在半步驅(qū)動(dòng)中，1相勵(lì)磁和2相勵(lì)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(dòng)時(shí)的牽引力矩是1相勵(lì)磁的最大保持力矩。

如上所述，全步驅(qū)動(dòng)和半步驅(qū)動(dòng)具有相等的牽引力矩。

電機(jī)的輸入電流是由電機(jī)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(lì)磁電流增加2倍，使1相勵(lì)磁的銅損與2相勵(lì)磁的銅損相等。1相勵(lì)磁電流2倍時(shí)的θ-T特性如圖14所示。牽引力矩因該驅(qū)動(dòng)動(dòng)作而增加。

微步驅(qū)動(dòng)器具有更高的分辨率（更精細(xì)的步距角）。通過(guò)為電流開(kāi)關(guān)點(diǎn)設(shè)置中間電平，隨著電流值的變化，步進(jìn)角變得更精細(xì)。步進(jìn)角為0.45°時(shí)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(lì)磁的最大保持力矩。因?yàn)殡娏鹘咏也?，所以有時(shí)也稱為正弦波驅(qū)動(dòng)。

3.1.2. 改善轉(zhuǎn)矩特性

原則上，轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸入電流成正比，由下式（1）表示。

但是，實(shí)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(dòng)中進(jìn)一步增加 1 相勵(lì)磁的電流，則 1 相勵(lì)磁的轉(zhuǎn)矩低于 2 相勵(lì)磁的轉(zhuǎn)矩，因此將電流乘以 √ 2 不會(huì)將轉(zhuǎn)矩增加 √2 倍。

總之，與2相勵(lì)磁相比，傳統(tǒng)模型具有更高的1相勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩飽和度，這導(dǎo)致1相勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩低于2相勵(lì)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(lì)磁時(shí)的最大保持轉(zhuǎn)矩。

圖18是新機(jī)型與以往機(jī)型的1相勵(lì)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(dòng)的磁路設(shè)計(jì)，展示了改進(jìn)的線性度，可以抵消傳統(tǒng)模型的電機(jī)輸入電流觀察到的轉(zhuǎn)矩飽和。

圖19顯示了新型號(hào)與支持全速度范圍微步驅(qū)動(dòng)的 CVD驅(qū)動(dòng)器組合時(shí)的速度-扭矩特性。與傳統(tǒng)型號(hào)相比，實(shí)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(dòng)

通常，步進(jìn)電機(jī)往往會(huì)隨著更大的扭矩波動(dòng)而增加振動(dòng)。振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致同步丟失或噪音。原則上，θ -T 特性在微步驅(qū)動(dòng)模式下與不同的激勵(lì)狀態(tài)等間隔對(duì)齊。穩(wěn)定點(diǎn)間隔就是步距角。采用微步驅(qū)動(dòng)，A相電流和B相電流逐漸變化，即穩(wěn)定點(diǎn)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(diǎn)間隔不相等（見(jiàn)圖20）。

變化的穩(wěn)定點(diǎn)間隔表示穩(wěn)定點(diǎn)行進(jìn)速度的波動(dòng)。當(dāng)穩(wěn)定點(diǎn)的行進(jìn)速度發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)扭矩波動(dòng)。如果該扭矩波動(dòng)的頻率與電機(jī)的固有頻率匹配，則軸的速度波動(dòng)會(huì)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(dòng)特性。80r/min左右的較大振動(dòng)是共振引起的振動(dòng)。新型號(hào)改進(jìn)了電流-扭矩特性的線性度，有助于減少扭矩波動(dòng)和由此產(chǎn)生的振動(dòng)。

3.3. 提高容許載荷

步進(jìn)電機(jī)特性的改進(jìn)使產(chǎn)品的應(yīng)用范圍更廣。當(dāng)然，電機(jī)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(duì)于新型號(hào)，采用了具有更大基本額定動(dòng)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(hào)的兼容性，客戶使用的聯(lián)軸器與傳統(tǒng)型號(hào)的輸出軸直徑相同。

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

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

4.總結(jié)

新型號(hào)具有薄型連接器，在保持與傳統(tǒng)型號(hào)相同的電機(jī)總長(zhǎng)度的同時(shí)，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(jì)外，新型號(hào)還提供更高的扭矩、更低的振動(dòng)和改進(jìn)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(jī)。我們Oriental Motor將繼續(xù)致力于電機(jī)開(kāi)發(fā)，旨在為提高客戶設(shè)備的性能做出貢獻(xiàn)。

審核編輯：湯梓紅