反应式步进电机原理及设计

反应式步进电机，是一种传统的步进电机，由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。反应式步进电机工作原理比较简单，转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。市场上一般以二、三、四、五相的反应式步进机居多 [2] 。定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。反应式步进电机主要应用于计算机外部设备、摄影系统、光电组合装置、阀门控制、核反应堆、银行终端、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域中 [3] 。

反应式步进电机的工作原理:

转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。电机的位置和速度由导电次数和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。市场上一般以二、三、四、五相的反应式步进机居多。转子由硅钢片或电工纯铁棒等导磁体构成，转子外表面为多齿绪(转子的齿槽在转动时产生磁骸阻变化故称为变磁阻电机，简称VR)。定子线圈通电时，定子磁极磁化，吸引转子齿而产生转矩，使其移动一步。与永磁电机产生磁性吸引转矩和排斥转矩相比,VR型只产生吸引转矩。图2.22示出VR型步进电机的结构与工作原理。图2.22 上图，定子上均匀分布了12个磁极，每个磁极相距30°，相差90°(间隔三个槽)的四个线圈组成一相绕组。转子齿数为8,当一相绕组通电时,其定子极吸引转子齿,使气隙磁阻最小达到静止位置。

下面,从步骤1到步骤3来说明工作原理。

步骤1,为第1相线圈的简化图，剖面线表示第1相定子激磁,转子被第1相定子磁极吸引,转子齿转到定子磁极之下。

步骤2,第1相绕组电流关闭,第2相绕组通电,转子逆时针旋转一步(15),旋转至第2相定子磁极之下停止。步距角15°由360°(1/8~1/12)决定，即由转子齿节距与定子齿节距之差而求得步距角，也可以用转子齿节距除以相数3而得到。

VR型步进电机的步距角不能用式(2.1)来计算，而是式(2.1)计算值的两倍。即分辨率与永磁式比较，虽然转子齿数相同,但VR型只有1/2。

步骤3,同样给第3相绕组通电,转子同样逆时针旋转15° ，与定子第3相磁极相对位置停止。下一刻,第1相绕组通电,又由步骤3的转子位置逆时针旋转15°到第1相定子磁极下,恢复到步骤1状态。依次进行不断切换激磁相，1相、2相、3相、1.....转子逆时针旋转。此为VR型步进电机的工作原理。如顺时针方向旋转,换相顺序为1相、3相、2相。此时,步距角为转子齿节距的1/3,即齿节距被相数除得到步距角，输出转矩与永磁电机不同,其与激磁电流的平方成正比。

VR型步进电机因不使用永久磁铁,其定转子磁场强度与激磁电流成正比，要想增大磁场强度,就需要很大的激磁电流,因此，温升很高,散热片也很大。

反应式步进电动机的结构形式很多，按定转子铁芯的段数分为单段式和多段式两种。

1、单段式步进电机

单段式步进电机是定转子为一段铁芯。由于各相绕组沿圆周方向均匀排列所以又称为径向分相式。它是步进电动机中使用最多的一种结构形式。如图4-4为相反应式步进电动机的径向截面图。定转子铁芯由硅钢片叠压而成，定子磁极为凸极式，磁极的极面上开有小齿。定子上有三套控制绕组，每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上。每套绕组叫一相，三相绕组接成星形，所以定子磁极数通常为相数的两倍，即2p=2m(p为极对数m为相数)转子上没有绕组，沿圆周也有均匀的小齿，其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。这种结构形式的优点是制造简便，精度易于保证，步距角可以做得较小。容易得到较高的启动和运行频率。其缺点是在电机的直径较小而相数又较多时，沿径向分相较为困难，消耗功率大，断电时无定位转矩。

2、多段式步进电机

多段式步进电机是定转子铁芯沿电机轴向按相数分成m段。由于各相绕组沿着轴向分布，所以又称为轴向分相式。按其磁路的结构特点有两种，一种是主磁路仍为径向，另一种是主磁路包含有轴向部分。

反应式步进电动机的特点

1、较高的力矩转动惯量比

2、步进频率较高，频率响应快

3、不通电时可以自由转动、结构简单、寿命长的特点。