電機制造業：步進電機轉矩與振動的改進設計

隨著對機器自動化需求的增加，企業常常需要考慮在相同的面積內最大限度地提高生產率的方法，使用高扭矩步進電機是一種通過增加現有機器的生產能力或通過使機器更小來最大化生產率的方法，因此，機器制造商需要高扭矩步進電機為機器提供高性能。

使用大扭矩步進電機有什么好處

增加的負載能力或吞吐量：高轉矩步進電機與其他同尺寸電機相比，具有更大的轉矩，因此可以在不增加電機占地面積的前提下，提高電機的負載能力和輸出能力。

機器占地面積可以最小化：通過使用能夠與較大電機的扭矩輸出相匹配的較小電機，機器或設備（如3D打印機、機械臂、醫療泵或閥門）的尺寸可以最小化。

其他隱性好處：增加占空比，增大輸出能力；延長預期壽命，有效減少維修費用；減少電力消耗，減少工作成本。

由于其高功率密度低，步進電機傳統上運行發熱，不能連續運行，高轉矩步進電機提出了以下幾種提高性能的替代方案。電動機的工作溫度與輸入電流近似成正比，15°C（27°F）的降低可以使電動機的預期壽命增加一倍。通過將電流降低到剛好適合電機和應用的水平，步進電機實際上可以運行更冷和更長的時間，這意味著更多的生產輸出功率和更少的機器維護。最后，由于瓦特=伏特x安培，降低電流意味著降低功耗，這也有助于降低運營成本。

如何從馬達中獲得更多的扭矩

扭矩的來源，轉矩可以描述為定子中的電磁鐵與轉子中的永磁體相互作用所產生的旋轉力。雖然鋁鎳鈷（AlNiCo）和釤鈷（SmCo）磁體在過去很受流行，但現在市場上的大多數電機由于磁場強度高，在轉子中使用釹鐵硼（NdFeB）稀土磁體。假設永磁體保持不變，轉矩與定子磁極上的繞組匝數乘以輸入電流成正比。

為了增加電動機的轉矩，需要增加繞組匝數或輸入電流，但兩種方法都有問題。由于電機制造商通常將繞組匝數設計為其最大值，因此增加繞組匝數的最簡單方法是增大電機尺寸。增加輸入電流也會提高電機的工作溫度，這會限制占空比，如果長時間使用，可能會損壞銅繞組。

為了增加轉矩，使用更強的磁鐵，增加更多的定子齒，或在定子齒槽之間增加永磁體，但這些高轉矩設計往往使電機更昂貴一些。

另一種增加轉矩的方法是在雙極串聯或并聯配置中使用步進電機，而不是單極或雙極半線圈配置。通過這樣做，繞組的電氣特性，如電壓、電阻和電感，可以改變，電機的轉速和轉矩性能也會改變。通過使用電機繞組的全線圈，扭矩可以增加一個系數的√2倍，或約41%。當前降低驅動器成本同時提高性能的趨勢，已將雙極步進電機配置定位為大多數應用的主要選擇。

我們基于對設計和制造的整個過程，對磁鐵、齒輪、繞組及電流進行改善，并取得了一些技術進步。

轉子/定子磁路優化設計

轉子和定子直徑比：定子內徑和轉子外徑之間的特定比值最大化了它們的磁場。但是，使轉子過大會增加轉子慣性，并使電機對速度變化的響應降低。較大的轉子直徑也會導致定子繞組的空間減小，從而減小產生的磁場。通過反復試驗確定最佳配比。

定子疊片：為了最大限度減少磁損耗，我們重點設計了定子疊片上的凸極寬度、后軛寬度和小齒表面積。與過去的設計相比，齒形也更為方形，這使得定子齒和轉子齒之間的磁場損失最小化。

轉子疊片： 轉子是通過在永磁體的每一側固定若干薄齒狀硅鋼片制成的，有一個理想的層壓數量，可以提升最大限度地扭矩。通過觀察磁化特性的峰值電壓和飽和電壓，我們可以同時增大轉矩和減小轉矩脈動引起的振動。

提高剛性：采用較大的軸承來提高剛度和增加徑向載荷，軸的底座直徑增加了。這導致徑向載荷比過去的設計大1.4到1.5倍。在電機輸出側的軸承總成上還添加了粘合劑，從而減少了軸承箱總成上的間隙、增加轉子長度的空間和振動。我們還改進了定子疊片的緊固方法，以增加轉子和定子鐵芯的剛度，這也有助于進一步降低電機產生的振動。

扁平連接器：對連接器更新了設計，增加了電纜輸出方向的自由度，并為連接器和電纜組件創建了更小的占地面積，以幫助機器變得更小。

最小氣隙：減小定轉子齒間的微小氣隙是電機設計的一個關鍵部分，因為加工不精確會導致旋轉不均勻、步進丟失、振動、噪音，甚至轉子卡住。這需要對許多設計和制造過程進行廣泛的審查和反復測試。

通過獨特的刀具管理技術以及更高精度機械的適應，我們能夠降低轉子和定子疊片的直徑公差以及滾珠軸承直徑和軸壓的最終安裝間隙。這種精密度還需要對零件和機械進行更大的保養。對于定子和轉子鐵心，我們經常使用高壓清洗和超聲波清洗來去除工藝中的雜質。

為了證明我們的制造和裝配精度，能夠將氣隙減小到30微米（0.03毫米）。經驗上看，大多數電機制造商都是從氣隙約為100微米的設計開始的，研究表明，氣隙減小10微米，扭矩增加約5%。

高卷繞密度

在不增加電機尺寸的情況下增加電機的轉矩輸出是困難的，隨著高密度繞線技術的發展，在繞線匝數不變的情況下，通過增大繞線直徑，使繞線密度提高8%。線徑越大，繞組電阻越低，電機的功率損耗（I2R）降低2W以上，這種效率的提高有助于提高轉矩、降低發熱和降低電機振動。

結果：扭矩更大，振動更小

步進電機可以提供1.2至1.7倍的扭矩比電機在相同的大小，但同樣重要的是，我們能夠降低電機的振動。

總結

提高步進電機轉矩的方法有很多，通過結合電機設計中不同部分的改進，如磁路設計、剛性、氣隙和繞組密度，能夠創造出更好的整體步進電機，同時保持實際應用的價格經濟。

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