江 勇 杜吉祥 王梅生

格力電器(合肥)有限公司 安徽 合肥 230088

步進電機是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移或直線位移的一種電機,控制器每輸入一個脈沖,步進電機就會前進一步。由于電機步數(shù)通過控制器很容易掌控,所以其在精確位置控制、速度控制領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。空調(diào)導(dǎo)風板控制,就是通過對步進電機的時序控制,來實現(xiàn)導(dǎo)風板打開、關(guān)閉、掃風。

1 步進電機運行原理

我司使用的步進電機為四相八拍永磁爪極步進電機,分為上下兩個繞組骨架,上、下繞組骨架分別有一個順時針、一個逆時針的繞組,共計四個繞組。結(jié)構(gòu)圖如圖1-1,若上骨架為繞組A 為順時針,繞組C 為逆時針;下骨架為繞組D 為順時針,繞組B為逆時針。通過公共端通入12V 供電電壓,則其驅(qū)動順序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。

當繞組A 導(dǎo)通時,上骨架形成磁極如圖1-1,此時轉(zhuǎn)子在磁場作用下移動至圖1-1位置;當繞組A 與繞組B同時導(dǎo)通時,此時電機磁極發(fā)生變化,轉(zhuǎn)子在磁場的作用下移動至如圖1-2所示位置。當控制器以A-AB-B-BC-C-CD-DDA 順序給繞組通電時,轉(zhuǎn)子則每次移動一個步距角,循環(huán)通電,轉(zhuǎn)子也循環(huán)轉(zhuǎn)動。

為保證空調(diào)導(dǎo)風板閉合嚴密,控制器設(shè)置時序步數(shù)時會預(yù)留一定的脈沖數(shù),當運行至預(yù)留脈沖數(shù)時,電機會處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài),這就導(dǎo)致步進電機運轉(zhuǎn)后摩擦機構(gòu)的動作,而摩擦機構(gòu)的可靠性也直接影響空調(diào)掃風性能的可靠性。

2 兩種摩擦機構(gòu)介紹

摩擦機構(gòu)的作用是電機在輸出軸卡死或受到突然的沖擊力時,內(nèi)部設(shè)置的專門結(jié)構(gòu)出現(xiàn)打滑摩擦,以保證齒輪齒牙免受大力沖擊導(dǎo)致斷裂問題。由于摩擦機構(gòu)本身就是起到保護齒輪的作用,其在設(shè)計時不得影響到步進電機的關(guān)鍵性能參數(shù),如牽入力矩。牽入力矩是保證電機能帶動相應(yīng)機構(gòu)轉(zhuǎn)動而設(shè)計的電機驅(qū)動力矩值,為保證牽入力矩符合要求,故摩擦力矩要始終大于牽入力矩。

目前我司使用的步進電機摩擦機構(gòu)有兩種,這里為了方便后續(xù)描述,我們將位于電機末級齒輪,摩擦機構(gòu)由POM 齒輪與粉末冶金軸組成的叫做A 摩擦機構(gòu),如圖2-1。將摩擦機構(gòu)位于C傳動齒輪,摩擦機構(gòu)由POM 齒與PBT 齒捏合成的叫做B摩擦機構(gòu),如圖2-2。

圖2 -1 A 摩擦機構(gòu)

圖2 -2 B摩擦機構(gòu)

兩種摩擦機構(gòu),因其結(jié)構(gòu)不同處于步進電機齒輪箱的不同位置。A 摩擦機構(gòu)作為輸出軸與POM 齒的配合,位于電機輸出軸位置,即作為輸出齒輪,如圖2-3;B摩擦機構(gòu)由大小兩齒輪捏合而成,位于第三個傳動齒輪處,如圖2-4。

圖2 -3 A 摩擦機構(gòu)位置

圖2 -4 B摩擦機構(gòu)位置

步進電機的齒輪結(jié)構(gòu)也是步進電機的減速機構(gòu)及輸出力放大機構(gòu)。齒輪之間要求配合緊密,防止齒輪配合不良導(dǎo)致的電機打滑問題。而步進電機每個齒輪輸入端均是大齒輪,輸出端均是小齒輪,這樣既保證了減速,同時也增大了輸出力。各個齒輪間的傳動可以用杠桿原理來解釋,輸入力矩等于輸出力矩,即F1*L1=F2*L2如下圖2-5。由于所有傳動齒輪的輸入端均為大齒輪,輸出端均為小齒輪,即L1＞L2,則輸出力F2=F1*L1÷L2要大于F1,即輸出力被放大。故步進電機越靠近輸出軸的齒輪,所受的外力越大,也就是說相同的電機,A 摩擦機構(gòu)比B摩擦機構(gòu)所受外力更大。同樣當受到突然外力沖擊時,A 摩擦機構(gòu)也能及時動作,避免齒牙受力斷裂。

3 負載長期運轉(zhuǎn)摩擦機構(gòu)衰減情況

電機負載下的長期運轉(zhuǎn)會造成電機各關(guān)鍵性能的衰減,是電機可靠性驗證的主要方法。為驗證兩種摩擦機構(gòu)在長期運轉(zhuǎn)后的磨損衰減情況,針對同型號分別采用以上兩種摩擦機構(gòu)的步進電機進行長期運轉(zhuǎn)試驗,試驗方法：電機加額定電壓,負載為電機設(shè)計牽入轉(zhuǎn)矩規(guī)定值的45%,頻率按圖紙規(guī)定選取,輸出軸作90°的往返運轉(zhuǎn)。分別取4個樣品運轉(zhuǎn)1000h、1250h、1500h、1750h后測試電機的牽入力矩與摩擦力矩,得到如表1的電機力矩衰減情況。

從表中試驗和兩種摩擦機構(gòu)的衰減數(shù)據(jù)可以看出,A 摩擦機構(gòu)電機長期運轉(zhuǎn)過后電機摩擦力矩衰減較小。B 摩擦機構(gòu)電機長期運轉(zhuǎn)后摩擦力矩在運轉(zhuǎn)1000h后衰減較多。

表1 長期運轉(zhuǎn)后兩種電機的力矩(單位：m N.m)

圖2 -5 齒輪力矩傳遞

4 結(jié)論

1)本文通過介紹步進電機工作原理,闡述了步進電機摩擦力矩必須始終大于牽入力矩,否則電機運轉(zhuǎn)過程中就會打滑失效。

2)通過對比A 摩擦機構(gòu)與B 摩擦機構(gòu)在齒輪箱中的位置,以及各齒輪受力特點分析可以知道,當步進電機輸出軸受到外界非正常力沖擊時,越靠近輸出軸的齒輪受到的沖擊越大,而A 摩擦機構(gòu)位于輸出軸,能及時動作,減少外力對內(nèi)部齒輪的沖擊,更好的保護齒輪。

3)通過長期試驗對比,B摩擦機構(gòu)在長期運轉(zhuǎn)后摩擦力矩開始明顯衰減,其使用壽命雖符合空調(diào)使用要求,但對于使用更頻繁、使用周期更長的產(chǎn)品不適宜使用。