1.2　步進電機的基本結構與工作原理

1.2.1　反應式步進電機

（1）反應式步進電機的基本結構

反應式步進電機是利用反應轉矩（磁阻轉矩）使轉子轉動的。因結構不同，又可分為單段式和多段式兩種。

①單段式。又稱為徑向分相式。它是目前步進電機中使用得最多的一種結構形式，如圖1-2所示。一般在定子上嵌有幾組控制繞組，每組繞組為一相，但至少要有三相以上，否則不能形成啟動力矩。定子的磁極數通常為相數m的2倍，每個磁極上都裝有控制繞組，繞組形式為集中繞組，在定子磁極的極弧上開有小齒。轉子由軟磁材料制成，轉子沿圓周上也有均勻分布的小齒，它與定子極弧上的小齒有相同的分度數，即稱為齒距，且齒形相似。定子磁極的中心線即齒的中心線或槽的中心線。

（A相通電時的位置）

單段式反應式步進電機制造簡便，精度易于保證；步距角也可以做得較小，容易得到較高的啟動和運行頻率。其缺點是，當電機的直徑較小，而相數又較多時，沿徑向分相較為困難。另外這種電機消耗的功率較大，斷電時無定位轉矩。

②多段式。又稱為軸向分相式。按其磁路的特點不同，又可分為軸向磁路多段式和徑向磁路多段式兩種。

a.軸向磁路多段式步進電機的結構如圖1-3所示。定、轉子鐵芯沿電機軸向按相數m分段，每一組定子鐵芯中放置一環形的控制繞組。定、轉子圓周上沖有形狀相似、數量相同的小齒。定子鐵芯（或轉子鐵芯）每相鄰段錯開1/m齒距。

1—線圈；2—定子；3—轉子；4—引線

這種步進電機的定子空間利用率較好，環形控制繞組繞制方便。轉子的轉動慣量低、步距角也可以做得較小，啟動和運行頻率較高。但是在制造時，鐵芯分段和錯位工藝較復雜，精度不易保證。

b.徑向磁路多段式步進電機的結構如圖1-4所示。定、轉子鐵芯沿電機軸向按相數m分段，每段定子鐵芯的磁極上均放置同一相控制繞組。定子鐵芯（或轉子鐵芯）每相鄰兩段錯開1/m齒距，對每一段鐵芯來說，定、轉子上的磁極分布情況相同。也可以在一段鐵芯上放置兩相或三相控制繞組，相當于單段式電機的組合。定子鐵芯（或轉子鐵芯）每相鄰兩段則應錯開相應的齒距。

1—線圈；2—定子；3—轉子

這種步進電機的步距角可以做得較小，啟動和運行頻率較高，對于相數多且直徑和長度又有限制的反應式步進電機來說，在磁極布置上要比以上兩種靈活，但是鐵芯的錯位工藝比較復雜。

（2）反應式步進電機的工作原理

圖1-5所示為一臺最簡單的三相反應式步進電機的工作原理圖。它的定子上有6個極，每個極上都裝有控制繞組，每兩個相對的極組成一相。轉子是4個均勻分布的齒，上面沒有繞組。反應式步進電機是利用凸極轉子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產生的反應轉矩（或磁阻轉矩）而轉動的，所以也稱為磁阻式步進電機。下面分別介紹不同通電方式時，反應式步進電機的工作原理。

1～4—轉子齒

①三相單三拍通電方式。反應式步進電機采用三相單三拍通電方式運行，其工作原理如圖1-5所示，當A相控制繞組通電時，氣隙磁場軸線與A相繞組軸線重合，因磁通總是要沿著磁阻最小的路徑閉合，所以在磁力的作用下，將使轉子齒1和3的軸線與定子A極軸線對齊，如圖1-5（a）所示。同樣道理，當A相斷電、B相通電時，轉子便按逆時針方向轉過30°角度，使轉子齒2和4的軸線與定子B極軸線對齊，如圖1-5（b）所示。如再使B相斷電、C相通電時，則轉子又將在空間轉過30°，使轉子齒1和3的軸線與定子C極軸線對齊，如圖1-5（c）所示。如此循環往復，并按A→B→C→A的順序通電，步進電機便按一定的方向一步一步地連續轉動。步進電機的轉速直接取決于控制繞組與電源接通或斷開的變化頻率。若按A→C→B→A的順序通電，則步進電機將反向轉動。

步進電機的定子控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。此時步進電機轉子所轉過的空間角度稱為步距角θs。上述通電方式，稱為三相單三拍運行。“三相”即三相步進電機，具有三相定子繞組；“單”是指每次通電時，只有一相控制繞組通電；“三拍”是指經過三次切換控制繞組的通電狀態為一個循環，第四次換接重復第一次的情況。很顯然，在這種通電方式時，三相反應式步進電機的步距角θs應為30°。

三相單三拍運行時，步進電機的控制繞組在斷電、通電的間斷期間，轉子磁極因“失磁”而不能保持自行“鎖定”的平衡位置，即失去了“自鎖”能力，易出現失步現象；另外，由一相控制繞組斷電至另一相控制繞組通電，轉子則經歷啟動加速、減速至新的平衡位置的過程，轉子在達到新的平衡位置時，會由于慣性而在平衡點附近產生振蕩現象，故運行的穩定性差。因此，常采用雙三拍或單、雙六拍的控制方式。

②三相雙三拍通電方式。反應式步進電機采用三相雙三拍通電方式運行，其工作原理如圖1-6所示，其控制繞組按AB→BC→CA→AB順序通電，或按AB→CA→BC→AB順序通電，即每拍同時有兩相繞組同時通電，三拍為一個循環。當A、B兩相控制繞組通電時，轉子齒的位置應同時考慮到兩對定子極的作用，只有當A相極和B相極對轉子齒所產生的磁拉力相平衡時，才是轉子的平衡位置，如圖1-6（a）所示。若下一拍為B、C兩相同時通電時，則轉子按逆時針方向轉過30°。到達新的平衡位置，如圖1-6（b）所示。

1～4—轉子齒

由圖1-6可知，反應式步進電機采用三相雙三拍通電方式運行時，其步距角仍是30°。但是三相雙三拍運行時，每一拍總有一相繞組持續通電，例如由A、B兩相通電變為B、C兩相通電時，B相始終保持持續通電狀態，C相磁拉力試圖使轉子逆時針方向轉動，而B相磁拉力卻起阻止轉子繼續向前轉動的作用，即起到了一定的電阻尼作用，所以步進電機工作比較平穩。而在三相單三拍運行時，由于沒有這種阻尼作用，所以轉子達到新的平衡位置容易產生振蕩，穩定性不如三相雙三拍運行方式。

③三相單、雙六拍通電方式。反應式步進電機，采用三相單、雙六拍通電方式運行的工作原理如圖1-7所示，其控制繞組按A→AB→B→BC→C→CA→A順序通電，或按A→AC→C→CB→B→BA→A順序通電，也就是說，先A相控制繞組通電；以后再A、B相控制繞組同時通電；然后斷開A相控制繞組，由B相控制繞組單獨接通；再同時使B、C相控制繞組同時通電，依此進行。其特點是三相控制繞組需經6次切換才能完成一個循環，故稱為“六拍”，而且通電時，有時是單個繞組接通，有時又為兩個繞組同時接通，因此稱為“單、雙六拍”。

由圖1-7可知，反應式步進電機采用三相單、雙六拍通電方式運行時，步距角也有所不同。當A相控制繞組通電時，與三相單三拍運行的情況相同，轉子齒1、3和定子極A、A'軸線對齊，如圖1-7（a）所示。當A、B相控制繞組同時通電時，轉子齒2、4在定子極B、B'的吸引下是轉子沿逆時針方向轉動，直至轉子齒1、3和定子極A、A'之間的作用力與轉子齒2、4和定子極B、B'之間的作用力相平衡為止，如圖1-7（b）所示。當斷開A相控制繞組，而由B相控制繞組通電時，轉子將繼續沿逆時針方向轉過一個角度，使轉子齒2、4和定子極B、B'對齊，如圖1-7（c）所示。若繼續按BC→C→CA→A的順序通電，步進電機就按逆時針方向連續轉動。如果通電順序變為A→AC→C→CB→B→BA→A時，步進電機將按順時針方向轉動。

1～4—轉子齒

在三相單三拍通電方式中，步進電機每一拍轉子轉過的步距角θs為30°。采用三相單、雙六拍通電方式后，步進電機由A相控制繞組單獨通電到B相控制繞組單獨通電，中間還要經過A、B兩相同時通電這個狀態，也就是說要經過二拍轉子才轉過30°，所以，在這種通電方式下，三相步進電機的步距角，即單、雙六拍運行時的步距角比三拍通電方式時減小一半。

由以上分析可見，同一臺步進電機采用不同的通電方式，可以有不同的拍數，對應的步距角也不同。

此外，六拍運行方式每一拍也總有一相控制繞組持續通電，也具有電磁阻尼作用步進電機工作也比較平穩。

上述這種簡單結構的反應式步進電機的步距角較大，如在數控機床中應用就會影響到加工工件的精度。圖1-2中所示的結構是最常見的一種小步距角的三相反應式步進電機。它的定子上有6個極，分別繞有A-A'、B-B'、C-C'三相控制繞組。轉子上均勻分布40個齒。定子每個極上有5個齒。定、轉子的齒寬和齒距都相同。當A相控制繞組通電時，轉子受到反應轉矩的作用，使轉子齒的軸線和定子A、A'極下齒的軸線對齊。因為轉子上共有40個齒，其每個齒的齒距角為，而定子磁極的極距為，定子每個極距所占的轉子齒數為，不是整數。同理，定子一個極距所占的齒距數也不是整數，如圖1-8所示。由于相鄰磁極間的轉子齒不是整數，因此，當定子A極面下的定、轉子齒對齊時，定子B'極和C'極面下的齒就分別和轉子齒依次有1/3齒距的錯位，即3°。同樣，當A相控制繞組斷電，B相控制繞組通電時，這時步進電機中產生沿B極軸線方向的磁場，在反應轉矩的作用下，轉子按順時針方向轉過3°。使轉子齒的軸線和定子B'極面下齒的軸線對齊，這時，定子A極和C極面下的齒又分別和轉子齒依次錯開1/3齒距。依此類推，若控制繞組持續按A→B→C→A順序循環通電，轉子就沿順時針方向一步一步地轉動，每拍轉過3°，即步距角為3°。若改變通電順序，即按A→C→B→A順序循環通電，轉子便沿逆時針方向同樣以每拍轉過3°的方式轉動。此時為單三拍通電方式運行。若采用三相單、雙六拍的通電方式運行時，即按與前面分析的A→AB→B→BC→C→CA→A順序循環通電，同樣步距角也要減少一半，即每拍轉子僅轉過1.5°。

（A相繞組通電時）

通過以上的分析可知，為了能實現“自動錯位”，反應式步進電機的轉子齒數Zr不能任意選取，而應滿足一定的條件。因為在同一相的幾個磁極下，定、轉子齒應同時對齊或同時錯開，才能使同一相的幾個磁極的作用相加，產生足夠的反應轉矩，而定子圓周上屬于同一相的極總是成對出現的，所以轉子齒數應是偶數。另外，在定子的相鄰磁極下，定、轉子齒之間應錯開轉子齒距的倍（m為步進電機的相數），即它們之間在空間位置上錯開角，這樣才能在連續改變通電狀態下，獲得連續不斷的運動。由此可得三相反應式步進電機轉子齒數應符合下式條件

式中，2p為反應式步進電機定子極數，即一相控制繞組通電時在電機圓周上形成的磁極數；m為步進電機的相數；K為正整數。

由以上分析可知，反應式步進電機的步距角θs的大小是由轉子的齒數Zr、控制繞組的相數m和通電方式所決定的。它們之間存在以下關系

式中，C為狀態系數，當采用單三拍和雙三拍通電方式運行時，C=1；而采用單、雙六拍通電方式運行時，C=2。

如果以N表示步進電機運行的拍數，則轉子經過N步，將經過一個齒距。每轉一圈（即360°機械角），需要走NZr步，所以步距角又可以表示為

若步進電機通電的脈沖頻率為f（拍/s或脈沖數/s），則步進電機的轉速n為

式中，f的單位是s-1；n的單位是r/min。

由此可知，反應式步進電機的轉速與拍數N、轉子齒數Zr及脈沖的頻率f有關。相數和轉子齒數越多，步距角越小，轉速也越低。在同樣脈沖頻率下，轉速越低，其他性能也有所改善，但相數越多，電源越復雜。目前步進電機一般做到六相，個別的也有做成八相或更多相數。

同理，當轉子齒數一定時，步進電機的轉速與輸入脈沖的頻率成正比，改變脈沖的頻率，可以改變步進電機的轉速。

增加轉子齒數是減小步進電機步距角的一個有效途徑，目前所使用的步進電機轉子齒數一般很多。對于相同相數的步進電機，既可以采用單拍或雙拍方式，也可以采用單、雙拍方式。所以，同一臺步進電機可有兩種步距角，如3°/1.5°、1.5°/0.75°、1.2°/0.6°等。

1.2.2　永磁式步進電機

（1）永磁式步進電機的基本結構

永磁式步進電機也有多種結構，圖1-9是一種典型結構。它的定子為凸極式，定子上有兩相或多相繞組，轉子為一對或幾對極的星形磁鋼，轉子的極數應與定子每相的極數相同。圖中定子為兩相集中繞組（AO、BO），每相為兩對極，因此轉子也是兩對極的永磁轉子。

（2）永磁式步進電機的工作原理

由圖1-9中可以看出，當定子繞組按A→B→（-A）→（-B）→A…的次序輪流通以直流脈沖時（如A相通入正脈沖，則定子上形成上下S、左右N四個磁極），按N、S相吸原理，轉子必為上下N、左右S，如圖1-9所示。若將A相斷開、B相接通，則定子極性將順時針轉過45°，轉子也將按順時針方向轉動，每次轉過45°空間角度，也就是步距角θs為45°。一般來說，步距角θs的值為

式中，m為相數；p為轉子極對數。

上述這種通電方式為兩相單四拍。由以上分析可知，永磁式步進電機需要電源供給正、負脈沖，否則不能連續運轉。一般永磁式步進電機的驅動電路要做成雙極性驅動，這會使電源的線路復雜化。這個問題也可以這樣來解決，就是在同一個極上繞兩套繞向相反的繞組，這樣雖增加了用銅量和電機的尺寸，但簡化了對電源的要求，即電源只要供給正脈沖就可以了。

此外，還有兩相雙四拍通電方式[即AB→B（-A）→（-A）（-B）→（-B）A→AB]和八拍通電方式。

永磁式步進電機的步距角大，啟動和運行頻率低。但是它消耗的功率比反應式步進電機小，在斷電情況下有定位轉矩，有較強的內阻尼力矩。

星形磁極的加工工藝比較復雜，如采用圖1-10所示的爪形磁極結構，將磁鋼做成環形，則可簡化加工工藝。這種爪極式永磁步進電機的磁鋼為軸向充磁，磁鋼兩端的兩個爪形磁極分別為S和N極性。由于兩個爪形磁極是對插在一起的，從轉子表面看，沿圓周方向各個極爪是N、S極性交錯分布的，極爪的極對數與定子每相繞組的極對數相等。爪極式永磁步進電機的運行原理與星形磁鋼結構的相同。

永磁式步進電機具有以下特點。

①大步距角，例如15°、22.5°、30°、45°、90°等。

②啟動頻率較低，通常為幾十到幾百赫茲（但是轉速不一定低）。

③控制功率小。

④在斷電情況下有定位轉矩。

⑤有強的內阻尼力矩。

1.2.3　混合式步進電機

混合式步進電機（又稱感應子式步進電機）既有反應式步進電機小步距角的特點，又有永磁式步進電機效率高、繞組電感比較小的特點。

（1）兩相混合式步進電機的結構

圖1-11為混合式步進電機的軸向剖視圖。它的定子鐵芯與單段反應式步進電機基本相同，即沿著圓周有若干凸出的磁極，每個磁極的極面上有小齒，機身上有控制繞組；定子控制繞組與永磁式步進電機基本相同，也是兩相集中繞組，每相為兩對極，控制繞組的接線如圖1-12所示。

轉子中間為軸向磁化的環形永久磁鐵，磁鐵兩端各套有一段轉子鐵芯，轉子鐵芯由整塊鋼加工或用硅鋼片疊成，兩段轉子鐵芯上沿外圓周開有小齒，其齒距與定子小齒齒距相同，兩端的轉子鐵芯上的小齒彼此錯過1/2齒距，如圖1-13所示。定、轉子齒數的配合與單段反應式步進電機相同。

圖1-13（a）所示的S極鐵芯段截面圖即為圖1-11中的Ⅰ—Ⅰ截面；圖1-13（b）所示的N極鐵芯段截面圖即為圖1-11中的Ⅱ—Ⅱ截面。在圖1-13（a）所示的S極鐵芯段截面圖中，當磁極1下是齒對齒時，磁極5下也是齒對齒，氣隙磁阻最小；磁極3和磁極7下是齒對槽，氣隙磁阻最大。

此時，在圖1-13（b）所示的N極鐵芯段截面圖中，磁極1'和磁極5'下，正好是齒對槽，磁極3'和磁極7'下，正好是齒對齒。可見，兩端的轉子鐵芯上的小齒彼此錯過1/2齒距。

混合式步進電機作用在氣隙上的磁動勢有兩個：一個是由永久磁鋼產生的磁動勢；另一個是由控制繞組電流產生的磁動勢。這兩個磁動勢有時是相加的，有時是相減的，視控制繞組中的電流方向而定。這種步進電機的特點是混入了永久磁鋼的磁動勢，故稱為混合式步進電機。

（2）兩相混合式步進電機的工作原理

轉子永久磁鐵的一端（如圖1-11中Ⅰ—Ⅰ端）為S極，則轉子鐵芯整個圓周上都呈S極性，如圖1-13（a）所示。轉子永久磁鐵的另一端（如圖1-11中Ⅱ—Ⅱ端）為N極，則轉子鐵芯整個圓周上都呈N極性，如圖1-13（b）所示。當定子A相通電時，定子1、3、5、7極上的極性為N、S、N、S，這時轉子的穩定平衡位置就是圖1-13所示的位置，即定子磁極1和5上的齒與Ⅰ—Ⅰ端上的轉子齒對齊，而定子磁極1'和5'上的齒與Ⅱ—Ⅱ端上的轉子槽對齊；定子磁極3和7上的齒與Ⅰ—Ⅰ端上的轉子槽對齊，而定子磁極3'和7'上的齒與Ⅱ—Ⅱ端上的轉子齒對齊。此時，B相4個磁極（2、4、6、8極）上的齒與轉子齒都錯開1/4齒距。

由于定子同一個極的兩端極性相同，轉子兩端極性相反，但錯開半個齒距，所以當轉子偏離平衡位置時，兩端作用轉矩的方向是一致的。在同一端，定子第一個極與第三個極的極性相反，轉子同一端極性相同，但第一個極和第三個極下定、轉子小齒的相對位置錯開了半個齒距，所以作用轉矩的方向也是一致的。當定子各相繞組按順序通以正、負電脈沖時，轉子每次將轉過一個步距角θs，其值為

式中，m為相數；Zr為轉子齒數。

這種步進電機也可以做成較小的步距角，因而也有較高的啟動和運行頻率；消耗的功率也較小；并具有定位轉矩，兼有反應式和永磁式步進電機兩者的優點。但是它需要有正、負電脈沖供電，并且制造工藝比較復雜。

（3）兩相混合式步進電機常用的通電方式

①單四拍通電方式。每次只有一相控制繞組通電，四拍構成一個循環，兩相控制繞組按A—B—（-A）-（-B）—A的次序輪流通電。每拍轉子轉動1/4轉子齒距，每轉的步數為4Zr。

②雙四拍通電方式。每次有兩相控制繞組同時通電，四拍構成一個循環，兩相控制繞組按AB—B（-A）—（-A）（-B）—（-B）A—AB的次序輪流通電。和單四拍相同，每拍轉子轉動1/4轉子齒距，每轉的步數為4Zr。但兩者的空間定位不重合。

③單、雙八拍通電方式。前面兩種通電方式的循環拍數都等于四，稱為滿步通電方式。若通電循環拍數為八，稱為半步通電方式，即按A—AB—B—B（-A）—（-A）—（-A）（-B）—（-B）—（-B）A—A的次序輪流通電，每拍轉子轉動1/8轉子齒距，每轉的步數為8Zr。

④細分通電方式。若調整兩相繞組中電流分配的比例和方向，使相應的合成轉矩在空間可處于任意位置上，則循環拍數可為任意值，稱為細分通電方式。實質上就是把步距角減小，如前面八拍通電方式已經將單四拍或雙四拍細分了一半。采用細分通電方式可使步進電機的運行更平穩，定位分辨率更高，負載能力也有所增加，并且步進電機可做低速同步運行。