HB混合式步进电机的结构和工作原理的详细说明

混合式步进电机有三种类型：永磁(PM)、电抗(VR)和混合式(HB)。反应式步进一般为两相，扭矩和体积较小，步进角度一般为7.5度或1.5度；永磁步进一般为三相，可以实现大转矩输出。步进角度一般为1.5度，但噪音和振动都很大。80年代在欧美等发达国家已经淘汰；混合式步进是指永磁型和电抗型优点的结合。

混合(HB型)步进电机有两相、三相、五相三种，转子是一样的，因为与相数无关。本文以两相HB型混合式步进电机为例进行说明。HB型的名称来源于它的转子结构，它的转子是PM型永磁步进电机和VR型变磁阻无功步进电机的组合体，故又称混合式步进电机。

本文主要介绍HB混合式步进电机的结构和工作原理，具体跟随边肖来了解。

　　HB型混合式步进电机的结构

HB混合式步进电机的结构是在两个导磁圆盘之间轴向串入一个永磁圆柱体，两个导磁圆盘的外圆齿距相同，与VR变磁阻无功步进电机的转子结构相同。两个圆盘的齿交错1/2节距，转子圆柱形永磁体一端轴向充磁N极，另一端为S极。

从结构上看，永磁转子的N极和S极分布在转子的外表面。为了提高分辨率，需要增加极数，通常直径为20毫米，转子可以配备24极。极数增加，漏磁通增加，电磁转矩减小；而HB转子的N、S极分布在两个不同的软磁盘上，可以增加转子极数，提高分辨率。直径20mm可配置100极，磁极轴向磁化。N极和S极组装后在两极磁化，磁化简单。

与转子齿对应的定子极有与转子齿同节距的小齿，与转子齿在气隙处的磁通相互作用，产生电磁转矩。这种带转子的步进电机近年来得到了广泛的应用。

这种结构起源于1992年美国GE通用电气公司的Karl Feiertag，获得了美国专利发电机。与目前的两相HB步进电机结构相同，初是作为低速同步电机使用的。后来美国Superior Electric Company和Sigma Instruments Company开发了一种步进角为1.8，转子齿数为50的两相HB步进电机。

下图为HB混合式步进电机的截面图，定子绕组为两相，转子齿数分别为50和1.8。为了增加输出转矩，转子软磁极的轴向长度尽可能加长。

下图是HB步进电机各结构示意图：

定子有八个均匀分布的磁极(放置绕组的主磁极)。这八个磁极的内圆分布着与转子齿节距相同的齿，分布在气隙的两侧。转子齿比定子齿多。

线圈直接用绕线机缠绕在树脂注射成型的槽绝缘骨架上，线圈缠绕安装在磁极上。前后端盖由铸铝制成，并经过机械加工，以确保轴承座和安装接头之间的同心度。通常HB混合式步进电机的气隙为0.05~0.1mm，因此控制各部件的加工精度非常重要。

转子安装在定子和前后端盖中，以确保均匀的气隙。永磁体磁化方向为轴向，N、S极两端磁化。产生的磁力线方向用箭头表示。为了便于理解，实际磁路被简化为定子有四个主磁极和五个转子齿(如下图所示

，B为磁通密度，L为线圈轴向有效长度）产生电磁转矩。2个导磁体夹着1个永磁体，转子的齿位置互相相差1/2齿节距。转子的磁通从N极出发，经过气隙小处（定转子齿相对的地方）到定子磁路，再返回转子的S极，磁路如箭头所示。

　　上图左侧的转子上部，右侧的转子下部产生吸引力，轴两侧产生力矩（此力是不平衡电磁力），转子的旋转受定子激磁线圈切换产生旋转力。轴承的间隙会很容易产生振动。实际上定子主极为8个极，转子齿数为偶数，目的是消除此不平衡电磁力。实际上与2个转子齿部相对的定子，在轴向上并非是分开成两个，而是采用硅钢片叠压而成一体。

　　HB型混合式步进电机工作原理

　　下图描述了两相HB型步进电机的工作原理。永久磁铁使转子产生N极和S极，由吸引力和排斥力产生电磁转矩，两相绕组假设为A相、B相、“杠A”相、“杠B”相。例如，A相和“杠A”相接通电源，根据右手螺旋法则产生相反的磁场。同样，B相与“杠B”相也是如此。图中，实线箭头表示转子磁通，虚线表示为其磁路磁通Фm。从转子磁铁的轴向图看，转子N极通过气隙向下进入定子，通过定子磁极轴向穿过铁心到达上面的定子磁极后，穿过气隙回到转子S极。下图充分说明了HB型混合式步进电机的结构和工作原理。

　　转子磁路中间为永久磁铁，下侧为N极，上侧为S极。磁铁的厚度方向磁通由上向下。开始状态（a）为A相激磁，则“杠A”相极性相反，因此停在图示位置，转子与A相和“杠A”相的各一半对应，形成交链磁通Фm，如图中虚线所示。

　　下一步，激磁相转换到状态（b），断开A相激磁电流，接通B相激磁电流，则转子向右移动1/4转子齿距，运行到图（b）的位置。

　　再一步，激磁相转换到状态（c），断开B相激磁，接通“杠A”相激磁，则转子从状态（b）向右移动一步（1/4齿距）运行到状态（c）的位置。同样，激磁相换到状态（d），断开“杠A”相激磁，接通“杠B”相激磁，则转子从状态（c）向右移动一步（1/4齿距）运行到状态（d）的位置。再一步，就返回状态（a），依次不断循环。