直線步進(jìn)電機(jī)可以直線運(yùn)動(dòng)或直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，要轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，需要借助齒輪、凸機(jī)輪構(gòu)及皮帶或鋼絲。本文主要詳解直線步進(jìn)電機(jī)的工作原理，首先介紹了直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，其次介紹了直線步進(jìn)電機(jī)的基本原理及工作原理，最后闡述了它的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用。

　　直線步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介

　　直線步進(jìn)電機(jī)，或稱(chēng)線性步進(jìn)電機(jī)，是由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過(guò)與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直線步進(jìn)電機(jī)在電機(jī)內(nèi)部把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)。

　　直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　如下圖所示為旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)：軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（FDD）磁頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。以前3.5英寸FDD的機(jī)構(gòu)多采用圖（a）的螺桿機(jī)構(gòu)，雖然間隙很小，但效率低，因此高速運(yùn)行困難，但由于價(jià)格便宜得以廣泛使用。圖（b）、（c）、（d）的機(jī)構(gòu)為5.25英寸FDD的使用方式，（c）的皮帶式多用在打印機(jī)的傳輸筒驅(qū)動(dòng)上。這些直線轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可以使用圖（e）的直線步進(jìn)電機(jī)來(lái)代替。

　　直線步進(jìn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)型比較，能直接直線運(yùn)動(dòng)，可以使機(jī)器小型化；對(duì)負(fù)載慣量敏感；如行程長(zhǎng)，氣隙會(huì)比旋轉(zhuǎn)型的大，從而會(huì)產(chǎn)生效率下降等問(wèn)題，使用時(shí)要特別注意便用用途和使用環(huán)境等方面的問(wèn)題。

　　直線步進(jìn)電機(jī)基本原理

　　采用一根螺桿和螺母相嚙合，采取某種方法防止螺桿螺母相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使螺桿軸向移動(dòng)。一般而言，目前有兩種實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的方式，第一種是在電機(jī)內(nèi)置一個(gè)帶內(nèi)螺紋的轉(zhuǎn)子，以轉(zhuǎn)子的內(nèi)螺紋和螺桿相嚙合而實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動(dòng)，第二種是以螺桿作為電機(jī)出軸，在電機(jī)外部通過(guò)一個(gè)外部驅(qū)動(dòng)螺母和螺桿相嚙合從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。這樣做的結(jié)果是大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置的情況下直接使用直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精密的線性運(yùn)動(dòng)。

　　直線步進(jìn)電機(jī)工作原理（索耶為例）

　　直線步進(jìn)電機(jī)有三相VR型，此處介紹永久磁鐵轉(zhuǎn)子的運(yùn)行原理：索耶（Sawyer）原理。下圖表示利用索耶原理的直線步進(jìn)電機(jī)工作原理。

　　如按①、②、③、④的順序切換電流，利用線圈電流給兩個(gè)磁極激磁，產(chǎn)生相反的極性，與永久磁鐵產(chǎn)生的磁通進(jìn)行疊加，一個(gè)磁極的磁通相加，另一個(gè)就相減，當(dāng)繞組產(chǎn)生的磁通與永久磁鐵的相同時(shí)，相減磁極的磁通為零，此時(shí)永久磁鐵的磁通通過(guò)同方向的激磁磁極，通過(guò)定子磁軛、動(dòng)子的兩個(gè)磁極，返回到永久磁鐵的另一磁極，①、②、③、④順序切換激磁電流，轉(zhuǎn)子每次向右移動(dòng)1/4定子齒距。此為索耶直線步進(jìn)電機(jī)的工作原理。

　　直線步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)（對(duì)比傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)）

　　（1）高速響應(yīng)性

　　一般來(lái)講機(jī)械傳動(dòng)件比電氣元器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于系統(tǒng)中取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的如絲杠等機(jī)械傳動(dòng)件，使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，使反應(yīng)異常靈敏快捷。

　?。?）高精度性

　　由于取消了絲杠等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而減少了插補(bǔ)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來(lái)的跟蹤誤差。通過(guò)直線位置檢測(cè)反饋控制，可大大提高機(jī)床的定位精度。

　?。?）傳動(dòng)剛度高、推力平穩(wěn)

　　“直接驅(qū)動(dòng)”提高了其傳動(dòng)剛度。同時(shí)直線電機(jī)的布局，可根據(jù)機(jī)床導(dǎo)軌的形面結(jié)構(gòu)及其工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況來(lái)布置。通常設(shè)計(jì)成均布對(duì)稱(chēng)，使其運(yùn)動(dòng)推力平穩(wěn)。

　?。?）速度快、加減速過(guò)程短

　　直線電機(jī)最早主要用于磁浮列車(chē)（時(shí)速可達(dá)500km/h），現(xiàn)在用于機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，要滿(mǎn)足其超高速切削的最大進(jìn)給速度（要求達(dá)60～100m/min或更高）當(dāng)然是沒(méi)問(wèn)題的。也由于“零傳動(dòng)”的高速響應(yīng)性，使其加減速過(guò)程大大縮短，從而實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停。加速度一般可達(dá)到2～10g（g=9.8m/s2）。

　?。?）行程長(zhǎng)度不受限制

　　在導(dǎo)軌上通過(guò)串聯(lián)直線步進(jìn)電機(jī)的定件，就可無(wú)限延長(zhǎng)動(dòng)件的行程長(zhǎng)度。

　?。?）運(yùn)行時(shí)噪聲低

　　由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦，而其導(dǎo)軌副又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無(wú)機(jī)械接觸），使運(yùn)動(dòng)噪聲大大下降。

　?。?）效率高

　　由于無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，也就取消了其機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗。

　　直線步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

　　直線步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于包括制造、精密校準(zhǔn)、精密流體測(cè)量、精確位置移動(dòng)等諸多高精度要求領(lǐng)域。