den grundlæggende trinmotor skaber roterende bevægelse af en magnetrotorkerne gennem anvendelse af impulser og det elektromagnetiske felt, der passerer rundt om kernen. En lineær aktuator konverterer denne rotationsbevægelse til en lineær bevægelse, hvor den præcise afhænger af rotorens trinvinkel og den metode, der er valgt til at udføre konverteringen.
den lineære aktuator, der bruger en skrue, ville også have sin præcision afhængig af gevindstigningen. Inde i rotoren på en lineær aktuator er en møtrik placeret i midten af rotoren, og en tilsvarende skrue er i indgreb i møtrikken. For at skruen skal bevæge sig aksialt, skal skruen være begrænset til at rotere med møtrikken og rotorenheden på nogle måder. Med skruens antirotation opnås lineær bevægelse, når rotoren drejer. Anti-rotation opnås typisk enten internt med fængsling af en akselskrueenhed eller eksternt med en møtrik på skrueakslen, der på en eller anden måde er forhindret i rotation, men alligevel fri langs sin akse.
for indlysende design enkelhed, giver det mening at udføre den roterende til lineær konvertering lige inde i motoren. Denne tilgang forenkler i høj grad designet af mange applikationer ved at tillade et “fald i motor”, der er i stand til præcis lineær bevægelse uden behov for at installere eksterne mekaniske forbindelser.
den første lineære aktuator brugte en kuglemøtrik og skruekombination. Kugleskruen tilbyder typisk effektivitet større end 90%, mens Acme-tråde typisk tilbyder effektivitet mellem 20% og 70%, afhængigt af gevindforholdene.
selvom kugleskruer er et yderst effektivt middel til at konvertere roterende bevægelse til lineær bevægelse, er kuglemøtrikken følsom over for justering, voluminøs og dyr. Derfor er kuglemøtrikken ikke en praktisk løsning til de fleste applikationer.
de fleste udstyrsdesignere kender den hybride trinmotorbaserede lineære aktuator. Dette produkt har eksisteret i flere år, og ligesom enhver anden enhed har den sine styrker og begrænsninger. Et par af fordelene er iboende enkelhed i design, kompaktitet, børsteløs (derfor ikke-bueformet), utrolig mekanisk fordel, designfleksibilitet og pålidelighed. I nogle tilfælde er disse lineære aktuatorer muligvis ikke designet til bestemte enheder, fordi de ikke er holdbare uden rutinemæssig vedligeholdelse.
der er dog måder at overvinde sådanne forhindringer og give aktuatorer, der er meget holdbare med lang levetid og ingen vedligeholdelse. På grund af stepmotorernes børsteløse design er de eneste komponenter, der udsættes for slid, rotorlejerne og gevindindgrebet på blyskruen/møtrikken. År med fremskridt inden for kuglelejer har allerede givet tilgængeligheden af typer med omfattende lang levetid. For nylig har der været forbedringer i levetiden og holdbarheden af blyskrue-og parringsmøtrikkomponenterne.
øget holdbarhed
til at begynde med er det nødvendigt at se på det grundlæggende design. En god model til et casestudie er størrelsen 17 motor, som er i den mindre ende af hybrid stepper størrelsesområde. Traditionelt fremstilles en lineær aktuator ved bearbejdning af en hul aksel af et metalmateriale af lejekvalitet, såsom bronse. Denne hule aksel har indvendige gevind, som igen går i indgreb med gevindet på en blyskrue. Den hule aksel er installeret langs Rotorens akse. Et populært valg til blyskruematerialet er rustfrit stål, som også giver en vis korrosionsbestandighed. 10-32), som kan være af enkelt eller flere starter, afhængigt af den ønskede opløsning og hastighed i aktuatoren.
maskintråden, kendt som en “V” tråd, vælges, fordi den er relativt let at bearbejde og rulle form. Selvom det er et passende valg til fremstilling, er det et dårligt valg til kraftoverførsel. En meget bedre tråd er Acme-tråden. Der er et par grunde til dette.
Acme-tråden er ved design mere effektiv, hvilket resulterer i lavere tab, inklusive friktion, hvilket igen betyder mindre slid og i sidste ende længere levetid. Ved at se på den grundlæggende skruegeometri er det let at forklare dette. En v-tråd har en vinkel på 60 liter mellem modstående flader, mens Acme kun er 29 liter. (Figur 2)
forudsat at friktion, drejningsmoment og blyvinkel er de samme, vil en v-tråd kun levere ca.85% af kraften af en Acme. Effektiviteten bestemmes ved anvendelse af ligning en eller to, til brug med gevind med en V-form, afhængig af belastningsretning. Forholdet beregnes simpelthen ved at dividere effektiviteten af de 60 liter tråde med de 29 liter tråde. (Figur 3)
figur 2. Sammenligning af (A) 60 kr ‘V’ og (b) 29 kr.Acme tråde.
figur 3. Effektivitetsligninger
figur 4. Friktionsegenskaber af bronse vs. plast
effektivitetsberegningerne tager ikke højde for, at overfladetrykket vil være meget højere på V-tråden og derved øge tabene yderligere.
Acme tråd blyskruer er generelt fremstillet til kraftoverførsel, så meget tættere opmærksomhed til overfladefinish, bly nøjagtighed og tolerancer. V-tråde bruges primært som fastgørelsestråde, så overfladefinish og rethed kontrolleres ikke tæt.
af lige, hvis ikke større betydning er møtrikken, der driver skruen. Denne møtrik er ofte indlejret i motorrotoren. Den traditionelle møtrik materiale er en bærende klasse bronse, som egner sig til den nødvendige bearbejdning af de indvendige gevind. Det var et passende kompromis mellem fysisk stabilitet og smøreevne. Kompromis, selvfølgelig, er nøgleordet, da det udmærker sig ved hverken. Et bedre materiale til en strømmøtrik i den lineære aktuator er et smurt termoplastisk materiale. Dette skyldes, at med ny konstrueret plast kan skruegevindene nu bevæge sig med en lavere friktionskoefficient. Figur 4 kontrasterer rotortrådmaterialernes friktionsegenskaber.
baseret på dette kan man spørge: hvorfor ikke bruge en plastdrevmøtrik? Desværre, så godt som plasten er til trådene, er det ikke et stabilt nok materiale til rotorjournalerne på en hybridmotor. Med den mulige motortemperaturstigning på 167 liter F under motordrift kunne plasten i dette tilfælde udvide sig så meget som 0,004″; hvorimod messing for eksempel kun kan udvide 0,001″ under de samme termiske forhold.
lejejournalerne er kritiske i hybridmotordesignet. Hybridrotordesignet skal opretholde en airgap på kun få tusindedele af en tomme for optimal ydelse. Airgap er defineret som mellemrummet mellem rotormagnetens ydre diameter og statorens indre diameter. Hvis rotorenheden mistede koncentricitet, ville den gnide mod statorvæggen. Gennem materialevalg ville en designer ønske at have materielle fordele ved både lang trådlevetid og bærende journalstabilitet. Ved sprøjtestøbning af plasttråde i en metallisk rotorenhed opnås denne gensidige fordel ved egenskaber.
resultatet er et ekstremt forbedret produkt med stille drift, højere effektivitet og forventede levealder. Forventet levetid kan være størrelsesordener større end en bronsmøtrik under identiske driftsforhold.