Der grundlegende Schrittmotor erzeugt eine Drehbewegung eines Magnetrotorkerns durch die Verwendung von Impulsen und des elektromagnetischen Feldes, das um den Kern herumläuft. Ein Linearaktuator wandelt diese Drehbewegung in eine lineare Bewegung um, wobei der Schrittwinkel des Rotors und die gewählte Methode zur Durchführung der Umwandlung genau abhängen.
Der Linearantrieb, der eine Schraube verwendet, würde auch seine Präzision von der Gewindesteigung abhängig machen. Innerhalb des Rotors eines Linearantriebs befindet sich eine Mutter in der Mitte des Rotors und eine entsprechende Schraube ist in die Mutter eingerastet. Damit sich die Schraube axial bewegen kann, muss die Schraube auf irgendeine Weise daran gehindert werden, sich mit der Mutter und der Rotoranordnung zu drehen. Mit der Verdrehsicherung der Schraube wird eine lineare Bewegung erreicht, wenn sich der Rotor dreht. Die Verdrehsicherung wird typischerweise entweder intern durch Festhalten einer Wellenschraubenanordnung oder extern durch eine Mutter an der Schraubenwelle erreicht, die auf irgendeine Weise an einer Drehung gehindert ist, jedoch entlang ihrer Achse frei ist.
Aus Gründen der offensichtlichen Einfachheit des Designs ist es sinnvoll, die Umwandlung von Rotary in Linear direkt im Motor durchzuführen. Dieser Ansatz vereinfacht das Design vieler Anwendungen erheblich, indem er einen „Drop-in-Motor“ ermöglicht, der präzise lineare Bewegungen ausführen kann, ohne dass externe mechanische Verbindungen installiert werden müssen.
Der erste Linearantrieb verwendete eine Kombination aus Kugelmutter und Schraube. Die Kugelumlaufspindel bietet typischerweise einen Wirkungsgrad von mehr als 90%, während Acme-Gewinde typischerweise Wirkungsgrade zwischen 20% und 70% bieten, abhängig von den Gewindebedingungen.
Obwohl Kugelgewindetriebe ein hocheffizientes Mittel sind, um Drehbewegungen in lineare Bewegungen umzuwandeln, ist die Kugelmutter empfindlich auf Ausrichtung, sperrig und teuer. Daher ist die Kugelmutter für die meisten Anwendungen keine praktische Lösung.
Die meisten Ausrüstungsdesigner sind mit dem hybriden schrittmotorbasierten Linearantrieb vertraut. Dieses Produkt gibt es seit mehreren Jahren und wie jedes andere Gerät hat es seine Stärken und Grenzen. Einige der Vorteile sind inhärente Einfachheit des Designs, Kompaktheit, bürstenlos (daher lichtbogenfrei), unglaublicher mechanischer Vorteil, Designflexibilität und Zuverlässigkeit. In einigen Fällen sind diese Linearantriebe jedoch möglicherweise nicht für bestimmte Geräte ausgelegt, da sie ohne routinemäßige Wartung nicht langlebig sind.
Es gibt jedoch Möglichkeiten, solche Hindernisse zu überwinden und Aktuatoren bereitzustellen, die sehr langlebig, langlebig und wartungsfrei sind. Aufgrund des bürstenlosen Designs der Schrittmotoren sind die einzigen Verschleißteile die Rotorlager und der Gewindeeingriff der Leitspindel / Mutter-Baugruppe. Jahrelange Fortschritte bei Kugellagern haben bereits die Verfügbarkeit von Typen mit umfangreichen Eigenschaften für eine lange Lebensdauer ermöglicht. In letzter Zeit wurden die Lebensdauer und Haltbarkeit der Vorlaufspindel- und Gegenmutterkomponenten verbessert.
Erhöhte Haltbarkeit
Zunächst ist es notwendig, einen Blick auf das grundlegende Design zu werfen. Ein gutes Modell für eine Fallstudie ist der Motor der Größe 17, der sich am kleineren Ende des Hybrid-Schrittgrößenbereichs befindet. Traditionell wird ein Linearantrieb durch Bearbeitung einer Hohlwelle aus einem metallischen Lagerwerkstoff wie Bronze hergestellt. Diese Hohlwelle weist Innengewinde auf, die wiederum in die Gewinde einer Leitspindel eingreifen. Die Hohlwelle ist entlang der Rotorachse installiert. Eine beliebte Wahl für das Vorschubspindelmaterial ist Edelstahl, der auch eine gewisse Korrosionsbeständigkeit bietet. In den meisten Fällen handelt es sich bei der Art der verwendeten Gewinde um Maschinengewinde (z. B. a # 10-32), die je nach der im Aktuator gewünschten Auflösung und Geschwindigkeit einfach oder mehrfach gestartet werden können.
Der Maschinenfaden, bekannt als „V“ -Faden, wird gewählt, weil er relativ einfach zu bearbeiten und zu rollen ist. Obwohl es eine geeignete Wahl für die Herstellung ist, ist es eine schlechte Wahl für die Kraftübertragung. Ein viel besserer Thread ist der Acme-Thread. Dafür gibt es einige Gründe.
Das Acme-Gewinde ist konstruktionsbedingt effizienter, was zu geringeren Verlusten, einschließlich Reibung, führt, was wiederum weniger Verschleiß und letztendlich eine längere Lebensdauer bedeutet. Wenn man sich die grundlegende Schneckengeometrie ansieht, ist dies leicht zu erklären. Ein V-Gewinde hat einen Winkel von 60 ° zwischen gegenüberliegenden Flächen, während der Acme nur 29 ° beträgt. (Abbildung 2)
Wenn Reibung, Drehmoment und Steigungswinkel gleich sind, liefert ein V-Gewinde nur etwa 85% der Kraft eines Acme. Der Wirkungsgrad wird unter Verwendung der Gleichung eins oder zwei bestimmt, für die Verwendung mit Gewinden mit V-Form, abhängig von der Lastrichtung. Das Verhältnis wird einfach berechnet, indem der Wirkungsgrad der 60 ° -Fäden durch die 29 ° -Fäden dividiert wird. (Abbildung 3)
Abbildung 2. Vergleich von (a) 60° ‚V‘- und (b) 29° Acme-Gewinden.
Abbildung 3. Effizienzgleichungen
Abbildung 4. Reibungseigenschaften von Bronze vs. Kunststoff
Die Effizienzberechnungen berücksichtigen nicht, dass die Flächenpressung auf dem V-Gewinde viel höher sein wird, wodurch die Verluste weiter erhöht werden.
Acme-Gewindespindeln werden im Allgemeinen für die Kraftübertragung hergestellt, daher wird der Oberflächengüte, der Bleigenauigkeit und den Toleranzen viel mehr Aufmerksamkeit geschenkt. V-Gewinde werden hauptsächlich als Befestigungsgewinde verwendet, sodass Oberflächengüte und Geradheit nicht genau kontrolliert werden.
Von gleicher, wenn nicht sogar größerer Bedeutung ist die Mutter, die die Schraube antreibt. Diese Mutter ist oft in den Motorrotor eingebettet. Das traditionelle Mutternmaterial ist eine Lagerbronze, die sich für die erforderliche Bearbeitung der Innengewinde eignet. Es war ein geeigneter Kompromiss zwischen physikalischer Stabilität und Schmierfähigkeit. Kompromiss ist natürlich das Schlüsselwort, da er sich in keinem von beiden auszeichnet. Ein besseres Material für eine Kraftmutter im Linearantrieb ist ein geschmiertes thermoplastisches Material. Dies liegt daran, mit neuen technischen Kunststoffen, die Gewinde können nun mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten reisen. Abbildung 4 stellt die Reibungseigenschaften der Rotorgewindematerialien gegenüber.
Auf dieser Grundlage könnte man fragen: Warum nicht eine Kunststoff-Antriebsmutter verwenden? So gut der Kunststoff für die Gewinde ist, so stabil ist er leider nicht genug für die Rotorzapfen eines Hybridmotors. Mit dem möglichen Motortemperaturanstieg von 167 ° F während des Motorbetriebs könnte sich der Kunststoff in diesem Fall bis zu 0,004 „ausdehnen; während Messing beispielsweise unter den gleichen thermischen Bedingungen nur 0,001 “ ausdehnen kann.
Die Lagerzapfen sind bei der Konstruktion von Hybridmotoren entscheidend. Das Hybridrotordesign muss für eine optimale Leistung einen Luftabstand von nur wenigen Tausendstel Zoll einhalten. Der Luftspalt ist definiert als der Raum zwischen dem Außendurchmesser des Rotormagneten und dem Innendurchmesser des Stators. Wenn die Rotoranordnung die Konzentrizität verlor, würde sie an der Statorwand reiben. Durch Materialauswahl würde ein Designer wünschen, materielle Vorteile sowohl der langen Fadenlebensdauer als auch der Lagerzapfenstabilität zu haben. Durch das Spritzgießen von Kunststofffäden innerhalb einer metallischen Rotoranordnung wird dieser gegenseitige Eigenschaftennutzen erreicht.
Das Ergebnis ist ein extrem verbessertes Produkt mit leisem Betrieb, höheren Wirkungsgraden und Lebenserwartung. Die Lebenserwartung kann um Größenordnungen größer sein als bei einer Bronzemutter unter identischen Betriebsbedingungen.