perusaskelmamoottori luo magneetin roottorin ytimen pyörivän liikkeen pulssien ja ytimen ympäri kulkevan sähkömagneettisen kentän avulla. Lineaarinen toimilaite muuntaa tämän pyörimisliikkeen lineaariseksi liikkeeksi, jonka tarkka riippuu roottorin askelkulmasta ja menetelmästä, joka on valittu konvertoinnin toteuttamiseksi.
ruuvia käyttävän lineaarisen toimilaitteen tarkkuus riippuisi myös kierrekorkeudesta. Lineaarisen toimilaitteen roottorin sisällä mutteri sijaitsee roottorin keskellä ja vastaava ruuvi on kytkettynä mutteriin. Jotta ruuvi liikkuisi aksiaalisesti, ruuvin pyörimistä mutterin ja roottorin kokoonpanolla on jollakin tavalla rajoitettava. Ruuvin Anti-rotaatiolla saavutetaan lineaarinen liike roottorin kääntyessä. Pyörimisenesto tapahtuu tyypillisesti joko sisäisesti akseliruuvikokoonpanon kiinnityksellä tai ulkoisesti ruuvin akselilla olevalla mutterilla, joka on jollain tavalla estynyt pyörimästä, mutta vapaa akselinsa suuntaisesti.
ilmeisen suunnittelun yksinkertaisuuden vuoksi on järkevää suorittaa pyörivä lineaarinen muuntaminen aivan moottorin sisällä. Tämä lähestymistapa yksinkertaistaa huomattavasti monien sovellusten suunnittelua sallimalla” drop in motor”, joka pystyy tarkkaan lineaariseen liikkeeseen ilman tarvetta asentaa ulkoisia mekaanisia kytkentöjä.
ensimmäisessä lineaarisessa toimilaitteessa käytettiin kuulamutterin ja ruuvin yhdistelmää. Kuularuuvin hyötysuhde on yleensä yli 90%, kun taas Acme-kierteiden hyötysuhde on tyypillisesti 20-70% kierteen olosuhteista riippuen.
vaikka kuularuuvit ovat erittäin tehokas keino muuntaa pyörivä liike lineaariseksi, pallomutteri on herkkä linjaukselle, kookas ja kallis. Siksi pallomutteri ei ole käytännöllinen ratkaisu useimpiin sovelluksiin.
useimmat laitesuunnittelijat tuntevat hybridimoottorikäyttöisen lineaarisen toimilaitteen. Tämä tuote on ollut olemassa useita vuosia, ja aivan kuten mikä tahansa muu laite, sillä on vahvuutensa ja rajoituksensa. Muutamia etuja ovat luontainen yksinkertaisuus suunnittelu, tiiviys, harjaton (siis ei-kipinöintiä), uskomaton mekaaninen etu, suunnittelun joustavuus ja luotettavuus. Joissakin tapauksissa näitä lineaarisia toimilaitteita ei kuitenkaan välttämättä ole suunniteltu tiettyihin laitteisiin, koska ne eivät ole kestäviä ilman rutiinihuoltoa.
on kuitenkin olemassa keinoja tällaisten esteiden voittamiseksi ja sellaisten toimilaitteiden tarjoamiseksi, jotka ovat erittäin kestäviä ja pitkäikäisiä ilman huoltoa. Askelmoottoreiden harjattoman rakenteen vuoksi ainoat osat, jotka joutuvat kulumaan, ovat roottorin laakerit ja lyijyruuvi/mutteriasennelman kierteen kiinnitys. Kuulalaakereiden vuosien edistysaskeleet ovat jo tarjonneet laajan pitkäikäisyyden omaavien tyyppien saatavuuden. Viime aikoina on parannettu lyijyruuvi-ja pariutumismutterikomponenttien käyttöikää ja kestävyyttä.
lisääntynyt kestävyys
aluksi on syytä perehtyä perusrakenteeseen. Hyvä malli tapaustutkimukseen on kokoluokan 17 moottori, joka on hybrid stepperin kokoluokan pienemmässä päässä. Perinteisesti lineaarinen toimilaite on valmistettu koneistamalla ontto akseli laakerilaatuisesta metallimateriaalista, kuten pronssista. Tässä ontossa varressa on sisäiset kierteet, jotka puolestaan tarttuvat lyijyruuvin kierteisiin. Ontto akseli asennetaan roottorin akselia pitkin. Suosittu valinta lyijyruuvimateriaaliksi on ruostumaton teräs, joka tarjoaa myös jonkin verran korroosionkestävyyttä. Useimmiten käytettävät kierteet ovat konekierteitä (kuten #10-32), jotka voivat olla yksi-tai monilähtöisiä riippuen toimilaitteen halutusta resoluutiosta ja nopeudesta.
v-kierteenä tunnettu konekierre valitaan, koska se on suhteellisen helppo koneistaa ja rullata muotoon. Vaikka se on sopiva valinta valmistukseen, se on huono valinta voimansiirtoon. Paljon parempi lanka on Acme-Lanka. Tähän on muutama syy.
Acme-lanka on rakenteeltaan tehokkaampi, mikä johtaa pienempiin häviöihin, kuten kitkaan, mikä puolestaan tarkoittaa vähemmän kulumista ja lopulta pidempää käyttöikää. Perusruuvin geometriaa tarkastelemalla tämä on helppo selittää. V-kierteellä on vastakkaisten tahkojen välinen kulma 60°, kun taas Acme on vain 29°. (Kuva 2)
Jos kitka, vääntömomentti ja johtokulma ovat samat, V-kierre tuottaa vain noin 85% Acme: n voimasta. Hyötysuhde määritetään yhtälön yksi tai kaksi avulla, kun käytetään V-muotoisia lankoja, jotka riippuvat kuormitussuunnasta. Suhde lasketaan yksinkertaisesti jakamalla 60° kierteiden hyötysuhde 29° kierteillä. (Kuva 3)
kuva 2. Vertailu a) 60° ” V ” ja b) 29° Acme kierteet.
kuva 3. Hyötysuhdeyhtälöt
Kuva 4. Pronssin kitkaominaisuudet vs. muovi
hyötysuhdelaskelmissa ei oteta huomioon, että pintapaine on v-kierteellä paljon suurempi, mikä lisää häviöitä entisestään.
Acme-Kierreruuveja valmistetaan yleensä voimansiirtoon, joten paljon tarkemmin kiinnitetään huomiota pinnan viimeistelyyn, lyijyn tarkkuuteen ja toleransseihin. V-kierteitä käytetään pääasiassa kiinnityskierteinä, joten pinnan viimeistelyä ja suoruutta ei valvota tarkasti.
yhtä tärkeä, ellei suurempi, on mutteri, joka ajaa ruuvia. Tämä mutteri on usein upotettu Moottorin roottoriin. Perinteinen mutterimateriaali on laakeripronssi, joka soveltuu sisäsäikeiden vaadittuun työstöön. Se oli sopiva kompromissi fyysisen vakauden ja voitelevuuden välillä. Kompromissi on tietenkin avainsana, koska se ei ole kummassakaan. Parempi materiaali virtamutterille lineaarisessa toimilaitteessa on voideltu termoplastinen materiaali. Tämä johtuu siitä, että uusilla muoveilla ruuvikierteet saattavat nyt kulkea pienemmällä kitkakertoimella. Kuvassa 4 asetetaan vastakkain roottorin kierteiden materiaalien kitkaominaisuudet.
tämän perusteella voisi kysyä: miksi ei käytettäisi muovista ajomutteria? Niin hyvä kuin muovi kierteille onkin, se ei valitettavasti ole tarpeeksi stabiili materiaali hybridimoottorin roottorilehdille. Mahdollisen moottorin lämpötilan nousu 167°F aikana moottorin toiminnan, muovi tässä tapauksessa voisi laajentaa niin paljon kuin 0,004″; kun taas messinki, esimerkiksi, voi vain laajentaa 0,001 ” samoissa lämpöolosuhteissa.
laakerilehdet ovat kriittisiä hybridimoottorin suunnittelussa. Hybridiroottorin rakenteen on säilytettävä vain muutaman tuhannesosan paineilma optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Airgap määritellään roottorimagneetin ulkohalkaisijan ja staattorin sisähalkaisijan väliseksi tilaksi. Jos roottorikokoonpano menettäisi Samankeskisyyden, se hieroisi staattorin seinää vasten. Materiaalivalinnan kautta suunnittelija haluaisi saada materiaalisia etuja sekä pitkän kierteen että laakerin säilyvyyden ansiosta. Ruiskuvalamalla muovilangat metallisen roottorin kokoonpanossa, tämä molemminpuolinen hyöty ominaisuuksista saavutetaan.
tuloksena on erittäin parantunut tuote, jonka toiminta on hiljaista, hyötysuhde on korkeampi ja elinaikaodotus parempi. Elinajanodote voi olla suuruusluokkaa suurempi kuin pronssimutteri samanlaisissa käyttöolosuhteissa.