den grunnleggende stepper motor skaper roterende bevegelse av en magnet rotor kjernen gjennom bruk av pulser og det elektromagnetiske feltet passerer rundt kjernen. En lineær aktuator konverterer denne rotasjonsbevegelsen til en lineær bevegelse, med nøyaktig avhengig av trinnvinkelen til rotoren og metoden valgt for å oppnå konverteringen.
den lineære aktuatoren som bruker en skrue vil også ha sin presisjon være avhengig av trådhøyden. Inne i rotoren til en lineær aktuator er en mutter plassert i midten av rotoren og en tilsvarende skrue er engasjert i mutteren. For at skruen skal bevege seg aksialt, må skruen være begrenset fra å rotere med mutter – og rotorenheten på noen måte. Med anti-rotasjon av skruen oppnås lineær bevegelse når rotoren svinger. Anti-rotasjon oppnås vanligvis enten internt med captivation av en akselskrueenhet eller eksternt med en mutter på skrueakselen som på en eller annen måte forhindres i rotasjon, men likevel fri langs sin akse.
for åpenbar design enkelhet, er det fornuftig å oppnå roterende til lineær konvertering rett inne i motoren. Denne tilnærmingen forenkler utformingen av mange applikasjoner ved å tillate en» drop in motor » som er i stand til presis lineær bevegelse uten å måtte installere eksterne mekaniske koblinger.
den første lineære aktuatoren brukte en kulemutter og skruekombinasjon. Kuleskruen gir vanligvis effektivitet som er større enn 90%, Mens Acme-tråder vanligvis gir effektivitet mellom 20% og 70%, avhengig av trådforholdene.Selv om ballskruer er en svært effektiv måte å konvertere roterende bevegelse til lineær reise, er ballmutteren følsom for justering, stor og dyr. Derfor er ballmutteren ikke en praktisk løsning for de fleste applikasjoner.
de fleste utstyr designere er kjent med hybrid stepper motorbasert lineær aktuator. Dette produktet har eksistert i flere år, og akkurat som alle andre enheter, har det sine styrker og begrensninger. Noen av fordelene er iboende enkelhet av design, kompakthet, børsteløs( derfor ikke-lysbue), utrolig mekanisk fordel, design fleksibilitet og pålitelighet. Men i noen tilfeller kan disse lineære aktuatorer ikke være utformet i visse enheter fordi de ikke er holdbare uten rutinemessig vedlikehold.
det finnes imidlertid måter å overvinne slike hindringer og gi aktuatorer som er svært holdbare med lang levetid og ingen vedlikehold. På grunn av steppermotorenes børsteløse design er de eneste komponentene som er utsatt for slitasje rotorlagrene og trådengasjementet til blyskruen / mutterenheten. År med fremskritt i kulelager har allerede gitt tilgjengeligheten av typer med omfattende lange livsegenskaper. Nylig har det vært forbedringer i livet og holdbarheten til ledeneskrue og parring mutter komponenter.
Økt Holdbarhet
Til å begynne med er det nødvendig å se på grunnleggende design. En god modell for en case-studie er størrelse 17 motor, som er på den mindre enden av hybrid stepper størrelsesområdet. Tradisjonelt er en lineær aktuator laget ved å bearbeide en hul aksel fra et metallisk materiale som bronse. Denne hule akselen har innvendige gjenger, som i sin tur engasjerer trådene i en blyskrue. Den hule akselen er installert langs rotorens akse. Et populært valg for blyskruematerialet er rustfritt stål, som også gir litt korrosjonsbestandighet. For det meste er typen tråder som brukes maskintråder (for eksempel en #10-32) som kan være av enkelt eller flere starter, avhengig av oppløsning og hastighet ønsket i aktuatoren.
maskintråden, kjent som En «V» – tråd, er valgt fordi den er relativt enkel å maskinere og rulle form. Selv om det er et passende valg for produksjon, er det et dårlig valg for kraftoverføring. En mye bedre tråd Er Acme-tråden. Det er noen grunner til dette.Acme-tråden, i design, er mer effektiv, noe som resulterer i lavere tap, inkludert friksjon, noe som igjen betyr mindre slitasje og til slutt lengre levetid. Ved å se på grunnleggende skrue geometri, er det lett å forklare dette. En v-tråd har en vinkel på 60° mellom motstående ansikter, mens Acme bare er 29°. (Figur 2)
Forutsatt friksjon, dreiemoment og blyvinkel er de samme, vil En v-tråd bare levere omtrent 85% av Kraften til En Acme. Effektiviteten bestemmes ved hjelp av ligning en eller to, for bruk med tråder som har En V-form, avhengig av lastretningen. Forholdet beregnes ganske enkelt ved å dele effektiviteten til de 60° trådene med de 29° trådene. (Figur 3)
Figur 2. Sammenligning av (a) 60° ‘V’ og (b) 29° Acme tråder.
figur 3. Effektivitetsligninger
Figur 4. Friksjonsegenskaper av bronse vs plast
effektivitetsberegningene tar ikke hensyn til at overflatetrykket vil være mye høyere På v-tråden, og dermed øke tapene ytterligere.Acme thread leadscrews er generelt produsert for kraftoverføring, så mye nærmere oppmerksomhet er betalt til overflatefinish, bly nøyaktighet og toleranser. V-tråder brukes primært som festetråder, så overflatefinish og retthet er ikke nøye kontrollert.
av lik, om ikke større, betydning er mutteren som driver skruen. Denne mutteren er ofte innebygd i motorrotoren. Det tradisjonelle muttermaterialet er en bærebronse, som gir seg til den nødvendige bearbeiding av de indre trådene. Det var et passende kompromiss mellom fysisk stabilitet og smøreevne. Kompromiss, selvfølgelig, er stikkordet, siden det utmerker seg på verken. Et bedre materiale for en kraftmutter i den lineære aktuatoren er et smurt termoplastisk materiale. Dette skyldes at med ny konstruert plast, kan skruegjengene nå reise med en lavere friksjonskoeffisient. Figur 4 kontrasterer rotortrådmaterialets friksjonsegenskaper.
Basert på dette kan man spørre: hvorfor ikke bruke en plastmutter? Dessverre, så godt som plasten er for trådene, er det ikke et stabilt nok materiale for rotorjournalene til en hybridmotor. Med den mulige motortemperaturstigningen på 167°F under motordrift, kan plasten i dette tilfellet utvide så mye som 0,004″; mens messing for eksempel bare kan utvide 0,001 » under de samme termiske forholdene.
bærejournalene er kritiske i hybridmotordesignet. Hybrid rotor design må opprettholde en airgap på bare noen få tusendeler av en tomme for optimal ytelse. Luftgapet er definert som mellomrommet mellom rotormagnetens ytre diameter og statorens indre diameter. Hvis rotorenheten mistet konsentrisitet, ville den gni mot statorveggen. Gjennom materialvalg vil en designer ønske å ha materielle fordeler med både lang trådliv og bærende journalstabilitet. Ved sprøytestøping av plasttråder i en metallisk rotorenhet oppnås denne gjensidige fordelen av egenskaper.resultatet er et ekstremt forbedret produkt med stillegående drift, høyere effektivitet og forventet levealder. Forventet levetid kan være størrelsesordener større enn en bronsemutter under identiske driftsforhold.