De basisstappenmotor creëert roterende beweging van een magneetrotorkern door het gebruik van pulsen en het elektromagnetische veld dat rond de kern stroomt. Een lineaire actuator zet deze rotatiebeweging om in een lineaire beweging, met de precieze afhankelijk van de staphoek van de rotor en de gekozen methode om de omzetting te bereiken.
De lineaire actuator die gebruik maakt van een schroef zou ook zijn precisie afhankelijk zijn van de schroefdraad spoed. In de rotor van een lineaire actuator bevindt zich een moer in het midden van de rotor en een overeenkomstige schroef is bezig met de moer. Om de schroef axiaal te laten bewegen, moet de schroef op de een of andere manier worden beperkt om met de moer en rotor samen te draaien. Met anti-rotatie van de schroef wordt Lineaire Beweging bereikt als de rotor draait. Anti-rotatie wordt meestal bereikt, hetzij intern met captivatie van een schroefasconstructie of extern met een moer op de schroefas die op een of andere manier wordt voorkomen dat rotatie, maar vrij langs de as.
voor de hand liggende ontwerp eenvoud, is het zinvol om de roterende naar lineaire conversie te bereiken recht in de motor. Deze aanpak vereenvoudigt het ontwerp van vele toepassingen aanzienlijk door een “drop in motor” mogelijk te maken die nauwkeurige lineaire beweging zonder de noodzaak om externe mechanische verbindingen te installeren.
de eerste lineaire actuator gebruikte een combinatie van kogelmoer en schroef. De kogelschroef biedt doorgaans een efficiëntie van meer dan 90%, terwijl Acme-schroefdraden doorgaans een efficiëntie van 20% tot 70% bieden, afhankelijk van de schroefdraadomstandigheden.
hoewel kogelschroeven een zeer efficiënt middel zijn om roterende beweging om te zetten in Lineaire Beweging, is de kogelmoer gevoelig voor uitlijning, omvangrijk en duur. Daarom is de kogelmoer voor de meeste toepassingen geen praktische oplossing.
De meeste ontwerpers van apparatuur zijn bekend met de hybride lineaire actuator op basis van een stappenmotor. Dit product is al enkele jaren, en net als elk ander apparaat, het heeft zijn sterke punten en beperkingen. Een paar van de voordelen zijn inherente eenvoud van ontwerp, compactheid, borstelloze (dus niet-boogvormige), ongelooflijke mechanische voordeel, ontwerp flexibiliteit en betrouwbaarheid. In sommige gevallen kunnen deze lineaire actuatoren echter niet in bepaalde apparaten worden ontworpen omdat ze niet duurzaam zijn zonder routinematig onderhoud.
Er zijn echter manieren om dergelijke obstakels te overwinnen en zeer duurzame actuatoren met een lange levensduur en geen onderhoud te bieden. Door het borstelloze ontwerp van de stappenmotoren zijn de rotorlagers en de schroefdraadbevestiging van de Loodschroef/moer de enige onderdelen die aan slijtage onderhevig zijn. De jaren van vooruitgang in kogellagers hebben al gezorgd voor de beschikbaarheid van types met uitgebreide kenmerken met een lange levensduur. Onlangs zijn er verbeteringen in de levensduur en duurzaamheid van de Loodschroef en paringsmoer componenten.
verhoogde duurzaamheid
om te beginnen is het noodzakelijk om een blik te werpen op het basisontwerp. Een goed model voor een case study is de maat 17 motor, die aan het kleinere uiteinde van de hybride stepper maat bereik. Traditioneel wordt een lineaire actuator gemaakt door een holle as te bewerken van een lagerwaardig metaalmateriaal zoals brons. Deze holle as heeft interne schroefdraden, die op hun beurt de schroefdraden van een loodschroef. De holle as wordt langs de as van de rotor geïnstalleerd. Een populaire keuze voor het Loodschroef materiaal is roestvrij staal, dat ook enige corrosieweerstand biedt. Voor het grootste deel, het type van threads gebruikt zijn machine threads (zoals een #10-32) die van enkele of meerdere starts kunnen zijn, afhankelijk van de resolutie en snelheid gewenste in de actuator.
De machine-draad, bekend als een ” v ” – draad, wordt gekozen omdat het relatief eenvoudig is om te bewerken en te rollen. Hoewel het een geschikte keuze is voor productie, is het een slechte keuze voor krachtoverdracht. Een veel betere draad is de Acme draad. Daar zijn een paar redenen voor.
De Acme draad is door het ontwerp efficiënter, wat resulteert in lagere verliezen, inclusief wrijving, wat op zijn beurt betekent minder slijtage en uiteindelijk een langere levensduur. Door te kijken naar de basisschroefgeometrie is dit eenvoudig uit te leggen. Een v-draad heeft een hoek van 60° tussen tegenoverliggende zijden, terwijl de Acme slechts 29°is. (Figuur 2)
aangenomen dat wrijving, koppel en loodhoek gelijk zijn, levert een v-draad slechts ongeveer 85% van de kracht van een Acme. De efficiëntie wordt bepaald met vergelijking één of twee, voor gebruik met draden met een V-vorm, afhankelijk van de belastingsrichting. De verhouding wordt eenvoudig berekend door de efficiëntie van de 60° – schroefdraad te delen door de 29° – schroefdraad. (Figuur 3)
Figuur 2. Vergelijking van (A) 60° ‘V’ en (b) 29° Acme draden.
Figuur 3. Efficiëntievergelijkingen
Figuur 4. Wrijvingseigenschappen van brons versus kunststof
bij de efficiëntieberekeningen wordt er geen rekening mee gehouden dat de oppervlaktedruk op de V-draad veel hoger zal zijn, waardoor de verliezen verder zullen toenemen.
Acme draadloodschroeven worden over het algemeen vervaardigd voor krachtoverbrenging, zodat veel meer aandacht wordt besteed aan oppervlakteafwerking, nauwkeurigheid van lood en toleranties. V-schroefdraden worden voornamelijk gebruikt als bevestigingsdraden, zodat de afwerking van het oppervlak en de rechtheid niet nauw worden gecontroleerd.
van gelijke, zo niet Grotere betekenis is de moer die de schroef aandrijft. Deze moer is vaak ingebed in de motorrotor. Het traditionele moer materiaal is een lager kwaliteit brons, die zich leent voor de vereiste bewerking van de interne schroefdraad. Het was een geschikt compromis tussen fysieke stabiliteit en smering. Compromis is natuurlijk het sleutelwoord, omdat het in geen van beide uitblinkt. Een beter materiaal voor een voedingsmoer in de lineaire actuator is een gesmeerd thermoplastisch materiaal. Dit komt omdat met nieuwe kunststoffen, de schroefdraden kunnen nu reizen met een lagere wrijvingscoëfficiënt. Figuur 4 contrasteert de wrijvingseigenschappen van de rotordraad.
Op basis hiervan zou men zich kunnen afvragen: waarom geen plastic aandrijfmoer gebruiken? Helaas, zo goed als het plastic is voor de draden, het is niet een stabiel genoeg materiaal voor de rotor journals van een hybride motor. Met de mogelijke motortemperatuurstijging van 167 ° F tijdens motorbedrijf, kon het plastic in dit geval tot 0,004 “uitbreiden; terwijl messing, bijvoorbeeld, slechts 0,001” onder dezelfde thermische omstandigheden kan uitbreiden.
De lagerbladen zijn van cruciaal belang in het hybride motorontwerp. Het hybride rotorontwerp moet een airgap van slechts enkele duizendsten van een inch behouden voor optimale prestaties. De airgap wordt gedefinieerd als de ruimte tussen de buitendiameter van de rotormagneet en de binnendiameter van de stator. Als het rotorassemblage concentriciteit verloor, zou het tegen de statorwand wrijven. Door middel van materiaal selectie, zou een ontwerper willen hebben materiële voordelen van zowel lange draad leven en het dragen van journal stabiliteit. Door het spuitgieten van kunststof draden binnen een metalen rotor assemblage, wordt dit wederzijdse voordeel van eigenschappen bereikt.
het resultaat is een zeer verbeterd product met stille werking, hogere efficiëntie en levensverwachting. De levensverwachting kan ordes van grootte groter zijn dan een bronzen moer onder identieke bedrijfsomstandigheden.