podstawowy silnik krokowy wytwarza ruch obrotowy rdzenia wirnika magnetycznego poprzez wykorzystanie impulsów i pola elektromagnetycznego przechodzącego wokół rdzenia. Siłownik liniowy przekształca ten ruch obrotowy w ruch liniowy, precyzyjnie zależny od kąta kroku wirnika i metody wybranej do przeprowadzenia konwersji.
siłownik liniowy, który wykorzystuje śrubę, również miałby swoją precyzję zależną od skoku gwintu. Wewnątrz wirnika siłownika liniowego nakrętka znajduje się w środku wirnika, a odpowiednia śruba jest zaangażowana w nakrętkę. Aby śruba poruszała się osiowo, śruba musi być ograniczona do obracania za pomocą nakrętki i zespołu wirnika. Dzięki anty-rotacji śruby ruch liniowy uzyskuje się podczas obracania wirnika. Anty-rotacja jest zwykle wykonywana wewnętrznie z chwytem zespołu śruby wału lub zewnętrznie z nakrętką na wale śruby, która jest w jakiś sposób zapobiegana obrotowi, ale wolna wzdłuż jego osi.
dla oczywistej prostoty projektowania sensowne jest przeprowadzenie konwersji obrotowej na liniową bezpośrednio wewnątrz silnika. Takie podejście znacznie upraszcza projektowanie wielu zastosowań, umożliwiając „spadek silnika” zdolnego do precyzyjnego ruchu liniowego bez konieczności instalowania zewnętrznych połączeń mechanicznych.
w pierwszym siłowniku liniowym zastosowano połączenie nakrętki kulkowej i śruby. Śruba kulkowa Zwykle oferuje sprawność większą niż 90%, podczas gdy gwinty Acme zwykle oferują sprawność od 20% do 70%, w zależności od warunków gwintu.
chociaż śruby kulkowe są wysoce wydajnym środkiem do przekształcania ruchu obrotowego w ruch liniowy, nakrętka kulkowa jest wrażliwa na wyrównanie, nieporęczna i droga. Dlatego nakrętka kulkowa nie jest praktycznym rozwiązaniem dla większości zastosowań.
większość projektantów sprzętu zna Hybrydowy siłownik liniowy na bazie silnika krokowego. Ten produkt istnieje od kilku lat i tak jak każde inne urządzenie, ma swoje mocne i ograniczenia. Niektóre z zalet to nieodłączna prostota projektowania, zwartość, bezszczotkowy (dlatego nie łukowy), niesamowita zaleta mechaniczna, elastyczność projektowania i niezawodność. Jednak w niektórych przypadkach te siłowniki liniowe mogą nie być projektowane w niektórych urządzeniach, ponieważ nie są trwałe bez rutynowej konserwacji.
jednak istnieją sposoby, aby pokonać takie przeszkody i zapewnić siłowniki, które są bardzo trwałe z długą żywotnością i bez konserwacji. Ze względu na bezszczotkową konstrukcję silników krokowych jedynymi elementami poddawanymi zużyciu są łożyska wirnika i sprzęganie gwintu zespołu śruby/nakrętki. Lata rozwoju łożysk kulkowych zapewniły już dostępność typów o długiej żywotności. Ostatnio Poprawiono żywotność i trwałość śruby prowadzącej i współpracujących elementów nakrętki.
zwiększona trwałość
na początek należy spojrzeć na podstawowy projekt. Dobrym modelem dla studium przypadku jest silnik w rozmiarze 17, który znajduje się na mniejszym końcu zakresu rozmiarów hybrydowych stepperów. Tradycyjnie siłownik liniowy jest wytwarzany przez obróbkę wału drążonego z materiału metalicznego typu łożyska, takiego jak brąz. Ten wał drążony ma gwinty wewnętrzne, które z kolei łączą się z gwintami śruby ołowiowej. Wał drążony jest zainstalowany wzdłuż osi wirnika. Popularnym wyborem dla materiału śruby ołowiowej jest stal nierdzewna, która oferuje również pewną odporność na korozję. W przeważającej części typem gwintów są gwinty maszynowe (takie jak #10-32), które mogą mieć pojedyncze lub wielokrotne starty, w zależności od rozdzielczości i prędkości pożądanej w siłowniku.
gwint maszyny, znany jako gwint „V”, jest wybrany, ponieważ jest stosunkowo łatwy do obróbki i walcowania. Mimo że jest to odpowiedni wybór do produkcji, jest to zły wybór do przenoszenia mocy. Znacznie lepszym wątkiem jest wątek Acme. Jest ku temu kilka powodów.
gwint Acme z założenia jest bardziej wydajny, co powoduje mniejsze straty, w tym tarcie, co z kolei oznacza mniejsze zużycie i dłuższą żywotność. Patrząc na podstawową geometrię śrub, łatwo to wyjaśnić. Gwint V ma kąt 60° między przeciwległymi powierzchniami, podczas gdy Acme wynosi tylko 29°. (Rysunek 2)
zakładając, że tarcie, moment obrotowy i kąt prowadzenia są takie same, gwint V dostarczy tylko około 85% siły Acme. Wydajność jest określana za pomocą równania 1 lub 2, do stosowania z gwintami o kształcie V, zależnym od kierunku obciążenia. Stosunek jest po prostu obliczany przez podzielenie wydajności gwintów 60° przez gwinty 29°. (Rysunek 3)
Rysunek 2. Porównanie gwintów a) 60° ” V ” i B) 29° Acme.
Rysunek 3. Równania efektywności
Rysunek 4. Właściwości cierne brązu w porównaniu z tworzywem sztucznym
w obliczeniach wydajności nie bierze się pod uwagę, że ciśnienie powierzchniowe będzie znacznie wyższe na gwint V, co jeszcze bardziej zwiększy straty.
śruby z gwintem Acme są zwykle produkowane do przenoszenia mocy, dlatego dużo większą uwagę przywiązuje się do wykończenia powierzchni, dokładności ołowiu i tolerancji. Gwinty V są stosowane głównie jako nici złączne, więc wykończenie powierzchni i prostoliniowość nie są ściśle kontrolowane.
równej, jeśli nie większej, znaczenie ma nakrętka, która napędza śrubę. Nakrętka ta jest często osadzona w wirniku silnika. Tradycyjnym materiałem nakrętki jest brąz klasy łożyskowej, który nadaje się do wymaganej obróbki gwintów wewnętrznych. Był to odpowiedni kompromis między stabilnością fizyczną a smarownością. Kompromis jest oczywiście słowem kluczowym, ponieważ nie wyróżnia się żadnym z nich. Lepszym materiałem na nakrętkę zasilającą w siłowniku liniowym jest nasmarowany materiał termoplastyczny. Dzieje się tak dlatego, że w przypadku nowych tworzyw sztucznych gwinty śrubowe mogą teraz poruszać się z niższym współczynnikiem tarcia. Rysunek 4 kontrastuje właściwości tarcia materiałów gwintu wirnika.
na tej podstawie można by zapytać: dlaczego nie użyć plastikowej nakrętki napędowej? Niestety, tak dobry jak plastik jest dla gwintów, nie jest wystarczająco stabilnym materiałem dla dzienników wirnika silnika hybrydowego. Przy możliwym wzroście temperatury silnika o 167°F podczas pracy silnika, tworzywo sztuczne w tym przypadku może rozszerzyć się nawet o 0,004″; podczas gdy mosiądz, na przykład, może rozszerzyć się tylko o 0,001″ w tych samych warunkach termicznych.
czopy łożysk mają kluczowe znaczenie w konstrukcji silnika hybrydowego. Hybrydowa konstrukcja wirnika musi utrzymywać airgap zaledwie kilku tysięcznych cala, aby uzyskać optymalną wydajność. Airgap definiuje się jako przestrzeń między zewnętrzną średnicą magnesu wirnika a wewnętrzną średnicą stojana. Jeśli zespół wirnika stracił koncentryczność, ocierałby się o ścianę stojana. Dzięki doborowi materiału projektant pragnąłby uzyskać korzyści materialne zarówno w postaci długiej żywotności gwintu, jak i stabilności czopów łożyskowych. Poprzez formowanie wtryskowe gwintów z tworzyw sztucznych w metalowym zespole wirnika uzyskuje się tę wzajemną korzyść z właściwości.
rezultatem jest wyjątkowo ulepszony produkt o cichej pracy, wyższej wydajności i oczekiwanej żywotności. Długość życia może być o rząd wielkości większa niż nakrętka z brązu w identycznych warunkach pracy.