den grundläggande stegmotorn skapar roterande rörelse av en magnetrotorkärna genom användning av pulser och det elektromagnetiska fältet som passerar runt kärnan. Ett linjärt ställdon omvandlar denna rotationsrörelse till en linjär rörelse, med den exakta beroende av rotorns stegvinkel och den metod som valts för att åstadkomma omvandlingen.
det linjära ställdonet som använder en skruv skulle också ha sin precision vara beroende av gänghöjden. Inuti rotorn hos ett linjärt ställdon är en mutter placerad i mitten av rotorn och en motsvarande skruv är inkopplad i muttern. För att skruven ska kunna röra sig axiellt måste skruven begränsas från att rotera med muttern och rotorenheten på något sätt. Med skruvrotation uppnås linjär rörelse när rotorn vrids. Antirotation uppnås vanligtvis antingen internt med fängsling av en axelskruvaggregat eller externt med en mutter på skruvaxeln som på något sätt förhindras från rotation, men ändå fri längs sin axel.
för uppenbar design enkelhet är det meningsfullt att utföra den roterande till linjära omvandlingen direkt inuti motorn. Detta tillvägagångssätt förenklar utformningen av många applikationer genom att tillåta en ”droppe i motor” som kan exakt linjär rörelse utan att behöva installera externa mekaniska kopplingar.
det första linjära ställdonet använde en kulmutter och skruvkombination. Kulskruven erbjuder vanligtvis effektivitet större än 90%, medan Acme-trådar vanligtvis erbjuder effektivitet mellan 20% och 70%, beroende på gängförhållanden.
även om kulskruvar är ett mycket effektivt sätt att konvertera roterande rörelse till linjär rörelse, är kulmuttern känslig för inriktning, skrymmande och dyr. Därför är kulmuttern inte en praktisk lösning för de flesta applikationer.
de flesta utrustningsdesigners är bekanta med hybrid stegmotorbaserade linjära ställdon. Denna produkt har funnits i flera år, och precis som alla andra enheter har den sina styrkor och begränsningar. Några av fördelarna är inneboende enkelhet i design, kompaktitet, borstlös (därför icke-bågning), otrolig mekanisk fördel, designflexibilitet och tillförlitlighet. I vissa fall kan dock dessa linjära ställdon inte utformas i vissa enheter eftersom de inte är hållbara utan rutinunderhåll.
det finns dock sätt att övervinna sådana hinder och tillhandahålla ställdon som är mycket hållbara med lång livslängd och inget underhåll. På grund av stegmotorernas borstlösa design är de enda komponenterna som utsätts för slitage rotorlagren och gänginkopplingen hos blyskruven/mutternheten. År av framsteg i kullager har redan gett tillgång till typer med omfattande lång livslängd egenskaper. Nyligen har det skett förbättringar i livslängden och hållbarheten hos ledskruven och parningsmutterkomponenterna.
ökad hållbarhet
till att börja med är det nödvändigt att ta en titt på den grundläggande designen. En bra modell för en fallstudie är Storlek 17-motorn, som ligger i den mindre änden av hybridstegsstorleksområdet. Traditionellt tillverkas ett linjärt ställdon genom bearbetning av en ihålig axel från ett metallmaterial av lagerkvalitet, såsom brons. Denna ihåliga axel har inre gängor, som i sin tur engagerar gängorna på en blyskruv. Den ihåliga axeln är installerad längs rotorns axel. Ett populärt val för blyskruvmaterialet är rostfritt stål, vilket också ger viss korrosionsbeständighet. För det mesta är typen av trådar som används maskintrådar (t.ex. en #10-32) som kan ha en eller flera starter, beroende på önskad upplösning och hastighet i ställdonet.
maskintråden, känd som en ”V” – tråd, väljs eftersom den är relativt lätt att bearbeta och rulla form. Även om det är ett lämpligt val för tillverkning, är det ett dåligt val för kraftöverföring. En mycket bättre tråd är Acme-tråden. Det finns några skäl till detta.
Acme-tråden är genom design effektivare, vilket resulterar i lägre förluster, inklusive friktion, vilket i sin tur innebär mindre slitage och i slutändan längre livslängd. Genom att titta på den grundläggande skruvgeometrin är det lätt att förklara detta. En v-gänga har en vinkel på 60 kg mellan motstående ytor, medan Acme endast är 29 kg. (Figur 2)
förutsatt att friktion, vridmoment och ledningsvinkel är desamma, kommer en V-tråd endast att leverera cirka 85% av kraften hos en Acme. Effektiviteten bestäms med hjälp av ekvation en eller två, för användning med trådar som har en v-form, beroende av belastningsriktningen. Förhållandet beräknas helt enkelt genom att dividera effektiviteten hos de 60 kg-trådarna med de 29 kg-trådarna. (Figur 3)
Figur 2. Jämförelse av A) 60 Acme-trådar (V) och b) 29 Acme-trådar (Acme).
Figur 3. Effektivitet ekvationer
Figur 4. Friktionsegenskaper hos brons vs. plast
effektivitetsberäkningarna tar inte hänsyn till att yttrycket kommer att vara mycket högre på V-tråden, vilket ytterligare ökar förlusterna.
Acme tråd blyskruvar tillverkas i allmänhet för kraftöverföring, så mycket närmare uppmärksamhet ägnas åt ytfinish, bly noggrannhet och toleranser. V-trådar används främst som fästtrådar, så ytfinish och rakhet kontrolleras inte noggrant.
lika, om inte större, är vikten muttern som driver skruven. Denna mutter är ofta inbäddad i motorrotorn. Det traditionella muttermaterialet är en bärande brons, som lämpar sig för den nödvändiga bearbetningen av de inre trådarna. Det var en lämplig kompromiss mellan fysisk stabilitet och smörjförmåga. Kompromiss, självklart, är nyckelordet, eftersom det utmärker sig på varken. Ett bättre material för en kraftmutter i det linjära ställdonet är ett smurt termoplastmaterial. Detta beror på att med ny konstruerad plast kan skruvgängorna nu färdas med en lägre friktionskoefficient. Figur 4 kontrasterar rotortrådens material friktionsegenskaper.
baserat på detta kan man fråga: varför inte använda en plastmutter? Tyvärr, lika bra som plasten är för trådarna, är det inte ett tillräckligt stabilt material för rotortidskrifterna för en hybridmotor. Med den möjliga motortemperaturhöjningen på 167 kcal F under motordrift kan plasten i detta fall expandera så mycket som 0,004″; medan mässing till exempel endast kan expandera 0,001″ under samma termiska förhållanden.
lagertidskrifterna är kritiska i hybridmotordesignen. Hybridrotordesignen måste bibehålla en luftgap på bara några tusendels tum för optimal prestanda. Luftgapet definieras som utrymmet mellan Rotorns ytterdiameter och statorns inre diameter. Om rotoraggregatet förlorade koncentricitet skulle det gnugga mot statorväggen. Genom materialval skulle en designer vilja ha materiella fördelar med både lång trådlivslängd och lagerstabilitet. Genom formsprutning av plasttrådar i en metallisk rotorenhet uppnås denna ömsesidiga fördel av egenskaper.
resultatet är en extremt förbättrad produkt med tyst drift, högre effektivitet och livslängd. Livslängden kan vara storleksordningar större än en bronsmutter under identiska driftsförhållanden.