指針式電子石英鐘步進(jìn)馬達(dá)工作原理

1、指針式電子石英鐘步進(jìn)馬達(dá)工作原理一、概述采用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的機電產(chǎn)品中 ，一般都包含著一個重 要組成局部一伺服系統(tǒng)。指針式石英電子鐘表機芯中采用的 步進(jìn)馬達(dá)就是一個開環(huán)伺服系統(tǒng)，是將電脈沖信號變換成角 位移的一種機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。鐘表用微型步進(jìn)馬達(dá)是隨著七十年代指針式石英電子鐘表的開展而設(shè)計和逐步完善的，其作用是把鐘表CMOS集成電路輸出的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號變成機械傳動，從而帶動輪系 轉(zhuǎn)動，傳到指示機構(gòu)使鐘表指示時間。步進(jìn)馬達(dá)是把電能轉(zhuǎn) 換為機械能的一種裝置，是一個換能器。鐘表用電機械換能裝置有兩種類型：一類是連續(xù)旋轉(zhuǎn)同步馬達(dá)，現(xiàn)代石英電子鐘表中已不采 用。另一類是電磁步進(jìn)馬達(dá)，分三種：一種是諧振式

2、又稱振動式，通過電路的激磁脈沖，利用片簧、音叉、擺輪游 絲等諧振體的振動，帶動計數(shù)機構(gòu)。第二種是擺動式往復(fù)運 動步進(jìn)馬達(dá)，依靠永久磁鋼轉(zhuǎn)子與計數(shù)叉或棘輪棘爪機構(gòu)的 剛性連接來驅(qū)動輪片轉(zhuǎn)動，有動鐵式和動圈式兩種。由于結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，工藝性差，正在逐步被淘汰。第三種是同向旋轉(zhuǎn)運 動的旋轉(zhuǎn)式脈沖馬達(dá)即單相永磁步進(jìn)馬達(dá)，利用每秒鐘承受 來自集成電路的一個脈沖電源信號使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，并帶動齒輪 旋轉(zhuǎn)。二、步進(jìn)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)石英鐘表步進(jìn)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)形式雖然有許多種，但其根本 結(jié)構(gòu)是一樣的，均有定子片用導(dǎo)磁率高的坡莫合金制成轉(zhuǎn) 子磁特性良好的釤鉆臺金和線圈繞在坡莫臺金線架上的 高強度漆包線所組成。鐘表用永磁轉(zhuǎn)子型步進(jìn)馬達(dá)

3、，有一對或幾對磁極，能在 繞有線圈的定子一步一步轉(zhuǎn)動而驅(qū)動輪系旋轉(zhuǎn)。在石英鐘中常用的典型結(jié)構(gòu)為徑向磁路，一對極，均勻氣隙，集線圈的單向永磁式步進(jìn)馬達(dá)，常見的形式有三種：第一種是徑向磁路雙偏心一對極單相永磁步進(jìn)馬達(dá)如圖1。第二種是徑向磁路雙凹坑式或單凹坑式單相永磁步進(jìn)馬達(dá)如圖2。第三種是一體插入式徑向磁路單相永磁步進(jìn)馬達(dá)如圖3。第四種是階梯氣隙定子徑向磁路三對極單相永磁步進(jìn) 馬達(dá)如圖4。在手表中常用的型號有兩種。一種是轉(zhuǎn)子磁 鋼徑向充磁不均勻氣隙的單相永磁步進(jìn)馬達(dá)，有定子片左右 斷開的二極雙偏心式結(jié)構(gòu)圖1，還有定子片做成一體的二極雙凹坑式和二極單凹坑式等結(jié)構(gòu)圖2。另一種是轉(zhuǎn)子磁鋼軸向充磁的雙定子

4、式步進(jìn)馬達(dá)，定子片為雙層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子 按N-S交替軸向充磁成六對極。屬組件式馬達(dá)，并固定在機殼如圖5。型I倒困5.三、步進(jìn)馬達(dá)的工作原理定子片由高導(dǎo)磁性能的坡莫合金制成，并繞有線圈，定子片環(huán)抱著一個帶有齒軸的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子采用高性能的永久磁鋼釤鉆合金制成，在上邊按 N-S極充磁永久磁鐵，轉(zhuǎn)子產(chǎn) 生轉(zhuǎn)動力矩，帶動傳動輪系轉(zhuǎn)動。石英鐘表步進(jìn)馬達(dá)通常是在雙向脈沖的驅(qū)動下進(jìn)展步進(jìn)運動的。CMOS IC每一秒鐘發(fā)出一個驅(qū)動脈沖，在一個脈沖的作用下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 180°,通常步進(jìn)馬達(dá)2秒鐘轉(zhuǎn)動1圈 步進(jìn)馬達(dá)的工作原理是當(dāng)定子線圈不通電時，由于轉(zhuǎn)子 和定子間隙不等形成不均勻氣隙，轉(zhuǎn)子停留在穩(wěn)定平衡位 置，轉(zhuǎn)

5、子磁極中心線與定子磁極中心線偏轉(zhuǎn)一個位置角，形 成定位力矩。當(dāng)線圈通電后，定子片被磁化，并與轉(zhuǎn)子磁極 作用，同性相斥，異性相吸，當(dāng)克制了轉(zhuǎn)子的定位力矩后， 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生逆時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角180 °，并重新在定位力矩作用下而靜止，所需時間為1秒鐘。由于線圈輸入交變電流而改變定子片磁極位置，重新與 轉(zhuǎn)子磁極作用，促使轉(zhuǎn)子朝單一方向繼續(xù)間歇旋轉(zhuǎn)一個步距 角180 °。這樣雙極轉(zhuǎn)子馬達(dá)輸人正負(fù)脈沖一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 一周，需要2秒鐘。當(dāng)下次正脈沖再次輸人線圈時轉(zhuǎn)子開始 第二次循環(huán)，不斷驅(qū)動輪系遠(yuǎn)動。四、步進(jìn)馬達(dá)的工作步驟和過程步進(jìn)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)形式盡管多種多樣，但大局部是通過

6、設(shè) 計造成不均勻氣隙，使步進(jìn)馬達(dá)有一定的定位力矩，在電路 脈沖電源的驅(qū)動下，保持單方向旋轉(zhuǎn)，并能輸出一定的轉(zhuǎn)矩。 現(xiàn)以二極雙偏心式步進(jìn)馬達(dá)來說明其工作步驟和過程。步進(jìn)馬達(dá)的工作過程可分為 4步：1、線圈不通電時，轉(zhuǎn)子停留在穩(wěn)定平衡位置，在不均 勻氣隙小處，位置角a =45° 如隨6。2、線圈通電輸入正脈沖，定子片被磁化，磁極方向根 據(jù)右手定那么而定，右定子磁性為N極，左定子磁性為S極。 在磁鐵部磁力線由S極到N極，形成連續(xù)不連續(xù)的閉合回路。 根據(jù)磁極同性相斥，異性相吸原理轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而逆時針方 向旋轉(zhuǎn)由機芯裝配面看，如圖 7。3、電流捎失，轉(zhuǎn)手依靠動能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，并產(chǎn)生角加速度，當(dāng)轉(zhuǎn)子

7、轉(zhuǎn)過180°后，產(chǎn)生了負(fù)角加速度，迫使轉(zhuǎn)子回 到平衡位置方向，這樣振蕩幾次后轉(zhuǎn)子靜止。轉(zhuǎn)子被定位力 矩作用重新靜止在穩(wěn)定平衡位置，轉(zhuǎn)子已按逆時針方向轉(zhuǎn)過 步矩角180 °，時間為1秒鐘如圖8UU圖64、輸入負(fù)脈沖電流，定子片被磁化，極性與正脈沖時相反，并與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)180°同樣需反復(fù)振蕩次。當(dāng)電流消失時，轉(zhuǎn)子回到了原來的穩(wěn) 定平衡位置而靜止不動。轉(zhuǎn)子在2秒鐘轉(zhuǎn)過360 ° 如圖95、電路紿馬達(dá)提供供的第一個脈沖電流的方向不能使轉(zhuǎn)子正常步進(jìn)時，等第二個脈沖到來時，轉(zhuǎn)子即能正常步進(jìn)。 此時秒針會先抖動一下。假設(shè)第一個來的是負(fù)脈沖信號

8、，根 據(jù)右手定那么，定子片右邊 S極、左邊N極、與轉(zhuǎn)子相吸引 使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。固轉(zhuǎn)子得到的能量不大，超過中心 線后即磁場使轉(zhuǎn)子減速。當(dāng)電流很快消失后，轉(zhuǎn)子在逆時針 定位力矩作用下，又回到原來位置，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，不能轉(zhuǎn)動 180。在第二個正脈沖來到時，即能按正常步驟逆時針轉(zhuǎn) 動了如圖10。S3耐在石英電子表中，通常采用一體式定子片如圖2所示。 因為定子外的凹坑局部形成磁橋的最小寬度很小僅有 0.1mm,輸入脈沖時定子被磁化，起初線圈發(fā)生的磁通較少， 磁橋處通過疏磁通，當(dāng)線圈發(fā)出磁通密度逐漸增加時，磁橋 處出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，相當(dāng)于把左右定子斷開，從而形成N極和S極，其工作過程與二極雙偏心式馬達(dá)一樣。五、小結(jié)對石英電子鐘表用步進(jìn)馬達(dá)，要求工作可靠，轉(zhuǎn)換效率 高，工作電壓低功耗小，體