步进电机的发展历程

科技论坛　民营科技２０１７年第６期　电机绝缘材料的发展历程及环保发展趋势　朱艳青　（永城职业学院机电工程系，河南永城４７６６００）　摘要：着重强调了在电机绝缘系统的制造、生产以及使用过程中，绝缘材料对环境保护的影响。在全球经济可持续发展而环境却　Ｅｌ趋污染严重的情况下，电机绝缘系统所用绝缘材料向环保、节能型方向发展的必然性和迫切性。结合“十三五”规划精神，展望了＂－３前　电机绝缘材料的环保发展趋势。　关键词：电机；绝缘材料；发展；环保　电机是一种能量转换工具，它可以把电能转换成机械能。随着　社会生产力的进步，工业自动化的水平也在不断提高，在国民经济　的各个领域都有电机的广泛应用。电机的使用寿命随着使用环境、　使用条件的不同而变化，而其中决定电机使用寿命的重要因素之一　是电机的绝缘寿命。因此，电机绝缘结构的设计会直接决定电机的　经济指标和技术指标。除此之外，还会对电机的寿命和运行的可靠　性产生影响。　最近几年来，随着单机８００ＭＷｚｋ轮发电机和单机１３００ＭＷ汽轮　发电机的成功投入运行，国人已经理解、接受并适应了低碳产品、低　能产品、循环经济等环保新能源的相关概念。这些案例的成功投入　又反过来推动了电机绝缘技术的新一轮进步。结合国家“十三五”规　划精神，目前国人在环保新能源的路上又前进了一步，已经着手开　始研发水溶性材料、无溶剂树脂、低挥发物材料等对人身健康和环　境危害小的绝缘材料。　１绝缘材料在电机中的应用　电机中使用绝缘材料的目的：使电机转子线圈中的电流和定子　线圈中的电流均能按规定路径流动，使电能与机械能之间实现能量　的自由互换。目前电机绝缘技术的发展大方向是：能够保护环境，降　低或减少制造过程中的能源消耗，优化电机绝缘Ｔ艺；优先选用少　毒或无毒、无挥发或低挥发的环保绝缘材料；开发低碳清洁能源、减　薄绝缘厚度、明显降低成本的新型电机绝缘系统。　１．１天然材料的选用。天然材料是电机中最早使用的绝缘材料。在　电机制造行业的最初几年里，受限于当时的社会生产力，工业中用　作其他用途的普通材料才会被到电机绝缘系统中去，用作绝缘材　料。这些天然绝缘材料的填料多为由石英、石棉、云母、砂等其他材　料磨成的粉末或者碾碎而成的。该时期设计出的电机绝缘系统对人　身、环境是无污染的，或者是污染很小的。但用这些天然绝缘材料制　成的电机不仅比较笨重，重量和体积都很大，而且电机的电气性能、　机械性能、运行温度水平都很低。　１．２合成聚合物的应用。随着科技的进步，２０世纪５０年代后期，各　种高分子聚合物（复合材料）相继被合成。合成聚合物在研制之初一　般被作为化学制品使用，只是后来才被用到电机绝缘中去的。１９０８　年，国外的博士ＬＨ．Ｂａｅｋｅｌａｎｄ先生研发出了苯酚一酚醛（甲醛）树脂，　随后在电器产品中被当做绝缘材料使用，这拉开了合成聚合物应用　于电机绝缘系统的大幕。从１９２０年代后期至１９５０年代期问，树脂的　种类大大增加，大量的合成聚合物被纷纷研制出来。这些新研制出　的产品被当做绝缘材料广泛用于电机绝缘系统中，因为经证实这些　绝缘材料不仅可以大大降低电机的重量和体积，而且可以提高电机　的安全性、电性能、耐热等级。但作为复合材料、无机及有机高分子　聚合物，它们在被用作绝缘材料时有一个弊端：这些涂料和绝缘漆　需要用可挥发的稀释剂、溶剂等有机化学物质去溶解，它们在被使　用或生产制造过程中，或多或少都会排放出有害、有毒等污染物，危　机人身体健康，污染空气。现在有许多危及人身安全或有污染的绝　缘材料已被禁用或废除，因为这违反了同家相关环保，安全法律和　法规精神。当前阶段我国经济发展的两大主题是环境保护和节能降　耗，所以环保型电机绝缘材料的研发将会是未来的发展趋势，一些　传统有污染的绝缘材料将会被环保绝缘材料所替代。　２电机用绝缘材料的发展　２．１环保型电机绝缘材料的研发。白１９５０年开始，现代的水溶性树　脂和无溶剂树脂、低挥发的材料是绝缘产品生产、研发的重点，因为　此时人们已经开始意识Ｎｖｏｃ（可挥发化学有毒物质）的危害了，研　发方向也随之发生了转变。美国在１９４９年研发出了以苯乙烯作为稀　释剂的新型电机绝缘材料——无溶剂聚脂浸渍树脂，它毒性很低，　挥发物的含量也很少，属于污染程度很轻的绝缘材料。瑞士于１９６０　年代初期开始研发以苯乙烯作为稀释剂的Ｆ级双酚Ａ环氧无溶剂浸　渍树脂，该新型绝缘材料于ＢＢＣ公司在１９６５年得以全面推广应用。　中国于１９７２年自主研发出了Ｂ级环氧无溶剂浸渍树脂，随后推广使　用；到１９８７年，我国又成功的自主研发出Ｆ级双酚Ａ环氧无溶剂浸渍　树脂，该新型绝缘材料迅速在全国范围内推广使用。欧洲于１９７０年　代末研发出了对环境污染极小的环氧酸酐型无溶剂浸渍树脂，该新　型绝缘材料毒性很小，在固化和浸渍过程中不宜挥发，固化时收缩　率低，不含ＶＯＣ等可挥发有机物质，不含苯乙烯等烯烃类活性稀释　剂，固化物的电气、机械性均很高，一经出现就迅速风靡欧洲，得以　广泛应用。我国于１９８０年代中期开始引入此类产品，作为ｖＰＩ绝缘系　统的最主要浸渍树脂之一，当前国内已经可以自主设计生产此类产　品了。目前，国内已经完成了水溶性半无机硅钢片漆的研制和开发，　经批量使用，结果证明完全可以替代进口产品，这是一些绝缘材料　制造公司与相关高校联合努力的结果，成果振奋人心。近年来，也出　现了品种繁多的低能耗的绝缘材料，比如云母带、室温固化的材料、　胶、树脂、快干型的漆，这些绝缘产品的出现可以大大减少电机制造　的能量消耗。　２．２环保型电机绝缘材料的研发趋势。结合国家“十三五”规划精　神，一些节能环保工业将会是我国未来机电工业的研究重点，比如　大型火力发电机组的技术改造工程（减薄绝缘、减少硫酸排放，满足　增容及环保的要求）、混合动力汽车产业、太阳能工程、超高压直流　输配电、高压电动机组（电压等级￣＞２０ＫＶ）、大型风力发电机组、超　大型核动力发电机组、超大型水轮发电机组等。　所以，结合国家“十三五”规划精神，展望未来环保型电机绝缘材　料的研发趋势，主要集中在以下六个方面：１）对老产品进行技改型的　绝缘材料。２）针对天然绝缘材料的替代型绝缘材料。３）环保产品所需　要的配套ｌ生绝缘材料。４）可循环使用的节约型绝缘材料。５）低温陕固　化的节能型绝缘材料。６）无溶剂和水溶｝生环保型绝缘材料。　３结论　电机绝缘技术即为研发出的电机绝缘系统成本尽可能地缩小、　单机容量尽可能地增大、电机体积尽可能地减小、厚度尽可能地减　薄，并且可以安全运行在较高电场和较高温度下。为此，要求相关研　发人员要优选绝缘制造工艺，使能源消耗在制造过程中降到最低。　要优选少毒或无毒、无挥发或低挥发的环保绝缘材料，使环境污染　降到最少。结合国家“十三五”规划精神，研发环保型电机绝缘材料　新产品是当前绝缘材料制造业的首要任务，应使开发出的电机绝缘　材料尽量为再生能源或者为清洁能源或者为低能源消耗等环保型　产品，这也是目前电机绝缘材料的发展大趋势。　参考文献　【１Ｊ应溥昌．绝缘材料在电机中的应用史　．电气技术，２００５（５）：１２１．　［２］庞宏力，刘立柱．水溶性无机硅铜片漆的研制ｆＪ１．绝缘材料，２００８　（４）：４３．　【３］卢春莲，周键．我国环保型绝缘材料的现状及发展方向『Ｊ１．电气技　术，２０１０（７）：５５．

风雨历程：步进电机一路走来

步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，从广义上讲，步进电机是一种脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。国外一般称为Step montor或Stepping motor,Pulse montor,Stepper等等。步进电机最早出现在哪，我国最早出现步进电机又是在什么时候呢，接下来松文机电为你带来步进电机一路走来的风雨历程。

步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原如模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中。

这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。

20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。

在近30年间，步进电机迅速地发燕并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机、以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。

我国步进电机的研究及制造起始于本世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高水平。

70年代中期至80年年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。

电动汽车驱动电机的发展历程

电动汽车电机作用：电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动汽车电机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。

发展历程简图：

1.直流电机：

工作原理：直流电机有定子和转子两大部分组成，定子上有磁极（绕组式或永磁式），转子有绕组，通电后，转子上 形成磁场（磁极），定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（N极和S极之间）的相互吸引下，使电机旋转。改变电刷的位置，就可以改变定转子磁极夹角（假设以定子的磁极为夹角起始边，转子的磁极为另一边，由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向）的方向，从而改变电机的旋转方向。

优点：起步加速牵引力大，控制系统较简单。

缺点：成本高、体积大、质量大、有机械换向器，需保养，不适合高速运转。

2.异步电机：

工作原理（三相）：当异步电动机接入三相交流电后，定子绕组中将产生三相对称电流，气隙中将建立一个旋转磁场，这个旋转磁场将在转子中感应出相应的电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用给产生电磁转矩，从而带动电机运转。（简单的说就是电磁切割磁力线产生转矩）

优点：结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高。

缺点：驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。

3.永磁电机：

工作原理：三相逆变器给电机的三相绕组供电，三相对称电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步旋转，通过位置传感器实时读取转子磁钢位置，变换成电信号控制逆变器功率器件开关，调节电流频率和相位，使定子和转子磁势保持不乱的位置关系，才能产生恒定的转矩，定子绕组中的电流大小是由负载决定的。定子绕组中三相电流的频率和相位随转子位置的变化而变化的，使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场，通过电力电子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相，代替了机械换向器。

步进电机的发展、应用和种类简介

步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

步进电机依其构造上的差异可分为三大类： （下图一）

 可变磁阻式（VR型）：

转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15°。

 永久磁铁式（PM型）：

转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转子材质区分，其步进角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等几种。

 混和式（HB型）：

转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。

（图一）

目前市场上所使用的工业用步进电机，以混和式（HB型）最为普遍。

步进电机的特征

高精度的定位：

步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以5相步进电机为例：其定位基本单位（分辨率）为0.72°（全步级）/0.36°（半步级），是非常小的；停止定位精度误差皆在±3分（±0.05°）以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。

（步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度）

位置及速度控制：

步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周波数（频率）成比例的回转速度。