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(jī)電產(chǎn)品中,一般都包含著一個(gè)重要組成部分伺服系統(tǒng)。指針式石英電子鐘表機(jī)芯中采用的步進(jìn)馬達(dá)就是一個(gè)開環(huán)伺服系統(tǒng)，是將電脈沖信號(hào)變換成角位移的一種機(jī)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發(fā)展而設(shè)計(jì)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(hào)變成機(jī)械傳動(dòng)，從而帶動(dòng)輪系轉(zhuǎn)動(dòng)，傳到指示機(jī)構(gòu)使鐘表指示時(shí)間。步進(jìn)馬達(dá)是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種裝置，是一個(gè)換能器。鐘表用電機(jī)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(又稱振動(dòng)式)，

2、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(dòng)，帶動(dòng)計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)。第二種是擺動(dòng)式往復(fù)運(yùn)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)，依靠永久磁鋼轉(zhuǎn)子與計(jì)數(shù)叉或棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的剛性連接來驅(qū)動(dòng)輪片轉(zhuǎn)動(dòng)，有動(dòng)鐵式和動(dòng)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(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)式脈沖馬達(dá)即單相永磁步進(jìn)馬達(dá)，利用每秒鐘接受來自集成電路的一個(gè)脈沖電源信號(hào)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)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，但其基本結(jié)構(gòu)是相同的，均有定子片(用導(dǎo)磁率高的坡莫合金制成)轉(zhuǎn)子(磁特性良好的釤鈷臺(tái)金)和線圈(繞在坡莫臺(tái)金線架上的高強(qiáng)度漆包線)所組成。鐘表用永磁轉(zhuǎn)子型步進(jìn)馬達(dá)，有一對(duì)或幾對(duì)磁極，

3、能在繞有線圈的定子內(nèi)一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)而驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)極單相永磁步進(jìn)馬達(dá)(如圖4)。在手表中常用的型號(hào)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式

4、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(duì)極。屬組件式馬達(dá),并固定在機(jī)殼內(nèi)(如圖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(gè)帶有齒軸的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子采用高性能的永久磁鋼釤鈷合金制成，在上邊按N-S極充磁(永久磁鐵)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，帶動(dòng)傳動(dòng)輪系轉(zhuǎn)動(dòng)。石英鐘表步進(jìn)馬達(dá)通常是在雙向脈沖的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的。CMOS IC每一秒鐘發(fā)出一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，在一個(gè)脈沖的作用下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)180°，通常步進(jìn)馬達(dá)2秒鐘轉(zhuǎn)動(dòng)1圈。步進(jìn)馬達(dá)的工作原理是當(dāng)定子線圈不通電時(shí)，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)子磁極中心線與定

5、子磁極中心線偏轉(zhuǎn)一個(gè)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)克服了轉(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(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)一周，需要2秒鐘。當(dāng)下次正脈沖再次輸人線圈時(shí)轉(zhuǎn)子開始第二次循環(huán)，不斷驅(qū)動(dòng)輪系遠(yuǎn)動(dòng)。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，但大部分是通過設(shè)計(jì)造成不均勻氣隙，使步進(jìn)馬達(dá)有一

6、定的定位力矩，在電路脈沖電源的驅(qū)動(dòng)下，保持單方向旋轉(zhuǎn)，并能輸出一定的轉(zhuǎn)矩?，F(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(shí)，轉(zhuǎn)子停留在穩(wěn)定平衡位置，在不均勻氣隙小處，位置角=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)右手定則而定，右定子磁性為N極，左定子磁性為S極。在磁鐵內(nèi)部磁力線由S極到N極，形成連續(xù)不間斷的閉合回路。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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)(由機(jī)芯裝配面看，如圖7)。3、電流捎失，轉(zhuǎn)手依靠動(dòng)能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并產(chǎn)生角加速度，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過180°后，產(chǎn)生了負(fù)角加速度，迫使轉(zhuǎn)子

7、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(shí)針方向轉(zhuǎn)過步矩角180°，時(shí)間為1秒鐘(如圖8)。4、輸入負(fù)脈沖電流，定子片被磁化，極性與正脈沖時(shí)相反，并與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°(同樣需反復(fù)振蕩次)。當(dāng)電流消失時(shí)，轉(zhuǎn)子回到了原來的穩(wěn)定平衡位置而靜止不動(dòng)。轉(zhuǎn)子在2秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)過360°(如圖9)。5、電路紿馬達(dá)提供供的第一個(gè)脈沖電流的方向不能使轉(zhuǎn)子正常步進(jìn)時(shí)，等第二個(gè)脈沖到來時(shí)，轉(zhuǎn)子即能正常步進(jìn)。此時(shí)秒針會(huì)先抖動(dòng)一下。若第一個(gè)來的是負(fù)脈沖信號(hào)，根據(jù)右手定則，定子片右邊S極、左邊N極、與轉(zhuǎn)子相吸引使轉(zhuǎn)子

8、順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。固轉(zhuǎn)子得到的能量不大，超過中心線后即磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子減速。當(dāng)電流很快消失后，轉(zhuǎn)子在逆時(shí)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(dòng)180°。在第二個(gè)正脈沖來到時(shí)，即能按正常步驟逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了(如圖10)。在石英電子表中，通常采用一體式定子片(如圖2所示)。因?yàn)槎ㄗ觾?nèi)外的凹坑部分形成磁橋的最小寬度很小僅有0.1mm，輸入脈沖時(shí)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(shí)，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)相同。五、小結(jié)對(duì)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，體積小