步進(jìn)電機由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運動可用幾種機械方法完成，包括齒條和齒輪傳動及皮帶和皮帶輪傳動以及其他機械聯(lián)接機構(gòu)。所有這些設(shè)計都需要各種機械零件。完成這個轉(zhuǎn)變的最有效方法是在電機自身內(nèi)進(jìn)行。
基本的步進(jìn)電機是由有磁性的轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈動的定子電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。直線電機把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運動，完成這個轉(zhuǎn)變的精密性取決于轉(zhuǎn)子的步進(jìn)角度和所選方法。線性步進(jìn)電機，或者稱為直線步進(jìn)電機，首先出現(xiàn)在1968年的第3,402,308號專利上，是頒發(fā)給William Henschke的。從此以后，直線步進(jìn)電機在許多要求極高的領(lǐng)域有了用武之地。包括制造應(yīng)用、精密調(diào)準(zhǔn)和精密流體測量在內(nèi)的諸多高要求領(lǐng)域。
使用螺紋的直線電機精密度，取決于它的螺距。在直線電機的轉(zhuǎn)子中心安裝一個螺母，相應(yīng)地一個螺桿與此螺母嚙合，為使螺桿軸向移動，必須用某種方法來防止螺桿與轉(zhuǎn)子組件一同轉(zhuǎn)動。由于螺桿轉(zhuǎn)動受到制約，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，螺桿實現(xiàn)了線性運動。無論是在電機內(nèi)部用固定螺紋軸組件還是在外部的螺紋軸上使用不能旋轉(zhuǎn)但軸向可自由移動的螺母，都是實現(xiàn)轉(zhuǎn)動約束的典型方法。
為簡化設(shè)計，在電機內(nèi)部實現(xiàn)線性變換是有意義的。該方法極大地簡化了設(shè)計，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線電機進(jìn)行精密的線性移動。
最初的直線電機采用了一個滾珠螺母和絲桿的結(jié)合體。滾珠絲桿提供了90%以上的效率，而根據(jù)螺紋條件，梯形螺紋提供的效率僅有20%～70%。
盡管滾珠絲桿對轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運動為線性運動是一個高效的方法，但是滾珠螺母很難校準(zhǔn)，而且體積龐大，費用昂貴。因此，在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，滾珠絲桿并非是一個實際的解決方法。
大多數(shù)設(shè)備設(shè)計人員對以
直線電機為基礎(chǔ)的混合式步進(jìn)電機是熟悉的。該產(chǎn)品有多年的歷史了，與其它設(shè)備一樣它有其自己的長處和局限性。設(shè)計簡便、緊湊、無電刷（因此無火花）、驚人的機械優(yōu)點、設(shè)計的實用性以及可靠性是它與生俱來的優(yōu)點，然而在某些情況下，此直線電機不能用于某些設(shè)備，因為在沒有日常維護的條件下它是不能保證耐久的。
然而，有幾種方法克服了這樣的障礙，使直線電機具有高的耐久性且不用維護，由于步進(jìn)電機的無電刷設(shè)計，產(chǎn)生磨損的唯一部件是轉(zhuǎn)子軸承以及由導(dǎo)向螺桿/螺母組成的螺紋接合。滾珠軸承幾年來的改進(jìn)已經(jīng)提供了適合直線運動的長壽命類型。最近導(dǎo)向螺桿和螺母組合的壽命和耐用性都有了改進(jìn)。
提高耐久性
首先必須看一下電機的基本設(shè)計。一個較好研究實例是Size 17電機，它發(fā)球
混合式步進(jìn)電機家族中尺寸較小的。習(xí)慣上，直線電機使用由一軸承級金屬材料（如青銅）加工成的一個空心軸，該空心軸具有內(nèi)螺紋然后與螺紋導(dǎo)桿連接。該空心軸沿轉(zhuǎn)子軸線安裝。導(dǎo)桿材料通常為不銹鋼，它具有某種防腐蝕性能。大多數(shù)零件所用螺紋的型式是加工螺紋（如#10-32），此螺紋有單頭或多頭，這取決于電機所需的分辨率和速度。
加工螺紋一般選擇“V”形螺紋，這是由于其容易加工和軋制成形。雖然這對加工來說是一個合適的選擇，但對動力的傳輸卻不利。梯形螺紋更為合適，對此有幾個理由。
梯形螺紋的設(shè)計更為有效。比較好的效果是其損耗小，包括摩擦，這就意味著磨損少和使用壽命長。查看一下螺紋的基本幾何形狀就很容易進(jìn)行解釋。“V”形螺紋的相對面之間有一個60度角，而梯形僅有29度角。
假定摩擦、扭矩和螺紋角相同，“V”形螺紋能傳送的力約為梯形螺紋的85%。用方程式1和2可以求出效率，因為使用的螺紋是V形的，取決于負(fù)載方向。60度螺紋的效率除以29度螺紋效率就能計算出比率。
效率計算沒有考慮。在“V”形螺紋表面上的壓力要高的多的情況，此高壓力會進(jìn)一步增加的損耗。
梯形螺紋導(dǎo)桿一般是為傳送動力而制作的，所以應(yīng)該嚴(yán)格關(guān)注表面光潔度、螺距精度和公差。“V”形螺紋基本上用于緊固螺紋，所以其表面光潔度和直線性并不嚴(yán)格控制。
同樣，甚至更重要的是驅(qū)動螺桿的螺母，該螺母通常是嵌入電機轉(zhuǎn)子中的。通常螺母材料是軸承級的青銅在其自身進(jìn)行內(nèi)加工螺紋，它綜合考慮了物理穩(wěn)定性和潤滑性。當(dāng)然，說它是綜合考慮是因為它在兩方面都不是完美的。直線電機中驅(qū)動螺母的較好材料是自潤滑的熱塑性材料。這是因為用新的工程塑料能使螺桿螺母運動摩擦系數(shù)降低。圖3是不同內(nèi)螺紋轉(zhuǎn)子材料的摩擦性能的比較。
圖3 青銅與工程塑料的摩擦性能
結(jié)果很明顯，但為何不用塑料的驅(qū)動螺母？對螺紋來說塑料是好的，但對于混合式電機中的轉(zhuǎn)子軸頸來說卻不夠穩(wěn)定。由于電機的溫度在運行時可能升至167°F，在這種情況下塑料的膨脹量可能達(dá)到0.004英寸，但黃銅在同樣熱條件下僅膨脹0.001。見圖4
圖4 熱膨脹比較
軸承軸頸在混合式電機設(shè)計中是嚴(yán)格要求的，為了達(dá)到最佳性能，混合式電機在設(shè)計時必須保持千分之幾英寸的轉(zhuǎn)子鐵芯外徑和定子內(nèi)徑之間的空隙。如果轉(zhuǎn)子裝配不同心則將與定子壁摩擦。通過材料的選擇，設(shè)計人員希望在螺紋壽命和軸承軸頸耐久性兩方面都具有優(yōu)勢。在金屬轉(zhuǎn)子組件內(nèi)注入模壓塑料螺紋，在兩方面都取得最佳效果。
該結(jié)構(gòu)極大地提高了運行壽命、效率及安靜性。電機壽命比在其它電機中使用的常規(guī)青銅螺母結(jié)構(gòu)提高了10～100倍，且不需要維護保養(yǎng)。
免維護 終生潤滑
一種專門配制的高性能合成油脂給予了海頓電機以不需再加潤滑油的特殊的耐久性，潤滑劑具有特殊的溫度特性，范圍從-65℃（-85°F）～250℃（482°F）。該潤滑劑不易燃，具有化學(xué)惰性和低氣化壓力，對靈敏儀表的污染程度也很低。
圖6 試驗表明HSI混合式直線電機的超長壽命
參考書目：Mark’s Standard Handbook for Mechanical Engineers
Keith Kowalski，1995年于Connecticut大學(xué)畢業(yè)，獲得BSME學(xué)位，曾擔(dān)任
Haydon Switch &Instrument公司工公司工程部副總裁，現(xiàn)在是Tritex公司（HSI和HLM的母公司）的技術(shù)副總裁。其電子郵件是kkowalski@hsi-inc.com。
Robert Pulford，產(chǎn)品經(jīng)理，曾經(jīng)在Martin Marietta公司擔(dān)任高級工程師，在Superior Electric公司擔(dān)任測試專家。
