步進(jìn)電機(jī)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榫�性運(yùn)動可用幾種機(jī)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(jī)械聯(lián)接機(jī)構(gòu)。所有這些設(shè)計(jì)都需要各種機(jī)械零件。完成這個(gè)轉(zhuǎn)變的最有效方法是在電機(jī)自身內(nèi)進(jìn)行。
基本的步進(jìn)電機(jī)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(jī)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榫�性運(yùn)動，完成這個(gè)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(jī)，或者稱為直線步進(jìn)電機(jī)，首先出現(xiàn)在1968年的第3,402,308號專利上，是頒發(fā)給WilliamHenschke的。從此以后，直線步進(jìn)電機(jī)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(jī)精密度，取決于它的螺距。在直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子中心安裝一個(gè)螺母，相應(yīng)地一個(gè)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(shí)，螺桿實(shí)現(xiàn)了線性運(yùn)動。無論是在電機(jī)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動約束的典型方法。
為簡化設(shè)計(jì)，在電機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)線性變換是有意義的。該方法極大地簡化了設(shè)計(jì)，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線電機(jī)進(jìn)行精密的線性移動。
最初的直線電機(jī)采用了一個(gè)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(yùn)動為線性運(yùn)動是一個(gè)高效的方法，但是滾珠螺母很難校準(zhǔn)，而且體積龐大，費(fèi)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(gè)實(shí)際的解決方法。
大多數(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)人員對以直線電機(jī)為基礎(chǔ)的混合式步進(jìn)電機(jī)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(jì)簡便、緊湊、無電刷（因此無火花）、驚人的機(jī)械優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計(jì)的實(shí)用性以及可靠性是它與生俱來的優(yōu)點(diǎn)，然而在某些情況下，此直線電機(jī)不能用于某些設(shè)備，因?yàn)樵跊]有日常維護(hù)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(jī)具有高的耐久性且不用維護(hù)，由于步進(jìn)電機(jī)的無電刷設(shè)計(jì)，產(chǎn)生磨損的****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(yùn)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(jī)的基本設(shè)計(jì)。一個(gè)較好研究實(shí)例是Size17電機(jī)，它發(fā)球混合式步進(jìn)電機(jī)家族中尺寸較小的。習(xí)慣上，直線電機(jī)使用由一軸承級金屬材料（如青銅）加工成的一個(gè)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(jī)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(gè)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(gè)理由。
梯形螺紋的設(shè)計(jì)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�！癡”形螺紋的相對面之間有一個(gè)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?yàn)槭褂玫穆菁y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(jì)算出比率。
效率計(jì)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�！癡”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(jī)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?yàn)樗趦煞矫娑疾皇?***的。直線電機(jī)中驅(qū)動螺母的較好材料是自潤滑的熱塑性材料。這是因?yàn)橛眯碌墓こ趟芰夏苁孤輻U螺母運(yùn)動摩擦系數(shù)降低。圖3是不同內(nèi)螺紋轉(zhuǎn)子材料 |
