指针式电子石英钟步进马达工作原理.docx

指针式电子石英钟步进马达工作原理一、概述采用现代先进技术的机电产品中 ,一般都包含着一个重 要组成部分—伺服系统指针式石英电子钟表机芯中采用的 步进马达就是一个开环伺服系统，是将电脉冲信号变换成角 位移的一种机电式数模转换器钟表用微型步进马达是随着七十年代指针式石英电子 钟表的发展而设计和逐步完善的，其作用是把钟表 CMOS 集 成电路输出的标准秒脉冲信号变成机械传动，从而带动轮系 转动，传到指示机构使钟表指示时间步进马达是把电能转 换为机械能的一种装置，是一个换能器钟表用电机械换能装置有两种类型： 一类是连续旋转同步马达，现代石英电子钟表中已不采 用另一类是电磁步进马达，分三种：一种是谐振式（又称振 动式），通过电路的激磁脉冲，利用片簧、音叉、摆轮游丝等 谐振体的振动，带动计数机构第二种是摆动式往复运动步 进马达，依靠永久磁钢转子与计数叉或棘轮棘爪机构的刚性 连接来驱动轮片转动，有动铁式和动圈式两种由于结构复 杂，工艺性差，正在逐步被淘汰第三种是同向旋转运动的 旋转式脉冲马达即单相永磁步进马达，利用每秒钟接受来自 集成电路的一个脉冲电源信号使转子转动，并带动齿轮旋 转二、步进马达的结构石英钟表步进马达的结构形式虽然有许多种，但其基本 结构是相同的，均有定子片（用导磁率高的坡莫合金制成）转 子（磁特性良好的钐钴台金 ）和线圈 （绕在坡莫台金线架上的 高强度漆包线）所组成。

钟表用永磁转子型步进马达，有一对或几对磁极，能在 绕有线圈的定子内一步一步转动而驱动轮系旋转在石英钟中常用的典型结构为径向磁路，一对极，均匀 气隙，集线圈的单向永磁式步进马达，常见的形式有三种：第一种是径向磁路双偏心一对极单相永磁步进马达 （如 图 1） 第二种是径向磁路双凹坑式或单凹坑式单相永磁步进 马达（如图 2）第三种是一体插入式径向磁路单相永磁步进马达 （如图 3）第四种是阶梯气隙定子径向磁路三对极单相永磁步进 马达（如图 4）在手表中常用的型号有两种一种是转子磁钢 径向充磁不均匀气隙的单相永磁步进马达，有定子片左右断 开的二极双偏心式结构（图 1），还有定子片做成一体的二极双凹坑式和二极单凹坑式等结构（图2）另一种是转子磁钢轴向 充磁的双定子式步进马达，定子片为双层结构，转子按N-S 交替轴向充磁成六对极属组件式马达，并固定在机壳内（如 图5）SI5.三、步进马达的工作原理定子片由高导磁性能的坡莫合金制成，并绕有线圈，定 子片环抱着一个带有齿轴的转子，转子采用高性能的永久磁 钢钐钻合金制成，在上边按N-S极充磁（永久磁铁），转子产 生转动力矩，带动传动轮系转动石英钟表步进马达通常是在双向脉冲的驱动下进行步进运动的。

CMOS IC每一秒钟发出一个驱动脉冲，在一个脉 冲的作用下转子转动 180°，通常步进马达 2秒钟转动1圈 步进马达的工作原理是当定子线圈不通电时，由于转子 和定子间隙不等形成不均匀气隙，转子停留在稳定平衡位 置，转子磁极中心线与定子磁极中心线偏转一个位置角，形 成定位力矩当线圈通电后，定子片被磁化，并与转子磁极 作用，同性相斥，异性相吸，当克服了转子的定位力矩后， 产生旋转力矩，使转子产生逆时针方向旋转，转角 180°， 并重新在定位力矩作用下而静止，所需时间为 1 秒钟由于线圈输入交变电流而改变定子片磁极位置，重新与 转子磁极作用，促使转子朝单一方向继续间歇旋转一个步距 角 18 0°这样双极转子马达输人正负脉冲一次，转子转动 一周，需要2 秒钟当下次正脉冲再次输人线圈时转子开始 第二次循环，不断驱动轮系远动四、步进马达的工作步骤和过程 步进马达的结构形式尽管多种多样，但大部分是通过设 计造成不均匀气隙，使步进马达有一定的定位力矩，在电路 脉冲电源的驱动下，保持单方向旋转，并能输出一定的转矩 现以二极双偏心式步进马达来说明其工作步骤和过程步进马达的工作过程可分为 4步：1、线圈不通电时，转子停留在稳定平衡位置，在不均 匀气隙小处，位置角a=45。

如随6）2、线圈通电输入正脉冲，定子片被磁化，磁极方向根 据右手定则而定，右定子磁性为N极，左定子磁性为S极 在磁铁内部磁力线由S极到N极，形成连续不间断的闭合回 路根据磁极同性相斥，异性相吸原理转子产生转矩而逆时 针方向旋转（由机芯装配面看，如图7）3、电流捎失，转手依靠动能继续转动，并产生角加速 度，当转子转过180后，产生了负角加速度，迫使转子回 到平衡位置方向，这样振荡几次后转子静止转子被定位力 矩作用重新静止在稳定平衡位置，转子已按逆时针方向转过 步矩角180°，时间为1秒钟（如图8）U4、 输入负脉冲电流，定子片被磁化，极性与正脉冲时 相反，并与转子作用产生转矩，转子继续逆时针旋转180 （同样需反复振荡次）当电流消失时，转子回到了原来的稳 定平衡位置而静止不动转子在2秒钟内转过360如图9）5、 电路绐马达提供供的第一个脉冲电流的方向不能使 转子正常步进时，等第二个脉冲到来时，转子即能正常步进 此时秒针会先抖动一下若第一个来的是负脉冲信号，根据右手定则，定子片右边S极、左边N极、与转子相吸引使转 子顺时针方向转动固转子得到的能量不大，超过中心线后 即磁场使转子减速当电流很快消失后，转子在逆时针定位 力矩作用下，又回到原来位置，转子停转，不能转动180。

在第二个正脉冲来到时，即能按正常步骤逆时针转动了（如图 10）图山帀脉冲在石英电子表中，通常采用一体式定子片（如图 2 所示） 因为定子内外的凹坑部分形成磁桥的最小宽度很小仅有 0.1mm,输入脉冲时定子被磁化，起初线圈发生的磁通较少, 磁桥处通过疏磁通，当线圈发出磁通密度逐渐增加时，磁桥 处出现饱和现象,相当于把左右定子断开,从而形成 N 极和 S 极,其工作过程与二极双偏心式马达相同五、小结 对石英电子钟表用步进马达,要求工作可靠,转换效率 高,工作电压低功耗小,体积小,结构加工简单和装配工艺 性好,噪音要小,适用于大量生产,成本低,维修方便最 常用的结构形式是：指针式石英电子手表常用一对磁极的永磁转子型,双凹 坑式单相永磁步进马达（如图 2 所示）指针式石英钟常用一对磁极的径向磁路双偏心式单相 永磁步进马达（如图 1 所示）。