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描述

步進電機具有結構簡單、易于控制、安全性高、成本低、轉矩高等優點，作為一種高性能的數字化電氣元件，廣泛應用于各種類型的開環控制系統中。然而，步進電機有一個缺點，在簡單的開環設計中，它可以在低速產生噪聲。噪聲和共振主要來源于驅動電路和機械結構的共振。

噪聲可能是任何電氣設備的問題，從變壓器到直流電機，工業界一直在尋找經濟的方法來降低發出聲噪聲并提高電氣設備的感知質量水平。到目前為止，還沒有任何關于可能的方法的文獻，分析和消除小型電動機的振動和噪聲。市場上一般驅動電路產生振動噪聲的原因：定子電流的高次諧波含量，不平衡兩相電流，特別是恒壓驅動法，電源電壓波動，勵磁電流波形。

電機的噪聲源- 結構設計

噪音的消除首先識別噪音的來源，例如結構設計、電子逆變器的設計、各種合適零件及材料的選擇以及組裝過程，選擇吸收噪音的材料像墊圈、襯墊、約束層的材料，電機外殼采用噪音吸收罩，隔斷和絕緣聲音的傳播。合理的電機的機構設計，如徑向不對稱設置導致的不平衡力，定子槽和線圈–槽/極組合的正確選擇，將有助于減少不平衡的磁拉力、扭矩脈動、齒槽轉矩。

降低步進電機振動、噪音的解決方法

與驅動電路有關的方法

步進電機的振動噪音由驅動電路引起的原因如下：

定子電流的高次諧波含量（細分時產生）。

相電流的不平衡，特別是非恒電流控制狀態。

電源的波動。

激磁電流的波形。

其中（1）的高次諧波為主要原因。步進電機使用方波電流驅動，必然含有大量的高次諧波，由此產生振動和噪音。因此驅動電流最好為正弦波。接近正弦波的驅動方法有步進電機的細分步進驅動。下圖為電機1/4細分、半步、整步驅動的振動比較，其振動為依次增加的。

與電機有關的方法

步進電機的振動噪音由步進電機本體引起的原因如下：

激磁電源的高次諧波成分。

齒槽轉矩

徑向吸引力引起的轉子變形產生的振動噪音。

定子與端蓋的剛性不夠

線圈及磁路的不平衡，及機械結構的不對稱。

各部分配合松動。

線圈本身的位移。

轉子偏心或動平衡不好。

軸承預緊力不合適。

除此之外，還要考慮以下原因：

與安裝機械和負載系統的共振。

傳動系統（齒輪嚙合的不平衡等）。

上述中，與電機有關的降低振動和噪音效果好的方法如下：

提高定子的剛度

兩相56mmHB型步進電機（1.8°）的結構如下圖所示：

轉子直徑減小約10%，定子殼體增加10%，提高定子的剛性后與原設計相比，其振動噪音如下圖所示得以改善。

步進電機產生噪音的原因，主要有高次諧波產生的電磁力，定子剛度不夠，定子主極對轉子產生的吸引力，引起定子的微小變形等。

定子的多主極

定子剛度與噪音之間的關系如上圖所示，定子主極吸引轉子才使定子發生微小變形，也為產生噪音的原因。如上（兩相56mmHB型步進電機結構圖）所示，兩相HB型有8個主極。兩相時定子主極數為4、8、16，三相時主極數為3、6、9、12等。一般主極數越多，低速轉矩越低，高速響應能力越好，線圈越小，振動噪音越得以改善。

下面以伺服步進電機（VR型的步進電機）為例，介紹降低振動、噪音的方法。定子的主極數為三相6極或三相12極，分析徑向引起的振動，可以得到降低噪音的解決方法，可以看到6極有6個地方磁場變化，12極有12個地方磁場變化，然而12個極處的變化量比6個極的小，所以產生的振動就小。

HB型步進電機，主極越多，線圈繞制的時間越長，費用越高，但主極的增加是降低振動噪音的一種手段。

微調定子小齒結構

降低激磁磁通中高次諧波的有效手段，如如下圖所示，是使轉子齒相對定子齒的節距為不等距角δ1、δ2等，通過不同角度方法降低磁通的高次諧波，減小齒槽轉矩。

兩相電機時，齒槽轉矩由四次諧波構成，設計時主要考慮消除四次諧波。定子與轉子齒距進行微小變化，使部分交鏈磁通減小，距角特性的峰值轉矩減小。目前，銷售的兩相步進電機，除特殊用于制動等方面，一般均采用微調節距或改變形狀構造，減小齒槽轉矩。

下圖為兩相步進電機的例子，齒槽轉矩使距角特性產生畸變。兩相電機的齒槽轉矩為距角特性周期的1/4，即變成四次諧波。定子電流與永久磁鐵轉子磁通的距角特性的理論值為虛線所示的正弦波，此曲線疊加上齒槽轉矩產生的四次諧波，合成為粗線描述的畸變轉矩曲線，距角特性畸變，則成為非正弦波，引起位置定位精度變差，振動和噪音變大。齒槽轉矩的相位由定子與轉子齒相對位置關系決定，定子與轉子齒的微小位置偏移，使各齒產生的四次諧波的相位發生微小變化，起到互相抵消的作用，從而減小齒槽轉矩。

上圖（微調定子小齒結構）所示的微調方式，定子與轉子齒的齒形及相位角δ的偏移量，是各個電機生產廠家重點研究的地方。日本伺服公司對有無微調的電機特性進行了以下比較。

下圖表示兩相步距角1.8°的步進電機在有和沒有微調情況下的細分驅動時的速度-振動特性。無微調電機細分驅動時，如虛線所示，低速區域或中速區域可看到振動的峰值，而使用微調方式，可消除其中大部分的振動。

其次，比較這兩個電機在兩相激磁驅動方式下的速度-噪聲特性，如下圖所示。比較看出，使用微調偏移方式的噪音得到大幅改善。電機速度越快，噪音的降低效果越明顯。

對三相HB型步進電機進行比較，下圖為有無采用微調偏移方法的特性曲線。此圖中，上圖為三相HB型1.2°、6主極，無微調偏移的齒槽轉矩；下圖為三相HB型1.2°、12主極，有微調偏移的齒槽轉矩。三相HB型步進電機，同一步距角的電機的齒槽轉矩比較，定子極數多，微調偏移效果好，12主極1.2°的產品齒槽轉矩減小17.4%。

安裝減震器可以降低噪音

步進電機安裝在機器上時，在固定電機處可墊硬質橡膠等減震器材，以便阻止與底板產生的共振。此種方法降低噪音效果明顯，被廣泛使用。具體方法有兩種：一種為用厚度為幾mm的硬質橡膠將安裝步進電機的前面鋼板夾成三明治狀態，作為步進電機的前面連接板使用；另一種是將兩片鋼板用硬質橡膠像三明治那樣連接，置于步進電機與安裝設備之間。這些稱為裝置減震器，其降低噪聲效果明顯，但步進電機要依靠安裝底板散熱，而橡膠材料的熱傳導性能差，所以要注意電機溫升。