在航空航天領(lǐng)域中，對(duì)于機(jī)械裝置的精度有著很高的要求。直線步進(jìn)電機(jī)以其所具有的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足在航空行業(yè)中運(yùn)用的要求。對(duì)此，文章介紹了直線步進(jìn)電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及與傳統(tǒng)式步機(jī)的比較，講述了該種步機(jī)所具有的優(yōu)缺點(diǎn)，最后詳細(xì)地介紹了直線步進(jìn)電機(jī)在航空領(lǐng)域中的相關(guān)應(yīng)用。

　　直線步進(jìn)電機(jī)是能夠?qū)㈦娏髅}沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉街本€運(yùn)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)設(shè)備。在要求用精確直線運(yùn)動(dòng)運(yùn)行的地方，直線步進(jìn)電機(jī)憑借其高效的高速定位、高可靠性以及高密度性的數(shù)字式直線運(yùn)動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)而得到廣泛應(yīng)用。它能夠替代間接性的通過(guò)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)經(jīng)由一套中間轉(zhuǎn)換設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置。并且直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，它沒(méi)有中間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的部分的質(zhì)量輕，慣性很小，不存在漂移現(xiàn)象，無(wú)累計(jì)的定位誤差出現(xiàn)。直線步進(jìn)電機(jī)是一種理想化的并且是可開(kāi)發(fā)應(yīng)用和大范圍推廣的高定位精密儀器?；旌鲜街本€步進(jìn)電機(jī)是由簡(jiǎn)單的改進(jìn)而來(lái)的。其在計(jì)算機(jī)設(shè)備應(yīng)用、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化繪圖儀、機(jī)器人開(kāi)發(fā)以及傳輸設(shè)備的檢測(cè)控制等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是在最近幾年，快速發(fā)展的微電子器件和接口技術(shù)，促使直線式步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化和智能化以及高度集成化的成本大大降低了，而且在航空航天領(lǐng)域里具有非常大的發(fā)展?jié)摿痛蠓秶茝V的前景。

　　一、直線步進(jìn)電機(jī)之工作轉(zhuǎn)換

　　首先看其外部：電機(jī)工作轉(zhuǎn)換的方法是利用旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械方式來(lái)進(jìn)行的。齒輪和齒條的轉(zhuǎn)動(dòng)、渦輪及皮帶渦桿的傳動(dòng)以及其他聯(lián)動(dòng)機(jī)械之間的傳動(dòng)，這些設(shè)計(jì)都需要各個(gè)機(jī)械零件來(lái)組成。然而這些傳動(dòng)方式的精密度低、零件壽命無(wú)法保證、噪聲過(guò)大、結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，最主要的是成本高。

　　再看其內(nèi)部：在步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)線性變換的方法能夠極大地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，使之在許多實(shí)際應(yīng)用中，能夠直接在不使用外部機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置的條件下用直線式步進(jìn)電機(jī)完成精確的直線移動(dòng)。在這里，要特別介紹兩種：（1）剛開(kāi)始的直線式步進(jìn)電機(jī)是采用滾珠螺母配合著絲桿來(lái)完成的。電機(jī)的轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，與轉(zhuǎn)子一體的滾珠螺母也隨著開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿很自然地被帶動(dòng)產(chǎn)生需要的直線運(yùn)動(dòng)。但是滾珠螺母對(duì)校驗(yàn)的要求高，絲桿通常其螺距比較大，這導(dǎo)致造的缺點(diǎn)主要有：制造困難、費(fèi)用過(guò)于昂貴、機(jī)械分辨率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。所以這種方法在諸多領(lǐng)域之中，往往不是一個(gè)實(shí)用的方法。（2）在螺紋式直線步進(jìn)機(jī)中，其螺紋之間的距離決定了電機(jī)的精密程度。在直線步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子中心安置螺母時(shí)，要求螺桿和螺母必須完全吻合，這樣才能使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，使螺桿實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)中的驅(qū)動(dòng)螺母必須要選螺母中的最好品種，并且要是自潤(rùn)滑的、熱屬性的材料；只有選擇適當(dāng)?shù)暮貌牧?，才能在螺紋的穩(wěn)定性和壽命上取得很好的效果。有一個(gè)理想的方法是將模壓型塑料螺紋結(jié)構(gòu)注入到金屬轉(zhuǎn)子組件的內(nèi)部，這樣能夠提高電機(jī)的運(yùn)行效率、延長(zhǎng)其壽命，還能夠極大程度地限制運(yùn)行時(shí)的噪聲。這種構(gòu)造的直線步進(jìn)電機(jī)雖然它的壽命長(zhǎng)、效率高、穩(wěn)定性好，但仍然是旋轉(zhuǎn)的電機(jī)搭配上相關(guān)機(jī)械變換裝置來(lái)得到所需的直線運(yùn)動(dòng)。

　　二、直線步進(jìn)電機(jī)之直接轉(zhuǎn)動(dòng)

　　作為一種機(jī)電系統(tǒng)，直線絲桿電機(jī)的直接傳動(dòng)就是進(jìn)一步把相關(guān)機(jī)械構(gòu)造進(jìn)行簡(jiǎn)單化，在電氣控制技術(shù)方面做到進(jìn)一步的完善，使之能夠跟上現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)發(fā)展的步伐。相比較于傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，直線步進(jìn)電機(jī)并不是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械變換裝置相結(jié)合來(lái)獲得直線運(yùn)動(dòng)的，而是可以進(jìn)行直接有效的直線傳動(dòng)。這種設(shè)備只要很小的電脈沖信號(hào)就可以形成比較大的推力，能夠產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)；這樣能夠消除由傳統(tǒng)機(jī)械元件而引起的諸多誤差與缺陷。

　　根據(jù)電磁場(chǎng)產(chǎn)生推力的原理，直線步進(jìn)電機(jī)可以大致分類為兩種：變磁阻式和混合式。前者具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)則是磁力數(shù)值小、不對(duì)稱、力矩波動(dòng)較大。后者混合式直線步進(jìn)電機(jī)是在前者基礎(chǔ)上加入了永磁體，因而即使是在斷電的情況下，永磁體還能夠產(chǎn)生一定的力矩，可以繼續(xù)直線運(yùn)行一段距離。由于永磁體的存在，因而在單位體積上能夠形成比磁阻式更大的推力，能夠較為輕易完成微步控制，并且其控制距離對(duì)于參數(shù)的依賴性弱，一致性較好。為了提高直線運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、減小推力帶來(lái)的波動(dòng)，在混合式電機(jī)中通常使用細(xì)分技術(shù)。

　　直線步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要是由動(dòng)子、定子以及線圈組成。動(dòng)子主要組成是永久磁鐵和電磁鐵；定子則是由等距離的齒槽疊片貼心構(gòu)成的。通常用細(xì)分技術(shù)來(lái)控制這種電機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率和精密定位。

　　三、直線步進(jìn)電機(jī)在航空行業(yè)中的應(yīng)用

　　航空領(lǐng)域中放油閥就是由渦輪渦桿結(jié)構(gòu)或者旋轉(zhuǎn)絲桿結(jié)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。這類旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)一定的傳動(dòng)比減速之后，使得輸出的力矩增大，再經(jīng)過(guò)直線位置上的傳感器后能夠做到位置的精確定位以及具有較強(qiáng)的斷電力矩。然而，不是每樣?xùn)|西都是十全十美的，它的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)體積大、質(zhì)量大、效率低，齒輪的吻合磨損大，且控制起來(lái)比較困難。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可以知道在航空中要運(yùn)用到直線運(yùn)動(dòng)的地方，諸如電液伺服閥、氧氣壓縮閥、放油閥、電動(dòng)活門(mén)閥、發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)桿、衛(wèi)星天線等等，所需的推力并不是很大，而是希望能夠?qū)u輪、渦桿或旋轉(zhuǎn)絲桿等的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換成直線運(yùn)動(dòng)，但卻無(wú)法滿足飛機(jī)快速動(dòng)閥的一些性能要求，諸如靠性、頻響、高靈敏度。

　　目前，在國(guó)內(nèi)外用于航天動(dòng)力系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)閥門(mén)有三種：一是多個(gè)電磁閥之間進(jìn)行并聯(lián)，用開(kāi)關(guān)來(lái)控制各個(gè)管路上的流阻對(duì)管路上的流量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)；二是使用旋轉(zhuǎn)步機(jī)調(diào)節(jié)閥，是由步機(jī)的控制器產(chǎn)生并發(fā)送不同數(shù)量的脈沖波從而控制閥門(mén)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)液路流量的控制。這種調(diào)節(jié)閥能夠進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，它可以是閉環(huán)調(diào)節(jié)也可以是開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，且對(duì)產(chǎn)品的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的精度要求比較高，其造價(jià)較為昂貴。三是配合使用電液伺服和單雙閥座流量機(jī)械式調(diào)節(jié)閥，來(lái)達(dá)到雙流量的控制目的；其具有控制精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是這兩種門(mén)閥都具有回流，并且制造難度大、造價(jià)昂貴。

　　現(xiàn)在又有一種新型的調(diào)節(jié)閥。直線步進(jìn)電機(jī)與閥本體相結(jié)合的新型調(diào)節(jié)閥。該調(diào)節(jié)閥主要結(jié)構(gòu)為直線步機(jī)、閥芯、閥座和回味彈簧。閥芯與步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)子在結(jié)構(gòu)上是相連接的，由于動(dòng)子要做直線運(yùn)動(dòng)，因而和動(dòng)子相連的閥芯也要做直線運(yùn)動(dòng)，閥門(mén)能夠調(diào)節(jié)流通面積和開(kāi)度，這就形成流量的變化，從而能夠控制流量。若將閥芯的節(jié)流面做成拋物線狀，那么流量和行程就將成線性關(guān)系。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　在航空動(dòng)力系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是其最為重要的流量調(diào)節(jié)裝置之一，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力改變及精確控制的實(shí)現(xiàn)都在很大程度上依賴于調(diào)節(jié)閥的特性。這就要求對(duì)于流量的變化與步進(jìn)直線電機(jī)的行程要非常精確的成一定的比例。所以可靠性較高、定位精度較高、性能較高的直線步進(jìn)電機(jī)在航空行業(yè)中有著非常好的應(yīng)用前景。總之，直線步進(jìn)電機(jī)在航空行業(yè)中有些很大的發(fā)展?jié)摿σ约按罅ν茝V的前景。