指针式电子石英钟步进马达工作原理

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)。

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钴合金制成，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180°。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α=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)。

4、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)。

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)。