1.与步进电动机有关的实验
在说明步进电动机工作原理前，先来分析如图10-46所示的实验现象。
图10-46 与步进电动机有关的实验现象
在图10-46所示实验中，一根铁棒斜放在支架上，若将一对磁铁靠近铁棒，N极磁铁产生的磁力线会通过气隙、铁棒和气隙到达S极磁铁，如图10-46b所示。由于磁力线总是力图通过磁阻最小的途径，它对铁棒产生作用力，使铁棒旋转到水平位置，如图10-46c所示，此时磁力线所经磁路的磁阻最小（磁阻主要由N极与铁棒的气隙和S极与铁棒间的气隙大小决定，气隙越大，磁阻越大，铁棒处于图示位置时的气隙最小，因此磁阻也最小）。这时若顺时针旋转磁场，为了保持磁路的磁阻最小，磁力线对铁棒产生作用力使之也顺时针旋转，如图10-46d所示。
2.工作原理
步进电动机种类很多，根据运转方式可分为旋转式、直线式和平面式，其中旋转式应用最为广泛。旋转式步进电动机又分为永磁式和反应式。永磁式步进电动机的转子采用永久磁铁制成，反应式步进电动机的转子采用软磁性材料制成。由于反应式步进电动机具有反应快、惯性小和速度高等优点，因此应用很广泛。
（1）反应式步进电动机
图10-47是一个三相六极反应式步进电动机结构示意图。它主要由凸极式定子、定子绕组和带有4个齿的转子组成。
图10-47 三相六极反应式步进电动机结构示意图
反应式步进电动机工作原理分析如下：
1）当A相定子绕组通电时，如图10-47a所示，绕组产生磁场，由于磁场磁力线力图通过磁阻最小的路径，在磁场的作用下，转子旋转使齿1、3分别正对A、A′极。
2）当B相定子绕组通电时，如图10-47b所示，绕组产生磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使齿2、4分别正对B、B′极。
3）当C相定子绕组通电时，如图10-47c所示，绕组产生磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使3、1齿分别正对C、C′极。
从图中可以看出，当A、B、C相按A→B→C的顺序依次通电时，转子逆时针旋转，并且转子齿1由正对A极运动到正对C′；若按A→C→B顺序通电，转子则会顺时针旋转。给A、B、C相绕组依次通电时，步进电动机会旋转一个步距角；若按A→C→B→A→B→C→…顺序依次不断给定子绕组通电，转子就会连续不断地运转。图10-48中的电动机为三相单三拍反应式步进电动机，其中“三相”是指定子绕组为三相，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指在一个通电循环周期内绕组有3次供电切换。
步进电动机的定子绕组每切换一相电源，转子就会旋转一定的角度，该角度称为步距角。在图10-47中，步进电动机定子圆周上平均分布着6个凸极，任意两个凸极之间的角度为60°，转子每个齿由一个凸极移到相邻的凸极需要前进两步，因此该转子的步距角为30°。步进电动机的步距角可用下面的公式计算：
θ=360°/ZN(www.xing528.com)
式中，Z为转子的齿数；N为一个通电循环周期的拍数。
图10-56中的步进电动机的转子齿数Z=4，一个通电循环周期的拍数N=3，则步距角θ=30°。
（2）三相单双六拍反应式步进电动机
三相单三拍反应式步进电动机的步距角较大，稳定性较差，而三相单双六拍反应式步进电动机的步距角较小，稳定性较好。三相单双六拍反应式步进电动机结构示意如图10-48所示。
三相单双六拍反应式步进电动机工作原理分析如下：
①当A相定子绕组通电时，如图10-48a所示，绕组产生磁场，由于磁场磁力线力图通过磁阻最小的路径，在磁场的作用下，转子旋转使齿1、3分别正对A、A′极。
②当A、B相定子绕组同时通电时，绕组产生图10-48b所示的磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使齿2、4分别向B、B′极靠近。
③当B相定子绕组通电时，如图10-48c所示，绕组产生磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使2、4齿分别正对B、B′极。
图10-48 三相单双六拍反应式步进电动机结构示意图
④当B、C相定子绕组同时通电时，如图10-48d所示，绕组产生磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使齿3、1分别向C、C′极靠近。
⑤当C相定子绕组通电时，如图10-48e所示，绕组产生磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使3、1齿分别正对C、C′极。
从图中可以看出，当A、B、C相按A→AB→B→BC→C→CA→A…的顺序依次通电时，转子逆时针旋转，每一个通电循环分6拍，其中3个单拍通电，3个双拍通电，因此这种反应式步进电动机称为三相单双六拍反应式步进电动机。三相单双六拍反应式步进电动机的步距角为15°。
（3）结构
不管是三相单三拍步进电动机还是三相单双六拍步进电动机，它们的步距角都比较大，若用它们作为传动设备动力源往往不能满足精度要求。为了减小步距角，实际的步进电动机通常在定子凸极和转子上开很多小齿，这样可以大大减小步距角。三相步进电动机的实际结构如图10-49所示。
图10-49 三相步进电动机的实际结构
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