VECTOR

机电 / 运动实验室

离线 · WebGL 2

模型与来源 ↗

因果分步课程

步进电机为什么转动？

先改变定子磁场，再观察转矩如何把转子拉向下一个平衡位置。

1
起始：A 相励磁并对齐
磁场已经存在，但转矩相互抵消。保持励磁并不意味着会转动。
2
换相：先看定子的动作
转轴被短暂锁定：电流完成换相，定子磁极先改变，转子随后才能运动。
3
释放：转矩带动转子转动
观察金色的切向箭头，它们的方向与大小都来自计算结果。
4
对齐：转子停在下一个位置
这一拍只移动 1.8°。只有再一次换相，才会让平衡位置继续前移。

—

下一步方向

重建至某一阶段

以原生 100 µs 步长从讲解起点重新积分。这不是倒转；本次运行的记录将被替换。

—

因果机制 · 一拍一拍地看

先有转矩，再有运动。

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等效切向作用力局部磁通示意 N → S当前电流下的平衡齿位—

它为什么会转？看看能量曲线的斜率。τ = −∂U / ∂θ

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正在搭建电机实验室

实体几何 · 铜绕组 · 磁场求解器

转子角度与相电流—

—°

求解器转子角度 · 仿真编码器读数，驱动器并不使用它

指令角度—

指令误差—

A 相电流—

B 相电流—

电机转矩—

—

计算得出的绕组电流

A 相——

B 相——

————

放大后的磁极—

定子颜色跟随实际电流变化。转子的 N / S 来自轴向磁铁，换相时并不翻转。

运动由转矩决定，而非直接指定角度

作用于转轴的净磁转矩—

A 相／B 相转矩—

实际转子角度 θ—

下一个平衡位置 θ*—

本拍行程—

播放／模型时间—

稳定检查—

1.8° 从何而来？

每排转子叠片有 50 个齿，因此齿距为 360° ÷ 50 = 7.2°。两相共四拍，每拍移动四分之一个齿距，因此一步为 1.8°。后排叠片相对前排偏移半个齿距，即 3.6°。

部件检查器

混合式结构，而非交替磁极环

前排转子叠片的每一个齿都是北极；后排叠片的每一个齿都是南极。单个轴向磁铁同时为两排叠片供磁，二者错开半个齿距。

—

每 5 毫秒模型时间记录一个样本，取自驱动三维模型的同一状态。清除只会移除样本。

运行数值检查

确定性检查在独立的仿真状态上运行；实时电机不会被重置。它们验证的是实现的一致性，而非与实物电机或经校准磁场测量的吻合程度。

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当代教学模型 · 电子

VECTOR 混合式步进电机

两相绕组、五十个齿与一个轴向磁铁：电流先完成换相，转矩再带动转子迈出 1.8° 的一步。

混合式步进电机并不会直接跳到指令位置。它的驱动器改变两相绕组中的电流，定子磁场移动转子的平衡位置，随后是转矩、惯量与阻尼共同带动转子到达那里。本展品将这条因果链拆解开来：一个可选的教学锁会在电流换相期间固定转轴，随后释放，让积分得到的转矩把转子转过 1.8° 的一步。

该模型是一台 42 mm 的教学参考电机，八个定子磁极各带五个齿，两组各 50 齿的转子叠片错开半个齿距，并配有一个轴向充磁圆环。限压电流调节器以固定 100 µs 的积分步长驱动每一相阻感回路。反电动势、齿槽转矩、粘性阻尼与负载共同决定实际转轴角度；它从不会由步进指令直接赋值，显示的编码器读数也不会反馈给驱动器。

所有简化都是刻意为之，并已一一标注。转矩来自以永磁体为主导的磁共能模型，而非有限元求解；磁力线为归一化的毕奥－萨伐尔与偶极子近似；放大的齿形视图是带有加大齿隙的示意图；讲解中的阶段时间窗口则是教学约束。这些参数是合理的教学取值，并非厂家数据手册。

规格

结构: 两相混合式：8 个定子磁极，2 组 × 50 齿转子叠片
整步: 1.8°，为 7.2° 齿距的四分之一
转子错位角: 南北叠片之间错开 3.6°
求解器: 固定 100 µs 步长；SI 单位下的电路与刚性转子动力学
驱动模式: 单相驱动、整步、半步，以及 1/4 至 1/32 细分驱动
模拟内容: 电流调节、反电动势、齿槽转矩、负载、转轴锁定与断相

所有展品

先有转矩，再有运动。

混合式 步进电机

本期展品

混合式步进电机