步進電機實例|008|現有電機的“謎團”——最佳扭矩及振動特性是什麽?

Problem

在日本國內外，印表機市場競爭日趨激烈。各廠商為了滿足“打印質量”以及“低成本”、“高速打印”等嚴峻的市場需求，在開發各種新功能的同時，還在印表機的基本規格方面夜以繼日地向性能提高發起挑戰。

在這種背景下，對於提高印表機性能所不可或缺的部件，尤其是步進馬達的選擇，正因為是直接關係到打印速度和生產成本的部分，所以比過去更加重要。

面向新一代車型的開發——“無法解釋的現有馬達之謎”

信息和通信設備制造商G在商業印表機領域享有很高的聲譽。由於近年來市場份額增長緩慢，該公司決定全面改進主力印表機產品。我們正在開發下一代模型。

開發團隊對當前模型進行了驗證，以從根本上審視其基本性能。因此，我們確定送紙部分所使用的步進馬達的特性將無法達到下一個型號所需的列印速度。
事實上，G公司長期以來一直在多種印表機型號中使用相同馬達。由於需要降低製造成本，批量採購帶來了顯著的成本效益，並且繼續使用相同的馬達有利於在有限的時間內進行開發和設計。

然而，步進馬達是一個對印表機基本性能影響很大的部件。開發團隊繼續測試以選擇新的電機，但他們遇到了一個大問題。 G公司企劃發展部W先生就此事談如下。
「目前的馬達都帶有一個稱為安裝表面阻尼器的橡膠阻尼器，但我們不明白為什麼需要這個部件。當然，成本會隨著選項的增加而增加。原始開發人員已經離開了公司，原因也是如此。

扭矩性能高於開發成本——“最佳馬達特性”尚未確定新一代車型開發陷入膠著狀態

開發團隊已經整理出了下一個型號要安裝的步進馬達的要求。為了提高印表機的列印速度，必須提高馬達的扭矩，但我們並沒有確定「最佳扭矩」的標準。增加馬達尺寸以增加扭力可能會導致成本增加，因此不能沒有標準就做出決定。也討論了橡膠減震器的必要性。 W先生一時不知所措，於是諮詢了自己目前使用的馬達的生產廠商。
“他們發給我們的只是一張頻率-扭矩特性圖，但沒有回答如何解決。這是沒有用的。我們有開發期限，所以我們需要盡快找到某種解決方案。我必須找出答案。”

挑戰

現有馬達無法提高印表機的性能。
同時兼顧扭矩特性和成本的“最佳馬達”的確定標準尚不明確。
向現有馬達廠商咨詢，但未能解決問題。

Solution

最佳馬達將從“符合使用環境”的驗證開始!

為了解決問題，W先生繼續收集信息，並在展會上來到了山洋電氣的展位。 W 先生知道山洋電氣冷卻風扇也用於其他產品，於是便向開發團隊尋求建議，以解決他們所面臨的問題。我們得到的答案是：“為了確定最佳的馬達特性，不僅需要驗證馬達本身，還需要驗證設備的使用條件。”
「他們向我們提出了設計下一代車型的最佳馬達的建議，同時考慮到現有馬達的特性。我們非常感謝這個建議。」W先生說。

僅僅幾天。通過正確的分析和驗證被闡明的橡膠減震器的“意義”

山洋電氣的銷售代表立即在設計人員的陪同下訪問了 G 公司，並召開會議討論選擇下一個型號的最佳電機的信息和所需規格。此外，我們正在協助對目前的馬達和阻尼器進行分析測試。附加與實際機械同等的負載慣量，進行了模擬實際機械試驗。
我們將測量“扭矩特性”、“速度波動（振動）特性”和“溫度特性”，以明確當前的問題和議題。其結果發現，開發團隊尚未確定是否需要安裝橡膠減震器，目的是為了改善運作範圍內的扭矩（振動）特性。山洋電氣的分析結果如下：

扭矩特性=使用區域的扭矩性能不足。
速度變動=在使用頻度高的區域，速度不穩定，產生微妙的誤差，對畫質多少會產生影響 (沒有橡膠減震器時) 。
橡膠減震器=安裝以改善振動和扭矩特性。成本增加的原因之一。
溫度 (發熱) 接近100°C,擔心會對產品壽命產生影響。

根據上述分析結果，G公司將進一步明確新一代車型所需的馬達特性。

無需改變尺寸即可實現“扭矩特性提高15%，振動降低50%，溫度降低15%”!

山洋電氣首先開始設計一個既能滿足必要（要求）扭力又能考慮發熱的馬達。為了避免批量生產過程中的風險，我們考慮了加工和裝配過程中公差的變化，以及老化和油的狀況引起的負載變化，然後相應地製作了最大、目標和最小扭矩的電機原型並交付。這樣，G公司在評估試製馬達時，就能從測量結果中分析出馬達個體細微差異所帶來的影響，並將其回饋到兩家公司的量產產品設計。
在測試了原型之後，我們得出結論，我們可以在保持與現在相同的尺寸的同時實現以下性能改進。