单相步进电机是在一个线圈骨架上缠绕环形线圈,给它通以正负交变的电流,每切换一次电流就按固定方向走一步。由于转子磁路所通过的磁导(磁阻的倒数,表示磁通流过的容易程度)变大为其转动方向,故单相步进电机只能按一个方向运动。为使转动方向确定,磁导采取了多种措施,例如使定子磁极宽于转子,定子与转子之间的工作气隙不均匀,转动方向为磁阻小的方向。下图为单相步进电机的转动原理。

图(a)定子绕组通正电流,定子磁极产生N和S极,转子的N和S极被定子磁极吸引,停在图示位置。当定子电流由正变负时,在切换过程中,电流接近于零,定子对转子的吸引力接近零,此时转子磁通产生的转矩为主,如图(b)所示,转子的磁通要走气隙最小的路径,故转子在磁通力矩的作用下,沿箭头方向运动到转子磁极轴线(N和S极的中心线)正对气隙最小处停止。当定子绕组为负电流时,如图(c)所示,定子磁极的极性反转,转子磁极受到定子N和S极的斥力和引力作用,沿箭头方向运动,直到定转子磁极轴线重合时转子停止运动。加在绕组上的电流再次变换方向由负变正时,电流过零变正,则转子经过图(d)向图(a)移动,步距角为180°。上述动作反复进行,电机转子就能继续转动。

从以上单相步进电机的运行原理看出,单相步进电机的电磁转矩只在定子电流变换时产生,故其平均转矩比两相以上的电机要小得多,响应脉冲频率也在100pps以下,故其用途受到很大限制,只能在响应脉冲频率比较低的轻载下运行。例如时钟、车用计时器(发动机计时器)、水表计数器等。

下图为另一种单相步进电机结构的照片,最左边为电机整机,其次为电机线圈,再次为定子铁心,最后是永磁转子。

此种单相步进电机原理如上图中所示,气隙磁导发生变化,与只是磁导变化的结构不同,旋转方向依然是由不对称的定子磁极决定的。此定子为一个中间开直角三角形孔的磁极板,其斜线部分的磁导最大。转子磁极正对斜面时磁导最大,其为转子转动方向,其运行原理与上面的原理图是相同。

转子为圆柱形永磁磁极,极数为4极,将Nr=2,P=1带入式θs=180°/PNr,故步距角为θs=90°。

定子为一个圆形线圈,用正/负电流驱动。定子磁极通过气隙与转子产生相同的极数(4极)。其结构简单,一个有三角形孔的磁极,可近似看成4极。此电机用于水表的流量计等。

下图是另外一种单相步进电机的外观照片。此单相步进电机由照片看出,定子磁极的前端朝同一方向倾斜,从而改变转子磁路的磁导,使转子能沿一个方向旋转,其功能与上图(单相步进电机外观与结构)的定子相同。

此种单相步进电机转子为永磁磁极,其圆周上有N和S极共30个,定子为单相,总磁极数为30,用气隙作转子导向。绕于一个线圈架上的环形线圈经过正负电流,由式θs=180°/PNr得步距角θs=12°(Nr=15,P=1),并按一个方向运动。其响应速度因为单相绕组的关系,只有几十pps。此种电机实际用于建筑机械的时针等。

以上所述的单相步进电机的旋转方向由磁导的偏差大小决定。其他还有将定子磁极分极、嵌入铜质的短路线圈等,在本学习课程中就不再详述了。