步進百年 - 步進電機早期發(fā)展史
Lin Engineering / 陳懷志
歷史進入新世紀的二十年代，正逢步進電機發(fā)明的百年誕辰。 百年前的上個世紀初，由幾乎同時發(fā)生的三個發(fā)明專利構成的一次技術創(chuàng)新，開啟了步進電機的歷史。一個是美國發(fā)明家 Frank W. Wood 先生的 1,408,555 號專利，由五組定子線圈的不同組合通電使轉子產生步進轉動。這個發(fā)明在 1918 年提出專利申請，1922 年正式得到批準。見下圖。第二個是 C.L. Walker 發(fā)明的定轉子凸齒結構的反應式步進電機，1919 年的英國獲獎專利。第三個是 C. B Chicken 和 J.HTain 的小體積條件下增大力矩三明治結構設計，1920 年獲得美國專利。 
美國發(fā)明家 Frank W. Wood 先生的 1,408,555 號專利 隨后，在30年代英國海軍根據這些原理把步進電機設計實際應用到軍艦的槍炮遙控系統(tǒng)和加農炮指向控制系統(tǒng)。這便是最初的反應式步進電機。二次世界大戰(zhàn)時，美國海軍的艦艇上也廣泛裝備了這樣的系統(tǒng)。想想今天日本這個步進電機的產業(yè)大國，遠在40年代太平洋海戰(zhàn)時就先領教過步進電機的厲害。 HB步進電機起步于1952年。有三家公司為這個新生技術做出了歷史貢獻：美國 GE 公司、美國 Superior 電器公司、和美國 Sigma 儀器公司。 最初是GE設計了一款低速同步電機，用于 Superior 電器公司生產的可調變壓器和可調變阻器上。這個電機把 60 赫茲交流電的交流相變當作驅動脈沖，使電機同步轉動。60 年代初 GE 把這個同步電機的設計賣給了 Superior 電器公司。 1961 年，Superior 電器公司的Snowden 和 Madsen 在同步電機的基礎上完善改進，通過改變輸入信號的頻率控制電機的轉速。這個設計就是后來鼎鼎有名的混合式步進電機。與此同時，Sigma 儀器公司也推出了類似的設計，最終在這兩家公司的努力下，1.8 度的 HB 步進電機正式成型。 我們鳴志美國公司的 Rich Lenzing 先生早年就受聘于 Superior電器公司，期間獲得過八項專利，熟知這段歷史，同時也是 HB 步進電機的后期改進、升級設計的直接參與者 。下圖是 Rich Lenzing 在Superior 工作期間， 自1982年起獲得的多項發(fā)明專利之一。 
直到六十年代初，反應式步進電機（VR）在步進電機行業(yè)中還是占主導地位。其時反應式步進電機和交流伺服電機在控制電機領域并駕齊驅。六十年代 PM 步進電機以其低成本備受青睞，大有完全取代反應式步進電機的態(tài)勢。從七十年代開始到 80 年代初，HB 步進電機技術在蟄伏了 20 年的改進完善之后，異軍突起。以計算機外部設備為突破口，一舉成為步進電機產業(yè)的主力軍。 六十年代美國 Wright-Patterson Research Center 公司開發(fā)的稀土鈷合金磁鋼給步進電機帶來了技術上的突破，盡管當時成本奇高。 直到 1982 年，美國 GE 公司和日本 Sumitomo Special Metals 公司開發(fā)出了釹合金磁鋼，使稀土磁鋼成本大幅降， 給步進電機的運用帶來了真正的飛躍。釹，這個 1885 年由澳大利亞科學家 Baron Carl Auer von Welsbach 發(fā)現的稀土元素，在被發(fā)現的 100 年后，正式在人們的現代科技生活中登臺亮相。 另一方面，驅動技術的發(fā)展也是步進電機發(fā)展的一個強勁動力。五十年代的半導體二極管技術，1964 年半導體場效應器件 (MOS) 的發(fā)明，1965 年集成電路的出現以及 1967 年 LSI 的實用化……整個五、六十年代半導體風起云涌的發(fā)展，催化了步進電機驅動電路的成熟，深刻地擴大了步進電機的運用領域。 談到步進電機的早期歷史，不得不提到今天依然是步進電機主要生產國的日本。1960 年，在日本電機行業(yè)發(fā)生了兩件有歷史意義的事。這一年， 富士通公司（Fujitsu）正式發(fā)布了系列的反應式步進電機產品， 用于機床。同一年，三洋公司（Sanyo Denki）也開發(fā)出來了反應式步進電機。三洋公（Sanyo Denki）是日本電機界的先驅，早在 1932 年就開始了微型電機和微型發(fā)電機的研發(fā)和制造。當時他們制造的發(fā)電機于作無線通信設備的供電。在 1945 年他們把這項技術商用化， 用于民用通信。 1968 年，三洋公司（Sanyo Denki）正式商業(yè)性批量生產 HB 步進電機，用于機床控制。1970 年，三洋公司（Sanyo Denki）從 IBM 接到第一個步進電機訂單，從此步進電機與數據存儲設備（計算機）結緣 。開啟了 70-80 年代步進電機廣泛、大批量用于軟盤和硬盤驅動器的序幕。 70 年代初期，步進電機技術越來越受到學術界的重視，在美國伊利諾大學召開了第一次 IMCSD（Incremental Motion Control Systems and Devices）大會。此次大會由伊利諾大學主辦，美國的 Warner 電器公司協(xié)辦。后來 Warner 電器公司成為了當時步進電機的主要設計和制造之一。鳴志公司的 Ted Lin 先生早年就受聘于 Warner 電器公司，是這段歷史的參與者。Ted Lin 先生的第一個杰出貢獻就是完善 HB 電機的制造技術，為 HB 步進電機進入批量產業(yè)化生產奠定了堅實的基礎。為此，Warner 電器公司給予 Ted Lin 先生很高的評價，授予“新步進電機技術之父”的稱號。 
Ted Lin 被譽為“新步進電機技術之父”的稱號，1983 此后， 在1974，1976 和 1979 年連續(xù)三次步進電機的國際性學術會議在英國利茲大學召開。Don MacLeod 先生當時是利茲大學的博士研究生，他全程參加了 1979 年的學術會議。也就是在這次會議上他和美國AMP公司結緣， 畢業(yè)后遠渡重洋加入了 AMP公司。今天是AMP公司的總裁。鳴志收購AMP后，作為鳴志人之一，Don MacLeod先生自然是鳴志員工中步進電機早期歷史的參與者之一。 步進電機的大規(guī)模應用發(fā)生在 1977 年后，兩相步進電機逐步應用于 FDD（floppy disk drive 軟盤驅動器）和 HD（硬盤）上。Don MacLeod 為 AMP 主持設計和完善了第一代 HD 用步進電機，在和德國公司的競爭中脫穎而出。下圖是 Don MacLeod 先生在1982 年在 AMP 工作期間申請的和步進電機有關的專利。 
八十年代初期AMP的步進電機進入HD市 場，成全了兩個公司的輝煌起步：一是AMP請日本Tamagawa公司代工生產，從此Tamagawa 公司進入步進電機產業(yè)；二是，有了AMP幫助的美國 Seagate公司在車庫里創(chuàng)業(yè)起步，如今Seagate 已經是超百億美元的大公司了。 再往后，歷史進入上世紀八十、九十年代后，步進電機歷史翻開了新的一頁，這之后的歷史，我們鳴志人都是參與者，甚至是創(chuàng)造者。我們正在用我們的智慧和汗水創(chuàng)造步進電機更新更輝煌的歷史。濃墨重彩，留給后人揮毫吧。 步進百年，百年進步！
美國發(fā)明家 Frank W. Wood 先生的 1,408,555 號專利 隨后，在30年代英國海軍根據這些原理把步進電機設計實際應用到軍艦的槍炮遙控系統(tǒng)和加農炮指向控制系統(tǒng)。這便是最初的反應式步進電機。二次世界大戰(zhàn)時，美國海軍的艦艇上也廣泛裝備了這樣的系統(tǒng)。想想今天日本這個步進電機的產業(yè)大國，遠在40年代太平洋海戰(zhàn)時就先領教過步進電機的厲害。 HB步進電機起步于1952年。有三家公司為這個新生技術做出了歷史貢獻：美國 GE 公司、美國 Superior 電器公司、和美國 Sigma 儀器公司。 最初是GE設計了一款低速同步電機，用于 Superior 電器公司生產的可調變壓器和可調變阻器上。這個電機把 60 赫茲交流電的交流相變當作驅動脈沖，使電機同步轉動。60 年代初 GE 把這個同步電機的設計賣給了 Superior 電器公司。 1961 年，Superior 電器公司的Snowden 和 Madsen 在同步電機的基礎上完善改進，通過改變輸入信號的頻率控制電機的轉速。這個設計就是后來鼎鼎有名的混合式步進電機。與此同時，Sigma 儀器公司也推出了類似的設計，最終在這兩家公司的努力下，1.8 度的 HB 步進電機正式成型。 我們鳴志美國公司的 Rich Lenzing 先生早年就受聘于 Superior電器公司，期間獲得過八項專利，熟知這段歷史，同時也是 HB 步進電機的后期改進、升級設計的直接參與者 。下圖是 Rich Lenzing 在Superior 工作期間， 自1982年起獲得的多項發(fā)明專利之一。 直到六十年代初，反應式步進電機（VR）在步進電機行業(yè)中還是占主導地位。其時反應式步進電機和交流伺服電機在控制電機領域并駕齊驅。六十年代 PM 步進電機以其低成本備受青睞，大有完全取代反應式步進電機的態(tài)勢。從七十年代開始到 80 年代初，HB 步進電機技術在蟄伏了 20 年的改進完善之后，異軍突起。以計算機外部設備為突破口，一舉成為步進電機產業(yè)的主力軍。 六十年代美國 Wright-Patterson Research Center 公司開發(fā)的稀土鈷合金磁鋼給步進電機帶來了技術上的突破，盡管當時成本奇高。 直到 1982 年，美國 GE 公司和日本 Sumitomo Special Metals 公司開發(fā)出了釹合金磁鋼，使稀土磁鋼成本大幅降， 給步進電機的運用帶來了真正的飛躍。釹，這個 1885 年由澳大利亞科學家 Baron Carl Auer von Welsbach 發(fā)現的稀土元素，在被發(fā)現的 100 年后，正式在人們的現代科技生活中登臺亮相。 另一方面，驅動技術的發(fā)展也是步進電機發(fā)展的一個強勁動力。五十年代的半導體二極管技術，1964 年半導體場效應器件 (MOS) 的發(fā)明，1965 年集成電路的出現以及 1967 年 LSI 的實用化……整個五、六十年代半導體風起云涌的發(fā)展，催化了步進電機驅動電路的成熟，深刻地擴大了步進電機的運用領域。 談到步進電機的早期歷史，不得不提到今天依然是步進電機主要生產國的日本。1960 年，在日本電機行業(yè)發(fā)生了兩件有歷史意義的事。這一年， 富士通公司（Fujitsu）正式發(fā)布了系列的反應式步進電機產品， 用于機床。同一年，三洋公司（Sanyo Denki）也開發(fā)出來了反應式步進電機。三洋公（Sanyo Denki）是日本電機界的先驅，早在 1932 年就開始了微型電機和微型發(fā)電機的研發(fā)和制造。當時他們制造的發(fā)電機于作無線通信設備的供電。在 1945 年他們把這項技術商用化， 用于民用通信。 1968 年，三洋公司（Sanyo Denki）正式商業(yè)性批量生產 HB 步進電機，用于機床控制。1970 年，三洋公司（Sanyo Denki）從 IBM 接到第一個步進電機訂單，從此步進電機與數據存儲設備（計算機）結緣 。開啟了 70-80 年代步進電機廣泛、大批量用于軟盤和硬盤驅動器的序幕。 70 年代初期，步進電機技術越來越受到學術界的重視，在美國伊利諾大學召開了第一次 IMCSD（Incremental Motion Control Systems and Devices）大會。此次大會由伊利諾大學主辦，美國的 Warner 電器公司協(xié)辦。后來 Warner 電器公司成為了當時步進電機的主要設計和制造之一。鳴志公司的 Ted Lin 先生早年就受聘于 Warner 電器公司，是這段歷史的參與者。Ted Lin 先生的第一個杰出貢獻就是完善 HB 電機的制造技術，為 HB 步進電機進入批量產業(yè)化生產奠定了堅實的基礎。為此，Warner 電器公司給予 Ted Lin 先生很高的評價，授予“新步進電機技術之父”的稱號。 Ted Lin 被譽為“新步進電機技術之父”的稱號，1983 此后， 在1974，1976 和 1979 年連續(xù)三次步進電機的國際性學術會議在英國利茲大學召開。Don MacLeod 先生當時是利茲大學的博士研究生，他全程參加了 1979 年的學術會議。也就是在這次會議上他和美國AMP公司結緣， 畢業(yè)后遠渡重洋加入了 AMP公司。今天是AMP公司的總裁。鳴志收購AMP后，作為鳴志人之一，Don MacLeod先生自然是鳴志員工中步進電機早期歷史的參與者之一。 步進電機的大規(guī)模應用發(fā)生在 1977 年后，兩相步進電機逐步應用于 FDD（floppy disk drive 軟盤驅動器）和 HD（硬盤）上。Don MacLeod 為 AMP 主持設計和完善了第一代 HD 用步進電機，在和德國公司的競爭中脫穎而出。下圖是 Don MacLeod 先生在1982 年在 AMP 工作期間申請的和步進電機有關的專利。 八十年代初期AMP的步進電機進入HD市 場，成全了兩個公司的輝煌起步：一是AMP請日本Tamagawa公司代工生產，從此Tamagawa 公司進入步進電機產業(yè)；二是，有了AMP幫助的美國 Seagate公司在車庫里創(chuàng)業(yè)起步，如今Seagate 已經是超百億美元的大公司了。 再往后，歷史進入上世紀八十、九十年代后，步進電機歷史翻開了新的一頁，這之后的歷史，我們鳴志人都是參與者，甚至是創(chuàng)造者。我們正在用我們的智慧和汗水創(chuàng)造步進電機更新更輝煌的歷史。濃墨重彩，留給后人揮毫吧。 步進百年，百年進步！