步进百年 - 步进电机早期发展史
Lin Engineering / 陈怀志
历史进入新世纪的二十年代，正逢步进电机发明的百年诞辰。 百年前的上个世纪初，由几乎同时发生的三个发明专利构成的一次技术创新，开启了步进电机的历史。一个是美国发明家 Frank W. Wood 先生的 1,408,555 号专利，由五组定子线圈的不同组合通电使转子产生步进转动。这个发明在 1918 年提出专利申请，1922 年正式得到批准。见下图。第二个是 C.L. Walker 发明的定转子凸齿结构的反应式步进电机，1919 年的英国获奖专利。第三个是 C. B Chicken 和 J.HTain 的小体积条件下增大力矩三明治结构设计，1920 年获得美国专利。 
美国发明家 Frank W. Wood 先生的 1,408,555 号专利 随后，在30年代英国海军根据这些原理把步进电机设计实际应用到军舰的枪炮遥控系统和加农炮指向控制系统。这便是最初的反应式步进电机。二次世界大战时，美国海军的舰艇上也广泛装备了这样的系统。想想今天日本这个步进电机的产业大国，远在40年代太平洋海战时就先领教过步进电机的厉害。 HB步进电机起步于1952年。有三家公司为这个新生技术做出了历史贡献：美国 GE 公司、美国 Superior 电器公司、和美国 Sigma 仪器公司。 最初是GE设计了一款低速同步电机，用于 Superior 电器公司生产的可调变压器和可调变阻器上。这个电机把 60 赫兹交流电的交流相变当作驱动脉冲，使电机同步转动。60 年代初 GE 把这个同步电机的设计卖给了 Superior 电器公司。 1961 年，Superior 电器公司的Snowden 和 Madsen 在同步电机的基础上完善改进，通过改变输入信号的频率控制电机的转速。这个设计就是后来鼎鼎有名的混合式步进电机。与此同时，Sigma 仪器公司也推出了类似的设计，最终在这两家公司的努力下，1.8 度的 HB 步进电机正式成型。 我们鸣志美国公司的 Rich Lenzing 先生早年就受聘于 Superior电器公司，期间获得过八项专利，熟知这段历史，同时也是 HB 步进电机的后期改进、升级设计的直接参与者 。下图是 Rich Lenzing 在Superior 工作期间， 自1982年起获得的多项发明专利之一。 
直到六十年代初，反应式步进电机（VR）在步进电机行业中还是占主导地位。其时反应式步进电机和交流伺服电机在控制电机领域并驾齐驱。六十年代 PM 步进电机以其低成本备受青睐，大有完全取代反应式步进电机的态势。从七十年代开始到 80 年代初，HB 步进电机技术在蛰伏了 20 年的改进完善之后，异军突起。以计算机外部设备为突破口，一举成为步进电机产业的主力军。 六十年代美国 Wright-Patterson Research Center 公司开发的稀土钴合金磁钢给步进电机带来了技术上的突破，尽管当时成本奇高。 直到 1982 年，美国 GE 公司和日本 Sumitomo Special Metals 公司开发出了钕合金磁钢，使稀土磁钢成本大幅降， 给步进电机的运用带来了真正的飞跃。钕，这个 1885 年由澳大利亚科学家 Baron Carl Auer von Welsbach 发现的稀土元素，在被发现的 100 年后，正式在人们的现代科技生活中登台亮相。 另一方面，驱动技术的发展也是步进电机发展的一个强劲动力。五十年代的半导体二极管技术，1964 年半导体场效应器件 (MOS) 的发明，1965 年集成电路的出现以及 1967 年 LSI 的实用化……整个五、六十年代半导体风起云涌的发展，催化了步进电机驱动电路的成熟，深刻地扩大了步进电机的运用领域。 谈到步进电机的早期历史，不得不提到今天依然是步进电机主要生产国的日本。1960 年，在日本电机行业发生了两件有历史意义的事。这一年， 富士通公司（Fujitsu）正式发布了系列的反应式步进电机产品， 用于机床。同一年，三洋公司（Sanyo Denki）也开发出来了反应式步进电机。三洋公（Sanyo Denki）是日本电机界的先驱，早在 1932 年就开始了微型电机和微型发电机的研发和制造。当时他们制造的发电机于作无线通信设备的供电。在 1945 年他们把这项技术商用化， 用于民用通信。 1968 年，三洋公司（Sanyo Denki）正式商业性批量生产 HB 步进电机，用于机床控制。1970 年，三洋公司（Sanyo Denki）从 IBM 接到第一个步进电机订单，从此步进电机与数据存储设备（计算机）结缘 。开启了 70-80 年代步进电机广泛、大批量用于软盘和硬盘驱动器的序幕。 70 年代初期，步进电机技术越来越受到学术界的重视，在美国伊利诺大学召开了第一次 IMCSD（Incremental Motion Control Systems and Devices）大会。此次大会由伊利诺大学主办，美国的 Warner 电器公司协办。后来 Warner 电器公司成为了当时步进电机的主要设计和制造之一。鸣志公司的 Ted Lin 先生早年就受聘于 Warner 电器公司，是这段历史的参与者。Ted Lin 先生的第一个杰出贡献就是完善 HB 电机的制造技术，为 HB 步进电机进入批量产业化生产奠定了坚实的基础。为此，Warner 电器公司给予 Ted Lin 先生很高的评价，授予“新步进电机技术之父”的称号。 
Ted Lin 被誉为“新步进电机技术之父”的称号，1983 此后， 在1974，1976 和 1979 年连续三次步进电机的国际性学术会议在英国利兹大学召开。Don MacLeod 先生当时是利兹大学的博士研究生，他全程参加了 1979 年的学术会议。也就是在这次会议上他和美国AMP公司结缘， 毕业后远渡重洋加入了 AMP公司。今天是AMP公司的总裁。鸣志收购AMP后，作为鸣志人之一，Don MacLeod先生自然是鸣志员工中步进电机早期历史的参与者之一。 步进电机的大规模应用发生在 1977 年后，两相步进电机逐步应用于 FDD（floppy disk drive 软盘驱动器）和 HD（硬盘）上。Don MacLeod 为 AMP 主持设计和完善了第一代 HD 用步进电机，在和德国公司的竞争中脱颖而出。下图是 Don MacLeod 先生在1982 年在 AMP 工作期间申请的和步进电机有关的专利。 
八十年代初期AMP的步进电机进入HD市 场，成全了两个公司的辉煌起步：一是AMP请日本Tamagawa公司代工生产，从此Tamagawa 公司进入步进电机产业；二是，有了AMP帮助的美国 Seagate公司在车库里创业起步，如今Seagate 已经是超百亿美元的大公司了。 再往后，历史进入上世纪八十、九十年代后，步进电机历史翻开了新的一页，这之后的历史，我们鸣志人都是参与者，甚至是创造者。我们正在用我们的智慧和汗水创造步进电机更新更辉煌的历史。浓墨重彩，留给后人挥毫吧。 步进百年，百年进步！
美国发明家 Frank W. Wood 先生的 1,408,555 号专利 随后，在30年代英国海军根据这些原理把步进电机设计实际应用到军舰的枪炮遥控系统和加农炮指向控制系统。这便是最初的反应式步进电机。二次世界大战时，美国海军的舰艇上也广泛装备了这样的系统。想想今天日本这个步进电机的产业大国，远在40年代太平洋海战时就先领教过步进电机的厉害。 HB步进电机起步于1952年。有三家公司为这个新生技术做出了历史贡献：美国 GE 公司、美国 Superior 电器公司、和美国 Sigma 仪器公司。 最初是GE设计了一款低速同步电机，用于 Superior 电器公司生产的可调变压器和可调变阻器上。这个电机把 60 赫兹交流电的交流相变当作驱动脉冲，使电机同步转动。60 年代初 GE 把这个同步电机的设计卖给了 Superior 电器公司。 1961 年，Superior 电器公司的Snowden 和 Madsen 在同步电机的基础上完善改进，通过改变输入信号的频率控制电机的转速。这个设计就是后来鼎鼎有名的混合式步进电机。与此同时，Sigma 仪器公司也推出了类似的设计，最终在这两家公司的努力下，1.8 度的 HB 步进电机正式成型。 我们鸣志美国公司的 Rich Lenzing 先生早年就受聘于 Superior电器公司，期间获得过八项专利，熟知这段历史，同时也是 HB 步进电机的后期改进、升级设计的直接参与者 。下图是 Rich Lenzing 在Superior 工作期间， 自1982年起获得的多项发明专利之一。 直到六十年代初，反应式步进电机（VR）在步进电机行业中还是占主导地位。其时反应式步进电机和交流伺服电机在控制电机领域并驾齐驱。六十年代 PM 步进电机以其低成本备受青睐，大有完全取代反应式步进电机的态势。从七十年代开始到 80 年代初，HB 步进电机技术在蛰伏了 20 年的改进完善之后，异军突起。以计算机外部设备为突破口，一举成为步进电机产业的主力军。 六十年代美国 Wright-Patterson Research Center 公司开发的稀土钴合金磁钢给步进电机带来了技术上的突破，尽管当时成本奇高。 直到 1982 年，美国 GE 公司和日本 Sumitomo Special Metals 公司开发出了钕合金磁钢，使稀土磁钢成本大幅降， 给步进电机的运用带来了真正的飞跃。钕，这个 1885 年由澳大利亚科学家 Baron Carl Auer von Welsbach 发现的稀土元素，在被发现的 100 年后，正式在人们的现代科技生活中登台亮相。 另一方面，驱动技术的发展也是步进电机发展的一个强劲动力。五十年代的半导体二极管技术，1964 年半导体场效应器件 (MOS) 的发明，1965 年集成电路的出现以及 1967 年 LSI 的实用化……整个五、六十年代半导体风起云涌的发展，催化了步进电机驱动电路的成熟，深刻地扩大了步进电机的运用领域。 谈到步进电机的早期历史，不得不提到今天依然是步进电机主要生产国的日本。1960 年，在日本电机行业发生了两件有历史意义的事。这一年， 富士通公司（Fujitsu）正式发布了系列的反应式步进电机产品， 用于机床。同一年，三洋公司（Sanyo Denki）也开发出来了反应式步进电机。三洋公（Sanyo Denki）是日本电机界的先驱，早在 1932 年就开始了微型电机和微型发电机的研发和制造。当时他们制造的发电机于作无线通信设备的供电。在 1945 年他们把这项技术商用化， 用于民用通信。 1968 年，三洋公司（Sanyo Denki）正式商业性批量生产 HB 步进电机，用于机床控制。1970 年，三洋公司（Sanyo Denki）从 IBM 接到第一个步进电机订单，从此步进电机与数据存储设备（计算机）结缘 。开启了 70-80 年代步进电机广泛、大批量用于软盘和硬盘驱动器的序幕。 70 年代初期，步进电机技术越来越受到学术界的重视，在美国伊利诺大学召开了第一次 IMCSD（Incremental Motion Control Systems and Devices）大会。此次大会由伊利诺大学主办，美国的 Warner 电器公司协办。后来 Warner 电器公司成为了当时步进电机的主要设计和制造之一。鸣志公司的 Ted Lin 先生早年就受聘于 Warner 电器公司，是这段历史的参与者。Ted Lin 先生的第一个杰出贡献就是完善 HB 电机的制造技术，为 HB 步进电机进入批量产业化生产奠定了坚实的基础。为此，Warner 电器公司给予 Ted Lin 先生很高的评价，授予“新步进电机技术之父”的称号。 Ted Lin 被誉为“新步进电机技术之父”的称号，1983 此后， 在1974，1976 和 1979 年连续三次步进电机的国际性学术会议在英国利兹大学召开。Don MacLeod 先生当时是利兹大学的博士研究生，他全程参加了 1979 年的学术会议。也就是在这次会议上他和美国AMP公司结缘， 毕业后远渡重洋加入了 AMP公司。今天是AMP公司的总裁。鸣志收购AMP后，作为鸣志人之一，Don MacLeod先生自然是鸣志员工中步进电机早期历史的参与者之一。 步进电机的大规模应用发生在 1977 年后，两相步进电机逐步应用于 FDD（floppy disk drive 软盘驱动器）和 HD（硬盘）上。Don MacLeod 为 AMP 主持设计和完善了第一代 HD 用步进电机，在和德国公司的竞争中脱颖而出。下图是 Don MacLeod 先生在1982 年在 AMP 工作期间申请的和步进电机有关的专利。 八十年代初期AMP的步进电机进入HD市 场，成全了两个公司的辉煌起步：一是AMP请日本Tamagawa公司代工生产，从此Tamagawa 公司进入步进电机产业；二是，有了AMP帮助的美国 Seagate公司在车库里创业起步，如今Seagate 已经是超百亿美元的大公司了。 再往后，历史进入上世纪八十、九十年代后，步进电机历史翻开了新的一页，这之后的历史，我们鸣志人都是参与者，甚至是创造者。我们正在用我们的智慧和汗水创造步进电机更新更辉煌的历史。浓墨重彩，留给后人挥毫吧。 步进百年，百年进步！