混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的理論
分析和設(shè)計(jì)特點(diǎn)
楊永良(西安微電機(jī)研究所)
【摘 要】本文以對(duì)比方式敘述了混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的差異。在論述混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的理論基礎(chǔ)上，提出徑向氣隙磁場(chǎng)等于軸向氣隙磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)原則。導(dǎo)出混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)用靜態(tài)轉(zhuǎn)矩計(jì)算式，并以四相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，給出****轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)和靜轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)值。
【主題詞】混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，理論，分析，設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子，鐵心，長(zhǎng)度,／靜轉(zhuǎn)矩計(jì)算式
1 引 言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是近年研制開(kāi)發(fā)并已普遍應(yīng)用的新型電動(dòng)機(jī)，從工作上區(qū)分，有反應(yīng)式步
進(jìn)電動(dòng)機(jī)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這三類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品發(fā)展歷程是反應(yīng)式、永磁式在先，混合式在后。對(duì)于反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，從現(xiàn)有論著來(lái)看，工作的理論基礎(chǔ)論述清晰，設(shè)計(jì)計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合一致，生產(chǎn)制造已基本定型。混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)展相對(duì)遲緩，這與永磁材料發(fā)展息息相關(guān)。近年來(lái)，各種高矯頑力稀土磁體涌現(xiàn)，促進(jìn)了混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際．將混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在基理方面進(jìn)行比較說(shuō)明的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的理論基礎(chǔ)，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
2理論分析
反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作基礎(chǔ)是基于定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，靜轉(zhuǎn)矩簡(jiǎn)化表達(dá)式為
式中mr一——反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩
c1-——比例常數(shù)
l一定子鐵心疊壓長(zhǎng)
g9——?dú)庀痘ū却艑?dǎo)，其值由齒層尺寸確定
f9——定子磁場(chǎng)在氣隙中的磁壓降
式(1)表示反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是基于反應(yīng)力矩(磁阻力矩)工作的，因此氣隙兩側(cè)的定、轉(zhuǎn)子表面有意設(shè)計(jì)成齒槽結(jié)構(gòu)，使等變化率****。由式(1)可得出，當(dāng)定轉(zhuǎn)子齒層尺寸確定之后，l反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩正比于定子磁場(chǎng)在氣隙中的磁壓降和電機(jī)鐵心長(zhǎng)度的乘積。
永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)的互相作用，靜轉(zhuǎn)矩的簡(jiǎn)化表達(dá)式為
式中 mp——永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩
fo——定子每極磁勢(shì)g2---比例常數(shù)
φf——磁鋼產(chǎn)生的每極有效磁
p-一轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)
bf——磁鋼產(chǎn)生的每極有效磁密
l——定子鐵心疊壓長(zhǎng)
由式(2)可見(jiàn)．永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩是由定子電樞磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)互相作用產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩。當(dāng)磁鋼材質(zhì)和幾何尺寸確定之后,其靜轉(zhuǎn)矩正比于定子磁場(chǎng)和磁鋼磁場(chǎng)及鐵心長(zhǎng)度的乘積。綜上所述，在工作原理、磁路狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩計(jì)算等方面，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)類同反應(yīng)式同步電機(jī)；永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)類同永磁式同步電動(dòng)機(jī)，共同特點(diǎn)都是轉(zhuǎn)矩與定子鐵心長(zhǎng)度成正比，其差別只是同步電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)是隨電源頻率同步的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)是隨通電脈沖頻率的階躍旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
由圖可見(jiàn)，定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本相同，定子鐵心分成8個(gè)極齒，極齒上有小 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作用原理不同于反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，也不同于永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)．更不能簡(jiǎn)單理解為永磁式和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的混合，由于基理不同．磁路計(jì)算、轉(zhuǎn)矩計(jì)算都不能套用永磁式和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)公式，它在磁路狀態(tài)、磁場(chǎng)作用、磁場(chǎng)之間關(guān)系等方面有它自身的特點(diǎn)。
混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常有四相、五相，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖j為典型四相混合式步
進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。
齒并嵌套線圈。轉(zhuǎn)子由二段鐵心中間夾一塊環(huán)形磁鋼，轉(zhuǎn)子鐵心也有小齒，磁鋼兩端鐵心互相錯(cuò)開(kāi)半個(gè)齒距。磁鋼軸向充磁。為說(shuō)明方便 |
