混合式步进电机的理论和设计特点.doc

混合式步进电机的理论和设计特点 2010年7月18日 混合式步进电机的理论和设计特点 杨永良（西安微电机研究所） ??? 【摘? 要】本文以对比方式叙述了混合式步进电机与反应式、永磁式步进电机的差异。在论述混合式步进电机的理论基础上，提出径向气隙磁场等于轴向气隙磁场的设计原则，导出混合式步进电动机的实用静态转矩计算式，并以四相混合式步进电动机为例，给出最佳转子铁心长和静转矩的设计值和试验值。 ??? 【主题词】混合式步进电机，理论，分析，设计，转子，铁心，长度，静转矩计算式 1? 引? 言 ??? 步进电机是近年研制开发并已普遍应用的新型电动机，从工作上区分，有反应式步进电机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机。这三类步进电动机产品发展历程是反应式、永磁式在先，混合式在后。对于反应式、永磁式步进电机，从现有论著来看，工作的理论基础论述清晰，设计计算与试验数据吻合一致，生产制造已基本定型。混合式步进电动机发展相对迟缓，这与永磁材料发展息息相关。近年来，各种高矫顽力稀土磁体涌现，促进了混合式步进电动机的发展。本文结合生产实际·将混合式步进电动机与反应式、永磁式步进电动机在基理方面进行比较说明的基础上，详绌论述混合式步进电动机的理论基础，并提出相应的设计原则和设计特点。 2理论分析 ? 反应式步进电动机的工作基础是基于定子磁场产生的反应转矩，静转矩简化表达式为 ??? 式(1)表示反应式步进电动机是基于反应力矩（磁阻力矩）工作的，因此气隙两侧的定、转子表面有意设计成齿槽结构，使鲁变化率最佳。由式(1)可得出，当定转子齿层尺寸确定之后，’反应式步进电动机的静转矩正比于定子磁场在气隙中的磁压降和电机铁心长度的乘积。 ??? 永磁式步进电动机的工作原理是基于定子磁场和转子永磁磁场的互相作用，静转矩的简化表达式为 ??? 由式(2)可见，永磁式步进电动机的静转矩是由定子电枢磁场和转子永磁磁场互相作用产生的同步转矩。当磁钢材质和几何尺寸确定之后，其静转矩正比于定子磁场和磁钢磁场及铁心长度的乘积。 ??? 综上所述，在工作原理、磁路状态、转矩计算等方面，反应式步进电动机类同反应式同步电机；永磁式步进电动机类同永磁式同步电动机，共同特点都是转矩与定子铁心长度成正比，其差别只是同步电动机的定子磁场是随电源频率同步的旋转磁场，而步进电动机定子磁场是随通电脉冲频率的阶跃旋转磁场。 ??? 混合式步进电动机的作用原理不同于反应式步进电动机，也不同于永磁式步进电动机，更不能简单理解为永磁式和反应式步进电动机的混合，由于基理不同．磁路计算、转矩计算都不能套用永磁式和反应式步进电动机的相关公式，它在磁路状态、磁场作用、磁场之间关系等方面有它自身的特点。 ??? 混合式步进电动机通常有四相、五相，其结构如图所示。图为典型四相混合式步进电动机的结构。 ??? 齿并嵌套线圈。转子由二段铗心中间夹一块 ?? 由图可见，定子结构与反应式步进电动机基本相同，定子铁心分成8个极齿，极齿上有小? 环形磁钢，转子铁心也有小齿，磁钢两端铁心互相错开半个齿距。磁钢轴向充磁。为说明方便，将部分剖面展开．如图2所示，图中上面部分为磁钢S极性侧剖面，下面部分为磁N极性侧剖面。现设定、转子齿处于图2所示位置。图中虚线表示磁钢产生的磁通，实线表示线圈电流产生的磁通。先假定定子线图没有通电流，此时只有磁钢产生的磁通，如图中虚线所示。磁钢两侧极性磁力线走向及转子受力方向如表1所示。 ??? ??? 由表1可知，在S极性侧，磁钢产生的磁力在口极齿和D极齿下转子受力互相抵消，A极极齿下转子受力自身抵消．e极齿下只产生径向磁拉力。在极性侧，B极齿和D极齿下转子受力互相抵消．C极齿下转子受力自身抵消，A极齿下只产生径向磁拉力。从整个电机看，磁钢产生的磁力为B、D极齿在磁钢左右两侧转子受力互相抵消，S极性侧4极齿和^极性侧e极齿转子受力相互抵消；S极性侧C极齿和-极性侧4极齿转子受到的径向磁拉力互相抵消。力的分析表明，混合式步进电动机当线圈未通电以前，磁钢产生的磁力在极齿之间处于平衡状态，不会产生转矩。一台装配好的电机，手触转动时有力矩存在．这个力矩通常称之自馈力矩，其值很小，它是由5站次谐波转矩产生的。 ??? 顺便指出，当手感此力矩较大时，说明电动机加工等存在质量问题。 ??? 当转予磁钢没有充磁，B相线圈和D相线圈通以如图方向的电流，并设定、转子相对位置不变，此时定子线圈产生的磁通路径如图中实线所示。磁钢两侧线圈电流产生的磁力方向如表2所示。 ? ??? 由表2可知，线圈电流产生的磁力，在未充磁的S极性侧，D极齿下转子受力互相抵消，在N极性侧结果相同，4极齿无磁力作用。分析结果表明，即使定、转子表面开有象反应式步进电动机一样的齿槽。当定子绕组轮流通电时，不会产生反应力矩，也就不会显示步进运动。进