軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自定位力矩設(shè)計(jì)

張洪巖，李 雨

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

近幾年來(lái)在航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有可靠性高、步距角設(shè)計(jì)靈活、自定位力矩大、驅(qū)動(dòng)慣性負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)［5］，尤其是自定位力矩大的特點(diǎn)滿足了一些航天領(lǐng)域特殊的使用要求。本文主要針對(duì)軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的自定位力矩設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。為便于理解，先對(duì)軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為二相軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖。定子鐵心有兩個(gè)環(huán)形槽分別安放A相及B相兩個(gè)環(huán)形繞組，定子鐵心內(nèi)圓沿軸向分成a、c、b、d四段。轉(zhuǎn)子亦對(duì)應(yīng)定子，由四段鐵心及一片圓環(huán)磁鋼構(gòu)成，磁鋼軸向充磁。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖1中四段轉(zhuǎn)子鐵心與四段定子鐵心均勻分布Zr個(gè)小齒。當(dāng)a－a段定子、轉(zhuǎn)子鐵心小齒對(duì)齊時(shí)，其他三段定、轉(zhuǎn)子鐵心小齒的相對(duì)位置有嚴(yán)格的要求，如圖2所示。

2 軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自定位力矩

步進(jìn)電機(jī)的自定位力矩是繞組不通電時(shí)，磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用在定、轉(zhuǎn)子齒上產(chǎn)生的力矩。軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組不通電時(shí)的磁鋼磁通回路如圖3所示。c、b段鐵心長(zhǎng)度相等，a、d段鐵心長(zhǎng)度相等。

圖3 磁鋼磁通回路

此時(shí)，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心齒的位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 繞組不通電時(shí)各段定子、轉(zhuǎn)子鐵心小齒相對(duì)位置圖

軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自定位力矩:

式中:Λcb為c、b段鐵心回路平均磁導(dǎo)。

式中:Λad為a、d段鐵心回路磁導(dǎo);G0為氣隙比磁導(dǎo)平均分量;lcb為c、b段鐵心長(zhǎng)度;lad為a、d段鐵心長(zhǎng)度;Λ1為轉(zhuǎn)子鐵心c、b段氣隙磁導(dǎo)基波分量的幅值;Fgm為磁鋼在外部氣隙的磁壓降。

式中:Fm為轉(zhuǎn)子永磁體等效磁勢(shì);Hc為磁鋼矯頑力;lm為磁鋼厚度。

式中:Λm為磁鋼內(nèi)部磁導(dǎo);Sm為磁鋼面積;μm為磁鋼的導(dǎo)磁率。

式中:Λrδ為轉(zhuǎn)子漏磁導(dǎo);Dr1為轉(zhuǎn)子鐵心外圓尺寸;Dm1為磁鋼外圓尺寸。

由上述公式可得出，在磁路不飽和時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子鐵心lcb和lad的長(zhǎng)短對(duì)軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的自定位力矩大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 樣機(jī)實(shí)例

根據(jù)前面的分析，制作了兩臺(tái)樣機(jī)。兩樣機(jī)的定子參數(shù)、轉(zhuǎn)子齒形參數(shù)和磁鋼參數(shù)完全一致，只是c、b段鐵心長(zhǎng)度lcb和 a、d段鐵心長(zhǎng)度 lad取不同的值。樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及自定位力矩對(duì)比如表1所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示兩樣機(jī)自定位力矩有明顯差異。

表1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及自定位力矩對(duì)比表

2#樣機(jī)lad長(zhǎng)度7 mm是1#樣機(jī)的0.875倍，而2#樣機(jī)的自定位力矩是1#樣機(jī)的1.5倍，也就是在樣機(jī)的定子參數(shù)、轉(zhuǎn)子齒形參數(shù)和磁鋼參數(shù)一定時(shí)，只調(diào)整轉(zhuǎn)子鐵心的長(zhǎng)度就可以調(diào)整自定位力矩的大小，并且效果明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的自定位力矩產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析闡述，和對(duì)式(1)的各物理量進(jìn)行定性分析說(shuō)明，為該結(jié)構(gòu)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自定位力矩設(shè)計(jì)提出了計(jì)算方法，并得出軸向分相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子鐵心lcb和lad的長(zhǎng)度對(duì)自定位力矩進(jìn)行設(shè)計(jì)。

［1］ 王宗培，孔昌平.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)(增量運(yùn)動(dòng)控制之二)［M］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1984.

［2］ 王宗培.定子有磁鋼的單段式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)［J］.微特電機(jī)，1978(2):1－25.

［3］ Amara Y.A new topology of hybrid synchronous machine［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(5):1273 －1280.

［4］ 森本，松井，武田.リラクタンストルク應(yīng)用電動(dòng)機(jī)の現(xiàn)狀と動(dòng)向［J］.電學(xué)論 D，1999，119(10):1145

［5］ 張洪巖，嚴(yán)亮，吳士杰.軸向分相感應(yīng)子式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)［J］.微特電機(jī)，2005，33(9):11－13.