传感与控制-单相永磁步进电机特性的数值计算与分析(精)

1、2007 年 10 月电工技术学报 Vol.22 No.10 第 22 卷第 10 期 TRANSACTIONS OFCHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Oct. 2007爪极式单相永磁步进电机特性的数值计算与分析邹继斌李巍李勇(哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院哈尔滨150001摘要介绍了一种特殊结构的单相永磁步进电机 - 爪极式单相永磁步进电机。电机采用轴向磁路结构，定子的内齿和外齿交错在一起构成爪极式结构。采用电磁 场计算软件 Flux3d 对电机的矩角特性和定位力矩进行了计算，分析了参数变化对电 机性能的影响，对电机的结构进行了优化设计。制造出样机并进行了实验

2、，实验结果与计算结果相吻合。分析结果表明，采用定子磁极斜角的方案可以使电机具有自起 动能力，合理设计极弧角等参数，能有效地提高电机的出力。关键词:步进电机单相爪极式数值计算中图分类号:TM383.6Calculatio n and An alysis of Si ngle Phase StepperMotor With Claw PolesZou Jibi n Li Wei Li Yong(Harbin Institute of Technology Harbin 150001 ChinaAbstract A new kind of sin gle-phase stepper motor wi

3、th axial air gap and claw poles ispresented in this paper. The Flux software of 3-dimensional FEM is used to solve theperforma nee of the motor. The cogg ing torque and the torque-a ngle properties arecomputed. The factors in flue ncing the motor performa nee are an alyzed and the desig nof the moto

4、r is optimized. Experimental results of the prototype motor agree with that ofcomputati ons. The computati on and experime nt an alysis in dicate that the motor withbevel poles has the self-starting ability.Keywords:Stepper motor, sin gle phase, claw pole, nu merical calculati on1 引言单相步进电机具有结构简单，控制方

5、便,易于小型化、微型化等优点1-3，并且位 移与输入信号脉冲数成正比，可以用数字信号直接进行开环控制，系统简单、价格较 低。因此常用于仪表、计时装置中。本文介绍了一种新型结构的爪极式单相永磁步 进电机，采用轴向磁路爪极结构，除了具有上述单相永磁步进电机的各项优点外，还可 以采用薄膜磁性材料做磁极，更易于实现电机的微型化。本文阐述了爪极式单相永磁步进电机的结构特点和运行原理，使用电磁场计算 软件Flux3d 对爪极式单相永磁步进电机进行了特性计算与分析，分别给出了极弧系 数、磁极斜角、磁钢厚度对电机性能的影响，并以此为基础对电机进行了优化设 计。研制出实际样机并进行了实验测试，实验结果验证了分析

6、和计算结果的正确 性。2 爪极式单相永磁步进电机的结构和运行原理常见的单相永磁步进电机一般采用径向磁路结构。本文介绍的爪极式单相永磁 步进电机采用轴向磁路结构，定子由两部分组成，内齿和外齿组合在一起构成爪极式 结构，通过轭部将内外齿联结在一起。同心式环形绕组缠绕在定子两部分之间的空 间区域内，磁通通过定子磁极、转子磁极和磁轭形成收稿日期 2006-11-06 改稿日期 2007-03-012 电工技术学报 2007 年 10 月闭合回路，如图 1 所示。其中定子磁极的材料为电工纯铁，转子磁极为平面扇形 钕铁硼稀土永磁材料，定子与基座一体化设计，结构简单。由于磁极为平面结构，也可 以采用薄膜永磁

7、材料。图 i 爪极式单相永磁步进电机的结构Fig.1 The structure of sin gle phase steppermotor with claw poles多相步进电机工作时，是通过不同相绕组之间的轮流导通实现电机的旋转的，而 爪极式单相永磁步进电机只有一相绕组，因此只能通过定位力矩来代替其他相绕组 的作用实现电机的旋转。定子齿数与转子极数相同且磁路结构对称时，定位力矩的平衡点与绕组通电产生转矩的平衡点是重合的，电机无自起动能力。为了使定位力 矩的平衡点产生一定的偏移角度，保证电机具有固定的转动方向和一定的带载起动 能力,在结构上通常采用两种方法：使主磁路产生一定的不对称性：采

8、用辅助定位 磁极。其中第一种方法结构简单。本文所设计的爪极式单相永磁步进电机，在定子齿的一侧削去一角形成斜角式磁极。主磁路的不对称，使定位力矩产生一定的相移，进而使电机产生一定的初始角位移。当给电机通以单个脉冲时，电机向前旋转一个步距角。电机通以连续的正负脉冲时，电机即可连续旋转。由于电机的起动和带载 能力与定r外齿转子SE电机的初始位置相关，所以定位力矩的相移对电机的特性有直接的影响。3 电机的三维场计算采用法国 Cedrat 公司的电磁场计算软件 Flux3d 对电机进行了三维数值计算4- 6,电机的模型如图 2 所示。电机的具体参数如下：定子外径为 10mm,轴向长度为 9mm,转子磁极

9、对数取 3,步 距角60气隙保持不变,磁极斜角、极弧系数、磁钢厚度设为可调参数，绕组电流 也设为可调参数。影响该电图 2 爪极式单相永磁步进电机的 Flux 模型Fig.2 The Flux model of single stepper motorwith claw poles机性能的参数主要有极弧系数、 磁极斜角和磁钢厚度以及绕组电流。 因此在使 用Flux3d建模时，将以上一些参数设为变量，在计算过程中改变这些参数，即可进行 电机的特性分析和优化设计。4 特性计算与分析步进电机运行的特性主要是矩角特性7-9。图 3 所示为通以不同电流时的矩角 特性波形的计算结果，对应电流分别为 0A、0

10、.2A、0.5A、1.0A、1.5A其中,电流为 0A 时的矩角特性即为定位力矩。图 3 不同电流时的矩角特性波形Fig.3 The waveforms of torque-a ngle propertiesun der differe nt curre nts可以看出，定位力矩变化次数为矩角特性的二倍，由于磁极斜角作用，定位力矩的 平衡点存在偏移。定位力矩的作用和磁极斜角的影响使矩角特性发生畸变，包含了二次谐波。电机初始位置的力矩大小决定了电机的起动能力，电流较小时（如 0.2A时，电机起动能力较差。电流增加则起动能力增强，但二次谐波的存在降低了起动能 力。随着电流的增大，定位力矩的二次谐波

11、对矩角特性的影响变小。计算结果还表 明,由于磁路饱和的影响，当电流增大到一定的幅值后，转矩增大的幅度变小。第 22 卷第 10 期邹继斌等爪极式单相永磁步进电机特性的数值计算与分析3通过数值计算可以分析极弧系数、磁极斜角、磁钢厚度对电机定位力矩和矩角 特性的影响10-12,并在此基础上进行结构的优化设计。4.1 极弧系数的影响极弧系数的大小将影响电机的磁场分布和运行性能。极弧系数过大，会使磁极之间的漏磁增大；极弧系数选择过小，会导致电机内齿过于饱和，都会使电机的主磁通 减小，对运行产生不良的影响。图 4a 图 4b 所示为磁极斜角为 12。,磁钢厚度为 0.3mm,而极弧系数为 0.6 和 0

12、.75时的定位力矩波形和矩角特性波形。极弧系数为 0.6 时，对应的极弧角为 36;极弧系数为 0.75 时，对应的极弧角为 45。 fZp*66rp=0.75A(a 定位力矩波形0.0003 r0.0002 -0.0002(b 矩角特性波形图 4 极弧系数为 0.6、0.75 时的力矩特性Fig.4 The torque properties whe n the pole arc modulusare 0.6 and 0.75从图 4a 可以看出，极弧系数为 0.75 时的,定位力矩略小于极弧系数为 0.6 时定位 力矩,主要是因为极弧角增大时漏磁增加，主磁通减少。极弧系数为 0.75 时定

13、位力矩 的相移大于极弧系数为 0.6 时的相移。较大的相移有利于提高电机的起动和负载能 力。图 4b表明与极弧系数为 0.6 时相比，极弧系数为 0.75 时电机矩角特性中二次谐 波成分较小，电机的起动特性也较好。通过不同极弧系数的计算对比可知，极弧系数取 0.75 较合理,即定子齿的极弧角为 454.2 磁极斜角的影响0 0003F=0；6u2 0.0001tzP=O,75由单相永磁步进电机的运行原理可知，要保证电机能够可靠地工作，必须使定位 力矩的平衡点产生一定的相移。本文所设计的爪极式单相永磁步进电机是通过定子 磁极斜角实现定位力矩平衡点产生相移的。磁极斜角是指以定子磁极中心线为分界 线

14、，一侧磁极的表面向内倾斜，与平面形成的夹角。定子磁极斜角将对定位力矩的相 移产生影响。图 5a 图 5b 所示为极弧角为 45磁钢厚度为 0.3mm、磁极斜角分 别为 12和 18时的定位力矩和矩角特性波形。0.0003(a 定位力矩波形0,00024(b 矩角特性波形图 5 磁极斜角为 12 18寸的力矩特性Fig.5 The torque properties whe n the bevel of mag net are12and 18 从图 5a 可以看出，磁极斜角为 18时，定位力矩的相移要大于磁极斜角为的相移，因为磁极斜角越大，磁路的不对称程度越大，从而定位QOO030.00020,

15、0001112时ap=0 64电工技术学报 2007 年 10 月力矩的平衡点偏移也越大。由此可见，增大磁极斜角有利于提高电机的起动能 力。图 5b 表明，磁极斜角对矩角特性也有一定的影响，磁极斜角越大，矩角特性波形 畸变越严重，这是由于电机的定子磁极斜角造成磁路不对称，当电机通以电流时，绕组 产生的磁场不再对称，从而导致矩角特性的畸变。磁极斜角越大，定位力矩的相移越大，因此设计时希望磁极斜角大一些。但是电 机的带载起动能力不仅取决于定位力矩的相移，还与矩角特性有关。从图 5 可以看 出，磁极斜角为 18时，定位力矩的相移较磁极斜角为 12时相比相差不大；而磁极斜 角为12时的矩角特性二次谐波

16、成分较少，电机的起动能力强。改变磁极斜角计算 磁极斜角取为 12较为合理。4.3 磁钢厚度的影响磁钢厚度是一个重要的参数，对电机的定位力矩和矩角特性都有影响。电机工作时，定位力矩要在断电时刻代替绕组产生的力矩使电机继续旋转，电机的初始相移0.0006O.OfMM0.00026m ni决定了电机的带载起动能力。磁钢厚度直接影响定位力矩的大小和相移，同时也影响电机的矩角特性。图 6a、图 6b 所示为极弧角为 45磁极斜角为 12磁钢厚度为 0.3mm 和 0.6mm时的定位力矩波形和矩角特性波形。由图6a、图 6b 可见,磁钢厚度越大,电机的定位力矩幅值和矩角特性幅值越大，并且定位力矩的相移也越

17、大。虽然增大定 位力矩的相移有利于提高电机的带载起动能力，但磁钢厚度增加时，定位力矩的幅值 也随之增加，电机运行时需要较大的电流产生较大的转矩才能克服定位力矩使电机 旋转。因此永磁体的磁钢厚度过大会对电机运行产生不良影响。反之，磁钢厚度过*-/rtJrnmC.00C60.00()4O.(XX)2小时，电机的初始相移和负载能力也将变差。计算结果表明对于本文研究的电机磁 钢厚度取 0.3mm 时较理(a定位力矩波形(b 矩角特性波形图 6 磁钢厚度为 0.3mm、0.6mm 时的力矩特性 Fig.6 The torque properties when theheight ofmagnet are

18、 0.3 and 0.6mm5 实验结果经过上述分析，确定了一组最优的参数组合，即磁极斜角取 12极弧系数取 0.75;磁钢厚度取为 0.3mm。通过有限元计算，得到了矩角特性的计算结果，如图 7 所示 从计算结果中可以分析出，定位力矩波形与矩角特性波形都有一定的相移。以优化的结果设计并制造了样机，进行了实验。实验测量结果如图7 所示。可以看出，计算TO 6mm0.0006水/尸0.3mmA曲线与实验结果基本吻合，证明理论计算结果与实际测试结果是相符的。图 7 Flux 计算结果与实验结果对比Fig.7 The con trast betwee n Flux computati on resu

19、lt andexperime nt result6 结论通过本文的分析可以得出以下结论：(1 提出的爪极式单相永磁步进电机采用磁极斜角方式可以实现定位力矩平衡 点的偏移，从而使第 22 卷第 10 期邹继斌等爪极式单相永磁步进电机特性的数值计算与分析5电机具有自起动和连续旋转的能力。 理论计算和实验测试证明了这种结构方案 是可行的。(2 电机优化设计的关键是协调定位力矩与矩角特性之间的相位和幅值的关 系。尽管定位力矩是电机起动的保障，但是不但定位力矩对矩角特性产生影响，磁极 斜角也影响矩角特性波形，产生明显的偶次谐波，降低电机的负载能力。理想的设计 是在定位力矩平衡点位置矩角特性有较大的力矩。

20、(3 计算和实验都表明对电机特性影响较大的参数是磁极斜角和磁钢厚度。磁 极斜角直接影响定位力矩的平衡点，因此对电机特性的影响较大。磁钢厚度对定位 力矩的平衡点影响不大，而对定位力矩的幅值影响较大，磁钢较厚时需要较大的电流 才能克服定位力矩驱动电机旋转，因此磁钢厚度不能太大。致谢:感谢 Cedrat 公司提供 Flux3d 电磁场计算软件。参考文献1 王宗培,郭庆吉,吴妙胜.气隙不均匀的单相永磁步进电机J.哈尔滨工业大学学报，1980, 2: 30-40.Wang Zon gpei, Guo Qin gji, Wu Miaoshe ng. An alysis of sin gle phase s

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