一种新型的永磁复合式可控步进电机

一种新型的永磁复合式可控步进电机

1单次脉冲控制单-永速电机有两种结构形式。一种为定子系非对称结构,转子为永磁转子。另一种为混合式单相永磁步进电机,在定子上加装产生2次谐波的附加极,或者通过齿形尺寸的特殊设计产生2次谐波,矩角特性综合的结果使其形状形成非对称的形状,正半波宽度大于π,负半波小于π,从而形成起动角,并具有一定的起动力矩,能使电机正常起动运转,但这两种施加绕组的电脉冲为正负脉冲,即正脉冲走一步,负脉冲走一步,这实际是双拍运行的。现在根据工程的需要,要研制一种单相单向脉冲控制的步进电机,以上两种电机都不能满足这一要求。为此,设计了一种新型的永磁复合式单相单拍运行的步进电机。2永磁磁极的电极结构电机总体结构如图1所示,它由两大部分构成,即定转子、防反转棘轮棘爪机构。这种单相永磁步进电机的定子为凸极结构,由8个定子极构成,其中4个极为软磁材料构成,另外4个极为永磁材料,它们互相交错排列,永磁磁极的极性按N-S-N-S分布排列,其结构如图1所示。定子磁极上绕有定子绕组,可以采用两套绕组,一套绕组绕在软磁磁极上,另一套绕组绕在永磁磁极上,两套绕组可以并联,也可以串联。但有一个要求,就是绕组通电时,永磁磁极上的绕组极性与永磁磁极的极性相反,二者磁势要相等,即互相抵销。电机的绕组图如图2所示。2.2电机转子结构转子为带有鹰嘴形状的凸极结构。鹰嘴部分外缘是一条斜线。表征转子鹰嘴尺寸的有顶部宽度b、深入角度α及斜角γ。鹰嘴顶部宽度b与定子齿宽相等,深入角度α及斜角γ决定了电机的起动角及起动力矩。转子结构如图3所示。将转子的一个极单独放大后,其形状如图4所示。2.3电机的运动过程棘轮棘爪机构主要是用于防止电机反方向旋转。电机在较低频率脉冲信号驱动时,转子由于与永磁磁极之间气隙较大,转子在此稳定平衡位置处的振动尤其厉害。将棘爪位置设计为可调整位置的,使棘爪能恰好顶住棘轮齿根处,相当于增加了一个机械限位器,保证电机在低频共振区不失步地稳定运行。电机的工作过程如下:电机不通电时,电机转子定位在定子永磁磁极下,当电机绕组通电时,永磁磁极的永磁磁势与绕组磁势互相抵销,与转子间无电磁力矩,转子鹰嘴在软磁磁极的磁势作用下向前转动,一直到鹰嘴顶部与定子软磁磁极对齐为止,电机走了一个步矩角。电机断电,永磁磁极的绕组已无磁势,软磁磁极也无磁势,因而鹰嘴在永磁磁势的作用下继续向前转动,直到鹰嘴顶部与永磁磁极对齐为止,电机又向前走了一步。电机的步矩角为:θ=360°2Zr=360°Zsθ=360°2Ζr=360°Ζs(1)式中,Zr为转子齿数,Zs为定子齿数。分母中的2代表电机实际为2拍工作,一拍为电脉冲,一拍为永磁磁势。也可以解释为一个电脉冲电机走2步,即脉冲上升沿时,电机靠电磁磁势走一步;脉冲下降沿时,电机靠永磁磁势走一步。定子凸极极数为转子齿数的2倍,所以步矩角也可用定子齿数来表示。电机在第二个电脉冲到来时,又重复前述过程。3劳动原则分析3.1电机的静态特性该电机实质是一个二相2拍运行的磁阻式步进电机,由于转子为鹰嘴式不对称结构,使电机的矩角特性变成非对称形状,正负半波宽度不相等,电机满足二相步进电机的起动与运转条件。电机软磁磁极上的一套绕组为一相,永磁磁极本身为另一相,为分析方便,笔者将永磁磁极等效成一相绕组。永磁磁极的外磁路的磁导用λg表示,按图5可求出等效磁势。图5中(Hclm)Φs线为永磁磁钢的去磁曲线,OP为外磁路的磁导线,外磁路的总磁导:λg=tgβ(2)图5中lm为永磁磁极磁钢的工作长度,Hc为矫顽力,Φs为永磁磁钢的饱和磁通。Φs=BsSm(3)式中Bs为永磁磁钢的饱和密度,Sm为永磁磁钢的工作面积,通常取中性面的面积。图5中的Hlm即为永磁磁钢对外磁路提供的磁势,令等效绕组匝数与软磁磁极上的匝数相同,则等效静态电流为:Im=HlmnΙm=Ηlmn(4)该电流即为把永磁极作为一相工作的等效的静态电流。在合理设计的条件下,该电流应等于软磁磁极绕组中的静态电流I。经过等效以后,该电机为一个具有机电双端的保守系统,绕组通电以后,该系统储有磁能:W=∫I00ΙΨdi+∫Im00ΙmΨmdim(5)式中第一项为软磁磁极绕组的所有磁场能量。按能量守恒原理,系统对外界作功等于磁场能量的增量:TΔv=dW(6)则输出力矩为:T=∂∂θ[∫I0Ψdi+∫Im0Ψmdim](7)Τ=∂∂θ[∫0ΙΨdi+∫0ΙmΨmdim](7)式中的Ψ与Ψm由下式确定:式中的L为电机的电感,它在磁路不饱和的条件下,是定转子中心线夹角θ的函数,将(8)式代入(7)式得:T=12Z2rI2∂L∂θ−12Z2rI2m∂L∂θ(9)Τ=12Ζr2Ι2∂L∂θ-12Ζr2Ιm2∂L∂θ(9)式中,Zr为转子齿数,θ为定转子磁极中心线夹角,为机械角度,机械角度与电角度关系如下:θe=Zrθ(10)式(9)即为电机的静态特性。(1)当电机通电时,永磁磁极的绕组磁势在合理设计的前提下,等于永磁磁势,因而它不与转子发生作用,Ψm=0,则:T=12Z2rI2∂L∂θΤ=12Ζr2Ι2∂L∂θ(11)(2)当电机断电时,软磁磁极上无磁势作用,永磁磁极上绕组无磁势,则永磁磁势对转子发生作用,则此时转矩为:T=12Z2rIm∂L∂θΤ=12Ζr2Ιm∂L∂θ(12)(3)当电机通电时,永磁磁极的绕组磁势与永磁磁势并不能完全抵销,则力矩为:T=12Z2rI2∂L∂θ+12Z2r(ΔI)2∂L∂θ(13)Τ=12Ζr2Ι2∂L∂θ+12Ζr2(ΔΙ)2∂L∂θ(13)这是最普遍的情况,ΔI为对应二者差值的等效电流,它会引起电机通电与断电时走的步距不完全相等,造成步距角误差。3.2进电机的特性前已述及,该电机实质是两相2拍运行的磁阻式步进电机,在参考文献中已详述过,它能正常起动与运行的条件是矩角特性不对称,正半波与负半波宽度不一样。为此在设计该电机时,必须满足这一条件。(1)极内部中国角度由于转子磁极具有鹰嘴形状,定子电感与定转子磁极中心线夹角的函数波形曲线如图6所示。从该电感波形中可以看出它含有丰富的高次谐波,这些高次谐波是使电机矩角特性变成非对称形状的重要因素。(2)矩角特性的比较按式(11)、(12),电机矩角特性与电感对定转子磁极中心线夹角的偏导数波形曲线相同,∂L/∂θ的波形曲线如图7所示。图7也是电机的矩角特性曲线,它与∂L/∂θ只差一个系数12Z2rI212Ζr2Ι2。二者形状是一致的。以上讨论都是在磁路不饱和的条件下进行的。但作为性能分析仍不失一般性。对矩角特性进行谐波分析,可表示为下式:T=T1msinθ+T2msinθ(2θ+γ2)+T4msin(4θ+γ4)+……(14)忽略4次以上谐波,可近似表达为下式:T=T1msinθ+T2msin(2θ+γ2)(15)式(15)中的第二项是使矩角特性产生不对称形状的关键项,这一项中的幅值T2m及相移角γ2是决定矩角特性不对称的决定因素,显然T2m过小不会对矩角特性产生影响。γ2必须满足下述条件γ2≠nπ2(nγ2≠nπ2(n为自然数)(16)才能使矩角特性不对称,γ2角的值取决于鹰嘴部分的形状及α的选择,这涉及到合理设计鹰嘴的问题。笔者所设计的电机的矩角特性较好地满足了要求,其谐波分析图如图8所示。3.3电机起动转矩的影响从静态特性分析中可知,电机具有起动转矩的条件是矩角特性是非对称形状,能使矩角特性产生非对称形状的条件是:(1)定转子间气隙磁导中含有丰富的高次谐波,影响最大的是2次谐波,从而使矩角特性曲线中含有较强的2次谐波,而且2次谐波的相移角须满足式(16)的条件。(2)永磁磁极上的绕组磁势与永磁磁极对外磁路提供的磁势相等并方向相反。满足了这两条的要求,电机就有起动转矩,从而电机能够正常起动,否则电机无法正常起动。上述两个条件中,(1)是必要且充分条件,(2)是充分条件,满足这一条件的电机才能可靠运行。否则不但会产生较大的步距角误差,严重时电机只会摆动,不