傳感與控制-單相永磁步進(jìn)電機(jī)特性的數(shù)值計(jì)算與分析(精)

1、2007 年 10 月電工技術(shù)學(xué)報(bào) Vol.22 No.10 第 22 卷第 10 期 TRANSACTIONS OFCHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Oct. 2007爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)特性的數(shù)值計(jì)算與分析鄒繼斌李巍李勇(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院哈爾濱150001摘要介紹了一種特殊結(jié)構(gòu)的單相永磁步進(jìn)電機(jī) - 爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)采用軸向磁路結(jié)構(gòu)，定子的內(nèi)齒和外齒交錯(cuò)在一起構(gòu)成爪極式結(jié)構(gòu)。采用電磁 場(chǎng)計(jì)算軟件 Flux3d 對(duì)電機(jī)的矩角特性和定位力矩進(jìn)行了計(jì)算，分析了參數(shù)變化對(duì)電 機(jī)性能的影響，對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。制造出樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)

2、，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相吻合。分析結(jié)果表明，采用定子磁極斜角的方案可以使電機(jī)具有自起 動(dòng)能力，合理設(shè)計(jì)極弧角等參數(shù)，能有效地提高電機(jī)的出力。關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī)單相爪極式數(shù)值計(jì)算中圖分類號(hào):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 引言單相步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方

5、便,易于小型化、微型化等優(yōu)點(diǎn)1-3，并且位 移與輸入信號(hào)脈沖數(shù)成正比，可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、價(jià)格較 低。因此常用于儀表、計(jì)時(shí)裝置中。本文介紹了一種新型結(jié)構(gòu)的爪極式單相永磁步 進(jìn)電機(jī)，采用軸向磁路爪極結(jié)構(gòu)，除了具有上述單相永磁步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)外，還可 以采用薄膜磁性材料做磁極，更易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的微型化。本文闡述了爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行原理，使用電磁場(chǎng)計(jì)算 軟件Flux3d 對(duì)爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了特性計(jì)算與分析，分別給出了極弧系 數(shù)、磁極斜角、磁鋼厚度對(duì)電機(jī)性能的影響，并以此為基礎(chǔ)對(duì)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè) 計(jì)。研制出實(shí)際樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分析

6、和計(jì)算結(jié)果的正確 性。2 爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理常見的單相永磁步進(jìn)電機(jī)一般采用徑向磁路結(jié)構(gòu)。本文介紹的爪極式單相永磁 步進(jìn)電機(jī)采用軸向磁路結(jié)構(gòu)，定子由兩部分組成，內(nèi)齒和外齒組合在一起構(gòu)成爪極式 結(jié)構(gòu)，通過(guò)軛部將內(nèi)外齒聯(lián)結(jié)在一起。同心式環(huán)形繞組纏繞在定子兩部分之間的空 間區(qū)域內(nèi)，磁通通過(guò)定子磁極、轉(zhuǎn)子磁極和磁軛形成收稿日期 2006-11-06 改稿日期 2007-03-012 電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2007 年 10 月閉合回路，如圖 1 所示。其中定子磁極的材料為電工純鐵，轉(zhuǎn)子磁極為平面扇形 釹鐵硼稀土永磁材料，定子與基座一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于磁極為平面結(jié)構(gòu)，也可 以采用薄膜永磁

7、材料。圖 i 爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of sin gle phase steppermotor with claw poles多相步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，是通過(guò)不同相繞組之間的輪流導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)的，而 爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)只有一相繞組，因此只能通過(guò)定位力矩來(lái)代替其他相繞組 的作用實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。定子齒數(shù)與轉(zhuǎn)子極數(shù)相同且磁路結(jié)構(gòu)對(duì)稱時(shí)，定位力矩的平衡點(diǎn)與繞組通電產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的平衡點(diǎn)是重合的，電機(jī)無(wú)自起動(dòng)能力。為了使定位力 矩的平衡點(diǎn)產(chǎn)生一定的偏移角度，保證電機(jī)具有固定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和一定的帶載起動(dòng) 能力,在結(jié)構(gòu)上通常采用兩種方法：使主磁路產(chǎn)生一定的不對(duì)稱性：采

8、用輔助定位 磁極。其中第一種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本文所設(shè)計(jì)的爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)，在定子齒的一側(cè)削去一角形成斜角式磁極。主磁路的不對(duì)稱，使定位力矩產(chǎn)生一定的相移，進(jìn)而使電機(jī)產(chǎn)生一定的初始角位移。當(dāng)給電機(jī)通以單個(gè)脈沖時(shí)，電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。電機(jī)通以連續(xù)的正負(fù)脈沖時(shí)，電機(jī)即可連續(xù)旋轉(zhuǎn)。由于電機(jī)的起動(dòng)和帶載 能力與定r外齒轉(zhuǎn)子SE電機(jī)的初始位置相關(guān)，所以定位力矩的相移對(duì)電機(jī)的特性有直接的影響。3 電機(jī)的三維場(chǎng)計(jì)算采用法國(guó) Cedrat 公司的電磁場(chǎng)計(jì)算軟件 Flux3d 對(duì)電機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算4- 6,電機(jī)的模型如圖 2 所示。電機(jī)的具體參數(shù)如下：定子外徑為 10mm,軸向長(zhǎng)度為 9mm,轉(zhuǎn)子磁極

9、對(duì)數(shù)取 3,步 距角60氣隙保持不變,磁極斜角、極弧系數(shù)、磁鋼厚度設(shè)為可調(diào)參數(shù)，繞組電流 也設(shè)為可調(diào)參數(shù)。影響該電圖 2 爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)的 Flux 模型Fig.2 The Flux model of single stepper motorwith claw poles機(jī)性能的參數(shù)主要有極弧系數(shù)、 磁極斜角和磁鋼厚度以及繞組電流。 因此在使 用Flux3d建模時(shí)，將以上一些參數(shù)設(shè)為變量，在計(jì)算過(guò)程中改變這些參數(shù)，即可進(jìn)行 電機(jī)的特性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。4 特性計(jì)算與分析步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的特性主要是矩角特性7-9。圖 3 所示為通以不同電流時(shí)的矩角 特性波形的計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)電流分別為 0A、0

10、.2A、0.5A、1.0A、1.5A其中,電流為 0A 時(shí)的矩角特性即為定位力矩。圖 3 不同電流時(shí)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，定位力矩變化次數(shù)為矩角特性的二倍，由于磁極斜角作用，定位力矩的 平衡點(diǎn)存在偏移。定位力矩的作用和磁極斜角的影響使矩角特性發(fā)生畸變，包含了二次諧波。電機(jī)初始位置的力矩大小決定了電機(jī)的起動(dòng)能力，電流較小時(shí)（如 0.2A時(shí)，電機(jī)起動(dòng)能力較差。電流增加則起動(dòng)能力增強(qiáng)，但二次諧波的存在降低了起動(dòng)能 力。隨著電流的增大，定位力矩的二次諧波

11、對(duì)矩角特性的影響變小。計(jì)算結(jié)果還表 明,由于磁路飽和的影響，當(dāng)電流增大到一定的幅值后，轉(zhuǎn)矩增大的幅度變小。第 22 卷第 10 期鄒繼斌等爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)特性的數(shù)值計(jì)算與分析3通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以分析極弧系數(shù)、磁極斜角、磁鋼厚度對(duì)電機(jī)定位力矩和矩角 特性的影響10-12,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。4.1 極弧系數(shù)的影響極弧系數(shù)的大小將影響電機(jī)的磁場(chǎng)分布和運(yùn)行性能。極弧系數(shù)過(guò)大，會(huì)使磁極之間的漏磁增大；極弧系數(shù)選擇過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)齒過(guò)于飽和，都會(huì)使電機(jī)的主磁通 減小，對(duì)運(yùn)行產(chǎn)生不良的影響。圖 4a 圖 4b 所示為磁極斜角為 12。,磁鋼厚度為 0.3mm,而極弧系數(shù)為 0.6 和 0

12、.75時(shí)的定位力矩波形和矩角特性波形。極弧系數(shù)為 0.6 時(shí)，對(duì)應(yīng)的極弧角為 36;極弧系數(shù)為 0.75 時(shí)，對(duì)應(yīng)的極弧角為 45。 fZp*66rp=0.75A(a 定位力矩波形0.0003 r0.0002 -0.0002(b 矩角特性波形圖 4 極弧系數(shù)為 0.6、0.75 時(shí)的力矩特性Fig.4 The torque properties whe n the pole arc modulusare 0.6 and 0.75從圖 4a 可以看出，極弧系數(shù)為 0.75 時(shí)的,定位力矩略小于極弧系數(shù)為 0.6 時(shí)定位 力矩,主要是因?yàn)闃O弧角增大時(shí)漏磁增加，主磁通減少。極弧系數(shù)為 0.75 時(shí)定

13、位力矩 的相移大于極弧系數(shù)為 0.6 時(shí)的相移。較大的相移有利于提高電機(jī)的起動(dòng)和負(fù)載能 力。圖 4b表明與極弧系數(shù)為 0.6 時(shí)相比，極弧系數(shù)為 0.75 時(shí)電機(jī)矩角特性中二次諧 波成分較小，電機(jī)的起動(dòng)特性也較好。通過(guò)不同極弧系數(shù)的計(jì)算對(duì)比可知，極弧系數(shù)取 0.75 較合理,即定子齒的極弧角為 454.2 磁極斜角的影響0 0003F=0；6u2 0.0001tzP=O,75由單相永磁步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理可知，要保證電機(jī)能夠可靠地工作，必須使定位 力矩的平衡點(diǎn)產(chǎn)生一定的相移。本文所設(shè)計(jì)的爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)定子 磁極斜角實(shí)現(xiàn)定位力矩平衡點(diǎn)產(chǎn)生相移的。磁極斜角是指以定子磁極中心線為分界 線

14、，一側(cè)磁極的表面向內(nèi)傾斜，與平面形成的夾角。定子磁極斜角將對(duì)定位力矩的相 移產(chǎn)生影響。圖 5a 圖 5b 所示為極弧角為 45磁鋼厚度為 0.3mm、磁極斜角分 別為 12和 18時(shí)的定位力矩和矩角特性波形。0.0003(a 定位力矩波形0,00024(b 矩角特性波形圖 5 磁極斜角為 12 18寸的力矩特性Fig.5 The torque properties whe n the bevel of mag net are12and 18 從圖 5a 可以看出，磁極斜角為 18時(shí)，定位力矩的相移要大于磁極斜角為的相移，因?yàn)榇艠O斜角越大，磁路的不對(duì)稱程度越大，從而定位QOO030.00020,

15、0001112時(shí)ap=0 64電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2007 年 10 月力矩的平衡點(diǎn)偏移也越大。由此可見，增大磁極斜角有利于提高電機(jī)的起動(dòng)能 力。圖 5b 表明，磁極斜角對(duì)矩角特性也有一定的影響，磁極斜角越大，矩角特性波形 畸變?cè)絿?yán)重，這是由于電機(jī)的定子磁極斜角造成磁路不對(duì)稱，當(dāng)電機(jī)通以電流時(shí)，繞組 產(chǎn)生的磁場(chǎng)不再對(duì)稱，從而導(dǎo)致矩角特性的畸變。磁極斜角越大，定位力矩的相移越大，因此設(shè)計(jì)時(shí)希望磁極斜角大一些。但是電 機(jī)的帶載起動(dòng)能力不僅取決于定位力矩的相移，還與矩角特性有關(guān)。從圖 5 可以看 出，磁極斜角為 18時(shí)，定位力矩的相移較磁極斜角為 12時(shí)相比相差不大；而磁極斜 角為12時(shí)的矩角特性二次諧波

16、成分較少，電機(jī)的起動(dòng)能力強(qiáng)。改變磁極斜角計(jì)算 磁極斜角取為 12較為合理。4.3 磁鋼厚度的影響磁鋼厚度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)電機(jī)的定位力矩和矩角特性都有影響。電機(jī)工作時(shí)，定位力矩要在斷電時(shí)刻代替繞組產(chǎn)生的力矩使電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的初始相移0.0006O.OfMM0.00026m ni決定了電機(jī)的帶載起動(dòng)能力。磁鋼厚度直接影響定位力矩的大小和相移，同時(shí)也影響電機(jī)的矩角特性。圖 6a、圖 6b 所示為極弧角為 45磁極斜角為 12磁鋼厚度為 0.3mm 和 0.6mm時(shí)的定位力矩波形和矩角特性波形。由圖6a、圖 6b 可見,磁鋼厚度越大,電機(jī)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。雖然增大定 位力矩的相移有利于提高電機(jī)的帶載起動(dòng)能力，但磁鋼厚度增加時(shí)，定位力矩的幅值 也隨之增加，電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要較大的電流產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩才能克服定位力矩使電機(jī) 旋轉(zhuǎn)。因此永磁體的磁鋼厚度過(guò)大會(huì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。反之，磁鋼厚度過(guò)*-/rtJrnmC.00C60.00()4O.(XX)2小時(shí)，電機(jī)的初始相移和負(fù)載能力也將變差。計(jì)算結(jié)果表明對(duì)于本文研究的電機(jī)磁 鋼厚度取 0.3mm 時(shí)較理(a定位力矩波形(b 矩角特性波形圖 6 磁鋼厚度為 0.3mm、0.6mm 時(shí)的力矩特性 Fig.6 The torque properties when theheight ofmagnet are

18、 0.3 and 0.6mm5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)上述分析，確定了一組最優(yōu)的參數(shù)組合，即磁極斜角取 12極弧系數(shù)取 0.75;磁鋼厚度取為 0.3mm。通過(guò)有限元計(jì)算，得到了矩角特性的計(jì)算結(jié)果，如圖 7 所示 從計(jì)算結(jié)果中可以分析出，定位力矩波形與矩角特性波形都有一定的相移。以優(yōu)化的結(jié)果設(shè)計(jì)并制造了樣機(jī)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯?，計(jì)算TO 6mm0.0006水/尸0.3mmA曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，證明理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果是相符的。圖 7 Flux 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 The con trast betwee n Flux computati on resu

19、lt andexperime nt result6 結(jié)論通過(guò)本文的分析可以得出以下結(jié)論：(1 提出的爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)采用磁極斜角方式可以實(shí)現(xiàn)定位力矩平衡 點(diǎn)的偏移，從而使第 22 卷第 10 期鄒繼斌等爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)特性的數(shù)值計(jì)算與分析5電機(jī)具有自起動(dòng)和連續(xù)旋轉(zhuǎn)的能力。 理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了這種結(jié)構(gòu)方案 是可行的。(2 電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是協(xié)調(diào)定位力矩與矩角特性之間的相位和幅值的關(guān) 系。盡管定位力矩是電機(jī)起動(dòng)的保障，但是不但定位力矩對(duì)矩角特性產(chǎn)生影響，磁極 斜角也影響矩角特性波形，產(chǎn)生明顯的偶次諧波，降低電機(jī)的負(fù)載能力。理想的設(shè)計(jì) 是在定位力矩平衡點(diǎn)位置矩角特性有較大的力矩。

20、(3 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都表明對(duì)電機(jī)特性影響較大的參數(shù)是磁極斜角和磁鋼厚度。磁 極斜角直接影響定位力矩的平衡點(diǎn)，因此對(duì)電機(jī)特性的影響較大。磁鋼厚度對(duì)定位 力矩的平衡點(diǎn)影響不大，而對(duì)定位力矩的幅值影響較大，磁鋼較厚時(shí)需要較大的電流 才能克服定位力矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，因此磁鋼厚度不能太大。致謝:感謝 Cedrat 公司提供 Flux3d 電磁場(chǎng)計(jì)算軟件。參考文獻(xiàn)1 王宗培,郭慶吉,吳妙勝.氣隙不均勻的單相永磁步進(jìn)電機(jī)J.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1980, 2: 30-40.Wang Zon gpei, Guo Qin gji, Wu Miaoshe ng. An alysis of sin gle phase s

21、tep motorswith nonuniform airgapJ. Journal of Harbin In stitute of Tech no logy,1980, 2: 30-40.2 程智,王宗培.混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性的仿真J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999, 19(6: 11-15.Cheng Zhi, Wang Zongpei. Simulation of hybrid stepmotors vibrati on characteristics.Proceed ings of theCSEE, 1999, 19(6: 11-15.3 王宗培,程智,陳永校.抑制混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

22、振蕩的新方法J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),1999, 14(1:63-67.Wang Zongpei, Cheng Zhi, Chen Yongxiao. New method for restraining huntingproblem of hybridstepp ing motor systemJ. Tran sacti ons of ChinaElectrotechnical Society, 1999, 14(1: 63-67.4 王群京，馬飛，李國(guó)麗，等.爪極電機(jī)空載時(shí)三維磁場(chǎng)的數(shù)值分析和電感計(jì)算J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)2002, 22(1: 38-41.Wang Qunjing, Ma Fei,

23、 Li Guoli, et al. The an alysis and calculati ons on 3-dime nsional field and in ducta nee of a claw-pole alter nator un der no-loadconditionJ. Proceedings of the CSEE, 2002, 22 (1:38-41.5 Demerdash N A, Nehl T W, Fouad F A, et al. Threedime nsional fin ite eleme nt vector pote ntial formulatio n of

24、 magn etic fields inelectrical apparatus.IEEE Tran sacti ons on Power Apparatusand Systems, 1981, 100(10: 4104-4111.6 Ramesohl I, Henn eberger G, Kuppers, et al. Threedime nsional calculati on of magn etic forces anddisplaceme nts of a claw-pole gen eratorJ. IEEETransactions on Magnetics, 1996, 32(3

25、: 1685-1688. 7 張志銘,文貴印.一種特殊 的機(jī)電組合式單相步進(jìn)電機(jī)J.中小型電機(jī)，2003, 30(6: 9-10.Zha ng Zhiming, Wen Guix ing. Special and electromecha ni cal one phase stepp ingmotorJ. Smalland Medium Electric Machines, 2003, 30(6: 9-10. 8 Meneroud P M, Azeau F,Bloch F Claeysse n. I mpactof mini aturizati on tech no logies on the structure andperforma nces of micro motor for watches applicati on sJ.Proc. ACTUATOR, 2002: 459-465.9 Men eroud P, et