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

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 OF CHINA 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),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相吻合

2、。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):TM383.6Calculation and Analysis of Single Phase StepperMotor With Claw PolesZou Jibin Li Wei Li Yong(Harbin Institute of Technology Harbin 150001 ChinaAbstract A new kind of single-phase stepper motor with axial air gap an

3、d claw poles is presented in this paper. The Flux software of 3-dimensional FEM is used to solve the performance of the motor. The cogging torque and the torque-angle properties are computed. The factors influencing the motor performance are analyzed and the design of the motor is optimized. Experim

4、ental results of the prototype motor agree with that of computations. The computation and experiment analysis indicate that the motor with bevel poles has the self-starting ability.Keywords:Stepper motor, single phase, claw pole, numerical calculation1引言單相步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便,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)

5、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

6、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材料。 圖1 爪極式單相永磁步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of single

7、 phase steppermotor with claw poles多相步進(jìn)電機(jī)工作時(shí),是通過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,因此只能通過定位力矩來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

8、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)

9、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、0.2A、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 to

10、rque-angle propertiesunder different currents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

11、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 (a定位力矩波形 (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 when the pole arc modulusare 0.6 and 0.754.2磁極斜角的影響由單相永磁步進(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,一側(cè)磁

12、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。 (a定位力矩波形 (b矩角特性波形圖5 磁極斜角為12°、18°時(shí)的力矩特性Fig.5 The torque properties when the bevel of magnet are12°and 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12°時(shí)的相移,因?yàn)榇艠O斜角越大,磁路的不

13、對(duì)稱程度越大,從而定位4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

14、角特性二次諧波成分較少,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

15、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)較理想。 (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 the height ofmagnet are 0.3 and 0.6mm5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過上述分析,確定了一

16、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 contrast between Flux computation result andexperiment result6 結(jié)論通過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

17、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。(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

18、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 Zongpei, Guo Qingji, Wu Miaosheng. Analysis of single phase step motors with nonuniform airgapJ. Journal of Harbin Institute of Technolo

19、gy,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. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 1999, 19(6: 11-15.Cheng Zhi, Wang Zongpei. Simulation of hybrid stepmotors vibration characteristicsJ. Proceedings 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)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 Yongxi

20、ao. New method for restraining hunting problem of hybridstepping motor systemJ. Transactions of ChinaElectrotechnical Society, 1999, 14(1: 63-67.4 王群京, 馬飛, 李國麗, 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. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002, 22(1: 38-41.Wang Qunjing, Ma Fei, Li Guoli, et al. The analysis and calculations on 3-dimensional

21、 field and inductance of a claw-pole alternator under no-loadconditionJ. Proceedings of the CSEE, 2002, 22 (1:38-41.5 Demerdash N A, Nehl T W, Fouad F A, et al. Threedimensional finite element vector potential formulation of magnetic fields in electrical apparatusJ. IEEE Transactions on Power Appara

22、tusand Systems, 1981, 100(10: 4104-4111.6 Ramesohl I, Henneberger G, Kuppers, et al. Threedimensional calculation of magnetic forces anddisplacements of a claw-pole generatorJ. IEEETransactions on Magnetics, 1996, 32(3: 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.Zhang Zhiming,

23、 Wen Guixing. Special and electromechanical one phase stepping motorJ. Smalland Medium Electric Machines, 2003, 30(6: 9-10. 8 Meneroud P M, Azeau F, Bloch F Claeyssen. Impactof miniaturization technologies on the structure andperformances of micro motor for watches applicationsJ.Proc. ACTUATOR, 2002: 459-465.9 Meneroud P, et al. Single phase stepper motor usingpermanent mag