電機(jī)拖動(dòng)第11章變磁阻(雙凸極)電機(jī)

1、第11章 變磁阻(雙凸極)電機(jī)的建模與分析內(nèi)容簡(jiǎn)介：內(nèi)容簡(jiǎn)介： 涉及下列兩類雙凸極電機(jī)的基本運(yùn)行原理、電磁過(guò)程、數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行特性 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī); 步進(jìn)電機(jī) 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置決定各相勵(lì)磁繞組的通電時(shí)刻,因而屬于自控式同步電動(dòng)機(jī)的一種; 步進(jìn)電機(jī)是按照一定的順序?qū)Χㄗ觿?lì)磁繞組進(jìn)行通電,定子繞組每輸入一個(gè)脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。兩類電機(jī)的差別：兩類電機(jī)的共同點(diǎn)：u 從結(jié)構(gòu)上看：由裝有勵(lì)磁繞組的定子和具有凸極的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其轉(zhuǎn)子上無(wú)任何繞組；u 從原理上看：利用轉(zhuǎn)子凸極軸線總是趨向于與定子所產(chǎn)生的磁通軸線對(duì)齊，最終確保在給定定子激磁的條件下獲得最大的定子磁鏈。正是這一“對(duì)齊”趨勢(shì)，才使得變磁阻

2、電機(jī)產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。 11.1 預(yù)備知識(shí)（電源輸入的電能）=（磁場(chǎng)儲(chǔ)能的增量）+（輸出的機(jī)械能）+（轉(zhuǎn)換為熱的能量） 11.1.1 機(jī)電系統(tǒng)的能量守恒定律內(nèi)容:對(duì)于以磁場(chǎng)作為媒介的機(jī)電系統(tǒng)，根據(jù)能量守恒定律，有：無(wú)損耗磁場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)介質(zhì)損耗機(jī)械損耗電阻損耗電能輸入機(jī)械能輸出2TuiRi2ReemT2圖11.1 基于磁場(chǎng)耦合的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置（11-1） 11.1.2 利用磁場(chǎng)儲(chǔ)能和磁共能對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 mecmedWdWdW （11-2） 根據(jù)圖11.1中的無(wú)損耗磁場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用式（11-1）得下列增量關(guān)系：1. 利用磁場(chǎng)儲(chǔ)能計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)于圖11.1所示的無(wú)損耗磁場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，根據(jù)法拉第

3、電磁感應(yīng)定律，得：dtdeu（11-3） iduidtdWe（11-4） 對(duì)于具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)電系統(tǒng)，其輸出機(jī)械能的微分為：dTdWemmec（11-5）將式（11-4）、（11-5）代入（11-2）便可獲得能量法的基本關(guān)系式為：dTiddWemm（11-6） 上式表明：機(jī)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換是由耦合磁場(chǎng)的變化而引起的。對(duì)于電氣系統(tǒng)，正是由于耦合磁場(chǎng)的變化正是由于耦合磁場(chǎng)的變化（表現(xiàn)為磁鏈的變化）才引才引起線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)起線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)，使得電能得以輸入或輸出；對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)，正是由于磁場(chǎng)儲(chǔ)能的變化才導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩正是由于磁場(chǎng)儲(chǔ)能的變化才導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩（或電磁力)的產(chǎn)生的產(chǎn)生，使得機(jī)械能得以輸出或輸

4、入。利用磁場(chǎng)儲(chǔ)能計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩的一般方法利用磁場(chǎng)儲(chǔ)能計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩的一般方法: ),(mmWW考慮到 ，根據(jù)全微分，有：dWdWdWmmm（11-7） 對(duì)比式（11-6）和（11-7）得： ),(mWi),(memWT（11-8）（11-9）2. 利用磁共能計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩圖11.2 磁場(chǎng)儲(chǔ)能和磁共能的定義利用磁場(chǎng)儲(chǔ)能計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩的一般方法利用磁場(chǎng)儲(chǔ)能計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩的一般方法:圖11.2中，磁場(chǎng)儲(chǔ)能和磁共能可分別用下式來(lái)描述：0),(diWmmimcWidiii diW00),(),(（11-10） （11-11） 對(duì)式（11-11）取微分得： mmcdWiddW)(（11-12） 將式（11-6）代入

5、上式，得：dTdidWemmc（11-13） ),(iWWmcmc由于 ，利用全微分，得： dWdiiWdWimcmcmc（11-14）對(duì)比式（11-13）和（11-14）得：iWmc),(imcemWT),(（11-15）（11-16）當(dāng)磁路為線性時(shí)，磁鏈和電流之間的關(guān)系變?yōu)椋?iL)(于是，磁場(chǎng)儲(chǔ)能為： 220)(21)(21),(iLLdiWm磁共能為：20)(21),(iLi diWmc（11-17）（11-18）將式（11-18）代入（11-16）得：2)(21iLTem（11-19） 上式表明：SRM所產(chǎn)生的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩正比于電感的導(dǎo)數(shù)以及電流的平方。即:(1) 若電感隨著轉(zhuǎn)角的增

6、加而增加，且繞組內(nèi)有電流流過(guò)，則所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為正，即電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)性的。此時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)；若電感隨著轉(zhuǎn)角的增加而減小，且繞組內(nèi)有電流流過(guò)，則所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，即電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性的。此時(shí)，電機(jī)將運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)（或回饋制動(dòng)狀態(tài)）; (2)由于電磁轉(zhuǎn)矩與電流的平方成正比，電磁轉(zhuǎn)矩的正、負(fù)與電流的方向無(wú)關(guān)，因此每相繞組可以通過(guò)單方向的電流供電。 3.利用磁共能計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)于多端激磁系統(tǒng)(即由多相繞組同時(shí)激磁的系統(tǒng)，式（11-6）可修改為：dTdidWemnkkkm1（11-20）多端激磁系統(tǒng)滿足下列關(guān)系式： ,211121),(nkkknmkWi nnmemWT 21,21),(

7、相應(yīng)的磁共能為： mnkkkmcWiW1用磁共能表示的多端激磁系統(tǒng)的磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩由下式給出： ,211121),(nkkiiiiiknmckiiiiW niiinmcemiiiWT 21,21),(（11-21）（11-22）（11-23）（11-24）（11-25）對(duì)于線性磁路，若定子兩相繞組同時(shí)通電，則磁共能變?yōu)椋?11222222111)()(21)(21iiLiLiLWmc（11-26）代入式（11-25）得電磁轉(zhuǎn)矩為：)()(2)(2122122221121LiiLiLiWTmcem（11-27） 對(duì)于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) ， 一般可以忽略不計(jì)，因此，每相定子繞組所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩仍與對(duì)應(yīng)相

8、電流的平方成正比。)(12L11.2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的建模與分析n 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小；n 成本?。籲 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快n 系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬n 效率高、可靠性高11.2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的建模與分析SRM的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)：n 轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)n 噪音大11.2.1 SRM的基本運(yùn)行原理圖11.4 四相8/6開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的截面圖在運(yùn)行原理上，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相當(dāng)于大步距角的步進(jìn)電機(jī)。在運(yùn)行原理上，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相當(dāng)于大步距角的步進(jìn)電機(jī)。考慮到SRM定子電感的變化率可由下式近似給出：)1 (maxminmaxminmax11LLLLLLmm （11-28） maxLminL 式中， 、 分別表示定、轉(zhuǎn)子軸

9、線對(duì)齊（即齒對(duì)齒）時(shí)定子每相繞組電感的最大值和定子齒與轉(zhuǎn)子槽軸線對(duì)齊（即齒對(duì)槽）時(shí)定子每相繞組電感的最小值； SRM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分析：的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分析： 雙凸極結(jié)構(gòu)； 定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)（或齒數(shù)）之比（多極與少極之比）最好不為 整數(shù)。如8/6極或6/4極。 （1）（2） 根據(jù)式（11-9）及上式，可見(jiàn)：雙凸極結(jié)構(gòu)（其 較大），可以確保最大電磁轉(zhuǎn)矩；minmax/ LL定、轉(zhuǎn)子取非整數(shù)極數(shù)之比是為了避免轉(zhuǎn)矩死點(diǎn)（轉(zhuǎn)矩為零的點(diǎn)）。11.2.2 SRM的電磁過(guò)程 線性磁路時(shí)SRM的定子電感波形與電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生圖11.5 SRM磁路線性時(shí)定子磁鏈與電流之間的關(guān)系曲線SRM 定子電感的分布圖：定子電感的分布

10、圖：圖11.6 定子繞組的電感隨轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律u要產(chǎn)生正的（或驅(qū)動(dòng)性的）電磁轉(zhuǎn)矩，就必須在電感隨轉(zhuǎn)角增加時(shí)（即A區(qū)）給定子相繞組提供脈沖電流，亦即在轉(zhuǎn)子齒沿旋轉(zhuǎn)方向逐漸與定子齒對(duì)齊過(guò)程中給所在定子相繞組提供勵(lì)磁。此時(shí)，SRM工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能和磁場(chǎng)儲(chǔ)能；u在轉(zhuǎn)子齒沿旋轉(zhuǎn)方向逐漸離開(kāi)定子齒過(guò)程中給所在定子相繞組提供勵(lì)磁，則所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)（或制動(dòng)性的電磁轉(zhuǎn)矩）。此時(shí)，SRM工作在發(fā)電或再生制動(dòng)狀態(tài)，機(jī)械能和磁場(chǎng)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。根?jù)式（11-19）以及圖11.6可得如下結(jié)論結(jié)論： 2、SRM的控制方式 基速以下的斬波控制模式基速以下的斬波控制模式（Current-Chopped

11、 Control, CCC）； 基速以上的單脈沖控制模式（基速以上的單脈沖控制模式（又稱為角度位置控角度位置控制制（Angular Position Control, APC） 二種控制方式：二種控制方式：A A、斬波控制模式、斬波控制模式(CCC)(CCC) (a) 線性電感波形 (b) 理想電流波形(c) 斬波模式下的相電流波形 (d) 斬波模式下的相電壓波形圖11.7 斬波控制模式下的電流與電壓波形 脈沖電流的開(kāi)通角通常選在電感增加區(qū)域之前的位置,以確保在電感增加之前的最小電感區(qū)域內(nèi)電流迅速上升至所要求的數(shù)值 ； 關(guān)斷角也應(yīng)選在最大電感區(qū)結(jié)束之前的位置,以確保電流在達(dá)到負(fù)電磁轉(zhuǎn)矩或電感下

12、降區(qū)之前盡可能衰減結(jié)束。斬波控制方式下的注意事項(xiàng)：斬波控制方式下的注意事項(xiàng)：B、單脈沖控制模式、單脈沖控制模式 (APC)圖11.8 單脈沖控制模式下的電流與電壓波形 開(kāi)通角應(yīng)設(shè)置在進(jìn)入電感增長(zhǎng)區(qū)之前的最小電感區(qū)之內(nèi) ，以確保獲得電流盡快達(dá)到所需數(shù)值 ； 關(guān)斷角也應(yīng)設(shè)置在最大電感區(qū)結(jié)束之前的位置，以確保電流衰減到零的角度盡可能在電感下降區(qū)之前結(jié)束。 單脈沖控制方式下的注意事項(xiàng)：?jiǎn)蚊}沖控制方式下的注意事項(xiàng)：C、兩種控制方式下的調(diào)速性質(zhì)、兩種控制方式下的調(diào)速性質(zhì) 基速 以下的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)； 高于基速低于 的恒功率運(yùn)行區(qū) 高于 的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性運(yùn)行區(qū)。 圖11.9 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲

13、線三個(gè)運(yùn)行區(qū)：b1m1m3. 磁路飽和時(shí)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與能量轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算圖11.10 SRM磁路飽和時(shí)每相定子磁鏈與電流之間的關(guān)系曲線磁路飽和時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)磁共能進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)式(11-16)A、平均電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算、平均電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算:圖11.11 斬波控制和單脈沖控制兩種模式下的磁場(chǎng)儲(chǔ)能和磁共能 p （磁共能）：表示一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)化為輸出的機(jī)械能；p （磁場(chǎng)儲(chǔ)能），表示建立氣隙磁場(chǎng)所需要輸入的能量，對(duì)應(yīng)與無(wú)功，負(fù)責(zé)電機(jī)與電源之間的能量交換。p ：變流器所提供的總能量。mcWmW各部分面積所對(duì)應(yīng)的物理意義：各部分面積所對(duì)應(yīng)的物理意義：mmcWW根據(jù)圖11.11和式（11-6），恒速運(yùn)行時(shí)，

14、SRM的平均電磁轉(zhuǎn)矩可近似表示為：根據(jù)圖11.11和式（11-6），恒速運(yùn)行時(shí)，SRM的平均電磁轉(zhuǎn)矩可近似表示為：)()(onoffmcraveWmpT（11-30） B、能量轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算、能量轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算:能量轉(zhuǎn)換系數(shù)的定義：能量轉(zhuǎn)換系數(shù)的定義： mmcmcEWWWK變流器提供的視在容量機(jī)械輸出功率（11-31）結(jié)論：結(jié)論：一般情況下，磁路線性時(shí)， ；當(dāng)磁路飽和時(shí)， 。 5 . 0EK7 . 06 . 0EK 在輸出功率一定的情況下，磁路的飽和程度越高，所需變流器的視在容量（伏安數(shù)）越??； 另一方面，磁路的飽和限制了磁通密度的增加，使得輸出轉(zhuǎn)矩（或功率）有所下降。為了確保相同的輸出功率，

15、必須加大電機(jī)本 體的尺寸。 11.2.3 SRM的數(shù)學(xué)模型1. SRM的基本方程式與等效電路 根據(jù)KVL，得每相定子繞組的電壓方程為: dtidirus),(1111（11-32） 上式可進(jìn)一步展開(kāi)為：),(),(),(11111111111111111iEdtdiiLirdtdiiLirdtddtdiiirurrrsrrrsrrs（11-33）根據(jù)上式得SRM的等效電路如圖11.12所示.圖11.12 SRM的等效電路注：圖11.12中， 與 分別表示定、轉(zhuǎn)子的鐵耗電阻； msrmrrSRM的動(dòng)力學(xué)方程式可表示為： LemrTTdtdJ （11-34） m若 相定子繞組同時(shí)通電，則SRM所產(chǎn)

16、生的總電磁轉(zhuǎn)矩可由下式給出： 1ememmTT10111),(1diiTiem（11-35）式中， 為定子一相繞組通電時(shí)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 。1emT2. SRM磁化曲線的準(zhǔn)線性模型 圖11.13 磁化曲線的分段線性化圖11.13中，兩直線段可用下列方程來(lái)描述：時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)sssssiiKiLiiiKLi)()(minminminmin（11-36） 式中， 為對(duì)應(yīng)于 時(shí)的轉(zhuǎn)子角度（通常 ）；由此便可以計(jì)算出平均電磁轉(zhuǎn)矩和能量轉(zhuǎn)換系數(shù)。minminL0minmcW。然后，再根據(jù)式（11-16）、（11-30）以及式（11-31）分別計(jì)算出相應(yīng)的平均電磁轉(zhuǎn)矩和能量轉(zhuǎn)換系數(shù)。11.2.4 SRM常用供電

17、變流器的類型與控制方式u 雙繞組供電式變流器：u 直流電源分裂式變流器u 雙開(kāi)關(guān)器件式變流器圖11.14 SRM常用的變流器類型三種常用類型的供電變流器：三種常用類型的供電變流器：2、SRM供電變流器的控制方式供電變流器的控制方式 單四拍控制方式； 雙四拍控制方式； 四相八拍控制方式。與步進(jìn)電機(jī)相同，下面以8/6極為例加以說(shuō)明：（詳見(jiàn)下一節(jié)步進(jìn)電機(jī)的控制方式） 與步進(jìn)電機(jī)的唯一區(qū)別是：SRM的開(kāi)通和關(guān)斷角是可以控制的；而步進(jìn)電機(jī)是固定的。11.2.5 SRM調(diào)速系統(tǒng)的組成1、轉(zhuǎn)子位置傳感器圖11.15 轉(zhuǎn)子位置傳感器的安裝僅以8/6極為例加以說(shuō)明：2、SRM調(diào)速系統(tǒng)的組成圖11.16 4相SR

18、M組成的調(diào)速系框圖 11.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的建模與分析 n 每輸入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子則移動(dòng)一步距角 ；n 輸出步距角的精度主要取決于自身的結(jié)構(gòu) ；n 可以看作為是一種按脈沖方式工作的同步電動(dòng)機(jī)；n 轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速僅受控于定子繞組的通電頻率，與負(fù)載以及電壓的變化無(wú)關(guān)，也不受環(huán)境等因素的影響 ；步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)的類型：步進(jìn)電機(jī)的類型：u 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)u 永磁式步進(jìn)電機(jī)u 混合式步進(jìn)電機(jī)11.3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理1. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理圖11.17 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理示意圖（模型電機(jī)）圖中，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向取決于通電順序。2. 定子繞組的通電控制方式 單三拍

19、通電方式；即： ，步距角 。 雙三拍通電方式；即： ， 步距角 單、雙六拍通電方式。即：步距角 。以三相定子繞組為例加以說(shuō)明。ACBA30sABCABCAB30sABABCBCACA15s 為了減小步距角，實(shí)際步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子皆采用多齒結(jié)構(gòu)，如圖11.18a所示。 圖11.18 三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)與展開(kāi)圖（實(shí)際電機(jī)）對(duì)于實(shí)際反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子齒數(shù)需滿足下列條件：)1(2mKpZr（11-37） 式中，2p為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子的極數(shù)；m 為定子相數(shù)；K為任意正整數(shù)。 由于經(jīng)過(guò)一個(gè)通電周期后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，同時(shí)考慮到每個(gè)電脈沖周期是由N拍組成，則每個(gè)電脈沖（或每拍）作用下轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)

20、過(guò)的角位移即步距角步距角為：結(jié)論NZrs360 （11-38） sN上式表明，步距角步距角 與轉(zhuǎn)子齒數(shù)與轉(zhuǎn)子齒數(shù) 和拍數(shù)和拍數(shù) 有關(guān)有關(guān)，而拍數(shù)又進(jìn)一步與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)和通電方式有關(guān)。 u步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角（或轉(zhuǎn)速）與定子繞組的輸入脈沖保持嚴(yán)格的比例（或同步）關(guān)系。u步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一個(gè)速比為 或 的齒輪減速機(jī)構(gòu)。 rZrZ2min)/(60rNZfnr 設(shè)通電脈沖的頻率為 ，則經(jīng)過(guò)一個(gè)通電周期（即 N個(gè)電脈沖）后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距所用的時(shí)間為 秒，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一周所用的時(shí)間為 。因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 ： （11-39） 而定子步進(jìn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速定子步進(jìn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)

21、速為：mfpfn60601（11-40） 考慮到對(duì)于反應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，于是得反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定子步進(jìn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速之比為： mNZnnr1（11-41） 若采用單拍通電方式，則 ，從而 ；若采用雙拍通電方式，則，從而 ，由此可見(jiàn) ，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一個(gè)速比為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一個(gè)速比為 或或 的齒輪減速機(jī)構(gòu)的齒輪減速機(jī)構(gòu)。 fNZrfNf說(shuō)明如下：mN rZnn1rZnn21mN2rZrZ211.3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型與結(jié)構(gòu) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)n單段式n多段式 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)類型：類型：1.多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（又稱為軸向分相式步進(jìn)電機(jī)又稱為軸向分相式步進(jìn)電機(jī)

22、）：）：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：定、轉(zhuǎn)子鐵心沿著軸向被分成幾段，各段磁路獨(dú)立。每段鐵心沿圓周方向開(kāi)有數(shù)量、形狀相同的齒槽，并且各段定子（或轉(zhuǎn)子）鐵心沿圓周方向依次錯(cuò)開(kāi) 齒距。每一段都有繞組激磁，組成單獨(dú)一相，m段則組成m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。性能特點(diǎn)：步距角小、起動(dòng)與運(yùn)行頻率高；m/12. 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子每相極數(shù)相同;通電方式：采用兩相四拍通電方式時(shí),按 順序輪流導(dǎo)通,轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，步距角為 ;性能特點(diǎn):步距角大、起動(dòng)與運(yùn)行頻率低，需正、負(fù)脈沖供電,斷電時(shí)具有自定位轉(zhuǎn)矩。圖11.19 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)ABABA)()(45s3. 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):轉(zhuǎn)子則由環(huán)形磁

23、鐵和兩段鐵心組成。每段鐵心沿外圓周方向開(kāi)有小齒，兩段鐵心上的小齒彼此錯(cuò)開(kāi)1/2齒距。性能特點(diǎn):步距角小、起動(dòng)與運(yùn)行頻率高,需正、負(fù)脈沖供電,斷電時(shí)具有自定位轉(zhuǎn)矩。 圖11.20 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 A 11.3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與主要參數(shù) 靜態(tài)運(yùn)行性能(矩角特性 ) 動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能 (矩頻特性 )1. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 矩角特性與靜穩(wěn)定區(qū)矩角特性與靜穩(wěn)定區(qū)定義定義: : 矩角特性矩角特性是指在定子繞組電流保持不變的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩 與失調(diào)角之間的關(guān)系:)(fTem)(fTem失調(diào)角失調(diào)角的定義見(jiàn)右圖:圖11.21 步進(jìn)電機(jī)的失調(diào)角與電磁轉(zhuǎn)矩A A、矩角特

24、性的計(jì)算、矩角特性的計(jì)算: : 電磁轉(zhuǎn)矩順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?轉(zhuǎn)子齒順時(shí)針領(lǐng)先定子齒軸線時(shí)的失調(diào)角為正； 轉(zhuǎn)子相鄰一對(duì)齒距所占的空間電角度為 規(guī)定:2 設(shè)僅定子一相繞組通電，且忽略磁路的飽和效應(yīng),同時(shí)考慮到電感隨失調(diào)角按周期性變化并具有對(duì)稱性，于是定、轉(zhuǎn)子齒之間的電感可用Fourier級(jí)數(shù)表示為： nkkmkLLL10cos)(（11-42） 將式（11-42）代入（11-19）(即利用磁共能方法)，并考慮到電角度與機(jī)械角的不同，于是便可求得電磁轉(zhuǎn)矩為： nkkmremkkLiZT12sin21 忽略高次諧波電感，同時(shí)考慮到一般情況下步進(jìn)電機(jī)每相定子繞組是由一對(duì)磁極組成，則每相繞組所產(chǎn)生的靜態(tài)電磁

25、轉(zhuǎn)矩靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩為： sinsin12smmremTLiZT（11-43） 若采用多相定子繞組同時(shí)通電，則 mrsmLiKZT12根據(jù)式（11-43），可繪出步進(jìn)電機(jī)的矩角特性曲線如圖11.22所示。圖11.22 步進(jìn)電機(jī)的矩角特性B、靜穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域問(wèn)題、靜穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域問(wèn)題: 靜穩(wěn)定區(qū)域的定義靜穩(wěn)定區(qū)域的定義: 在矩角特性中，把所有穩(wěn)定點(diǎn)所在區(qū)間定義為靜穩(wěn)定區(qū)域靜穩(wěn)定區(qū)域，用失調(diào)角 表示。 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本上是工作在多脈沖連續(xù)運(yùn)行方式，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩便變?yōu)閯?dòng)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩。 )180,180( 對(duì)圖11.22而言，靜穩(wěn)定區(qū)為 ，即轉(zhuǎn)子齒軸線位于相鄰兩個(gè)定子槽軸線之間得的區(qū)域。（2）矩頻特性與動(dòng)

26、穩(wěn)定區(qū)矩頻特性與動(dòng)穩(wěn)定區(qū)定義:矩頻特性矩頻特性定義為電磁轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率之間的關(guān)系： 。 )(1ffTem圖11.23給出了典型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性。 圖11.23 典型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性 由右圖可見(jiàn),隨著定子通電脈沖頻率的提高，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩減小。這主要?dú)w因于定子繞組的電感引起定子繞組電流按指數(shù)規(guī)律上升所致。 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于兩種或兩種以上供電狀態(tài)的切換過(guò)程中。如何在供電狀態(tài)切換過(guò)程中保持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行而不至于引起失步則是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定動(dòng)態(tài)穩(wěn)定所研究的問(wèn)題。而一相單獨(dú)供電下的穩(wěn)定問(wèn)題則屬于靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題。 現(xiàn)說(shuō)明如下：圖11.24分別畫出了A、B、C三相單獨(dú)通電時(shí)的矩角特性。 圖11.24

27、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定的概念空載時(shí)，若僅A相通電，則轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行在a(或O）點(diǎn)；當(dāng)由A相繞組切換至B相繞組通電時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)由a點(diǎn)跳至 。考慮到 位于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域 內(nèi)，轉(zhuǎn)子將加速運(yùn)行至b點(diǎn)，并穩(wěn)定運(yùn)行于b點(diǎn)。當(dāng)通電繞組切換至c相時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)將由b點(diǎn)切換至c點(diǎn)。 aa)180,180(ss負(fù)載后，同樣的通電切換過(guò)程，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)將由 點(diǎn)切換至 點(diǎn)，再切換至 點(diǎn)。只要切換點(diǎn)位于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，則轉(zhuǎn)子將動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。 1a1b1c結(jié)論： 步距角越小，步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性越好； 三相單、雙六拍通電方式比單、雙三拍更穩(wěn)定。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū) 將動(dòng)態(tài)切換過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)不至于引起失步的區(qū)域?yàn)閯?dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域。圖1

28、1.24中,動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域?yàn)?。)180,180(ss最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩 兩條矩角特性交點(diǎn)處的靜轉(zhuǎn)矩稱為步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。2.2.步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)(1) 步距角每個(gè)電脈沖作用下,轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，通常用機(jī)械角度來(lái)表示。一般步距角是固定的。NZrs360步距角可表示為：（11-38） （2）起動(dòng)頻率定義：空載情況下，能夠不至于引起失步起動(dòng)的最大脈沖頻率。（3）運(yùn)行頻率定義：正常運(yùn)行時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不至于失步的最高脈沖頻率，其一般高于起動(dòng)頻率。（4）最大轉(zhuǎn)矩（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩）定義：轉(zhuǎn)子正常不失步運(yùn)行時(shí)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。（見(jiàn)圖11.24中兩矩角特性的交點(diǎn))(5) 最大保持轉(zhuǎn)矩 定義：定子繞組

29、通電，轉(zhuǎn)子保持不轉(zhuǎn)時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩。（見(jiàn)圖11.22中的 )smT11.3.4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般結(jié)構(gòu)：一般結(jié)構(gòu)：圖11.25 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)分類分類n 單極性驅(qū)動(dòng)電路單極性驅(qū)動(dòng)電路：適用于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)適用于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)n 雙極性驅(qū)動(dòng)電路雙極性驅(qū)動(dòng)電路：適用于永磁和混合式步進(jìn)電機(jī)適用于永磁和混合式步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)電路 單極性驅(qū)動(dòng)電路 雙極性驅(qū)動(dòng)電路 高低壓驅(qū)動(dòng)電路 斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路 雙繞組電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 調(diào)頻調(diào)壓型驅(qū)動(dòng)電路 細(xì)分（或微步進(jìn)）驅(qū)動(dòng)控制電路1.單極性驅(qū)動(dòng)電路圖11.26 典型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單極性驅(qū)動(dòng)電路2. 雙極性驅(qū)動(dòng)電路圖11.27 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的雙極性驅(qū)動(dòng)電路 3.高低壓驅(qū)動(dòng)電路圖11.28 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高低壓