单相永磁步进电机结构对静态特性的影响_黄冬梅

( Har bin institute o f techno log y , Har bin, 150001, China) Abstract: In this pa per , based o n th e a naly tic expr essio n, a simulatio n is pr ovided to describe the effect o f st ructure pa rame ter( co ncav ity radius, inne r radius o f sta to r, o uter radius o f permanent mag net and ax is leng th o f perma nent mag ne t) o f sing le- phase perma nent mag ne t stepping mo tor with co ncavity st ruc ture on co gg ing to r que a nd mutua l to rpue, the r esults ca n be used by th e this kind o f moto r desig n. Key words: PM Stepping moto r; Str uctur e; to rque
0 引 言
20世纪 70年代以来 ,单相永磁步进电机在原 理、结构及设计和工艺等方面已不断完善。 例如 ,双 偏心式单相永磁步进电机、单偏心一体式单相永磁 步进电机、单凹坑二体式单相永磁步进电机、双凹坑 一体式单相永磁步进电机和单凹坑一体式单相永磁 步进电机等均已广泛应用于相关领域。 但是对单相 永磁步进电机结构参数对静态特性影响的定量研究 尚不多见。本文拟开展这方面的工作 ,以期能有助于 指导设计 ,进一步提高电机的性能指标。
图 4 定子铁芯 内径 Ds对静特性的影响
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微电机 2005年 第 38卷 第 2期 (总第 142期 )
2. 4 转子永磁外径 Dr 对静特的影响 转子永磁体外径 D r对定位转矩和互转矩幅值
都有影响。 图 5是永磁体外径 D r变化时 ,对定位转 矩和互转矩幅值的影响规律。 同样 ,由于结构限制 , D r的变化也是有一定范围要求的。
1 计算程序框图及静态数学模型
由文献 [ 1 ] ,双凹坑式单相永磁步进电机的互转
矩最大值为:
Mk 1= K el· Ak1· l· Fs· Fm ( 0)
( 1)
式中 , K el为端部效应系数 , K el = 1. 06, Akl为互转矩
系数。
收稿日期: 2004- 03- 09
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A kl =
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参考文献
[ 1] 王宏华 .开关 型磁阻电 动机调速 控制技 术 [ M ].北 京: 机械工业出版社 , 1995
[ 2] 吴建华 .开关 磁阻电机 设计与应 用 [ M ].北 京: 机械工 业出版社 , 2000
[ 3 ] 王 旭 东等 .开 关磁 阻 电动 机开 关 角的 在 线最 优控 制 [ J].电机与 控制学报 , 1999( 3)
DOI : 10. 15934 /j . cnki . micromotors . 2005. 02. 003 微电机 2005年 第 38卷 第 2期 (总第 142期 )
设计与研究· DESIGN ＆ RESEARCH
单相永磁步进电机结构对静态特性的影响
黄冬梅 ,宋立伟 ,程树康
(哈尔滨工业大学 ,哈尔滨 150001)
令其它参数不变 ,改变 R1 的大小 ,得到了定位 转矩幅值与凹坑半径的关系曲线 ,如图 2所示。从图 中可以看到定位转矩的幅值随凹坑半径的增大而增 大 ,但并不呈线性 ,即随着凹坑半径的增大 ,定位转 矩幅值是平缓地增长的。在实际结构中 ,由于对定位 转矩的要求是有一定范围的 ,因此在所讨论的允许 范围内 ,根据对定位转矩数值大小的要求来确定凹 坑半径。 R1对互转矩几乎无影响。
[ 4] 孟宪军 .全数字 开关磁阻电 机控制系 统及控制 策略研 究 [ D ].中国矿 业大学硕士学位论文 , 2002
作者简 介: 李 雷军 , ( 1968- ) ,男 ,中国矿 业大学 信电学 院博士生 ,电力电子与电力传动专业。
图 2 凹坑半径 R1 对静特性的影响
图 1 计算程序框图
2 电机参数对静特性的影响
具体讨论电机的结构参数对互转矩幅值 Mk1和 定位转矩幅值 Mk 2的影响。
2. 1 凹坑半径 R1对静特性的影响
该种电机之所以有负载能力 ,是由于气隙不均 匀性 ,而造成这种不均匀性的根本原因 ,就是由于凹 坑的存在 ,即由于矩有相当大的影响。对 于讨论的圆形凹坑 ,确定其几何形状的参数有两个: 即凹坑半径与圆心位置。
参考文献
[ 1] 王宗培 .吴妙胜 ,郭庆吉 编 .石 英电子手 表机电 换能器 [M ].轻工业 出版社 , 1984
[ 2] 胡之光 编 .电 机电磁场 的分析与 计算 [M ].北京: 机械 工业出版社 , 1982
[ 3] 关恩禄 编著 . 计算机辅 助电机设 计 [ M ].北 京: 机械工 业出版社 , 1990
摘 要: 以静转矩解析 为依据 ,通 过仿真计算对 凹坑式单相 永磁步进 电机的凹坑 半径、凹坑圆心位 置半径、定子铁 芯内径、转子永磁体外径以及转子永磁体轴向长度等结构参 数对定位转矩和互转 矩幅值的影响规律 进行了定量描 述 ,其结论可作为该型电机的设计依据。 关键词: 永磁步进电动机 ;结构 ;转矩 中图分类号: T M 383. 6 文献标识码: A 文章编号: 1001- 6848( 2005) 02- 0010- 03
图 5 转子永磁体外径 Dr 对静特性的影响
2. 5 转子永磁体轴向长度 lr 对静特性的影响 图 6是转子永磁体轴向长度变化对定位转矩和
互转矩幅值的影响规律。从图中我们可以看到 ,随着 l r的增加 ,互转矩幅值随之呈线性增长 ,定位转矩与 轴向长度 l r的关系也近似成正比。
3 结 论
本文定量讨论了凹坑式单相永磁步进电机的凹 坑半径 R1、凹坑圆心位置半径 001、定子 铁芯内径 D s、转子永磁体外径 Dr 以及转子永磁体轴向长度 l r等结构参数对定位转矩和互转幅值的影响情况。 定位转矩和互转矩是电机的两个主要参数 ,对电机 性能 (功耗、工作电压、负载能力 )都有很大影响。 因 此 ,只要找出了电机的结构参数对定位转矩和互转 矩幅值的影响规律 ,就可以通过适当改变电机的结 构参数 ,来调整定位转矩和互转矩 ,使电机获得满意 的工作性能。
磁阻 ; 对于单凹坑电机 ,把式 ( 4)中的 2R′s ( i )改为 R′s ( i )。 计算程序框图如图 1所示。
单相永磁步进电机结构对静态特性的影响 黄冬梅 宋立伟 程树康
劣弧形成的 ,因此 ,当 001增大时 ,相当于凹坑增大 , 定位转矩幅值即加大 ,当 001减小时 ,相当于凹坑减 小。 定位转矩幅值也减小。 图 3是凹坑圆心位置半 径 001对定位转矩幅值的影响情况。同样 ,由于电机 结构的限制 , 001的大小也是有一定范围要求的。也 可以通过在一定范围内改变 001的大小 ,来调整定 位转矩幅值。 凹坑圆心位置半径对互转矩无影响。
(△ W′f· rr ) i=
1 2
Fm2
(
i
)
Rm+
1 2R′g
[ Rm+2R′s2i R′g 1+
R
2R′si m+ 2R′g
]
( 4)
式中 , n— 所划分的磁路元个数 ;
Fm ( i )— 转子磁钢第 i 个磁路元的磁势 ;
Rm— 转子磁钢磁路元磁阻 ; R′s ( i )— 由凹坑引起的气隙阻的增大 ; R′g— 无凹坑时 ,考虑端部效应时的气隙等效
Research of Structure Parameter of Single- phase Permanent M agnet Stepping Motor Effecting on Static Characteristic
HU AN G Dong- mei SONG Li- w ei C HEN G Shu- kang
图 6 转子永磁体轴向长度 l r对静特性的影响
作者简介: 黄冬梅 ,女 ,硕士生 ,从事步进电动机研究。
(上接第 21页 ) 图 4分 别给出转速 400r / mi n和 800r /mi n,转
矩为 0. 5Nm 时在正常 情况下 和缺相 时的电 流波 形。 可以看出 ,缺相后电机仍可工作 ,但其电流增长 较多。 例如 ,电机工作于 800r /mi n, TL= 0. 5Nm 时 , 在正常情况下和缺一相、缺两相情况下 ,相绕组中流 过的电流峰值分别为: 2. 6A、 3. 2A、和 4. 1A。可以推 断 ,当电机工作于更高转速或更大负载时 ,电流峰值 也必将更大 ,有可能超出开关器件的额定工作范围 , 所以缺相时 ,必须降低电机的工作等级。
[ 4] 窦一平 .一种基 于场路结合 计算模型 的步进电 动机优 化 设计 方 法 [ J ]南 京 师 范 大 学 学 报 (工 程 技 术 版 ) . 2003, ( 3)
[ 5 ] P. Krish namur thy , F. Kho rr ami. Robust adaptiv e v o ltag e- fed permanent ma gnet step mo to r co nt rol without curr ent measureme nts [ J]. IEEE T rans. on Co ntro l Systems T echno log y , 2003, 11 ( 30): 41542 5
l+
_0 ln( l+ W0 )
( 2)
式中 , l— 工作气隙的轴向长度 ; Fs— 定子稳态安匝数 ;