傳感與控制-單相永磁步進電機特性的數(shù)值計算與分析

1、2007年10 月電工技術(shù)學報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電機特性的數(shù)值計算與分析鄒繼斌李巍李勇(哈爾濱工業(yè)大學電氣工程與自動化學院哈爾濱 150001摘要介紹了一種特殊結(jié)構(gòu)的單相永磁步進電機爪極式單相永磁步進電機。電機采用軸向磁路結(jié)構(gòu),定子的內(nèi)齒和外齒交錯在一起構(gòu)成爪極式結(jié)構(gòu)。采用電磁場計算軟件Flux3d對電機的矩角特性和定位力矩進行了計算,分析了參數(shù)變化對電機性能的影響,對電機的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計。制造出樣機并進行了實驗,實驗結(jié)果與計算結(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具有自起動能力,合理設計極弧角等參數(shù),能有效地提高電機的出力。關鍵詞:步進電機單相爪極式數(shù)值計算中圖分類號: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引言單相步進電機具有結(jié)構(gòu)簡單,控制方便,易于小型化、微型化等優(yōu)點1-3,并且位移與輸入信號脈沖數(shù)

5、成正比,可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制,系統(tǒng)簡單、價格較低。因此常用于儀表、計時裝置中。本文介紹了一種新型結(jié)構(gòu)的爪極式單相永磁步進電機,采用軸向磁路爪極結(jié)構(gòu),除了具有上述單相永磁步進電機的各項優(yōu)點外,還可以采用薄膜磁性材料做磁極,更易于實現(xiàn)電機的微型化。本文闡述了爪極式單相永磁步進電機的結(jié)構(gòu)特點和運行原理,使用電磁場計算軟件Flux3d對爪極式單相永磁步進電機進行了特性計算與分析,分別給出了極弧系數(shù)、磁極斜角、磁鋼厚度對電機性能的影響,并以此為基礎對電機進行了優(yōu)化設計。研制出實際樣機并進行了實驗測試,實驗結(jié)果驗證了分析和計算結(jié)果的正確性。2爪極式單相永磁步進電機的結(jié)構(gòu)和運行原理常見的單相永磁步

6、進電機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電機采用軸向磁路結(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)學報 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計,結(jié)構(gòu)簡單。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電機的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of single

7、 phase steppermotor with claw poles多相步進電機工作時,是通過不同相繞組之間的輪流導通實現(xiàn)電機的旋轉(zhuǎn)的,而爪極式單相永磁步進電機只有一相繞組,因此只能通過定位力矩來代替其他相繞組的作用實現(xiàn)電機的旋轉(zhuǎn)。定子齒數(shù)與轉(zhuǎn)子極數(shù)相同且磁路結(jié)構(gòu)對稱時,定位力矩的平衡點與繞組通電產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的平衡點是重合的,電機無自起動能力。為了使定位力矩的平衡點產(chǎn)生一定的偏移角度,保證電機具有固定的轉(zhuǎn)動方向和一定的帶載起動能力,在結(jié)構(gòu)上通常采用兩種方法:使主磁路產(chǎn)生一定的不對稱性;采用輔助定位磁極。其中第一種方法結(jié)構(gòu)簡單。本文所設計的爪極式單相永磁步進電機,在定子齒的一側(cè)削去一角形成斜角式磁

8、極。主磁路的不對稱,使定位力矩產(chǎn)生一定的相移,進而使電機產(chǎn)生一定的初始角位移。當給電機通以單個脈沖時,電機向前旋轉(zhuǎn)一個步距角。電機通以連續(xù)的正負脈沖時,電機即可連續(xù)旋轉(zhuǎn)。由于電機的起動和帶載能力與電機的初始位置相關,所以定位力矩的相移對電機的特性有直接的影響。3電機的三維場計算采用法國Cedrat公司的電磁場計算軟件Flux3d 對電機進行了三維數(shù)值計算4-6,電機的模型如圖2所示。電機的具體參數(shù)如下:定子外徑為10mm,軸向長度為9mm,轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)取3,步距角60°。氣隙保持不變,磁極斜角、極弧系數(shù)、磁鋼厚度設為可調(diào)參數(shù),繞組電流也設為可調(diào)參數(shù)。影響該電 圖2 爪極式單相永磁步進

9、電機的Flux模型Fig.2 The Flux model of single stepper motorwith claw poles機性能的參數(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,將以上一些參數(shù)設為變量,在計算過程中改變這些參數(shù),即可進行電機的特性分析和優(yōu)化設計。4特性計算與分析步進電機運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的矩角特性波形的計算結(jié)果,對應電流分別為0A、0.2A、0.5A、1.0A、1.5A。 其中,電流為0A時的矩角特性即為定位力矩。圖3 不同電流時的矩角特性波形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。電機初始位置的力矩大小決定了電機的起動能力,電流較小時(如0.2A時,電機起動能力較差。電流增加則起動能力增強,但二次諧波的存在降低了起動能力。隨著電流的增大,定位力矩的二次諧波對矩角特性的影響變小。計算結(jié)果還表明,由于磁路飽和的影響,當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電機特性的數(shù)值計算與分析 3通過

11、數(shù)值計算可以分析極弧系數(shù)、磁極斜角、磁鋼厚度對電機定位力矩和矩角特性的影響10-12,并在此基礎上進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。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電機的運行原理可知,要保證電機能夠可靠地工作,必須使定位力矩的平衡點產(chǎn)生一定的相移。本文所設計的爪極式單相永磁步進電機是通過定子磁極斜角實現(xiàn)定位力矩平衡點產(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,定位力矩的相移要大于磁極斜角為12°時的相移,因為磁極斜角越大,磁路的不

13、對稱程度越大,從而定位4電 工 技 術(shù) 學 報 2007年10月 力矩的平衡點偏移也越大。由此可見,增大磁極斜角有利于提高電機的起動能力。圖5b 表明,磁極斜角對矩角特性也有一定的影響,磁極斜角越大,矩角特性波形畸變越嚴重,這是由于電機的定子磁極斜角造成磁路不對稱,當電機通以電流時,繞組產(chǎn)生的磁場不再對稱,從而導致矩角特性的畸變。磁極斜角越大,定位力矩的相移越大,因此設計時希望磁極斜角大一些。但是電機的帶載起動能力不僅取決于定位力矩的相移,還與矩角特性有關。從圖5可以看出,磁極斜角為18°時,定位力矩的相移較磁極斜角為12°時相比相差不大;而磁極斜角為12°時的矩

14、角特性二次諧波成分較少,電機的起動能力強。改變磁極斜角計算,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重要的參數(shù),對電機的定位力矩和矩角特性都有影響。電機工作時,定位力矩要在斷電時刻代替繞組產(chǎn)生的力矩使電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn),電機的初始相移決定了電機的帶載起動能力。磁鋼厚度直接影響定位力矩的大小和相移,同時也影響電機的矩角特性。 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的帶載起動能力,但磁鋼厚度增加時,定位力矩的幅值也隨之增加,電機運行時需要較大的電流產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩才能克服定位力矩使電機旋轉(zhuǎn)。因此永磁體的磁鋼厚度過大會對電機運行產(chǎn)生不良影響。反之,磁鋼厚度過小時,電機的初始相移和負載能力也將變差。計算結(jié)果表明對于本文研究的電機磁鋼厚度取0.3mm 時較理想。 (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 時的力矩特性 Fig.6 The torque properties when the height ofmagnet are 0.3 and 0.6mm5 實驗結(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 。通過有限元計算,得到了矩角特性的計算結(jié)果,如圖7所示。從計算結(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)果設計并制造了樣機,進行了實驗。實驗測量結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?計算曲線與實驗結(jié)果基本吻合,證明理論計算結(jié)果與實際測試結(jié)果是相符的。圖7 Flux 計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比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、步進電機采用磁極斜角方式可以實現(xiàn)定位力矩平衡點的偏移,從而使第22卷第10期鄒繼斌等爪極式單相永磁步進電機特性的數(shù)值計算與分析 5電機具有自起動和連續(xù)旋轉(zhuǎn)的能力。理論計算和實驗測試證明了這種結(jié)構(gòu)方案是可行的。(2電機優(yōu)化設計的關鍵是協(xié)調(diào)定位力矩與矩角特性之間的相位和幅值的關系。盡管定位力矩是電機起動的保障,但是不但定位力矩對矩角特性產(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,降低電機的負載能力。理想的設計是在定位力矩平衡點位置矩角特性有較大的力矩。(3計算和實驗都表明對電機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,因此對電機特性的影響較大。磁鋼厚度

18、對定位力矩的平衡點影響不大,而對定位力矩的幅值影響較大,磁鋼較厚時需要較大的電流才能克服定位力矩驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn),因此磁鋼厚度不能太大。致謝:感謝Cedrat公司提供Flux3d電磁場計算軟件。參考文獻1 王宗培, 郭慶吉, 吳妙勝. 氣隙不均勻的單相永磁步進電機J. 哈爾濱工業(yè)大學學報, 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. 混合式步進電動機振動特性的仿真J. 中國電機工程學報, 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. 抑制混合式步進電動機系統(tǒng)振蕩的新方法J. 電工技術(shù)學報, 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. 爪極電機空載時三維磁場的數(shù)值分析和電感計算J. 中國電機工程學報,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. 一種特殊的機電組合式單相步進電機J. 中小型電機, 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