DOI : 10. 15934 /j . cnki . micromotors . 1998. 06. 014 爪极式永磁步进电动机静转矩的计算 ( 1) 普及与提高· POPULARIZATION & RAISING 爪极式永磁步进电动机静转矩的计算 ( 1) 夏云 (重庆微电机 043) 1引言 爪极永磁步进电动机 (本文着重讨论的 是梯形爪极永磁步进电动机 )是永磁步进电 动机的一种结构形式 ,它结构简单 ,控制功率 小 ,电磁阻尼大并具有定位转矩 ,通常极数又 多 ,可比一般永磁步进电动机的步距角小 ,因 而启动频率和运行频率也较高 ,配上各种专 用装置如减速齿轮头、阀等可直接驱动微波 炉转盘、空调器挡风板、打印头和电动泵等 , 它在各种电动 机构中获得了极其广泛 地应 用。 2结构及其特点 爪极永磁步进电动机的典型结构如图 1 所示 ,爪极永磁步进电动机由 2个定子和永 磁转子组成。 每个定子由带爪极的上、中和 中、下铁心及其套在爪极上的绕组所组成 , 2 个定子在空间相互错开 90°电角度。 现就其 主要部件功能扼要介绍如下。 1.壳体 (下爪极 ) 2.定子绕组 3.中爪极 4.线.引出线爪极永磁步进电动机结构示意图 2. 1爪极定子 爪极定子是体现爪极永磁步进电动机结 构特征的重要部件。它是由杯形壳体 (以下简 称下爪极 )、中爪极和上爪极组成。 上、中、下 爪极均用防锈镀 锡冷轧薄钢板冲压引 伸而 成。 冲压时冲出多个在圆周均布的辐射状爪 极 ,并打弯成 90°,组成一个爪极均布的圆柱 体定子。爪极的形状有梯形爪极 ,有梯形边成 正弦曲线的正弦爪极。 上、中、下爪极上均冲 有定位标记。 2个中爪极按定位标记相背扣合 , 保证 — 47 — 微电机 1998年第 31卷第 6期 (总第 105期 ) 相互错位 90°电角度 ,形 成 2个定子的 中爪 极 ,再按定位标记合上上爪极 ,并将其按定位 标记一并插入下爪极 ,这就形成了 2个相互 错位 90°电角度的爪极定 子 ,形成爪极 永磁 步进电动机的定子主磁路。 2. 2定子绕组 爪极永磁步进电动机的定子绕组不同于 一般永磁步进电动机的定子绕组 ,它是分别 在 2个线套反向串联的环形 线圈 ,组成四相绕组 ,其作用是在电机中产生 轴向磁通 ,以便在定子爪极上产生 N、 S相间 磁极。 2. 3永磁转子 爪极永磁步进电动机的转子是由高矫顽 力的恒磁铁氧体或钕铁硼磁环与主轴一起注 塑而成永磁转子。 转子磁环圆周均匀地充有多个 N、 S相 间的磁极 ,其极数与定子爪极数相等 ,可根据 所需要求的同步转速决定。 2. 4特点 爪极永磁步进电动机中的爪极定子的优 点是: ①梯形爪极冲压引伸 ,制造加工方便。 ②梯形爪极设计适合于多极结构 ,不仅减小 了永磁步进电动机的步距角 ,而且材料利用 率高。 ③由于爪极齿数等于转子极数 ,即 Zs = 2P , 故齿谐波 力矩为 2次谐波 力矩 ,而 2 个定子相互错位 90°电角度 ,所以 2个定子的 齿谐波力矩幅值相等 ,相位相反 ,合成为零。 缺点是: ①爪极间漏磁大 ,降低了气隙磁通的 有效利用率。 ②由于爪极铁心中的涡流作用 引起铁心磁导 λFe的变化 ,也就使电机的电感 随频率而变化 ,因此影响电机的动态性能。 3工作原理 当定子绕组通电时 ,将在电机中产生轴 — 48 — 向磁通 ,经爪极通过气隙与永磁转子匝链 , 定、转子磁场相互作用产生转矩 ,驱动转子旋 转。 为了方便 ,将电机沿轴向切割展开 ,其简 化示意图如图 2所示。 图 2爪极永磁步进电动机工作原理图 从图 2展开图可见 ,假定爪极是梯形爪 极 ,在定子绕组未通电时 ,永磁转子的磁极对 定子爪极的相互吸引力在磁极中心与爪极中 心和爪极间中心对准时是相等的 ,因此 ,永磁 转子在此位置处于静平衡状态 (见图 2a)。 3. 1通电方式 通电方 式是指定子绕 组各相通电 的顺 序。爪极永磁步进电动机有 2个定子 ,设 个定子两反向绕组分别为 A、 A两相 ; 设第二 个定子两反向绕组分别为 B、 B两相 (参见图 3)。 这样 ,通电方式有下列三种 ,即: ( 1)单相通电 ,单四拍运行 ,其通电顺序 是: 爪极式永磁步进电动机静转矩的计算 ( 1) A→ B→ A→ B→ A ( 2)双相通电 ,双四拍运行 ,其通电顺序 是: AB→ B A→ AB→ B A→ A B ( 3)单—— 双相 通电 , 8拍运行 ,其 通电 顺序是 A→ AB→ B→ B A→ A→ A B→ B→ B A→ A 图 3四相爪极永磁步 进电动机电原理图 现以四相 8拍运行为例 ,当 A相绕组通 以正电流时 ,个定子的上爪极上所有爪 极都变成“ S”极 ,而中爪 极上所有的爪 极都 变成“ N”极 ,于是 ,转矩便施加于转子上欲使 它的 S极与中爪极的“ N”爪极靠拢 , 而其 N 极则与上爪极 的“ S”爪极 靠拢 ,其合成 转矩 使转子向左转动四分之一爪极距 (见图 2b)。 可是 ,只有一个定子的电机 ,转子在前进时很 可能逆向 ,所以 ,引入了在空间位移 90°电角 度的第二个定子。当继续按通电顺序给 A相 和 B相绕组同时通以正电流时 ,个定子 爪极极性保持不变 , 而第二个定子的中爪极 上所有爪极都 变成“ S”极 , 而下爪极上 所有 爪极都变成“ N”极 ,于是 ,转矩便施加于转子 上 欲使它的 N 极与中爪极的“ S”极靠拢 ,而 其 S极则与下爪极的“ N”极靠拢 ,其合成转 矩使转子继续向左转动四分之一爪极距 (见 图 2c)。 若继续按通电顺序改变通电状态 ,即由 A→ AB→ B→ B A→ A→ A B→ B→ B A→ A, 转子就会按既定的旋转方向旋转 ,若改变通 电顺序 ,即由 A→ A B→ B→ A B→ A→ B A→ B→ AB→ A,则转子就会按反方向旋转。 按爪极永磁步进电动机不同通电方式 , 步距角可表示为: θb = 36 0° m1P ( 1) 式中 m1—— 拍数 ,通常 m1 = m 或 m1= 2m m—— 相数 P—— 转子极对数 可见 ,爪极永磁步进电动机的步距角与 转子极对数和运行拍数的乘积成反比。 转子 极数多 ,拍数愈多 ,则步距角愈小。 这时 ,用电角度表示的步距角则为: θbe= Pθb ( 2) 3. 2转速 爪极永磁步进电动机在外加脉冲作用下 运行 ,输入一个电脉冲 ,它就步进一个步距角 θb 或 θbe , 即 θb 360 r ,这 样 ,转子运行 1r 就需要 360 /θb 个电脉冲 ,爪极永磁步进电动机的同 步转速等于: nT= 36600f/θb = 6306f0θb ( 3) 式中 f —— 输入电脉冲频率 式 ( 3)表明 ,爪极永磁步进电动机的同步 转速与其控制脉冲的频率和步距角的乘积成 正比 ,脉冲频率愈高 ,转速也愈高。 (待续 ) (收稿日期: 1998- 08- 08) — 49 —
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