轴向分相混合式永磁步进电动机自定位力矩设计

张洪岩，李 雨

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

近几年来在航天领域得到广泛应用的轴向分相混合式永磁步进电动机具有可靠性高、步距角设计灵活、自定位力矩大、驱动惯性负载能力强的特点［5］，尤其是自定位力矩大的特点满足了一些航天领域特殊的使用要求。本文主要针对轴向分相混合式永磁步进电动机的自定位力矩设计进行阐述。为便于理解，先对轴向分相混合式永磁步进电动机的原理进行简要介绍。

1 轴向分相混合式永磁步进电动机结构

图1为二相轴向分相混合式永磁步进电动机的原理结构图。定子铁心有两个环形槽分别安放A相及B相两个环形绕组，定子铁心内圆沿轴向分成a、c、b、d四段。转子亦对应定子，由四段铁心及一片圆环磁钢构成，磁钢轴向充磁。

图1 电机结构图

图1中四段转子铁心与四段定子铁心均匀分布Zr个小齿。当a－a段定子、转子铁心小齿对齐时，其他三段定、转子铁心小齿的相对位置有严格的要求，如图2所示。

2 轴向分相混合式永磁步进电动机自定位力矩

步进电机的自定位力矩是绕组不通电时，磁钢产生的磁场作用在定、转子齿上产生的力矩。轴向分相混合式永磁步进电动机定子绕组不通电时的磁钢磁通回路如图3所示。c、b段铁心长度相等，a、d段铁心长度相等。

图3 磁钢磁通回路

此时，电机定、转子铁心齿的位置关系如图4所示。

图4 绕组不通电时各段定子、转子铁心小齿相对位置图

轴向分相混合式永磁步进电动机自定位力矩:

式中:Λcb为c、b段铁心回路平均磁导。

式中:Λad为a、d段铁心回路磁导;G0为气隙比磁导平均分量;lcb为c、b段铁心长度;lad为a、d段铁心长度;Λ1为转子铁心c、b段气隙磁导基波分量的幅值;Fgm为磁钢在外部气隙的磁压降。

式中:Fm为转子永磁体等效磁势;Hc为磁钢矫顽力;lm为磁钢厚度。

式中:Λm为磁钢内部磁导;Sm为磁钢面积;μm为磁钢的导磁率。

式中:Λrδ为转子漏磁导;Dr1为转子铁心外圆尺寸;Dm1为磁钢外圆尺寸。

由上述公式可得出，在磁路不饱和时可通过调节转子铁心lcb和lad的长短对轴向分相混合式永磁步进电动机的自定位力矩大小进行设计。

3 样机实例

根据前面的分析，制作了两台样机。两样机的定子参数、转子齿形参数和磁钢参数完全一致，只是c、b段铁心长度lcb和 a、d段铁心长度 lad取不同的值。样机结构参数及自定位力矩对比如表1所示，实测数据显示两样机自定位力矩有明显差异。

表1 样机结构参数及自定位力矩对比表

2#样机lad长度7 mm是1#样机的0.875倍，而2#样机的自定位力矩是1#样机的1.5倍，也就是在样机的定子参数、转子齿形参数和磁钢参数一定时，只调整转子铁心的长度就可以调整自定位力矩的大小，并且效果明显。

4 结 语

本文通过对轴向分相混合式永磁步进电动机的自定位力矩产生机理进行分析阐述，和对式(1)的各物理量进行定性分析说明，为该结构步进电动机自定位力矩设计提出了计算方法，并得出轴向分相混合步进电动机可通过调整转子铁心lcb和lad的长度对自定位力矩进行设计。

［1］ 王宗培，孔昌平.步进电动机及其控制系统(增量运动控制之二)［M］.哈尔滨工业大学出版社，1984.

［2］ 王宗培.定子有磁钢的单段式步进电动机［J］.微特电机，1978(2):1－25.

［3］ Amara Y.A new topology of hybrid synchronous machine［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(5):1273 －1280.

［4］ 森本，松井，武田.リラクタンストルク应用电动机の现状と动向［J］.电学论 D，1999，119(10):1145

［5］ 张洪岩，严亮，吴士杰.轴向分相感应子式永磁步进电动机［J］.微特电机，2005，33(9):11－13.