混合式步進電動機的理論析和設計特點
楊永良（西安微電機研究所）
【摘 要】本文以對比方式敘述了混合式步進電動機與反應式、永磁式步進電動機的差異。在論述混合式步進電動機的理論基礎上，提出徑向氣隙磁場等于軸向氣隙磁場的設計原則，導出混合式步進電動機的實用靜態(tài)轉(zhuǎn)矩計算式，并以四相混合式步進電動機為例，給出****轉(zhuǎn)子鐵心長和靜轉(zhuǎn)矩的設計值和試驗值。
【主題詞】混合式步進電動機，理論，分析，設計，轉(zhuǎn)子，鐵心，長度，靜轉(zhuǎn)矩計算式
1 引 言
步進電動機是近年研制開發(fā)并已普遍應用的新型電動機，從工作上區(qū)分，有反應式步進電動機、永磁式步進電動機和混合式步進電動機。這三類步進電動機產(chǎn)品發(fā)展歷程是反應式、永磁式在先，混合式在后。對于反應式、永磁式步進電動機，從現(xiàn)有論著來看，工作的理論基礎論述清晰，設計計算與試驗數(shù)據(jù)吻合一致，生產(chǎn)制造已基本定型。混合式步進電動機發(fā)展相對遲緩，這與永磁材料發(fā)展息息相關(guān)。近年來，各種高矯頑力稀土磁體涌現(xiàn)，促進了混合式步進電動機的發(fā)展。本文結(jié)合生產(chǎn)實際·將混合式步進電動機與反應式、永磁式步進電動機在基理方面進行比較說明的基礎上，詳絀論述混合式步進電動機的理論基礎，并提出相應的設計原則和設計特點。
2理論分析
反應式步進電動機的工作基礎是基于定子磁場產(chǎn)生的反應轉(zhuǎn)矩，靜轉(zhuǎn)矩簡化表達式為
式(1)表示反應式步進電動機是基于反應力矩（磁阻力矩）工作的，因此氣隙兩側(cè)的定、轉(zhuǎn)子表面有意設計成齒槽結(jié)構(gòu)，使魯變化率****。由式(1)可得出，當定轉(zhuǎn)子齒層尺寸確定之后，’反應式步進電動機的靜轉(zhuǎn)矩正比于定子磁場在氣隙中的磁壓降和電機鐵心長度的乘積。
永磁式步進電動機的工作原理是基于定子磁場和轉(zhuǎn)子永磁磁場的互相作用，靜轉(zhuǎn)矩的簡化表達式為
由式(2)可見，永磁式步進電動機的靜轉(zhuǎn)矩是由定子電樞磁場和轉(zhuǎn)子永磁磁場互相作用產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩。當磁鋼材質(zhì)和幾何尺寸確定之后，其靜轉(zhuǎn)矩正比于定子磁場和磁鋼磁場及鐵心長度的乘積。
綜上所述，在工作原理、磁路狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩計算等方面，反應式步進電動機類同反應式同步電機；永磁式步進電動機類同永磁式同步電動機，共同特點都是轉(zhuǎn)矩與定子鐵心長度成正比，其差別只是同步電動機的定子磁場是隨電源頻率同步的旋轉(zhuǎn)磁場，而步進電動機定子磁場是隨通電脈沖頻率的階躍旋轉(zhuǎn)磁場。
混合式步進電動機的作用原理不同于反應式步進電動機，也不同于永磁式步進電動機，更不能簡單理解為永磁式和反應式步進電動機的混合，由于基理不同．磁路計算、轉(zhuǎn)矩計算都不能套用永磁式和反應式步進電動機的相關(guān)公式，它在磁路狀態(tài)、磁場作用、磁場之間關(guān)系等方面有它自身的特點。
混合式步進電動機通常有四相、五相，其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖為典型四相混合式步進電動機的結(jié)構(gòu)。
齒并嵌套線圈。轉(zhuǎn)子由二段鋏心中間夾一塊
由圖可見，定子結(jié)構(gòu)與反應式步進電動機基本相同，定子鐵心分成8個極齒，極齒上有小 環(huán)形磁鋼，轉(zhuǎn)子鐵心也有小齒，磁鋼兩端鐵心互相錯開半個齒距。磁鋼軸向充磁。為說明方便，將部分剖面展開．如圖2所示，圖中上面部分為磁鋼s極性側(cè)剖面，下面部分為磁n極性側(cè)剖面。現(xiàn)設定、轉(zhuǎn)子齒處于圖2所示位置。圖中虛線表示磁鋼產(chǎn)生的磁通，實線表示線圈電流產(chǎn)生的磁通。先假定定子線圖沒有通電流，此時只有磁鋼產(chǎn)生的磁通，如圖中虛線所示。磁鋼兩側(cè)極性磁力線走向及轉(zhuǎn)子受力方向如表1所示。
由表1可知，在s極性側(cè)，磁鋼產(chǎn)生的磁力在口極齒和d極齒下轉(zhuǎn)子受力互相抵消，a極極齒下轉(zhuǎn)子受力自身抵消．e極齒下只產(chǎn)生徑向磁拉力。在ⅳ極性側(cè)，b極齒和d極齒下轉(zhuǎn)子受力互相抵 |
