磁阻式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)分析
怡勇，楊文煥，趙天明，李鐵栓
（上海理工大學(xué)上海200090)
摘要：本文分析了直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直線運(yùn)動(dòng)的原理；并利用ansoft公司maxwell軟件對(duì)直線運(yùn)動(dòng)徑向磁路系統(tǒng)進(jìn)行了仿真；結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以通過控制，既可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。該電動(dòng)機(jī)可適用于多種不同使用要求的場(chǎng)合，對(duì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有重要意義。
關(guān)鍵詞：徑向磁路；直線步進(jìn)；ansoft
中圖分類號(hào)：tm383.6; tm359.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2010)02-0030-05
0 引言
直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)分別具有直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)方式。由于它有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此受到人們廣泛的重視。一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)是徑向的磁場(chǎng)，圓軸型直絨電機(jī)是軸向磁場(chǎng)，如果轉(zhuǎn)子既能通過徑向磁場(chǎng)又能通過軸向磁場(chǎng)，則必須選用鑄鋼鐵芯。這樣徑向磁路磁阻就會(huì)非常大，而且比疊片磁路磁阻大得多。
本文提出了一種新型的具有磁阻式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，其旋轉(zhuǎn)力矩和直線力矩均由徑向磁場(chǎng)產(chǎn)生，因此稱為雙徑向磁阻式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)。并對(duì)電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)徑向磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，建立了等效磁路結(jié)構(gòu)，計(jì)算了一個(gè)齒距內(nèi)不同位置的氣隙磁阻，并根據(jù)建立的磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明這種磁場(chǎng)形式的直線運(yùn)動(dòng)具有一般感應(yīng)式直線步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)良特性。
1雙徑向磁場(chǎng)磁阻式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理
雙徑向磁場(chǎng)磁阻式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的定子分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的定子段如圖1所示，和直線運(yùn)動(dòng)的定子段如圖2所示，兩段定子分別設(shè)在電機(jī)定子的兩端。動(dòng)子主體為一個(gè)圓柱體，由硅鋼片疊壓而成。
結(jié)合磁阻電機(jī)樣機(jī)的概念設(shè)計(jì)，在uc4nx平臺(tái)上進(jìn)行的電機(jī)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1、2、3所示。
1.1產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)徑向磁場(chǎng)的定子段結(jié)構(gòu)
產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩部分的定子段在定子軸向有一定的長(zhǎng)度，可設(shè)為p對(duì)磁極。如圖1所示。每對(duì)極的兩個(gè)磁極在空間相差180度（機(jī)械角度），其中心線通過電機(jī)截面圓的圓心，磁極的極身上繞有勵(lì)磁繞組。極靴表面有等距齒和槽，每一對(duì)磁極與相鄰磁極第一個(gè)齒中心線在圓周周長(zhǎng)方向相差l/p個(gè)齒距。電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行原理與普通磁阻式步進(jìn)電機(jī)類似，這里不再贅述。
1.2產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)徑向磁場(chǎng)的定子段結(jié)構(gòu)
產(chǎn)生直線推力部分的定子段占定子軸向一定的長(zhǎng)度，可設(shè)為p對(duì)磁極。如圖2所示。每對(duì)極在空間相差180度（機(jī)械角度），其中心線通過電機(jī)截面圓的圓心，磁極的機(jī)身上繞有勵(lì)磁繞組，繞向相同。每對(duì)極的極靴表面有等距齒和槽，每對(duì)極與相鄰磁極第一個(gè)齒中心線的軸向距離相差l/p個(gè)齒距。
1.3轉(zhuǎn)子段及運(yùn)行原理
為利用徑向磁場(chǎng)既產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，又能產(chǎn)生直線力矩的的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子是由硅鋼片疊成的圓柱形帶齒轉(zhuǎn)子，如圖3所示。
定子截面如圖4所示。徑向磁場(chǎng)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)一對(duì)主極下如a-a通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒與定于a-a磁極對(duì)齊如圖5，相鄰的b-b磁極與轉(zhuǎn)子相差1/p齒距（p為極對(duì)數(shù)）如圖6所示，當(dāng)通電方式由a-a，轉(zhuǎn)到b-b，時(shí)，轉(zhuǎn)子移動(dòng)1/p個(gè)齒距，實(shí)現(xiàn)了直線運(yùn)動(dòng)。同樣也可以兩相繞組通電，直線移動(dòng)距離為1/2p。
1.4直線運(yùn)動(dòng)的徑向磁路結(jié)構(gòu)
直線運(yùn)動(dòng)徑向磁場(chǎng)主磁通的磁路為：定子軛一定子極身_+定子極靴一定子齒一氣隙一轉(zhuǎn)子齒一轉(zhuǎn)子軛一轉(zhuǎn)子齒一定子齒一定子極靴一定子極身_+定子軛。
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