混合式步進電動機的理論

  分析和設計特點

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轉矩計算式，并以四相混合式步進電動機為例，給出****轉子鐵心長和靜轉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，轉子，鐵心，長度,／靜轉矩計算式

1  引  言

    步進電動機是近年研制開發并已普遍應用的新型電動機，從工作上區分，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品發展歷程是反應式、永磁式在先，混合式在后。對于反應式、永磁式步進電動機，從現有論著來看，工作的理論基礎論述清晰，設計計算與試驗數據吻合一致，生產制造已基本定型。混合式步進電動機發展相對遲緩，這與永磁材料發展息息相關。近年來，各種高矯頑力稀土磁體涌現，促進了混合式步進電動機的發展。本文結合生產實際．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，詳細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生的反應轉矩，靜轉矩簡化表達式為

式中mr一——反應式步進電動機的靜轉矩

    c₁-——比例常數

    l一定子鐵心疊壓長

    g₉——氣隙基波比磁導，其值由齒層尺寸確定

    f₉——定子磁場在氣隙中的磁壓降

    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，因此氣隙兩側的定、轉子表面有意設計成齒槽結構，使等變化率****。由式(1)可得出，當定轉子齒層尺寸確定之后，l反應式步進電動機的靜轉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子永磁磁場的互相作用，靜轉矩的簡化表達式為

式中  m_p——永磁式步進電動機的靜轉矩

    f_o——定子每極磁勢g₂---比例常數

    φ_f——磁鋼產生的每極有效磁

    p-一轉子極對數

    b_f——磁鋼產生的每極有效磁密

    l——定子鐵心疊壓長

    由式(2)可見．永磁式步進電動機的靜轉矩是由定子電樞磁場和轉子永磁磁場互相作用產生的同步轉矩。當磁鋼材質和幾何尺寸確定之后,其靜轉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、轉矩計算等方面，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磁場。

    由圖可見，定子結構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   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、轉矩計算都不能套用永磁式和反應式步進電動機的相關公式，它在磁路狀態、磁場作用、磁場之間關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，其結構如圖1所示。圖j為典型四相混合式步

進電動機的結構。

齒并嵌套線圈。轉子由二段鐵心中間夾一塊環形磁鋼，轉子鐵心也有小齒，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