磁阻式直線旋轉(zhuǎn)步進電機的直線運動磁場分析
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)步進電動機直線運動的原理；并利用ansoft公司maxwell軟件對直線運動徑向磁路系統(tǒng)進行了仿真；結(jié)果表明本文設(shè)計的直線旋轉(zhuǎn)電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以通過控制，既可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，也可實現(xiàn)直線運動。該電動機可適用于多種不同使用要求的場合，對簡化系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)有重要意義。
關(guān)鍵詞：徑向磁路；直線步進；ansoft
中圖分類號：tm383.6; tm359.4 文獻標(biāo)志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)02-0030-05
0 引言
直線旋轉(zhuǎn)電機分別具有直線運動、旋轉(zhuǎn)運動和螺旋運動三種運動方式。由于它有多種運動狀態(tài)，可以大大簡化系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)。因此受到人們廣泛的重視。一般旋轉(zhuǎn)電機是徑向的磁場，圓軸型直絨電機是軸向磁場，如果轉(zhuǎn)子既能通過徑向磁場又能通過軸向磁場，則必須選用鑄鋼鐵芯。這樣徑向磁路磁阻就會非常大，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)步進電機的結(jié)構(gòu)，其旋轉(zhuǎn)力矩和直線力矩均由徑向磁場產(chǎn)生，因此稱為雙徑向磁阻式直線旋轉(zhuǎn)步進電機。并對電機的直線運動徑向磁場進行了分析，建立了等效磁路結(jié)構(gòu)，計算了一個齒距內(nèi)不同位置的氣隙磁阻，并根據(jù)建立的磁路結(jié)構(gòu)進行了仿真，結(jié)果表明這種磁場形式的直線運動具有一般感應(yīng)式直線步進電機的優(yōu)良特性。
1雙徑向磁場磁阻式直線旋轉(zhuǎn)步進電機的結(jié)構(gòu)及運行原理
雙徑向磁場磁阻式直線旋轉(zhuǎn)步進電機的定子分為旋轉(zhuǎn)運動的定子段如圖1所示，和直線運動的定子段如圖2所示，兩段定子分別設(shè)在電機定子的兩端。動子主體為一個圓柱體，由硅鋼片疊壓而成。
結(jié)合磁阻電機樣機的概念設(shè)計，在uc4nx平臺上進行的電機三維結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1、2、3所示。
1.1產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動徑向磁場的定子段結(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度，可設(shè)為p對磁極。如圖1所示。每對極的兩個磁極在空間相差180度（機械角度），其中心線通過電機截面圓的圓心，磁極的極身上繞有勵磁繞組。極靴表面有等距齒和槽，每一對磁極與相鄰磁極第一個齒中心線在圓周周長方向相差l/p個齒距。電機旋轉(zhuǎn)運行原理與普通磁阻式步進電機類似，這里不再贅述。
1.2產(chǎn)生直線運動徑向磁場的定子段結(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度，可設(shè)為p對磁極。如圖2所示。每對極在空間相差180度（機械角度），其中心線通過電機截面圓的圓心，磁極的機身上繞有勵磁繞組，繞向相同。每對極的極靴表面有等距齒和槽，每對極與相鄰磁極第一個齒中心線的軸向距離相差l/p個齒距。
1.3轉(zhuǎn)子段及運行原理
為利用徑向磁場既產(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。徑向磁場直線運動時，當(dāng)一對主極下如a-a通電時，轉(zhuǎn)子齒與定于a-a磁極對齊如圖5，相鄰的b-b磁極與轉(zhuǎn)子相差1/p齒距（p為極對數(shù)）如圖6所示，當(dāng)通電方式由a-a，轉(zhuǎn)到b-b，時，轉(zhuǎn)子移動1/p個齒距，實現(xiàn)了直線運動。同樣也可以兩相繞組通電，直線移動距離為1/2p。
1.4直線運動的徑向磁路結(jié)構(gòu)
直線運動徑向磁場主磁通的磁路為：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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