張洪巖，李 雨

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

近幾年來在航天領域得到廣泛應用的軸向分相混合式永磁步進電動機具有可靠性高、步距角設計靈活、自定位力矩大、驅動慣性負載能力強的特點［5］，尤其是自定位力矩大的特點滿足了一些航天領域特殊的使用要求。本文主要針對軸向分相混合式永磁步進電動機的自定位力矩設計進行闡述。為便于理解，先對軸向分相混合式永磁步進電動機的原理進行簡要介紹。

1 軸向分相混合式永磁步進電動機結構

圖1為二相軸向分相混合式永磁步進電動機的原理結構圖。定子鐵心有兩個環(huán)形槽分別安放A相及B相兩個環(huán)形繞組，定子鐵心內圓沿軸向分成a、c、b、d四段。轉子亦對應定子，由四段鐵心及一片圓環(huán)磁鋼構成，磁鋼軸向充磁。

圖1 電機結構圖

圖1中四段轉子鐵心與四段定子鐵心均勻分布Zr個小齒。當a－a段定子、轉子鐵心小齒對齊時，其他三段定、轉子鐵心小齒的相對位置有嚴格的要求，如圖2所示。

2 軸向分相混合式永磁步進電動機自定位力矩

步進電機的自定位力矩是繞組不通電時，磁鋼產生的磁場作用在定、轉子齒上產生的力矩。軸向分相混合式永磁步進電動機定子繞組不通電時的磁鋼磁通回路如圖3所示。c、b段鐵心長度相等，a、d段鐵心長度相等。

圖3 磁鋼磁通回路

此時，電機定、轉子鐵心齒的位置關系如圖4所示。

圖4 繞組不通電時各段定子、轉子鐵心小齒相對位置圖

軸向分相混合式永磁步進電動機自定位力矩:

式中:Λcb為c、b段鐵心回路平均磁導。

式中:Λad為a、d段鐵心回路磁導;G0為氣隙比磁導平均分量;lcb為c、b段鐵心長度;lad為a、d段鐵心長度;Λ1為轉子鐵心c、b段氣隙磁導基波分量的幅值;Fgm為磁鋼在外部氣隙的磁壓降。

式中:Fm為轉子永磁體等效磁勢;Hc為磁鋼矯頑力;lm為磁鋼厚度。

式中:Λm為磁鋼內部磁導;Sm為磁鋼面積;μm為磁鋼的導磁率。

式中:Λrδ為轉子漏磁導;Dr1為轉子鐵心外圓尺寸;Dm1為磁鋼外圓尺寸。

由上述公式可得出，在磁路不飽和時可通過調節(jié)轉子鐵心lcb和lad的長短對軸向分相混合式永磁步進電動機的自定位力矩大小進行設計。

3 樣機實例

根據(jù)前面的分析，制作了兩臺樣機。兩樣機的定子參數(shù)、轉子齒形參數(shù)和磁鋼參數(shù)完全一致，只是c、b段鐵心長度lcb和 a、d段鐵心長度 lad取不同的值。樣機結構參數(shù)及自定位力矩對比如表1所示，實測數(shù)據(jù)顯示兩樣機自定位力矩有明顯差異。

表1 樣機結構參數(shù)及自定位力矩對比表

2#樣機lad長度7 mm是1#樣機的0.875倍，而2#樣機的自定位力矩是1#樣機的1.5倍，也就是在樣機的定子參數(shù)、轉子齒形參數(shù)和磁鋼參數(shù)一定時，只調整轉子鐵心的長度就可以調整自定位力矩的大小，并且效果明顯。

4 結 語

本文通過對軸向分相混合式永磁步進電動機的自定位力矩產生機理進行分析闡述，和對式(1)的各物理量進行定性分析說明，為該結構步進電動機自定位力矩設計提出了計算方法，并得出軸向分相混合步進電動機可通過調整轉子鐵心lcb和lad的長度對自定位力矩進行設計。

［1］ 王宗培，孔昌平.步進電動機及其控制系統(tǒng)(增量運動控制之二)［M］.哈爾濱工業(yè)大學出版社，1984.

［2］ 王宗培.定子有磁鋼的單段式步進電動機［J］.微特電機，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應用電動機の現(xiàn)狀と動向［J］.電學論 D，1999，119(10):1145

［5］ 張洪巖，嚴亮，吳士杰.軸向分相感應子式永磁步進電動機［J］.微特電機，2005，33(9):11－13.