基于ANSYS的混合式步进电机静态磁场及转矩特性研究

摘要

以往由于计算机性能的局限性,传统的混合式步进电机的电磁场理论分析多以二维平面分析为主,如齿层比磁导法等。但混合式步进电机为一典型三维高度饱和的非线性电磁场,磁场空间分布比较复杂,尤其转子上永磁材料轴向充磁导致磁场在轴向分布很不均匀。随着计算机运算性能的提高和通用有限元软件技术的发展,直接对电机磁场进行三维有限元仿真分析是实际可行的,因此,本文直接对混合式步进电机进行三维整体建模分析其静态磁场并计算其转矩特性。
　　 首先,本文基于基本的电磁场理论,利用通用的有限元分析软件ANSYS分别建立两相及五相混合式步进电机静态磁系统的三维仿真模型,计算得出其静态磁场分布情况。在此基础上进一步分析计算对电机工作性能影响深远的电机转矩特性。
　　 接着,基于传统的齿层比磁导法编写了电机的矩角特性计算程序,对上述两相及五相混合式步进电机的矩角特性进行计算,并与ANSYS计算结果和实验实测值进行比较,研究发现ANSYS计算方法的计算精度明显提高。
　　 利用ANSYS软件,本文还建模分析了一种新型的定子槽中加装永磁材料的增强型两相混合式步进电机,计算其矩角特性,并与同尺寸的普通型两相混合式步进电机进行比较,发现其静态转矩较之普通型电机大幅增加的特点,并进一步分析其提高转矩产生能力的内部机理。在此基础上以提高最大静转矩幅值并改善矩角特性曲线波形为目标展开此种增强型混合式步进电机齿层结构、定转子气隙和定子槽中永磁材料性能的优化设计。