法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
1989-02-08
审定
审定
1988-05-18
实质审查请求
实质审查请求
1988-03-09
公开
公开
本发明属于反应式（即磁阻式）步进电动机。
一种将电脉冲信号变换成直线位移或角位移的反应式步进电动机，由定子、转子和机壳组成。如图1所示的三相反应式步进电动机结构，定子为三相绕组，每相有两个磁极，三相绕组为Y接法。转子铁芯和定子极靴上均有小齿，且定、转子齿距相等。目前大部分反应式步进电动机的转子铁芯和定子极靴上的小齿是矩形齿，也有很小部分反应式步进电动机的转子铁芯和定子极靴上的小齿是梯形齿或渐开线形齿。但这些齿形的设计没有一个准确的计算方法，都是在实验的基础上选用一些经验系数设计计算出来的，不能准确地计算电磁转矩，所以定、转子采用这些齿形的反应式步进电动机的最大静转矩小，起动频率和运行频率低，功率消耗大。
本发明的目的是在不改变反应式步进电动机的相数、极数、转子齿数、激磁安匝数和不改变极宽、极高、轭高、轭长、气隙、定子内径和铁芯长度等尺寸的条件下，用一种精确的设计计算方法，得出产生电磁转矩最大的定、转子齿形，使设计出的反应式步进电动机具有最大静转矩大、起动频率和运行频率高且功率消耗小的特点。
本发明是这样实现的：在不改变反应式步进电动机的相数m，极数P，转子齿数Zr，励磁电流If，绕组匝数Wf和不改变极宽bm，极高hm，定子轭高hc，定子轭长lc，转子轭高hr，转子轭长lr，每级定子齿数Z，铁芯长度l和气隙长度δ的条件下，用有限单元法求解不同定、转子位置时齿部铁芯和气隙部分磁场的磁通密度、磁通和磁共能，并求出磁共能随定、转子位置的变化，再用虚位移原理求得电磁转矩，最后以电磁转矩为目标函数对定、转子齿形进行优化，得到产生最大电磁转矩的定、转子齿形是齿顶部分为等腰梯形、齿间部分为矩形、齿根部分为等腰梯形的八边形齿。
这种产生最大电磁转矩的定、转子齿形是这样得出来的：首先用有限单元法计算不同定、转子位置时齿部铁芯和气隙部分磁场的磁通密度、磁通和磁共能。如图2所示的定子1与转子2槽对槽（或齿对齿）时的情况，图中AB、CD为等磁位面，AC、BD为周期性边界条件（每一齿距内磁场周期性重复）。阴影部分为齿部铁芯，其磁场是非线性的;其余部分为空气，其磁场是线性的。整个磁场满足准拉氏方程：
此方程为一非线性方程，它的边界条件为
φ︱AB=F1,>CD=0,φ︱AC=φ︱BD
假设某一F1值，求得图2区域中不同点的磁通φ后，便可方便地求出磁通密度：
将AB线（或CD线）上的磁通密度积分，
从而求得整个齿的磁通φt，还可求得图2区域内磁场的磁共能：
Wm'=
式中B、H满足定子1、转子2材料的磁化曲线，Hi为图2区域中某一单元内的磁场强度值，n为图2区域中总的单元数。
图3所示定子1与转子2齿对槽时的情况，同理可求得此时的磁通密度、磁通和磁共能。
求得每个齿的磁通φt，则由每级定子齿数z得每级磁通φ＝z·φt，设漏磁系数为Kσ，定子极身磁通密度Bm＝Kσφ/bm，由定子材料的磁化曲线查得Hm，则定子极身磁压降Fm＝Hm·hm;同理可求得定子轭磁通密度Bc＝Kσφ/hc，由定子材料的磁化曲线查得Hc，则定子轭中磁压降Fc＝Hc·lc;转子轭磁通密度Br＝φ/hr，由转子材料的磁化曲线查得Hr，则转子轭中磁压降Fr＝Hr·lr。则整个电机磁路的磁压降为：
∑F＝Fr+Fc+2Fm+2F1
显然∑F应与外加励磁磁势2IφWφ相等。但由于计算时，定、转子齿部铁芯和气隙部分磁场中的磁势F1是假定的，因此求得的与2IφWφ不一定相等。因此要不断修正F1值，进行多次迭代，直到使得∑F＝2IφWφ。这时的F1才是真正作用在图2区域上的磁势。由虚位移原理，电磁转矩等于磁场能量随定、转子位置的变化率为：
电机的平均电磁转矩为：
Mav＝>1-W2)/(π)
式中W1为定、转子槽对槽（或齿对齿）位置时磁场的能量，W2为定、转子齿对槽位置时磁场的能量。
为得到产生最大电磁转矩的定、转子齿形，采用HooKs-Jeeves直接搜索法，以电磁转矩为目标函数对定、转子齿形进行优化。选取一个电机定、转子初始齿形如图4所示，坐标中t为定子（或转子）齿距。将该初始齿形边界上A1、B1、C1、D1、E1五点的X、Y坐标作为变量，当这五点的X、Y取不同值时，便得到不同的定、转子齿形，计算这些定、转子齿形产生的电磁转矩并进行比较，即以电磁转矩为目标函数对定、转子齿形进行优化，得到产生电磁转矩最大的定、转子齿形是齿顶部分为等腰梯形、齿间部分为矩形、齿根部分为等腰梯形的八边形齿，其顶角α1＝100°～150°、底角α2＝20°～80°，如图5所示。
这种产生最大电磁转矩的八边形齿形的定、转子同样适用于以磁阻原理工作的磁阻同步电动机、感应子式电动机、永磁反应式步进电动机、直线电动机和平面电动机。
所用这些计算都是在计算机上进行的。
定、转子采用这种八边形齿的反应式步进电动机，其最大静转矩大、起动频率和运行频率高。功率消耗小，体积小。但电机的制造成本不增加。
因定、转子齿形是完全相同的，所以只要求解出转子（或定子）齿形就可以了，下面就是110BF003反应式步进电动机转子齿形的求解过程。
初始齿形的选取和坐标系的建立如图6和图7所示，坐标中t为定子（或转子）齿距。图6所示的定、转子初始齿形是矩形，A2点坐标为（0.16、0.6），B2点坐标为（0.2，0.6），C2点坐标为（0.2，0.5），D2点坐标为（0.2，0.2），E2点坐标为（0.2，0）。图9为计算机程序的方框图。用有限单元法计算不同定、转子位置时齿部铁芯和气隙部分磁场的磁通密度、磁通和磁共能，并求出磁共能随定、转子位置的变化，再用虚位移原理求得电磁转矩，最后以电磁转矩为目标函数对定、转子齿形进行优化，得到产生电磁转矩最大的定、转子齿形如图8所示，A4点坐标为（0.145，0.419），B4点坐标为（0.165，0.367），C4点坐标为（0.185，0.315），D4点坐标为（0.185，0.215），E4点坐标为（0.3，0），A4、B4、C4三点在一条直线上，即产生电磁转矩最大的定、转子齿形是齿顶部分为等腰梯形、齿间部分为矩形、齿根部分为等腰梯形的八边形齿。
图7所示的定、转子初始齿形近似于渐开线齿形。A3点坐标为（0.16，0.6），B3点坐标为（0.18，0.58），C3点坐标为（0.2，0.5），D3点坐标为（0.2，0.2），E3点坐标为（0.4，0）。用同样的方法求出产生电磁转矩最大的定、转子齿形同前面求出的结果一样，即如图8所示的齿形。
在不改变110BF003电机的相数m，极数P，转子齿数Zr，励磁电流If，绕组匝数Wf和不改变极宽bm，极高hm，定子轭高hc，定子轭长lc，转子轭高hr，转子轭长lr，每级定子齿数Z，铁芯长度t和气隙长度δ的条件下，通过优化设计电机的定、转子齿形，提高了电机的运行性能。定、转子齿形是这种八边形齿的110BF003反应式步进电动机运行性能和定、转子齿形是矩形齿的110BF003反应式步进电动机运行性能的测试数据如下表所示：
表1电机最大静转矩：
表2电机起动矩频特性
图1是三相反应式步进电动机结构图。
图2是定、转子槽对槽（齿对齿）时磁场计算示意图。
图3是定、转子齿对槽时磁场计算示意图。
图4是对定、转子齿形进行优化时所选的初始齿形图。
图5是经过优化得出的产生电磁转矩最大的优化齿形图。
图6是110BF003反应式步进电动机对定、转子齿形进行优化时所选的矩形的初始齿形图。
图7是110BF003反应式步进电动机对定、转子齿形进行优化时所选的渐开线形的初始齿形图。
图8是110BF003反应式步进电动机的定、转子优化齿形图。
图9是计算机程序的方框图。
机译： 步进电动机的电动机控制方法，步进电动机的控制装置以及步进电动机系统
机译： 步进电动机的控制方法，步进电动机的控制装置，步进电动机的电动机驱动器
机译： 步进电动机的控制器，步进电动机的控制方法以及步进电动机驱动控制系统
