引言

以往關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的研究主要針對(duì)不同的定子齒形、轉(zhuǎn)子齒形(方形齒、梯形齒)對(duì)電機(jī)性能的影響。然而,對(duì)于步進(jìn)電機(jī)而言,不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、磁鋼厚度等參數(shù)也會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生很大的影響,而在這兩方面所能參考的文獻(xiàn)較少。因此,本文以某型衛(wèi)星天線驅(qū)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)為例,通過使用ANSYS進(jìn)行有限元分析計(jì)算,研究不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式對(duì)混合式步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩形成的影響,為后續(xù)步進(jìn)電機(jī)的性能優(yōu)化提供了一定的參考。

1混合式步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)的定子分成偶數(shù)對(duì)磁極,每個(gè)磁極上有小齒及控制線圈:線圈提供電流通路:大極上的小齒與轉(zhuǎn)子進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼及兩段鐵芯組成,環(huán)形磁鋼軸向充磁,鐵芯分別裝在磁鋼兩端,所有轉(zhuǎn)子鐵芯上都均勻分布有小齒,但相鄰兩段鐵芯上的小齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距。定子通電時(shí)產(chǎn)生的磁通與轉(zhuǎn)子磁鋼相互作用,產(chǎn)生電磁力矩:電機(jī)每改變一次通電狀態(tài),轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角(圖1):當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí),轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。

2有限元分析法

以往由于計(jì)算機(jī)資源的限制,文獻(xiàn)提出先對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行二維等效處理,再進(jìn)行二維有限元分析。然而,對(duì)于混合式步進(jìn)電機(jī)而言,轉(zhuǎn)子中有永磁體,存在著軸向磁路,導(dǎo)致其磁路結(jié)果具有特殊性:在二維等效過程中會(huì)加入一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù),得到的結(jié)果往往是不夠精確的,與實(shí)際結(jié)果相比存在著一定的誤差。基于此,本文準(zhǔn)備使用三維有限元法對(duì)混合式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行仿真研究分析,其主要計(jì)算原理如公式(1)所示:

式中:H為磁場強(qiáng)度:r為介質(zhì)電導(dǎo)率:E為電場強(qiáng)度:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3主要電磁參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2轉(zhuǎn)子外徑

長徑比計(jì)算公式如下:

式中:入為長徑比,一般長徑比入選取范圍在0.4~2.0:Dro為轉(zhuǎn)子外徑:Lt為定子鐵芯長度,為了使轉(zhuǎn)子鐵芯得到充分利用,在設(shè)計(jì)時(shí)定子鐵芯要比轉(zhuǎn)子鐵芯稍微長一些。轉(zhuǎn)子外徑依據(jù)公式(3)進(jìn)行計(jì)算:

式中:cm為轉(zhuǎn)矩系數(shù),通常取0.2~0.3:Mjmax為步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩。

3.2定子鐵芯外徑

式中:8io為定子鐵芯內(nèi)徑與外徑的比值,一般在0.4~0.7范圍進(jìn)行選取:DSi為定子鐵芯內(nèi)徑。

3.3定子鐵芯長度

3.4轉(zhuǎn)子齒數(shù)

式中:Nr為轉(zhuǎn)子小齒數(shù):P為電機(jī)相數(shù):9S為步距角。

本文電機(jī)P=2,9S=l.8o,Nr=50。

3.5具體設(shè)計(jì)參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的某型天線驅(qū)動(dòng)電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電機(jī),其主要電磁設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

4性能仿真分析

依據(jù)表1建立了步進(jìn)電機(jī)三維模型,如圖2、圖3所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為定子有8個(gè)磁極,轉(zhuǎn)子鐵芯分為四段,相鄰兩段轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)之間夾著環(huán)形磁鋼并錯(cuò)開半個(gè)齒距,中間兩段轉(zhuǎn)子鐵芯采用隔磁橋隔開。

通過ANSYS工具軟件對(duì)建立的三維模型進(jìn)行有限元仿真計(jì)算,得到了步進(jìn)電機(jī)自定位轉(zhuǎn)矩曲線與矩角特性曲線,分別如圖4、圖5所示。

由圖4可知,電機(jī)在一個(gè)齒距范圍內(nèi)自定位轉(zhuǎn)矩峰值為61mN·m:由圖5可知,兩個(gè)齒距范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩的正峰值為602.1mN·m,負(fù)峰值為-602.2mN·m。

5性能優(yōu)化研究

為了提高步進(jìn)電機(jī)力矩密度,在小電流下,步進(jìn)電機(jī)能夠輸出大力矩,本文以步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩的最大值。

5.1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響及優(yōu)化

通過只改變轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu),對(duì)比分析圖6、圖7中兩種不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩的影響。

圖6是在圖3的轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,改變了中間隔磁橋厚度的大小,轉(zhuǎn)子鐵芯長度也隨之變化:圖7是將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由四段鐵芯變?yōu)榱藘啥舞F芯,磁鋼總的厚度大小保持不變。方案一、方案二的矩角特性仿真結(jié)果分別如圖8、圖9所示。

由圖8可知,當(dāng)隔磁橋的厚度減小后,步進(jìn)電機(jī)在兩個(gè)齒距范圍內(nèi)的靜轉(zhuǎn)矩正峰值為657.6mN·m,負(fù)峰值為二655.2mN·m:由圖9可知,當(dāng)轉(zhuǎn)子鐵芯段數(shù)減少以后,步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)齒距范圍內(nèi)靜轉(zhuǎn)矩的正峰值為717.4mN·m,負(fù)峰值為二716.6mN·m。

相比原方案,方案一能使步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩增加,增加幅度為8.9%:方案二使得步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩提升更大,提升幅度約為19.1%。對(duì)比三種方案的矩角特性波形,方案二波形的正弦性最好,曲線也最為光滑。綜上所述,本文決定采用方案二中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

5.2磁鋼厚度對(duì)電機(jī)性能的影響及優(yōu)化

磁鋼結(jié)構(gòu)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的力矩性能存在著一定的影響。在方案二的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過只改變磁鋼的厚度lm,研究分析步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩隨著磁鋼厚度變化的情況。

選取磁鋼厚度分別為1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm時(shí)的最大靜轉(zhuǎn)矩,得到最大靜轉(zhuǎn)矩隨磁鋼厚度lm變化曲線,如圖10所示。

由圖10可知,磁鋼厚度lm存在一個(gè)最佳值。當(dāng)lm=2mm時(shí),最大靜轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值:當(dāng)lm≥4mm時(shí),最大靜轉(zhuǎn)矩開始顯著降低。這是因?yàn)楫?dāng)磁路飽和時(shí),繼續(xù)增加永磁體厚度,增磁側(cè)由于磁路飽和,正力矩增幅減小:去磁側(cè)由于磁路不飽和,負(fù)力矩值變大,導(dǎo)致總的合成力矩變小。綜上所述,優(yōu)化后的磁鋼厚度選為2mm。

5.3鐵芯迭長對(duì)電機(jī)性能的影響及優(yōu)化

為研究不同的鐵芯迭長對(duì)步進(jìn)電機(jī)性能的影響,在磁鋼尺寸不變的情況下,本文選取鐵芯迭長分別為15mm、19mm、23mm、25mm、27mm、31mm、35mm時(shí)的最大靜轉(zhuǎn)矩,得到了其隨鐵芯迭長變化曲線,如圖11所示。

由圖11可知,步進(jìn)電機(jī)單位鐵芯長度所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩并不是隨鐵芯迭長的增大而保持恒定的。這是因?yàn)殡m然鐵芯迭長不斷增加,但永磁體的尺寸是保持不變的,導(dǎo)致由永磁體提供的軸向磁通有限,當(dāng)鐵芯迭長超過一定值后,轉(zhuǎn)矩增加的幅度開始減少,轉(zhuǎn)矩值逐漸趨于平穩(wěn)。

鐵芯長度越大,步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩也就越大,但對(duì)應(yīng)的鐵芯重量也會(huì)相應(yīng)增加。在太空應(yīng)用環(huán)境中,小體積、輕量化設(shè)計(jì)是必須優(yōu)先考慮的,鐵芯迭長選取時(shí)應(yīng)考慮電機(jī)的性能并兼顧安裝尺寸與重量要求,基于此,本文的步進(jìn)電機(jī)鐵芯迭長選取25mm。

5.4優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

電機(jī)優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比如表2所示。由前文分析可知,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯段數(shù)由四段變?yōu)閮啥魏?電機(jī)最大靜力矩性能提升為19.1%:當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體厚度變?yōu)?mm后,電機(jī)最大靜力矩性能提升約1.4%:當(dāng)鐵芯迭長變?yōu)?5mm后,電機(jī)最大靜力矩性能提升約22.4%。優(yōu)化后,步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩提升明顯。

6結(jié)論

本文針對(duì)混合式步進(jìn)電機(jī)的仿真及性能優(yōu)化進(jìn)行了研究,并從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、磁鋼厚度、鐵芯迭長三個(gè)方面對(duì)電機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化,主要得到如下結(jié)論:

(1)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),首先應(yīng)依據(jù)指標(biāo)要求確定合適的鐵芯迭長與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),再進(jìn)行其他參數(shù)的設(shè)計(jì)。電機(jī)的鐵芯迭長優(yōu)化,對(duì)電機(jī)最大靜力矩性能提升最為明顯:其次為優(yōu)化電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式:進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),也應(yīng)著重考慮兩者對(duì)性能的影響。

(2)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)而言,磁鋼的厚度并不是越大越好,它存在著一個(gè)最優(yōu)值,需要依據(jù)步進(jìn)電機(jī)磁密分布情況,統(tǒng)籌考慮。當(dāng)磁路飽和時(shí),繼續(xù)增加永磁體厚度lm,會(huì)導(dǎo)致總的合成力矩變小。因此,在設(shè)計(jì)過程中,當(dāng)電機(jī)齒部磁密過飽和時(shí),在保證磁鋼剛度的前提下,可以適當(dāng)減小磁鋼厚度,優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能。

(3)鐵芯長度越大,步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩也就越大,但對(duì)應(yīng)的鐵芯重量也會(huì)相應(yīng)增加。在太空應(yīng)用環(huán)境中,小體積、輕量化設(shè)計(jì)是必須優(yōu)先考慮的,鐵芯迭長選取時(shí)應(yīng)考慮電機(jī)的性能并兼顧安裝尺寸與重量要求。