定子永磁型步进电动机结构原理及分析计算
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山东大学电气工程学院的研究人员鲁炳林、徐衍亮,在2016年第19期《电工技术学报》上撰文,为提高混合式步进电动机(HSM)的运行性能,彻底消除其转子放置永磁体的结构弊端,提出了一种定子上放置永磁体的新型步进电动机(SPMSM),其工作原理与HSM完全相同,但结构更为简单,转矩/功率密度及效率更高。
对SPMSM的运行原理及所采用的关键技术进行了分析,并与DSPM电动机进行了比较。同时,基于步进电动机归一化设计思想,并结合SPMSM磁场呈二维分布的特点(忽略电动机端部效应),提出了适用于SPMSM的归一化分析计算方法,并对其磁链、电动势、转矩及功率进行了计算。试制了一台2相8极50齿SPMSM样机,通过实验验证了其工作原理的实际可行性。
有限元仿真与实验结果表明,所采用的理论分析方法及所建立的功率方程能较好地反映SPMSM的实际特性,且具有较强的适用性,为该类步进电动机的设计和分析提供了参考。
步进电动机因具有转矩刚度大、定位稳定可靠、跟踪准确度高、可开环运行以及无累计误差等优点,在20世纪70年代迅速发展,广泛应用于计算机外设、办公自动化及工业设备和装置中,并于80年代达到高峰,成为数控系统中运控电动机的主体[1,2]。其后随着无刷直流电动机、数字化交流伺服电动机及双凸极电动机的发展和成熟[3-6],步进电动机的发展受到限制。如何进一步推动和发展步进电动机,成为步进电动机工作者面临的研究课题。
混合式步进电动机(Hybrid SteppingMotor, HSM)综合了磁阻式步进电动机和永磁式步进电动机的优势,已成为步进电动机发展的主流方向,特别在装备制造业中,所用到的步进电动机几乎都是混合式步进电动机[7]。
然而,即使对于HSM,其功率密度、转矩密度、调速范围、过载能力、运行效率也难以与无刷直流电动机及交流伺服电动机相媲美,究其原因,除了步进电动机经常采用的恒电流控制及本质上的高频驱动外,其转子放置轴向充磁永磁体的结构构造缺陷是重要因素。
为了提高HSM的运行性能,文献[8]分析了一种在普通HSM定子齿槽中放置永磁体的增强型混合式步进电动机。文献[9]提出了在普通HSM定转子齿槽中均放置永磁体的超强型混合式步进电动机。文献[10]提出了一种用于HSM的新型转子磁路结构。
以上几种改进后的结构都能显著提高HSM的功率密度、转矩密度、过载能力及动态性能,但转子上放置永磁体的结构弊端仍存在,同时更增加了电动机的制造难度和成本。
另一方面,近来随着双凸极永磁(Doubly-SalientPermanent Magnet,DSPM)电动机[11]、磁通反向永磁(FluxReversal Permanent Magnet,FRPM)电动机[12]及磁通切换永磁(Flux-SwitchingPermanent Magnet,FSPM)电动机[13,14]的提出、发展和成熟,定子永磁型电动机[15,16]逐步成为研究热点。
初步研究表明,此类电动机因永磁体放置于定子上而具有诸多优越性(如转子结构简单、永磁体散热容易、功率密度及效率较高等),具有良好的应用及发展前景。然而,对于同样采用双凸极定转子结构的步进电动机,目前通用的形式仍为转子放置永磁体结构,尚未见文献涉及对定子永磁型(转子无永磁体)结构步进电动机的研究。
本文通过借鉴DSPM电动机的结构形式[17,18],针对传统转子永磁型HSM的不足,提出了一种定子永磁型步进电动机(StatorPermanent Magnet Stepping Motor,SPMSM),并对其进行了理论分析计算及实验研究,该种电动机兼具步进电动机和定子永磁型无刷电动机的特征。
首先给出其基本结构特征,对其运行原理及关键技术进行了分析,并与DSPM电动机进行了比较;进而推导了功率方程,并提出适用于SPMSM的归一化分析计算方法,对其磁链、电动势、转矩和功率进行了计算;最后试制了一台2相8极50齿SPMSM样机,通过有限元仿真和样机实验验证了理论分析及计算的正确性。
结论
本文提出一种新颖结构的定子永磁型步进电动机(SPMSM),彻底消除了传统混合式步进电动机(HSM)转子放置永磁体的结构弊端,通过理论分析、有限元仿真和实验结果验证,得到以下结论:
1)SPMSM与HSM工作原理完全相同,且具有结构简单、加工制造容易、功率密度/转矩密度高、运行效率高、永磁体散热容易及利用率高的优势,既可用于传统HSM的小功率定位传动领域,也可用于大功率机电能量转换领域。
2)SPMSM与DSPM电动机同为定子永磁型电动机,两者既有共同性亦存在差异性,两者的差异性主要体现在运行原理和控制方式不同,可根据实际应用场合提出的具体要求对两种电动机进行选择。
3)所采用的SPMSM理论分析计算方法体现了步进电动机归一化设计思想,具有较强的适用性,为初步分析比较不同结构、不同尺寸型号的SPMSM电磁特性提供了有利工具;同时,基于所建立的SPMSM功率方程,可进一步推导其尺寸方程,为电动机初步电磁设计奠定了基础。