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运动控制电机之步进电机

来源:北京kok体育苹果版电机有限公司作者:李利网址:浏览数:5246

摘要:用电机学的观点分析了步进电动机在当今运动控制类电动机中所处的地位;指出当今步进电动机主流产品的多极永磁感应子式结构,决定了它精确定位、控制简单方便和快速性弱势等特点,指出今后发展的方向是克服快速性的弱势。这需要新的电机学的思路。

0  引  言

   传统的电机作为机电能量转换装置,电动机是将电能转换成机械能,主要关心它的力能指标,即机电能量转换的效率。生产技术的发展,除了要求电动机完成机电能量转换的功能,还提出了运动控制方面的要求,控制的目标是角速度和角位移;性能指标主要包括:稳速精度、调速范围、动态响应、跟随精度及定位精度等。现代高性能运动控制电动机通常有步进电动机、无刷直流电动机和交流伺服电动机,其中步进电动机最早成为适应计算机控制的运控电动机,在上世纪60年代有较快的进展,2相混合式步进电动机的专利也是那时提出的;70年代和80年代步进电动机迅速发展,在计算机外设和办公自动化设备中广泛应用,并迅速推广到很多工业装置,包括数控车床;80年代以后,无刷直流电动机和交流伺服系统逐步发展完善,推广应用,并成为当今运控电动机的主流。那么它们与步进电动机之间到底是一种什么样的比较和关系呢?实质性的了解需要从电机学的观点来进行分析。

1同步电动机

   现代的无刷直流和交流伺服电动机,都具有3相永磁同步电动机的典型结构,由位置传感器控制3相方波电压逆变器供电,称为无刷直流电动机。由于位置传感器控制逆变器使电动机自同步运行,因而具有类似直流电动机的特性,像直流电动机一样可方便地调速,但是从电机学的观点看,它并不是一台真正的直流电动机。因为从电枢绕组电路看是3相绕组电路;每相绕组的反电势是交流电势,在多数情况下较接近正弦波;绕组电路的外加电压是三相方波,仍是3相交流电压,其中的基波分量仍起主要作用,与外加3相正弦波电压的电动机并没有原则性的区别,所以从电机学原理的观点出发,无刷直流电动机就是一台3相永磁同步电动机,方波驱动的同步电动机。实际上是方波电压驱动的同步永磁电动机型无刷直流电动机。由于驱动电压和绕组电流中除了基波分量以外,含有丰富的谐波,电磁转矩的脉动分量或交变分量就明显存在。由于转子和负载机械惯量的作用,转子角速度的波动通常不会很明显,在一般运动控制系统是可以接受的,但对要求高的系统来说,无论是速度的稳定性还是调速范围,就不能适应了。

   采取正弦波电压驱动,就可以构成所说的交流伺服电动机系统,就能解决上述问题。让电动机的反电势为正弦波(ea、eb、ec),在常规电机制造中是常见的要求,有成熟的方法可以达到,在绕组参数没有明显非线性情况下,正弦波电压驱动便可以获得3相对称的正弦波电流(ia、ib、ic),这时电磁功率和电磁转矩理论上为恒定值,没有转矩波动。在ωr=const情况下,电磁功率:Pe=eaia+ebib+ecic=const   (1)  电磁转矩:  (2)

   这就是交流伺服系统可以达到很高速度稳定度和调速范围的核心基础?杉涣魉欧低呈抵噬鲜钦也ǖ缪骨耐接来诺缍

   步进电动机可以是永磁式、磁阻式或混合式(永磁感应子式)同步电动机,在步进驱动方式下供电。所谓步进驱动,从电机学的观点看,只不过是一种顺序逻辑控制电流波形的逆变器,为开环系统。电流波形可以是方波或任意阶梯波,阶梯数很多时可接近正弦波。逆变器的频率由控制脉冲频率决定,可以在频率为零,即定位状态下工作。

   以上分析表明,步进与交流伺服系统,同属于同步电动机系统,主要区别在于:步进电动机的主流产品为转子50齿混合式结构,即50对极的感应子式同步电动机,交流伺服电动机则多数为2~4对极的永磁同步电动机。从电动机的基本原理和结构特点出发,可以确切地分析二种系统的特点、优缺点以及发展的趋向。

2运行平稳性和调速范围

   近代交流伺服电动机运行平稳性好,特别是低速运行平稳,调速范围广,一般性要求的系统调速比约为l:l 000,要求较高的可达l:5 000—l0 000,甚至可以达到1:l00 000?砉愕牡魉俜段в朐诵衅轿刃越裘芟喙兀【鲇诘绱抛氐牟ǘ U庵饕慷憷创锏剑皇3相对称的正弦波反电势和相绕组电流,二是齿槽定位转矩的消除。

   混合式步进电动机属双开槽结构,齿槽效应的基波用于基本电磁过程,不属于需要消除的范围。齿槽效应的谐波转矩一般也很少用常规电机中常用的斜槽或斜极的方法来消除,而是靠不同极下错开相位来消除,再辅之以恰当地设计齿槽宽度比和定转子不等齿距等方法来消除齿槽效应的主要谐波成分。实践表明齿槽定位转矩也可以控制到很小。

   步进电动机反电势波形的正弦性,以及多相对称正弦波电流的获得并不困难,所以具有同样条件保证运行的平稳性,多极是对运行平稳有利的条件,特别是低速运行,因而同样能达到很宽的调速范围。实践也能证明这一点。曾经制作过人造卫星太阳能帆板姿态控制用的步进电动机,对平稳性要求很高,因为即使相当小的干扰力作用于无阻力运行的卫星系统便可能对它的运行产生不利的影响。该步进电动机跟随太阳光的方向转动很慢,24小时转一圈,带着指针测试运转时,肉眼看不出任何不均匀的现象。

   讲到运行平稳性,自然会想到共振与振荡现象,其实这是同步电动机的共性问题,包括大型水电站中的水轮发电机,设计时也要避开谐振频率运行?墒侨嗣浅3;嵛笕衔遣浇缍赜械奈侍猓饕脑蛴卸悖阂皇嵌嗍浇ピ扇〗滋莶ㄇ缌鞑ㄐ渭暗绱抛刂泻蟹岣坏男巢ǎ欢嵌嗉缍淖匀黄德时懿豢浇缍砉愕墓ぷ髌涤颉

   另一个相关的问题是步进电动机的相数。从步进电动机工业产品的主流来看,最早发展的是上世纪60年代提出的2相混合式步进电动机的专利,直到现在,转子50齿的2相混合式步进电动机仍占产品的绝对多数。1973年提出的五相混合式步进电动机,在当时功率管仅为开关状态工作的驱动器条件下,使步进电动机的性能,特别是运行平稳性、稳定性和工作频域有相当大的提高。从电机学的观点看,5相电动机是以增加电动机绕组相数的办法,改善了电动机的驱动条件。随着步进电动机驱动技术的发展,主要是微步驱动和电流波形控制技术,使得步进电动机的驱动条件获得根本性的改善,提高步进电动机的分辨率及理想的正弦波电流驱动可以方便地实现,实际上和近代交流伺服系统的驱动条件相当,或相似。在这样的背景下,增加绕组相数做成5相电动机就显得多余和没有必要,所以在1993年5相电动机专利到期时,同一家德国公司提出了新的3相混合式步进电动机的专利,并放弃了五相电动机的继续生产,改为生产3相电动机,是很自然的事情。新的3相步进单元性能优于5相单元且较简化,所以完全取代五相电动机只是时间和过程的问题。

   新的问题是2相步进电动机同样采用新的驱动技术以后,为什么不能取代五相电动机,而要由3相电动机来取代呢?这个问题在步进电动机的研究领域内还没有人解答过,但是实践给人们的感觉是3相电动机的性能有优于2相电动机的地方。有一些表面的解答是认为:2相电动机的双极性驱动器为两个H桥电路,用8个功率开关管,3相电动机用3相桥驱动电路只需6个功率开关管,而且3相功率?槭峭ㄓ貌罚奖愫图哿

   真正的问题在于2相电动机不是一个完善的对称多相电动机,所以确实会稍逊于3相电动机。一般的认识,2相空间相差90°电角度的绕组,通以相位差90°幅值相等的正弦波电流,将产生圆形旋转磁场和恒定的电磁转矩,和3相或更多相系统一样。这样的认识没有错,只是2相系统的时空分布并不对称,不具有循环对称性。图1的示意图可以形象地说明这一点。不具有循环对称性的系统,相绕组间的互感虽然相等,但相互的影响却不一样,系统便不对称了。

   通常所说的空间相距90°电角度的2相对称绕组,相绕组的电阻为Raa=Rbb=R11绕组的自感为Laa=Lbb=L11,相绕组问的互感为Lab=Lba=-L12即设互感为负值,L12为它的绝对值。如果在相绕组通过通常所说的2相对称正序电流ia和ib则在2相绕组内的阻抗压降如图2的相量图所示。相量图清楚地表明,对称正序电流分量,在2相绕组电路内产生的阻抗压降并不对称,幅值不相等,相位差也不是90°电角度。实际上正序阻抗分别为:

   图1  多相系统时空分布相量示意图

 图2    2相正序电流产生的阻抗压降

 (3) 或   (4)每相绕组自身的阻抗为:Z11=R11+jX11 (5)很明显有:Z1a<Z11Z1b (6)

   以上所述2相绕组电路系统不对称性的存在,很容易在实验中发现和证实。例如用别的电动机拖动2相步进电动机旋转并让2相绕组同时短路时,分别测量2相绕组内的短路电流,可发现它们不一样大。事实上由(4)式可知,A相的短路电流(Iak)会比B相的(Ibk)大一些。如果单独一相绕组短路,它的短路电流(I11k)的值则处于二者之间。由于2相绕组在空间正交分布,相间的互感主要由不均匀和非线性引起,一般相当小,不特别注意时不易发觉,或误以为是测量和制造误差等引起的,所以在一般情况下不会造成明显的影响,因此2相电动机能成为主流产品广泛应用至

今。只是在追求高性能时才会发现这种本质性的缺陷,无法用提高制造精度和其他辅助措施来克服和改进。追求均匀性和对称性应是电机发展的内在规律,从这一角度出发对2相电动机略逊于3相以上的电动机的事实就感到是理所当然。顺便说一句,5相电动机由于转子齿数是相数的倍数,定子冲片设计时需采取“人工错位”技术,使得5相电动机的磁系统也是不能完全均匀和对称。

3定位精度和跟踪精度

   步进系统定位时的位置误差由二部分组成:一部分是电动机的位置误差,定义在空载情况下测试,由电动机的模具和制造精度决定,通常值为分级,例如3~5机械角分;另一部分是负载变化引起的失调角的变化,或运动方向改变时失调角的影响。图3可以给出一些量化的概念,

    图3步进电动机矩角特性

   图中给出的是步进电动机的矩角特性。Tk为保持力矩或最大静转矩,θe.L为负载转矩TL时的失调角,大致值为:  (7)通常,TL要比Tk小得多,设TL/Tk=0.5,则由上式得:θe.L=sin?? (O.5)=30°   (电角度)  (8)

   如果是转子50齿的混合式电动机,则对应的机械角度为: (机械角度)  (9)

   多数实际系统在定位情况下往往只有摩擦力负载,一般较小,所以实际上失调角也不大。用机械角度表示的误差,在数控系统中不如以脉冲当量为单位表示来得更清晰。图3清楚地表明,失调角引起的位置误差,包括变更方向在内,极限值为±θe.m=±π/2,对应的脉冲当量数为:   (10)其中,θe.b为用电角度表示的步距角;m1为逻辑通电状态数,通常称为拍数。

   以2相八状态为例,m1=8,则以上位置误差的极限值为:δmax=±2    (11)实际值很容易控制在δ=±1之内。这对数控系统来讲,基本上是最小的误差。以普通的数控线切割机床为例,通常脉冲当量为△S=0.001 mm,切割工件要求的形位误差则要求不大于0.01 mm~0.02 mm,为脉冲当量的倍数?杉叵咔懈罨驳木戎饕【鲇诨挡糠郑浇叵低车木仍蚋叱鲆桓鍪考丁

   步进电动机自身(空载)的位置误差,与步距角精度相对应,在驱动器电路及功率器件对称的条件下,取决于电动机的制造精度,通常为整步步距角的3%~5%左右。对于工作在指示状态的开环系统有重要的意义,对于如上例所述的机床这类系统则没有什么影响,因为该误差常常小于一个脉冲当量。所以对步进电动机步距角精度的要求事实上主要不是着眼于提高数控系统的精度,而是提高电动机的均匀性从而提高电动机的总体运行性能。

   在位置闭环的交流伺服系统中——多数情况是电动机轴角位移的半闭环,定位误差与电动机本身的精度或负载失调角都没有关系,只取决于位置传感器的分辨率和精度。以当前市场上通用交流伺服系统为例,用得较多的是2 500线的增量型光学编码器,分辨率可以达到每转10 000脉冲当量,或分辨率为p=l/10 000。

   电控系统的位置误差为一个脉冲当量,与设计恰当的数控步进电动机系统就定位精度相比较,并没有质的区别,只是对闭环交流伺服系统而言,只要采用高分辨率、高精度的角位置传感器,就可以获得更高数量级的定位精度。步进系统由于电动机和驱动方式的特点,可以在较简单的开环方式下获得相当高的定位精度,但并不表示它不能组成闭环系统,加上角位置传感器闭环以后,同样可以获得更高的位置精度。早在上世纪80年代初曾研制了达到角秒级精度可用于高精度转台的步进伺服系统,传感器采用的是高精度圆感应同步器。

   值得一提的是步进系统定位状态的稳定性(安定性)更好一些,因为步进电动机是定电流驱动,定位状态时绕组电流的值不变,有足够大的保持转矩,再加上多极结构保证了足够大的转矩(对角位移)刚度。交流伺服系统则不一样,定位状态的绕组电流为零,因而保持转矩也为零,只有偏离给定位置后才产生电流及回复转矩,使它不偏离定位位置,可见这种定位状态是一种动态的平衡,没有步进系统静态平衡定位的安定性好。

   点位控制的伺服系统主要关心它的定位精度,对轮廓控制的伺服系统则更关心它的跟踪精度,即电动机运动过程的动态误差。对这个问题的定量研究较静态误差复杂得多,因为与运动的速度、运动的方式,以及负载等都有关系。但是对步进系统动态误差的极限值(范围),可以通过它的动稳定区来了解。

   图4中曲线l表示某一通电状态的矩角特性。如果电动机定位在该通电状态,则转子位置应停位在稳定平衡点O,转子若受外力干扰偏离0点,只要处在±π电弧度范围内,当外力撤消后转子就能在电磁转矩作用下回复原位O点,于是±π电弧度的区间,就称为静稳定区。如果控制系统发出一个控制脉冲,电动机便改变成下一个通电状态,相应的矩角特性改为曲线2,新的稳定平衡点改为O'。在改成新的通电状态时,转子位置只要处在距O'点±π电弧度范围内,便能跟踪新的平衡点0',所以一(一π一θb)< θe< (π+θb)的区间称为改变通电状态时的动稳定区。步进电动机执行控制程序正常运行没有失步,就表明在运行过程中发出任一个控制脉冲时,电动机转子位置都处在相应的动稳定区内?杉蟛罨蚋傥蟛畹募拗当闶嵌榷ㄇ谋呓纾绻模月龀宓绷勘硎镜亩蟛睿蛴校 (12)

   图4静稳定区与动稳定区

2相半步方式运行的步进电动机,m1=8, 。相数增加或微步驱动时,m1的值增大,δ'max的数值也增大。事实上步进电动机只有运行在接近牵出的边缘状态时,动态误差才会达到最大值,处在有余量的运行状态时,动态误差会较小。不论怎样,步进系统的动态误差是容易估计和控制的,即使m1增大情况,也只要适当选择脉冲当景与系统要求精度之间的关系,就可保证数控系统满意的跟踪精度。

4快速性

   电动机的快速性有两方面的含义,即快速响应和快速运转,前者要求高的角加速度,后者则与能达到的运行转速相关。步进电动机的主流产品是混合式或感应子式多极数结构,便决定了快速性是它的弱项。

   电动机能达到的角加速度(αmax),取决于最大电磁转矩(Te.m)与转子惯量(Jr)的比值:    (13)电动机电磁转矩的一般表达式如下:Te=AsBgD?L  (14)其中,As为线负荷,通电电枢绕组沿圆周方向单位长度的安匝数;Bg为气隙有效磁通密度;D为电枢直径;L为电枢铁心有效长度。

   气隙有效磁通密度(Bg)指的是电动机电枢每个极距内交变分量对应的气隙磁通密度的幅值或平均值。在永磁电动机中每极磁通量或磁密是在正最大值到负最大值之间交变,所以气隙磁密的幅值就是交变分量的幅值,即有效气隙磁密?墒窃诟杏ψ邮浇峁沟牡缍校行Т磐ㄊ瞧洞磐康牡髦撇ǎ词沟髦粕疃却锏100%,气隙磁密可以从最大值变化到零,它的交变分量幅值也只有实际气隙磁密的一半(50%)。实际气隙磁密的幅值,受铁芯磁性材料,主要是齿部饱和的限制而在一定的数值范围内,不会有很大的差别。因此,多极数混合式结构(磁阻式也一样)步进电动机的响应速度不及少极数永磁体结构的交流伺服系统快是毫无疑问的事实。还有一个影响的因素,步进电动机通常采用电流型驱动,不容易用过电流的方法来提高转矩和快速性。

   如果不采用磁阻式或混合式结构,好象就没有上述气隙有效磁密低的问题。但这是步进电动机为了分辨率和刚度的原因需要采用多极数,最常见的是50对极。因为极数很多,极距相当小,往往只有毫米级的情况下,还采用常规的永磁式结构,那末由于气隙极距比(g/τ)相对增大,极问漏磁增大,使气隙有效磁密显著降低,反而效果更差。早在上世纪40年代,在研究电磁式结构的中频发电机时,就已经确认,在极距减小到一定值时,由于放置励磁绕组空间的限制使气隙磁密降低,还不及感应子式结构有效空间利用率更高,因而发展了一系列感应子式中频发电机。从上世纪50年代开始发展步进电动机时,就主要选择了磁阻式和感应子结构,很显然也是因为小极距时更合理的原因。永磁电动机的极距减小时,不会受到励磁绕组空间的限制,因而合理的极距会比电磁式结构更小一些,它的合理值主要由极间漏磁和放置定子绕组空间限制等因素决定。

   总之极距很小的电动机,做成磁阻式或感应子式结构,会比做成同样极距的永磁式结构的有效空间利用率高一些,也更经济和方便。但是与常规极距不很小的永磁电动机相比,就有明显的差距,同样转子体积和惯量情况,能产生的峰值转矩和相应的加速度都显著不及。在文章资料中经常会接触到开关磁阻电动机和双凸极永磁同步电动机,它们是作为新型调速电动机被开发和研究的,从电机学的观点看,它们分别属于磁阻式和感应子式同步电动机,但是并不象步进电动机那样具有多极数和很小极距的特点,因而实际上除了有特殊需要和理由以外,不具备采用这类结构型式的理由。

   电动机带一定的负载转矩能达到的运行转速越高则输出的功率越大,在一定脉冲当量和分辨率情况下则表明动作的速度更快。步进电动机的牵出特性表示它的转矩、转速和输出功率的极限范围。图5给出一台步进电动机牵出特性的实例,通过分析可以清楚了解限制步进电动机速度提高的因素。

     图5牵出特性实例

   近代步进电动机采取波形控制的电流型驱动器,在较低频率范围内为恒牵出转矩特性,到达某一临界频率(fk)以后,牵出转矩随频率升高而下降。fk成为牵出特性上重要的特征点,fk的值可以作为步进电动机运行速度的标志。

   例如图5所示是一台□57BH250B(3)型典型的2相混合式步进电动机实测的牵出特性,配套的是珠海运控生产的MC一20604型驱动器,实验是在:驱动电压UDC=60 V,相绕组峰值电流Ip=3 A、半步方式(2细分)情况下运行。图中可见:fk=4000 pps,对应转子转速为nr=10 rps或nr=300 r/rain,转子角速度为ωr=2π×10=62.83 rad/s。该电动机的基本电参数还有:反电势系数Ke=0.5 vs/rad;相绕组电阻R=0.7l Ω;相绕组电感L=4.84 mH。对应牵出特性上拐点处的电路平衡关系可用图6的相量来表示。

     图6牵出特征点处的电路平衡相量图买例

   这里应用的是等值正弦波或基波分量的工程分析方法,实际表明它既简单明了能说明问题的本质,又能满足工程分析的精度要求c该点处在恒转矩的极限点,转矩值还没有下降,表明电流佰还没有减小,所以: (15)反电势: (16)阻抗压降:                 IR=2.12×0.17=1.51V (17)IX=IωL=IZrωrL=2.12×50×62.83×4.83×10??=32.2V (18)绕组端电压  (19) 绕组端电压峰值:   (20)

   考虑到线路和功率开关管的电压降,这就是60VDC桥臂电压能提供给绕组的最高电压了?刂坡龀迤德(fcp)进一步提高时,E0与fcp成正比增大,在绕组端电压无法继续提高的情况下,阻抗压降(主要是LX)必然要减小才能保持电压平衡关系,考虑到盖的值还与^,成正比增大,所以电流,的值会以与^,成反比甚至更快一些的速度下降。

   以上实例分析,清楚地看出限制临界频率(fk)升高,也就是限制步进电动机运行转速的,首先是电抗压降,即绕组电抗大的因素。标准结构的混合式步进电动机电抗大的根本原因有三条:有效磁通量较小使绕组匝数增多;为了提高磁场调制深度必须做成小气隙;频率与极对数成正比因而相当高。传统结构的同步电动机通常设计成较大的气隙以提高它的过载能力,永磁电动机将永磁体设计在主磁路内时绕组主电抗会更小些?杉诵凶倨褪窍钟械湫徒峁共浇缍母救醯悖拗屏怂τ昧煊虻耐卣埂

5现状和展望

   步进电动机的技术已很成熟,特别适合于小功率开环定位系统,至今还没有能取代它的更适合产品,今后将继续稳步发展和完善化。在功率稍大和要求高响应高速度的系统,则更多地让位给交流伺服系统。这是对步进电动机相当普遍的认识和看法。作者则认为不一定完全是这样,有可能会发展出高功率密度和响应更快的新系列,首先是步进系统有很多优点,既经济又简单方便,即使在交流伺服系统不断发展和推广的情况下,也相当让人怀念,这就是需要和市场,是促进技术和产品发展的最重要的动力。当然还不够,事物发展还有它内在的客观规律性,也就是可行性。

   步进电动机快速性不足的根源是多极感应子式结构,因此采用永磁式(PM)结构而不是永磁感应子式(HB)结构,这是相当自然地首先会想到的。低性能爪极式步进电动机不属于这里讨论的范围,它是追求低成本而不是高性能的产物。标准结构的永磁步进电动机产品也是存在的,一般步距角较大(7.5°或更大),应用在特殊需要的场合而未成为主流产品。标准的交流伺服电动机配以适当的步进驱动器,就是永磁步进电动机系统,单就高速性和功率密度而言无疑是提高很多,但是由于极数少失去了高保持转矩刚度和高的自然角分辨率的特性,也就丢失了许多通常认为步进电动机应具有的优势。因此不如说是交流伺服电动机的步进运行或应用,真正意义上的新系列的目标,不会就这么容易地就达到。

   真正意义上的永磁步进电动机系列产品实际上是存在的,这就是ESCAP的薄型磁片转子永磁步进电动机系列产品。为了说清楚它的基本特点和性能,可选其中某一具体实例,例如P530—258—07型永磁步进电动机,它的基本技术数据:

   (1)相数m=2:

   (2)步距角θb=3.6°(整步);

   (3)额定相电流IN=3.7 A;

   (4)相电阻R=3.4 Ω:

   (5)相电感L=1.0 Ω;

   (6)保持转矩Tk=0.21 Nm(二相同时通IN);

   (7)转子惯量Jr=12×10~kg·㎡

     对进口样机和自制样机进行试验,测得的性能完全一致。测试条件为功放级电压,U=75 V、恒定相电流I=3.7A。简要测定结果。

   (1)空载启动频率(ft0)

    a.整步,θb=3.6°,ft0=1.6 kpps;

    b.半步,θb=1.8°,ft0=3.2 kpps;

    c.四细分,θb=0.9°,ft0=6.0 kpps;

   (2)牵出特性

    a.整步,Tpull-out=0.14~0.12 N·m,fk=4.0 kpps;

    b.半步,Tpull-out =0.12~0.10N·m.fk=8.0 kpps;

   以上数据表明,电动机的空载启动转速为每秒16转(16 rps);牵出特性恒转矩临界点对应的转速为每分钟2400转(2400 r/min)。二者都明显高于现有的混合式步进电动机系统,即在响应速度和运转速度方面有相当大的提高。它的极对数为P=25,为标准混合式电动机P=50的一半,虽然有一些差别,但基本保持了多极结构的基本特点和优势,使得这种电动机产品生存至今已有20多年。但与主流产品相比则微不足道,以致较少为人们所知道。作者最早看到这种电动机是1986年在日本小电机会议展会上,以后也仅在国内进口的某种纺织机器上见到过一种应用实例。没有 广泛应用和发展一定有它内在的原因,不妨考察一下它的具体设计和结构。

   图7示永磁体转子的结构。永磁体是一薄型的圆片,充磁成沿圆周分布的25对极(50个)双面的磁极,极距沿外圆最大处为2.23 mm,最小处是1.57 rnm,平均值为1.90 mm。这种转子结构的优点是:容易实现永磁体的多极定向结构,圆桶形的多极径向定向则很难实现;可以将转子支撑材料的惯性做到最小。缺点是轴向气隙的盘式结构增大了转子的直径,对减小转子惯量是不利的。

   对永磁转子来说,极数增多极距减小不象电磁式结构那样受转子励磁绕组空问的限制,像图6的转子极距就相当小了。但是定子绕组空间位置的问题仍不能回避,这么小的极距,按正常方法设计和分布定子绕组显然没有可能。只能采取集中绕组,与磁阻(VR)式和混合式(HB)电动机的绕组相类似,一个线圈包围着一群定子齿,实际上这是设计成每相一个线圈,考虑到双面结构,实际上共有二对线圈,即每相绕组由相对位置的一对线圈构成,线圈包围的是10个定子齿。齿宽应接近磁极宽度,齿磁通变化的相位应相同或相近,因此相邻的N极和s极的磁通不能同时达到它们的最大值,或者说转子永磁体磁极沿圆周方向是交替起作用,相当于有效率为50%.双面作用可以弥补这一不足,双面合起来获得单面100%的转子永磁体利用率?悸堑较呷Σ壅加玫目占洌ㄗ佑行Э占涞睦寐饰80%。严密一点讲,定子和转子有效空间和它们的利用率不应划分开来。总之该电动机从有效空间或有效磁通利用率来讲,集中绕组缺点的影响被双面利用优点弥补,能接近标准结构永磁电动机,因此能获得比标准步进电动机高得多的快速性能,不能不说是多极永磁电动机设计和结构成功的地方。但是这种特殊的设计也透出它存在严重的内在不足。

  

图7水磁体转子

   首先是永磁体内磁密的波动很大,从正对定子齿的最大值波动到正对槽时很小的值,使得永磁体内涡流损耗很大,发热严重,失去了标准永磁电动机转子磁通恒定损耗小的优点;其次是轴向气隙结构使定子铁心结构复杂化,标准径向气隙结构电动机,定子冲片是整圆或方圆片,沿轴向叠压成整体,轴向气隙电动机的定子铁心需要沿径向叠片,这里实际结构如图8所示,定子铁心各个齿做成相互独立的C型结构,用结构件将它们固定并沿圆周准确分布定位。即使如此,定子铁心内因磁密甚高且交变频率甚高使得铁心损耗相当大,温升很高;再有就是盘式结构的转子看起来最大限度地省去了结构和磁路闭合材料,有利于转子惯量的减小,但由于直径增大对减小惯量不利,所以这方面的优势也不明显。

     图8定子结构示意图

图9是我们标准结构30 W(3 000 r/mm)交流伺服电动机的转子主要几何尺寸,转子的惯量也是Jr=12×10kg·㎡。

图9 30 W、3 000 r/mm伺服电动机转子尺寸示意图

   与上述盘式电动机的转子惯量相等,伺服电动机的额定转矩TN=0.1 N·m,峰值转矩Tm=0.3 N·m,电动机在起动、反转、快速响应时,都会很自然地在峰值转矩作用下完成。上述盘式电动机的牵出转矩(Tpull-out)约为0.1 N·m,动态转矩实际上低于这一值,可见它的响应速度仍比不上交流伺服电动机,更不要说它固有的发热和温升问题了。

   可见上述永磁电动机,仍不能作为主流步进电动机改进和发展的方向。但是步进电动机一定会根据运动控制更高的要求获得进一步的发展,也要求对电动机的内在发展规律根据新的条件作深入透彻地研究分析,探求出新的发展思路。

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