北京永光高特微電機有限公司
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運動控制電機之步進電機

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3457

摘要:用電機學的觀點分析了步進電動機在當今運動控制類電動機中所處的地位;指出當今步進電動機主流產品的多極永磁感應子式結構,決定了它精確定位、控制簡單方便和快速性弱勢等特點,指出今后發展的方向是克服快速性的弱勢。這需要新的電機學的思路。

0  引  言

   傳統的電機作為機電能量轉換裝置,電動機是將電能轉換成機械能,主要關心它的力能指標,即機電能量轉換的效率。生產技術的發展,除了要求電動機完成機電能量轉換的功能,還提出了運動控制方面的要求,控制的目標是角速度和角位移;性能指標主要包括:穩速精度、調速范圍、動態響應、跟隨精度及定位精度等?,F代高性能運動控制電動機通常有步進電動機、無刷直流電動機和交流伺服電動機,其中步進電動機最早成為適應計算機控制的運控電動機,在上世紀60年代有較快的進展,2相混合式步進電動機的專利也是那時提出的;70年代和80年代步進電動機迅速發展,在計算機外設和辦公自動化設備中廣泛應用,并迅速推廣到很多工業裝置,包括數控車床;80年代以后,無刷直流電動機和交流伺服系統逐步發展完善,推廣應用,并成為當今運控電動機的主流。那么它們與步進電動機之間到底是一種什么樣的比較和關系呢?實質性的了解需要從電機學的觀點來進行分析。

1同步電動機

   現代的無刷直流和交流伺服電動機,都具有3相永磁同步電動機的典型結構,由位置傳感器控制3相方波電壓逆變器供電,稱為無刷直流電動機。由于位置傳感器控制逆變器使電動機自同步運行,因而具有類似直流電動機的特性,像直流電動機一樣可方便地調速,但是從電機學的觀點看,它并不是一臺真正的直流電動機。因為從電樞繞組電路看是3相繞組電路;每相繞組的反電勢是交流電勢,在多數情況下較接近正弦波;繞組電路的外加電壓是三相方波,仍是3相交流電壓,其中的基波分量仍起主要作用,與外加3相正弦波電壓的電動機并沒有原則性的區別,所以從電機學原理的觀點出發,無刷直流電動機就是一臺3相永磁同步電動機,方波驅動的同步電動機。實際上是方波電壓驅動的同步永磁電動機型無刷直流電動機。由于驅動電壓和繞組電流中除了基波分量以外,含有豐富的諧波,電磁轉矩的脈動分量或交變分量就明顯存在。由于轉子和負載機械慣量的作用,轉子角速度的波動通常不會很明顯,在一般運動控制系統是可以接受的,但對要求高的系統來說,無論是速度的穩定性還是調速范圍,就不能適應了。

   采取正弦波電壓驅動,就可以構成所說的交流伺服電動機系統,就能解決上述問題。讓電動機的反電勢為正弦波(ea、eb、ec),在常規電機制造中是常見的要求,有成熟的方法可以達到,在繞組參數沒有明顯非線性情況下,正弦波電壓驅動便可以獲得3相對稱的正弦波電流(ia、ib、ic),這時電磁功率和電磁轉矩理論上為恒定值,沒有轉矩波動。在ωr=const情況下,電磁功率:Pe=eaia+ebib+ecic=const   (1)  電磁轉矩:  (2)

   這就是交流伺服系統可以達到很高速度穩定度和調速范圍的核心基礎??梢娊涣魉欧到y實質上是正弦波電壓驅動的同步永磁電動機。

   步進電動機可以是永磁式、磁阻式或混合式(永磁感應子式)同步電動機,在步進驅動方式下供電。所謂步進驅動,從電機學的觀點看,只不過是一種順序邏輯控制電流波形的逆變器,為開環系統。電流波形可以是方波或任意階梯波,階梯數很多時可接近正弦波。逆變器的頻率由控制脈沖頻率決定,可以在頻率為零,即定位狀態下工作。

   以上分析表明,步進與交流伺服系統,同屬于同步電動機系統,主要區別在于:步進電動機的主流產品為轉子50齒混合式結構,即50對極的感應子式同步電動機,交流伺服電動機則多數為2~4對極的永磁同步電動機。從電動機的基本原理和結構特點出發,可以確切地分析二種系統的特點、優缺點以及發展的趨向。

2運行平穩性和調速范圍

   近代交流伺服電動機運行平穩性好,特別是低速運行平穩,調速范圍廣,一般性要求的系統調速比約為l:l 000,要求較高的可達l:5 000—l0 000,甚至可以達到1:l00 000。寬廣的調速范圍與運行平穩性緊密相關,它取決于電磁轉矩的波動小。這主要靠二點來達到,一是3相對稱的正弦波反電勢和相繞組電流,二是齒槽定位轉矩的消除。

   混合式步進電動機屬雙開槽結構,齒槽效應的基波用于基本電磁過程,不屬于需要消除的范圍。齒槽效應的諧波轉矩一般也很少用常規電機中常用的斜槽或斜極的方法來消除,而是靠不同極下錯開相位來消除,再輔之以恰當地設計齒槽寬度比和定轉子不等齒距等方法來消除齒槽效應的主要諧波成分。實踐表明齒槽定位轉矩也可以控制到很小。

   步進電動機反電勢波形的正弦性,以及多相對稱正弦波電流的獲得并不困難,所以具有同樣條件保證運行的平穩性,多極是對運行平穩有利的條件,特別是低速運行,因而同樣能達到很寬的調速范圍。實踐也能證明這一點。曾經制作過人造衛星太陽能帆板姿態控制用的步進電動機,對平穩性要求很高,因為即使相當小的干擾力作用于無阻力運行的衛星系統便可能對它的運行產生不利的影響。該步進電動機跟隨太陽光的方向轉動很慢,24小時轉一圈,帶著指針測試運轉時,肉眼看不出任何不均勻的現象。

   講到運行平穩性,自然會想到共振與振蕩現象,其實這是同步電動機的共性問題,包括大型水電站中的水輪發電機,設計時也要避開諧振頻率運行??墒侨藗兂3`認為是步進電動機特有的問題,主要的原因有二點:一是多數步進單元采取階梯波驅動,電流波形及電磁轉矩中含有豐富的諧波;二是多極電動機的自然頻率避不開步進電動機寬廣的工作頻域。

   另一個相關的問題是步進電動機的相數。從步進電動機工業產品的主流來看,最早發展的是上世紀60年代提出的2相混合式步進電動機的專利,直到現在,轉子50齒的2相混合式步進電動機仍占產品的絕對多數。1973年提出的五相混合式步進電動機,在當時功率管僅為開關狀態工作的驅動器條件下,使步進電動機的性能,特別是運行平穩性、穩定性和工作頻域有相當大的提高。從電機學的觀點看,5相電動機是以增加電動機繞組相數的辦法,改善了電動機的驅動條件。隨著步進電動機驅動技術的發展,主要是微步驅動和電流波形控制技術,使得步進電動機的驅動條件獲得根本性的改善,提高步進電動機的分辨率及理想的正弦波電流驅動可以方便地實現,實際上和近代交流伺服系統的驅動條件相當,或相似。在這樣的背景下,增加繞組相數做成5相電動機就顯得多余和沒有必要,所以在1993年5相電動機專利到期時,同一家德國公司提出了新的3相混合式步進電動機的專利,并放棄了五相電動機的繼續生產,改為生產3相電動機,是很自然的事情。新的3相步進單元性能優于5相單元且較簡化,所以完全取代五相電動機只是時間和過程的問題。

   新的問題是2相步進電動機同樣采用新的驅動技術以后,為什么不能取代五相電動機,而要由3相電動機來取代呢?這個問題在步進電動機的研究領域內還沒有人解答過,但是實踐給人們的感覺是3相電動機的性能有優于2相電動機的地方。有一些表面的解答是認為:2相電動機的雙極性驅動器為兩個H橋電路,用8個功率開關管,3相電動機用3相橋驅動電路只需6個功率開關管,而且3相功率模塊是通用產品,更為方便和價廉。

   真正的問題在于2相電動機不是一個完善的對稱多相電動機,所以確實會稍遜于3相電動機。一般的認識,2相空間相差90°電角度的繞組,通以相位差90°幅值相等的正弦波電流,將產生圓形旋轉磁場和恒定的電磁轉矩,和3相或更多相系統一樣。這樣的認識沒有錯,只是2相系統的時空分布并不對稱,不具有循環對稱性。圖1的示意圖可以形象地說明這一點。不具有循環對稱性的系統,相繞組間的互感雖然相等,但相互的影響卻不一樣,系統便不對稱了。

   通常所說的空間相距90°電角度的2相對稱繞組,相繞組的電阻為Raa=Rbb=R11繞組的自感為Laa=Lbb=L11,相繞組問的互感為Lab=Lba=-L12即設互感為負值,L12為它的絕對值。如果在相繞組通過通常所說的2相對稱正序電流ia和ib則在2相繞組內的阻抗壓降如圖2的相量圖所示。相量圖清楚地表明,對稱正序電流分量,在2相繞組電路內產生的阻抗壓降并不對稱,幅值不相等,相位差也不是90°電角度。實際上正序阻抗分別為:

   圖1  多相系統時空分布相量示意圖

 圖2    2相正序電流產生的阻抗壓降

 (3) 或   (4)每相繞組自身的阻抗為:Z11=R11+jX11 (5)很明顯有:Z1a<Z11Z1b (6)

   以上所述2相繞組電路系統不對稱性的存在,很容易在實驗中發現和證實。例如用別的電動機拖動2相步進電動機旋轉并讓2相繞組同時短路時,分別測量2相繞組內的短路電流,可發現它們不一樣大。事實上由(4)式可知,A相的短路電流(Iak)會比B相的(Ibk)大一些。如果單獨一相繞組短路,它的短路電流(I11k)的值則處于二者之間。由于2相繞組在空間正交分布,相間的互感主要由不均勻和非線性引起,一般相當小,不特別注意時不易發覺,或誤以為是測量和制造誤差等引起的,所以在一般情況下不會造成明顯的影響,因此2相電動機能成為主流產品廣泛應用至

今。只是在追求高性能時才會發現這種本質性的缺陷,無法用提高制造精度和其他輔助措施來克服和改進。追求均勻性和對稱性應是電機發展的內在規律,從這一角度出發對2相電動機略遜于3相以上的電動機的事實就感到是理所當然。順便說一句,5相電動機由于轉子齒數是相數的倍數,定子沖片設計時需采取“人工錯位”技術,使得5相電動機的磁系統也是不能完全均勻和對稱。

3定位精度和跟蹤精度

   步進系統定位時的位置誤差由二部分組成:一部分是電動機的位置誤差,定義在空載情況下測試,由電動機的模具和制造精度決定,通常值為分級,例如3~5機械角分;另一部分是負載變化引起的失調角的變化,或運動方向改變時失調角的影響。圖3可以給出一些量化的概念,

    圖3步進電動機矩角特性

   圖中給出的是步進電動機的矩角特性。Tk為保持力矩或最大靜轉矩,θe.L為負載轉矩TL時的失調角,大致值為:  (7)通常,TL要比Tk小得多,設TL/Tk=0.5,則由上式得:θe.L=sinˉ1 (O.5)=30°   (電角度)  (8)

   如果是轉子50齒的混合式電動機,則對應的機械角度為: (機械角度)  (9)

   多數實際系統在定位情況下往往只有摩擦力負載,一般較小,所以實際上失調角也不大。用機械角度表示的誤差,在數控系統中不如以脈沖當量為單位表示來得更清晰。圖3清楚地表明,失調角引起的位置誤差,包括變更方向在內,極限值為±θe.m=±π/2,對應的脈沖當量數為:   (10)其中,θe.b為用電角度表示的步距角;m1為邏輯通電狀態數,通常稱為拍數。

   以2相八狀態為例,m1=8,則以上位置誤差的極限值為:δmax=±2    (11)實際值很容易控制在δ=±1之內。這對數控系統來講,基本上是最小的誤差。以普通的數控線切割機床為例,通常脈沖當量為△S=0.001 mm,切割工件要求的形位誤差則要求不大于0.01 mm~0.02 mm,為脈沖當量的倍數??梢姅悼鼐€切割機床的精度主要取決于機械部分,步進數控系統的精度則高出一個數量級。

   步進電動機自身(空載)的位置誤差,與步距角精度相對應,在驅動器電路及功率器件對稱的條件下,取決于電動機的制造精度,通常為整步步距角的3%~5%左右。對于工作在指示狀態的開環系統有重要的意義,對于如上例所述的機床這類系統則沒有什么影響,因為該誤差常常小于一個脈沖當量。所以對步進電動機步距角精度的要求事實上主要不是著眼于提高數控系統的精度,而是提高電動機的均勻性從而提高電動機的總體運行性能。

   在位置閉環的交流伺服系統中——多數情況是電動機軸角位移的半閉環,定位誤差與電動機本身的精度或負載失調角都沒有關系,只取決于位置傳感器的分辨率和精度。以當前市場上通用交流伺服系統為例,用得較多的是2 500線的增量型光學編碼器,分辨率可以達到每轉10 000脈沖當量,或分辨率為p=l/10 000。

   電控系統的位置誤差為一個脈沖當量,與設計恰當的數控步進電動機系統就定位精度相比較,并沒有質的區別,只是對閉環交流伺服系統而言,只要采用高分辨率、高精度的角位置傳感器,就可以獲得更高數量級的定位精度。步進系統由于電動機和驅動方式的特點,可以在較簡單的開環方式下獲得相當高的定位精度,但并不表示它不能組成閉環系統,加上角位置傳感器閉環以后,同樣可以獲得更高的位置精度。早在上世紀80年代初曾研制了達到角秒級精度可用于高精度轉臺的步進伺服系統,傳感器采用的是高精度圓感應同步器。

   值得一提的是步進系統定位狀態的穩定性(安定性)更好一些,因為步進電動機是定電流驅動,定位狀態時繞組電流的值不變,有足夠大的保持轉矩,再加上多極結構保證了足夠大的轉矩(對角位移)剛度。交流伺服系統則不一樣,定位狀態的繞組電流為零,因而保持轉矩也為零,只有偏離給定位置后才產生電流及回復轉矩,使它不偏離定位位置,可見這種定位狀態是一種動態的平衡,沒有步進系統靜態平衡定位的安定性好。

   點位控制的伺服系統主要關心它的定位精度,對輪廓控制的伺服系統則更關心它的跟蹤精度,即電動機運動過程的動態誤差。對這個問題的定量研究較靜態誤差復雜得多,因為與運動的速度、運動的方式,以及負載等都有關系。但是對步進系統動態誤差的極限值(范圍),可以通過它的動穩定區來了解。

   圖4中曲線l表示某一通電狀態的矩角特性。如果電動機定位在該通電狀態,則轉子位置應停位在穩定平衡點O,轉子若受外力干擾偏離0點,只要處在±π電弧度范圍內,當外力撤消后轉子就能在電磁轉矩作用下回復原位O點,于是±π電弧度的區間,就稱為靜穩定區。如果控制系統發出一個控制脈沖,電動機便改變成下一個通電狀態,相應的矩角特性改為曲線2,新的穩定平衡點改為O'。在改成新的通電狀態時,轉子位置只要處在距O'點±π電弧度范圍內,便能跟蹤新的平衡點0',所以一(一π一θb)< θe< (π+θb)的區間稱為改變通電狀態時的動穩定區。步進電動機執行控制程序正常運行沒有失步,就表明在運行過程中發出任一個控制脈沖時,電動機轉子位置都處在相應的動穩定區內??梢妱討B誤差或跟蹤誤差的極限值便是動穩定區的邊界,如果δ'為以脈沖當量表示的動態誤差,則有: (12)

   圖4靜穩定區與動穩定區

2相半步方式運行的步進電動機,m1=8, 。相數增加或微步驅動時,m1的值增大,δ'max的數值也增大。事實上步進電動機只有運行在接近牽出的邊緣狀態時,動態誤差才會達到最大值,處在有余量的運行狀態時,動態誤差會較小。不論怎樣,步進系統的動態誤差是容易估計和控制的,即使m1增大情況,也只要適當選擇脈沖當景與系統要求精度之間的關系,就可保證數控系統滿意的跟蹤精度。

4快速性

   電動機的快速性有兩方面的含義,即快速響應和快速運轉,前者要求高的角加速度,后者則與能達到的運行轉速相關。步進電動機的主流產品是混合式或感應子式多極數結構,便決定了快速性是它的弱項。

   電動機能達到的角加速度(αmax),取決于最大電磁轉矩(Te.m)與轉子慣量(Jr)的比值:    (13)電動機電磁轉矩的一般表達式如下:Te=AsBgD2L  (14)其中,As為線負荷,通電電樞繞組沿圓周方向單位長度的安匝數;Bg為氣隙有效磁通密度;D為電樞直徑;L為電樞鐵心有效長度。

   氣隙有效磁通密度(Bg)指的是電動機電樞每個極距內交變分量對應的氣隙磁通密度的幅值或平均值。在永磁電動機中每極磁通量或磁密是在正最大值到負最大值之間交變,所以氣隙磁密的幅值就是交變分量的幅值,即有效氣隙磁密??墒窃诟袘邮浇Y構的電動機中,有效磁通是氣隙磁通量的調制波,即使調制深度達到100%,氣隙磁密可以從最大值變化到零,它的交變分量幅值也只有實際氣隙磁密的一半(50%)。實際氣隙磁密的幅值,受鐵芯磁性材料,主要是齒部飽和的限制而在一定的數值范圍內,不會有很大的差別。因此,多極數混合式結構(磁阻式也一樣)步進電動機的響應速度不及少極數永磁體結構的交流伺服系統快是毫無疑問的事實。還有一個影響的因素,步進電動機通常采用電流型驅動,不容易用過電流的方法來提高轉矩和快速性。

   如果不采用磁阻式或混合式結構,好象就沒有上述氣隙有效磁密低的問題。但這是步進電動機為了分辨率和剛度的原因需要采用多極數,最常見的是50對極。因為極數很多,極距相當小,往往只有毫米級的情況下,還采用常規的永磁式結構,那末由于氣隙極距比(g/τ)相對增大,極問漏磁增大,使氣隙有效磁密顯著降低,反而效果更差。早在上世紀40年代,在研究電磁式結構的中頻發電機時,就已經確認,在極距減小到一定值時,由于放置勵磁繞組空間的限制使氣隙磁密降低,還不及感應子式結構有效空間利用率更高,因而發展了一系列感應子式中頻發電機。從上世紀50年代開始發展步進電動機時,就主要選擇了磁阻式和感應子結構,很顯然也是因為小極距時更合理的原因。永磁電動機的極距減小時,不會受到勵磁繞組空間的限制,因而合理的極距會比電磁式結構更小一些,它的合理值主要由極間漏磁和放置定子繞組空間限制等因素決定。

   總之極距很小的電動機,做成磁阻式或感應子式結構,會比做成同樣極距的永磁式結構的有效空間利用率高一些,也更經濟和方便。但是與常規極距不很小的永磁電動機相比,就有明顯的差距,同樣轉子體積和慣量情況,能產生的峰值轉矩和相應的加速度都顯著不及。在文章資料中經常會接觸到開關磁阻電動機和雙凸極永磁同步電動機,它們是作為新型調速電動機被開發和研究的,從電機學的觀點看,它們分別屬于磁阻式和感應子式同步電動機,但是并不象步進電動機那樣具有多極數和很小極距的特點,因而實際上除了有特殊需要和理由以外,不具備采用這類結構型式的理由。

   電動機帶一定的負載轉矩能達到的運行轉速越高則輸出的功率越大,在一定脈沖當量和分辨率情況下則表明動作的速度更快。步進電動機的牽出特性表示它的轉矩、轉速和輸出功率的極限范圍。圖5給出一臺步進電動機牽出特性的實例,通過分析可以清楚了解限制步進電動機速度提高的因素。

     圖5牽出特性實例

   近代步進電動機采取波形控制的電流型驅動器,在較低頻率范圍內為恒牽出轉矩特性,到達某一臨界頻率(fk)以后,牽出轉矩隨頻率升高而下降。fk成為牽出特性上重要的特征點,fk的值可以作為步進電動機運行速度的標志。

   例如圖5所示是一臺□57BH250B(3)型典型的2相混合式步進電動機實測的牽出特性,配套的是珠海運控生產的MC一20604型驅動器,實驗是在:驅動電壓UDC=60 V,相繞組峰值電流Ip=3 A、半步方式(2細分)情況下運行。圖中可見:fk=4000 pps,對應轉子轉速為nr=10 rps或nr=300 r/rain,轉子角速度為ωr=2π×10=62.83 rad/s。該電動機的基本電參數還有:反電勢系數Ke=0.5 vs/rad;相繞組電阻R=0.7l Ω;相繞組電感L=4.84 mH。對應牽出特性上拐點處的電路平衡關系可用圖6的相量來表示。

     圖6牽出特征點處的電路平衡相量圖買例

   這里應用的是等值正弦波或基波分量的工程分析方法,實際表明它既簡單明了能說明問題的本質,又能滿足工程分析的精度要求c該點處在恒轉矩的極限點,轉矩值還沒有下降,表明電流佰還沒有減小,所以: (15)反電勢: (16)阻抗壓降:                 IR=2.12×0.17=1.51V (17)IX=IωL=IZrωrL=2.12×50×62.83×4.83×10ˉ3=32.2V (18)繞組端電壓  (19) 繞組端電壓峰值:   (20)

   考慮到線路和功率開關管的電壓降,這就是60VDC橋臂電壓能提供給繞組的最高電壓了??刂泼}沖頻率(fcp)進一步提高時,E0與fcp成正比增大,在繞組端電壓無法繼續提高的情況下,阻抗壓降(主要是LX)必然要減小才能保持電壓平衡關系,考慮到蓋的值還與^,成正比增大,所以電流,的值會以與^,成反比甚至更快一些的速度下降。

   以上實例分析,清楚地看出限制臨界頻率(fk)升高,也就是限制步進電動機運行轉速的,首先是電抗壓降,即繞組電抗大的因素。標準結構的混合式步進電動機電抗大的根本原因有三條:有效磁通量較小使繞組匝數增多;為了提高磁場調制深度必須做成小氣隙;頻率與極對數成正比因而相當高。傳統結構的同步電動機通常設計成較大的氣隙以提高它的過載能力,永磁電動機將永磁體設計在主磁路內時繞組主電抗會更小些??梢娺\行轉速偏低是現有典型結構步進電動機的根本弱點,限制了它應用領域的拓展。

5現狀和展望

   步進電動機的技術已很成熟,特別適合于小功率開環定位系統,至今還沒有能取代它的更適合產品,今后將繼續穩步發展和完善化。在功率稍大和要求高響應高速度的系統,則更多地讓位給交流伺服系統。這是對步進電動機相當普遍的認識和看法。作者則認為不一定完全是這樣,有可能會發展出高功率密度和響應更快的新系列,首先是步進系統有很多優點,既經濟又簡單方便,即使在交流伺服系統不斷發展和推廣的情況下,也相當讓人懷念,這就是需要和市場,是促進技術和產品發展的最重要的動力。當然還不夠,事物發展還有它內在的客觀規律性,也就是可行性。

   步進電動機快速性不足的根源是多極感應子式結構,因此采用永磁式(PM)結構而不是永磁感應子式(HB)結構,這是相當自然地首先會想到的。低性能爪極式步進電動機不屬于這里討論的范圍,它是追求低成本而不是高性能的產物。標準結構的永磁步進電動機產品也是存在的,一般步距角較大(7.5°或更大),應用在特殊需要的場合而未成為主流產品。標準的交流伺服電動機配以適當的步進驅動器,就是永磁步進電動機系統,單就高速性和功率密度而言無疑是提高很多,但是由于極數少失去了高保持轉矩剛度和高的自然角分辨率的特性,也就丟失了許多通常認為步進電動機應具有的優勢。因此不如說是交流伺服電動機的步進運行或應用,真正意義上的新系列的目標,不會就這么容易地就達到。

   真正意義上的永磁步進電動機系列產品實際上是存在的,這就是ESCAP的薄型磁片轉子永磁步進電動機系列產品。為了說清楚它的基本特點和性能,可選其中某一具體實例,例如P530—258—07型永磁步進電動機,它的基本技術數據:

   (1)相數m=2:

   (2)步距角θb=3.6°(整步);

   (3)額定相電流IN=3.7 A;

   (4)相電阻R=3.4 Ω:

   (5)相電感L=1.0 Ω;

   (6)保持轉矩Tk=0.21 Nm(二相同時通IN);

   (7)轉子慣量Jr=12×10~kg·㎡

     對進口樣機和自制樣機進行試驗,測得的性能完全一致。測試條件為功放級電壓,U=75 V、恒定相電流I=3.7A。簡要測定結果。

   (1)空載啟動頻率(ft0)

    a.整步,θb=3.6°,ft0=1.6 kpps;

    b.半步,θb=1.8°,ft0=3.2 kpps;

    c.四細分,θb=0.9°,ft0=6.0 kpps;

   (2)牽出特性

    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;

   以上數據表明,電動機的空載啟動轉速為每秒16轉(16 rps);牽出特性恒轉矩臨界點對應的轉速為每分鐘2400轉(2400 r/min)。二者都明顯高于現有的混合式步進電動機系統,即在響應速度和運轉速度方面有相當大的提高。它的極對數為P=25,為標準混合式電動機P=50的一半,雖然有一些差別,但基本保持了多極結構的基本特點和優勢,使得這種電動機產品生存至今已有20多年。但與主流產品相比則微不足道,以致較少為人們所知道。作者最早看到這種電動機是1986年在日本小電機會議展會上,以后也僅在國內進口的某種紡織機器上見到過一種應用實例。沒有 廣泛應用和發展一定有它內在的原因,不妨考察一下它的具體設計和結構。

   圖7示永磁體轉子的結構。永磁體是一薄型的圓片,充磁成沿圓周分布的25對極(50個)雙面的磁極,極距沿外圓最大處為2.23 mm,最小處是1.57 rnm,平均值為1.90 mm。這種轉子結構的優點是:容易實現永磁體的多極定向結構,圓桶形的多極徑向定向則很難實現;可以將轉子支撐材料的慣性做到最小。缺點是軸向氣隙的盤式結構增大了轉子的直徑,對減小轉子慣量是不利的。

   對永磁轉子來說,極數增多極距減小不象電磁式結構那樣受轉子勵磁繞組空問的限制,像圖6的轉子極距就相當小了。但是定子繞組空間位置的問題仍不能回避,這么小的極距,按正常方法設計和分布定子繞組顯然沒有可能。只能采取集中繞組,與磁阻(VR)式和混合式(HB)電動機的繞組相類似,一個線圈包圍著一群定子齒,實際上這是設計成每相一個線圈,考慮到雙面結構,實際上共有二對線圈,即每相繞組由相對位置的一對線圈構成,線圈包圍的是10個定子齒。齒寬應接近磁極寬度,齒磁通變化的相位應相同或相近,因此相鄰的N極和s極的磁通不能同時達到它們的最大值,或者說轉子永磁體磁極沿圓周方向是交替起作用,相當于有效率為50%.雙面作用可以彌補這一不足,雙面合起來獲得單面100%的轉子永磁體利用率??紤]到線圈槽占用的空間,定子有效空間的利用率為80%。嚴密一點講,定子和轉子有效空間和它們的利用率不應劃分開來??傊撾妱訖C從有效空間或有效磁通利用率來講,集中繞組缺點的影響被雙面利用優點彌補,能接近標準結構永磁電動機,因此能獲得比標準步進電動機高得多的快速性能,不能不說是多極永磁電動機設計和結構成功的地方。但是這種特殊的設計也透出它存在嚴重的內在不足。

  

圖7水磁體轉子

   首先是永磁體內磁密的波動很大,從正對定子齒的最大值波動到正對槽時很小的值,使得永磁體內渦流損耗很大,發熱嚴重,失去了標準永磁電動機轉子磁通恒定損耗小的優點;其次是軸向氣隙結構使定子鐵心結構復雜化,標準徑向氣隙結構電動機,定子沖片是整圓或方圓片,沿軸向疊壓成整體,軸向氣隙電動機的定子鐵心需要沿徑向疊片,這里實際結構如圖8所示,定子鐵心各個齒做成相互獨立的C型結構,用結構件將它們固定并沿圓周準確分布定位。即使如此,定子鐵心內因磁密甚高且交變頻率甚高使得鐵心損耗相當大,溫升很高;再有就是盤式結構的轉子看起來最大限度地省去了結構和磁路閉合材料,有利于轉子慣量的減小,但由于直徑增大對減小慣量不利,所以這方面的優勢也不明顯。

     圖8定子結構示意圖

圖9是我們標準結構30 W(3 000 r/mm)交流伺服電動機的轉子主要幾何尺寸,轉子的慣量也是Jr=12×10kg·㎡。

圖9 30 W、3 000 r/mm伺服電動機轉子尺寸示意圖

   與上述盤式電動機的轉子慣量相等,伺服電動機的額定轉矩TN=0.1 N·m,峰值轉矩Tm=0.3 N·m,電動機在起動、反轉、快速響應時,都會很自然地在峰值轉矩作用下完成。上述盤式電動機的牽出轉矩(Tpull-out)約為0.1 N·m,動態轉矩實際上低于這一值,可見它的響應速度仍比不上交流伺服電動機,更不要說它固有的發熱和溫升問題了。

   可見上述永磁電動機,仍不能作為主流步進電動機改進和發展的方向。但是步進電動機一定會根據運動控制更高的要求獲得進一步的發展,也要求對電動機的內在發展規律根據新的條件作深入透徹地研究分析,探求出新的發展思路。

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