專利名稱:反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的制作方法
本發(fā)明屬于反應(yīng)式(即磁阻式)步進(jìn)電動機(jī)。
一種將電脈沖信號變換成直線位移或角位移的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)殼組成。如圖1所示的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)，定子為三相繞組，每相有兩個磁極，三相繞組為Y接法。轉(zhuǎn)子鐵芯和定子極靴上均有小齒，且定、轉(zhuǎn)子齒距相等。目前大部分反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯和定子極靴上的小齒是矩形齒，也有很小部分反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯和定子極靴上的小齒是梯形齒或漸開線形齒。但這些齒形的設(shè)計沒有一個準(zhǔn)確的計算方法，都是在實(shí)驗的基礎(chǔ)上選用一些經(jīng)驗系數(shù)設(shè)計計算出來的，不能準(zhǔn)確地計算電磁轉(zhuǎn)矩，所以定、轉(zhuǎn)子采用這些齒形的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩小，起動頻率和運(yùn)行頻率低，功率消耗大。
本發(fā)明的目的是在不改變反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)、極數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù)、激磁安匝數(shù)和不改變極寬、極高、軛高、軛長、氣隙、定子內(nèi)徑和鐵芯長度等尺寸的條件下，用一種精確的設(shè)計計算方法，得出產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩最大的定、轉(zhuǎn)子齒形，使設(shè)計出的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)具有最大靜轉(zhuǎn)矩大、起動頻率和運(yùn)行頻率高且功率消耗小的特點(diǎn)。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的在不改變反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)m，極數(shù)P，轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr，勵磁電流If，繞組匝數(shù)Wf和不改變極寬bm，極高h(yuǎn)m，定子軛高h(yuǎn)c，定子軛長lc，轉(zhuǎn)子軛高h(yuǎn)r，轉(zhuǎn)子軛長lr，每級定子齒數(shù)Z，鐵芯長度l和氣隙長度δ的條件下，用有限單元法求解不同定、轉(zhuǎn)子位置時齒部鐵芯和氣隙部分磁場的磁通密度、磁通和磁共能，并求出磁共能隨定、轉(zhuǎn)子位置的變化，再用虛位移原理求得電磁轉(zhuǎn)矩，最后以電磁轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)函數(shù)對定、轉(zhuǎn)子齒形進(jìn)行優(yōu)化，得到產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的定、轉(zhuǎn)子齒形是齒頂部分為等腰梯形、齒間部分為矩形、齒根部分為等腰梯形的八邊形齒。
這種產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的定、轉(zhuǎn)子齒形是這樣得出來的首先用有限單元法計算不同定、轉(zhuǎn)子位置時齒部鐵芯和氣隙部分磁場的磁通密度、磁通和磁共能。如圖2所示的定子1與轉(zhuǎn)子2槽對槽(或齒對齒)時的情況，圖中AB、CD為等磁位面，AC、BD為周期性邊界條件(每一齒距內(nèi)磁場周期性重復(fù))。陰影部分為齒部鐵芯，其磁場是非線性的;其余部分為空氣，其磁場是線性的。整個磁場滿足準(zhǔn)拉氏方程 此方程為一非線性方程，它的邊界條件為φ︱AB=F1, φ︱CD=0,φ︱AC=φ︱BD假設(shè)某一F1值，求得圖2區(qū)域中不同點(diǎn)的磁通φ后，便可方便地求出磁通密度
將AB線(或CD線)上的磁通密度積分，∫ABB d x =]]>φt從而求得整個齒的磁通φt，還可求得圖2區(qū)域內(nèi)磁場的磁共能Wm'=Σj = 1n∫OH i]]>BdH式中B、H滿足定子1、轉(zhuǎn)子2材料的磁化曲線，Hi為圖2區(qū)域中某一單元內(nèi)的磁場強(qiáng)度值，n為圖2區(qū)域中總的單元數(shù)。
圖3所示定子1與轉(zhuǎn)子2齒對槽時的情況，同理可求得此時的磁通密度、磁通和磁共能。
求得每個齒的磁通φt，則由每級定子齒數(shù)z得每級磁通φ＝z·φt，設(shè)漏磁系數(shù)為Kσ，定子極身磁通密度Bm＝Kσφ/bm，由定子材料的磁化曲線查得Hm，則定子極身磁壓降Fm＝Hm·hm;同理可求得定子軛磁通密度Bc＝Kσφ/hc，由定子材料的磁化曲線查得Hc，則定子軛中磁壓降Fc＝Hc·lc;轉(zhuǎn)子軛磁通密度Br＝φ/hr，由轉(zhuǎn)子材料的磁化曲線查得Hr，則轉(zhuǎn)子軛中磁壓降Fr＝Hr·lr。則整個電機(jī)磁路的磁壓降為
∑F＝Fr+Fc+2Fm+2F1顯然∑F應(yīng)與外加勵磁磁勢2IφWφ相等。但由于計算時，定、轉(zhuǎn)子齒部鐵芯和氣隙部分磁場中的磁勢F1是假定的，因此求得的與2IφWφ不一定相等。因此要不斷修正F1值，進(jìn)行多次迭代，直到使得∑F＝2IφWφ。這時的F1才是真正作用在圖2區(qū)域上的磁勢。由虛位移原理，電磁轉(zhuǎn)矩等于磁場能量隨定、轉(zhuǎn)子位置的變化率為 電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩為Mav＝ (W1-W2)/(π)式中W1為定、轉(zhuǎn)子槽對槽(或齒對齒)位置時磁場的能量，W2為定、轉(zhuǎn)子齒對槽位置時磁場的能量。
為得到產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的定、轉(zhuǎn)子齒形，采用HooKs-Jeeves直接搜索法，以電磁轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)函數(shù)對定、轉(zhuǎn)子齒形進(jìn)行優(yōu)化。選取一個電機(jī)定、轉(zhuǎn)子初始齒形如圖4所示，坐標(biāo)中t為定子(或轉(zhuǎn)子)齒距。將該初始齒形邊界上A1、B1、C1、D1、E1五點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)作為變量，當(dāng)這五點(diǎn)的X、Y取不同值時，便得到不同的定、轉(zhuǎn)子齒形，計算這些定、轉(zhuǎn)子齒形產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩并進(jìn)行比較，即以電磁轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)函數(shù)對定、轉(zhuǎn)子齒形進(jìn)行優(yōu)化，得到產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩最大的定、轉(zhuǎn)子齒形是齒頂部分為等腰梯形、齒間部分為矩形、齒根部分為等腰梯形的八邊形齒，其頂角α1＝100°～150°、底角α2＝20°～80°，如圖5所示。
這種產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的八邊形齒形的定、轉(zhuǎn)子同樣適用于以磁阻原理工作的磁阻同步電動機(jī)、感應(yīng)子式電動機(jī)、永磁反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)、直線電動機(jī)和平面電動機(jī)。
所用這些計算都是在計算機(jī)上進(jìn)行的。
定、轉(zhuǎn)子采用這種八邊形齒的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩大、起動頻率和運(yùn)行頻率高。功率消耗小，體積小。但電機(jī)的制造成本不增加。
因定、轉(zhuǎn)子齒形是完全相同的，所以只要求解出轉(zhuǎn)子(或定子)齒形就可以了，下面就是110BF003反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子齒形的求解過程。
初始齒形的選取和坐標(biāo)系的建立如圖6和圖7所示，坐標(biāo)中t為定子(或轉(zhuǎn)子)齒距。圖6所示的定、轉(zhuǎn)子初始齒形是矩形，A2點(diǎn)坐標(biāo)為(0.16、0.6)，B2點(diǎn)坐標(biāo)為(0.2，0.6)，C2點(diǎn)坐標(biāo)為(0.2，0.5)，D2點(diǎn)坐標(biāo)為(0.2，0.2)，E2點(diǎn)坐標(biāo)為(0.2，0)。圖9為計算機(jī)程序的方框圖。用有限單元法計算不同定、轉(zhuǎn)子位置時齒部鐵芯和氣隙部分磁場的磁通密度、磁通和磁共能，并求出磁共能隨定、轉(zhuǎn)子位置的變化，再用虛位移原理求得電磁轉(zhuǎn)矩，最后以電磁轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)函數(shù)對定、轉(zhuǎn)子齒形進(jìn)行優(yōu)化，得到產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩最大的定、轉(zhuǎn)子齒形如圖8所示，A4點(diǎn)坐標(biāo)為(0.145，0.419)，B4點(diǎn)坐標(biāo)為(0.165，0.367)，C4點(diǎn)坐標(biāo)為(0.185，0.315)，D4點(diǎn)坐標(biāo)為(0.185，0.215)，E4點(diǎn)坐標(biāo)為(0.3，0)，A4、B4、C4三點(diǎn)在一條直線上，即產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩最大的定、轉(zhuǎn)子齒形是齒頂部分為等腰梯形、齒間部分為矩形、齒根部分為等腰梯形的八邊形齒。
圖7所示的定、轉(zhuǎn)子初始齒形近似于漸開線齒形。A3點(diǎn)坐標(biāo)為(0.16，0.6)，B3點(diǎn)坐標(biāo)為(0.18，0.58)，C3點(diǎn)坐標(biāo)為(0.2，0.5)，D3點(diǎn)坐標(biāo)為(0.2，0.2)，E3點(diǎn)坐標(biāo)為(0.4，0)。用同樣的方法求出產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩最大的定、轉(zhuǎn)子齒形同前面求出的結(jié)果一樣，即如圖8所示的齒形。
在不改變110BF003電機(jī)的相數(shù)m，極數(shù)P，轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr，勵磁電流If，繞組匝數(shù)Wf和不改變極寬bm，極高h(yuǎn)m，定子軛高h(yuǎn)c，定子軛長lc，轉(zhuǎn)子軛高h(yuǎn)r，轉(zhuǎn)子軛長lr，每級定子齒數(shù)Z，鐵芯長度t和氣隙長度δ的條件下，通過優(yōu)化設(shè)計電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子齒形，提高了電機(jī)的運(yùn)行性能。定、轉(zhuǎn)子齒形是這種八邊形齒的110BF003反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行性能和定、轉(zhuǎn)子齒形是矩形齒的110BF003反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行性能的測試數(shù)據(jù)如下表所示
表1電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 表2電機(jī)起動矩頻特性
圖1是三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是定、轉(zhuǎn)子槽對槽(齒對齒)時磁場計算示意圖。
圖3是定、轉(zhuǎn)子齒對槽時磁場計算示意圖。
圖4是對定、轉(zhuǎn)子齒形進(jìn)行優(yōu)化時所選的初始齒形圖。
圖5是經(jīng)過優(yōu)化得出的產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩最大的優(yōu)化齒形圖。
圖6是110BF003反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)對定、轉(zhuǎn)子齒形進(jìn)行優(yōu)化時所選的矩形的初始齒形圖。
圖7是110BF003反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)對定、轉(zhuǎn)子齒形進(jìn)行優(yōu)化時所選的漸開線形的初始齒形圖。
圖8是110BF003反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子優(yōu)化齒形圖。
圖9是計算機(jī)程序的方框圖。

權(quán)利要求
1.一種由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼組成的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)或磁阻同步電動機(jī)或感應(yīng)子式電動機(jī)或永磁反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)或直線電動機(jī)或平面電動機(jī)，其特征是在轉(zhuǎn)子鐵芯和定子極靴上沿周向均布有齒頂部分為等腰梯形、齒間部分為矩形、齒根部分為等腰梯形的八邊形齒。
2.如權(quán)利要求
1所述的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)或磁阻同步電動機(jī)或感應(yīng)子式電動機(jī)或永磁反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)或直線電動機(jī)或平面電動機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子鐵芯和定子極靴上沿周向均布的八邊形齒的齒頂部分等腰梯形的頂角α1＝100°～150°，齒根部分等腰梯形的底角α2＝20°～80°。
專利摘要
本發(fā)明是一種反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，在不改變電機(jī)其它參數(shù)的條件下，計算電機(jī)的磁場并求出電磁轉(zhuǎn)矩，再以電磁轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)函數(shù)對定、轉(zhuǎn)子齒形進(jìn)行優(yōu)化，得到產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的定、轉(zhuǎn)子齒形是齒頂部分為等腰梯形、齒間部分為矩形、齒根部分為等腰梯形的八邊形齒。采用這種齒形的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的性能有很大提高。這種八邊齒同樣適用于磁阻同步電動機(jī)、感應(yīng)子式電動機(jī)、永磁反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)、直線電動機(jī)和平面電動機(jī)。
文檔編號H02K37/04GK86105083SQ86105083
公開日1988年3月9日 申請日期1986年8月26日
發(fā)明者周尊成 申請人:合肥工業(yè)大學(xué), 常州電機(jī)電器總廠導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan