HB混合式步进电机转子齿数、相数、定子主极数的结构关系

到现在已经学习了步进电机的工作原理、结构,读者一定关心步进电机的相数、转子齿数与主极数之间有什么关系。设计步进电机时肯定要了解这些关系。对于使用步进电机的客户,更重要的是详细了解步进电机的结构和性能。本课将介绍其一般的关系式。

步进电机相数、转子齿数和主极数的表达式

如HB型步进电机为P相,转子齿数则依据式θs=180°/PNr可知其步距角久为θs=180°/PNr。此时,定子1相主极数(A“杠A”相的总和)为m个,均匀配置,其内径配置的多个细齿齿数相同。转子永久磁铁产生磁通的磁路如下图中的虚线所示,在A“杠A”间形成闭合磁路。与后面叙述的三相HB和五相HB型等奇数相不完全相同,在A“杠A”间不能形成闭合磁路,需要跨接到B相、C相等其他相形成闭合磁路。前者被称为相内磁路式,后者称为相间磁路式。

HB型混合式步进电机的工作原理图

两相HB型步进电机皆为相内磁路,而三相HB型步进电机存在相内磁路和相间磁路两种形式。下图为三相HB型步进电机,有6个磁极,极上并没有小齿,转子齿数也少,此图描述了定子和转子的磁通路径,其中(a)为相内磁路,(b)为相间磁路。

HB型混合式步进电机转子齿数与定子极数之间的磁路形式

例如图(a)相内磁路的情况,定子主极A1与相邻B相的B1或C相的C2,向下一相激磁时,会对与A1同极性的转子齿产生吸引力。在永久磁铁后侧的五个转子齿用剖面线表示,其与前侧的转子齿极性相反。同样图(b)为相间磁路,定子主极A1与相邻B相的B1或C相的C2,向下一相激磁时,会对与A1异性的转子齿产生吸引力。永久磁铁后侧的四个转子齿用剖面线表示,与前侧转子齿极性相反,与(a)磁路相同。

相内磁路的一般形式

如下图(a)为相内磁路,主磁极共有mP个,由于节距相等,相邻相的A相和B相之间的节距①为360°/mP。当A相通激磁电流时,其磁极与转子极性相反的齿相对应,当再给B相通电,并在B磁极上产生与A相相同的极性时,转子齿转动到B相上。为简化起见,图中A、B相定子齿由多齿简化为单齿。

HB型混合式步进电机不同磁路与步距之间的关系

此时,与A相相对的转子齿与B相其次要相对的转子齿的节距②如图所示为360°n/Nr(n为整数),则步距角为①与②之差:

步距角公式

将式θs=180°/PNr代入上式中:

Nr=m(nP±1/2)

此为相内磁路时,转子齿Nr与相数P、主极数m的表达式。上式中Nr必为整数,否则没有意义。此时要注意m必须为偶数。

两相HB型混合式步进电机,当P=2时,主极为8(m=4)代入上式,得:Nr=8n±2

此为两相HB型混合式步进电机的关系式。两相HB型步进电机的步距角为通常的1. 8°,将n=6代入上式,得Nr=50。

两相HB型混合式步进电机定子主极为8,转子齿为50个的结构如下图所示。

两相HB型混合式步进电机(定子8主极、转子50齿、1.8°)结构图

两相HB型步进电机的步距角为0.9°,定子主极为16,m=8,n=6,得转子齿为100个的结构如下图所示。

两相HB型混合式步进电机(定子16极、转子100齿、0.9°步距角)结构

两相3.6°步进电机定子主极为4(在定转子间会产生不平衡电磁力,所以不鼓励使用此结构)时,依式Nr=m(nP±1/2),当P = 2,m=2,n=6时,得Nr=25。 小图为两相,定子4主极,3.6°的步进电机结构,其外形为42mm步进电机, 用于5寸48TPI的FDD(软盘驱动器)上。当为三相时,由式Nr=m(nP±1/2),m=4,n=4,P=3,得Nr=50。定子主极数为mP=12,步距角θs为1.2°。

两相HB型混合式步进电机(定子4极、转子25齿、3.6°步距角)结构图

相间磁路的一般形式

上图:不同磁路与步距之间的关系中图(b)为相间磁路,定子节距相等,主极数合计为mP个,相邻 A相和B相之间的节距①与相内磁路节距相同,为360°/mP。A相激磁,与其极性相反的转子齿相对吸引。其次给B相激磁产生与A相相同的极性,吸引相应的转子齿。为便于理解,将多齿结构简化为单齿结构。

此时,与A相所对转子齿和B相将相对的转子齿之间的节距②为360°(n±1/2)/Nr(n整数),如图所示。故步距角为①和②之差:

步距角公式

将θs=180°/PNr代入上式得:

转子齿数计算公式

如相间磁路为三相,令P=3,则:

Nr=m(3n±1)

三相时,主磁极为3的倍数,最简单的三相3主极时,m=1变成下式:

Nr=3n±1

下图为n=3,Nr=8的结构图,用上式Nr=3n±1和θs=180°/PNr,可计算求得Nr和θs,如下表所示。

两相HB型混合式步进电机(定子3极、转子8齿、7.5°步距角)结构图三相3主极HB型步进电机的转子齿数与步距角关系表

设计时要注意,三主极的HB型步进电机会产生不平衡电磁力。由于只用三个线圈,所以对用于低价电动机的应用场合很有吸引力。

三相,定子6主极时,m=2,得下式:Nr=2(3n±1)。n=3,Nr=16,步距角3.75°的电机结构如下图所示。

HB混合式步进电机(定子6主极、转子16齿、步距角3.75°)结构图

三相,定子9主极时,m=3,则Nr=3(3n±1)。n=7,Nr=60,步距角1°的电机,轴向剖视如下图所示。

HB混合式步进电机(定子9主极、转子60齿、步距角1°)结构图

三相,定子12主极时,m=4,则Nr=4(3n±1)。n=8,Nr=100,步距角0.6°的步进电机轴向剖视图如下图所示:

HB混合式步进电机(定子12主极、转子100齿、步距角0.6°)结构图

上述简要介绍了相内磁路和相间磁路,以及定子主极等节距对称情况下HB型混合式步进电机的相数、主极数和转子齿数之间的关系表达式。不仅设计电机时要了解这些基本原理,而且使用电机时也要系统了解电机的结构、性能、外形尺寸,并能够依据相数和步距角推出电机内部结构及解决问题的方法。

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