步进电机中永磁铁的功能

要使步进电机体积小,转矩大,就要不断提高永久磁铁的性能,永久磁铁主要用于PM型HB型步进电机的转子上。

如下图(a)为永久磁铁在直流电机的使用方法,而(b)为永久磁铁在步进电机中的使用方法。

电机使用永磁铁激磁

直流电机的转矩根据弗莱明左手定则,依据图(a)所示,可得出公式如下:

T=2NIBLr

式中,I为线圈电流,B为永久磁铁产生的磁通密度,L为线圈永久磁铁轴向有效长度,r为转子半径,N为线圈扎数。

直流电机的永久磁铁安装在定子上,产生激磁密度B。

相对于直流电机的结构,步进电机正好相反。步进电机的转子侧安装永久磁铁,如图(b)所示,磁通从转子N极出来,经过气隙、定子铁芯,再由S极下的气隙回到转子S极,构成闭合磁路。激磁线圈绕于定子磁极上,磁极中磁通Φ及相应的磁通密度B穿过转子。转子轴方向的定子有效长度为L,图(b)为两相PM型步进电机的一相结构。

图(b)的步进电机,永久磁铁安装在转子上作为电机的激磁磁极,这种方式称为旋转磁极式。相应的,图(a)所示的电机称为旋转电枢式,步进电机的电磁转矩得:

T=E0I/ωm

式中,E0为感应电动势,I为电流,ωm为机械角度。

上式为永久磁铁激磁的步进电机产生的电磁转矩,因此有下面的公式:

  • E0=NdΦ/dt
  • θ=ωt
  • ω=Nrωm

式中,Φ为交链磁通,θ为转子转动角,ω为电气角速度,N为相线圈匝数。E0=NdΦ/dt由法拉第定律得来。θ=ωt为机械角与电气角的关系式,把上式代入到T=E0I/ωm可得:

  • T=E0I/ωm
  •   =N(dΦ/dt)I/ωm
  •   =N(dΦ/dθ)(dθ/dt)I/ωm
  •   =N(ω/ωm)(dΦ/dθ)I(dΦ/dθ)
  •   =NNrI(dΦ/dθ)

步进电机的转矩由永磁体产生的交链磁通变化率与流过线圈电流之积产生为感应电动势,图(b)表示如下:

感应电动势将此E0代入T=E0I/ωm,单相转矩变为下式:

T1=2NIBLr

依据图(b),永久磁铁激磁的步进电机转矩公式为(T1=2NIBLr),当Nr=1时,转矩公式与直流电机的转矩公式(T=2NIBLr)相同,直流电机的气隙磁通B,相当于步进电机的交链磁通的有效当量部分总和。而铁心中心的磁通密度因其为稳定的磁通量为无效磁通。

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