CN104598688B - 混合式步进电机的二维有限元仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合式步进电机的二维有限元仿真方法，其中混合式步进电机主要包括定子铁心、定子绕组、转子铁心、转子永磁体和转轴等，其中转子铁心为分段式铁心，相邻两段之间相互错开半个转子齿距，永磁体为轴向充磁。仿真方法是，首先通过等效磁路原理，将电机的三维模型等效为二维等效模型，并通过有限元分析软件对二维等效模型进行分析，对结果进行处理后得出电机的实际仿真结果。本发明利用二维的等效模型来分析计算混合式步进电机的自定位转矩和保持转矩，不仅缩短了混合式步进电机的设计周期，而且提高了电机的仿真计算精度。

Description

混合式步进电机的二维有限元仿真方法

技术领域

本发明涉及混合式步进电机，尤其涉及一种混合式步进电机的二维有限元仿真方法。

背景技术

步进电机控制特性好、易于实现数字控制、抗干扰能力强，是一种理想的数字执行元件，在航天、工业和民用领域得到了广泛的应用。混合式步进电机控制电流小，同时具有一定自锁能力（提供自定位转矩），在航天和军事领域仍然发挥着不可替代的作用。

混合式步进电机兼备永磁步进电机与磁阻式步进电机的特点，电机内部不仅存在径向的磁路分布，同时也存在着轴向的磁路分布。采用有限元分析方法对该类电机进行仿真分析时，只能采用三维的有限元分析方法进行计算，并且剖分时定转子齿部的剖分必须足够细密，这样才能保证计算结果的精度。这对计算机的硬件和软件都提出了较高的要求，普通的个人电脑甚至没有足够的内存完成电机的剖分。因此，这类电机的有限元分析方法受到了极大的限制。

本发明在研究混合式步进电机的磁路特点的基础上，提出了混合式步进电机的二维有限元仿真方法，对混合式步进电机的自定位转矩和保持转矩进行了仿真。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种混合式步进电机的二维有限元仿真方法，混合式步进电机包括定子铁心、定子绕组、转子铁心、永磁体和转轴，永磁体为轴向充磁，该混合式步进电机的二维有限元仿真分析方法包括以下步骤：

步骤1：确定混合式步进电机二维等效模型的轴向长度，与转子铁心长度相同，转子铁心长度为各段转子铁心长度之和，不包括永磁体轴向长度；

步骤2：根据磁路等效原理，确定混合式步进电机二维等效模型的永磁体参数，包括磁极数为2、径向充磁的磁环厚度和磁环内径、外径；

步骤3：确定混合式步进电机二维等效模型的等效转子模型，旋转体位转子齿；

步骤4：确定混合式步进电机二维等效模型的内静止铁芯模型，包括永磁体内部圆形的内静止铁芯，以及永磁体外部与转子旋转齿之间环形的内静止铁芯，且环形内静止铁芯上有隔磁空气槽；

步骤5：确定混合式步进电机二维等效模型的定子冲片定子大齿分布，以初始定子冲片为基准，将定子大齿分为左右两组，左边一组沿顺时针方向或逆时针方向旋转四分之一个转子齿矩角，右边一组沿着逆时针方向或顺时针方向旋转四分之一个转子齿距角；

步骤6：确定混合式步进电机二维等效模型的定子冲片外径，保证二维等效模型中定子轭部的轴向横截面积与原定子冲片径向横截面齿部面积的一半与轭部面积之和相同，由此可以确定等效模型中定子冲片的外径；

步骤7：计算等效模型的静态参数。

所述步骤2的磁路等效原理，包括二维等效模型永磁体产生的磁动势和磁通与实际模型永磁体产生的磁动势和磁通相同。

所述步骤4的内静止铁心模型，包括：永磁体内部圆形的内静止铁芯，以及永磁体外部与转子旋转齿之间环形的内静止铁芯，且环形内静止铁芯上有隔磁空气槽，防止永磁体产生的磁通通过磁调制块自闭和。

所述步骤5的定子冲片定子大齿分布，其定子大齿根据永磁体极数分为左右两组。

左右对称的两组定子齿是通过以下方法获得，将实际定子冲片的定子大齿分为两组，左边一组沿顺时针方向或逆时针方向旋转四分之一个转子齿距角，右边一组沿逆时针方向或顺时针方向旋转四分之一个转子齿距角。

本发明中的永磁体极数为2，永磁体为径向充磁。

确定二维等效模型的定子冲片模型是以初始定子冲片为基准，将定子大齿分为左右两组，左边一组沿顺时针方向（或逆时针方向）旋转四分之一个转子齿矩角，右边一组沿着逆时针方向（或顺时针方向）旋转四分之一个转子齿距角，之后保证二维等效模型中定子轭部的轴向横截面积与原定子冲片径向横截面齿部面积的一半与轭部面积之和相同，由此可以确定等效模型中定子冲片的外径。

本发明的有益效果是：

准确建立了混合式步进电机的二维等效仿真模型，分析了混合式步进电机的静态特性，有效缩短了混合式步进电机的设计分析周期，提高了仿真计算精度。

附图说明

图1是二段式二相混合式步进电机剖面图

图2是图1中转子结构图

图3是永磁体截面图及充磁方向示意图

图4是等效模型中永磁体充磁方向示意图

图5是等效模型中定子冲片示意图

图6是二维等效模型转子结构示意图

图7是混合式步进电机二维等效模型图

图8是自定位力矩与转子角位置关系曲线图

图9是处理后的自定位力矩与转子角位置关系曲线图

图10是保持力矩与转子角位置关系曲线图

图中标号说明：

1-定了；2-转子；3-永磁体；4-转子旋转齿；5-内静止铁心。

具体实施方式

下面以一台两段式两相混合式步进电机为例对本发明作进一步说明。

电机结构如图1所示，主要技术参数如表1所示。

混合式步进电机的永磁体主要参数如图3和图4所示，为了保证永磁体的磁动势不变，永磁体充磁方向的厚度要保持一致。

图中，永磁体厚度

为了保证永磁体提供的磁通不变，等效后环形磁铁参数需满足以下公式：

其中l为二维等效模型的轴向长度。

最终计算得出，。

将混合式步进电机等效为二维分析模型时，需要在两个方面对定子冲片进行修改：一方面需要修改定子大齿的分布，另一方面需要修改定子冲片轭部的厚度。混合式步进电机的转子在轴向分段，不同段之间的转子齿相互错开半个转子齿距。

为了保证等效后的二维模型转子旋转的连续性，等效模型中的转子齿均匀分布，但是定子大齿在原有分布的基础上分成左右两部分，等效模型中定子大齿的分布发生了改变，如图5所示，1至8号齿沿顺时针方向旋转四分之一个转子齿距角，9至16号齿沿逆时针方向旋转四分之一个转子齿距角。

传统混合式步进电机永磁体产生的轴向磁通一部分通过定子大齿形成闭合回路，另外部分通过定子的轭部形成闭合回路。而二维等效模型中磁力线只能通过定子冲片轭部形成闭合回路。因此二维等效模型中定子轭部的轴向横截面积应与原定子冲片径向横截面轭部和齿部面积的一半的总面积相同，由此可以确定等效模型中定子冲片的外径。

转子旋转时，传统混合式步进电机的定子冲片在转子永磁体磁化作用下的磁极特性并不发生改变。为了保证相同特性，二维等效模型中，定子冲片分为左右两部分，永磁体安装于内静止铁芯上并不发生旋转，而转子旋转部分仅仅为转子齿，结构示意图如图6所示。

确定等效磁路模型时，根据每个单元的四个定子齿，可以有四个模型，相互之间相互错开0.25个转子齿距。因此采用等效磁路计算的自定位力矩，其真实值为计算结果依次错开0.25、0.5、0.75个转子齿角度后四个值的平均值。

所计算的保持力矩直接为最终计算结果。计算结果如图8、9和10曲线所示。

。

Claims (3)

1.一种混合式步进电机的二维有限元仿真方法，混合式步进电机包括定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、永磁体和转轴，永磁体为轴向充磁，该混合式步进电机的二维有限元仿真分析方法包括以下步骤：

步骤1：确定混合式步进电机二维等效模型的轴向长度，与转子铁芯长度相同，转子铁芯长度为各段转子铁芯长度之和，不包括永磁体轴向长度；

步骤2：根据磁路等效原理，确定混合式步进电机二维等效模型的永磁体参数，包括磁极数为2、径向充磁的磁环厚度和磁环内径、外径；

步骤3：确定混合式步进电机二维等效模型的等效转子模型，旋转体位转子齿；

步骤4：确定混合式步进电机二维等效模型的内静止铁芯模型，包括永磁体内部圆形的内静止铁芯，以及永磁体外部与转子旋转齿之间环形的内静止铁芯，且环形内静止铁芯上有隔磁空气槽；

步骤5：确定混合式步进电机二维等效模型的定子冲片定子大齿分布，以原定子冲片为基准，将定子大齿分为左右两组，左边一组沿顺时针方向旋转四分之一个转子齿矩角，右边一组沿着逆时针方向旋转四分之一个转子齿距角；或者左边一组沿逆时针方向旋转四分之一个转子齿矩角，右边一组沿着顺时针方向旋转四分之一个转子齿距角；

步骤6：确定混合式步进电机二维等效模型的定子冲片外径，保证二维等效模型中原定子冲片径向横截面齿部面积的一半与轭部面积之和等于定子轭部的轴向横截面积；

步骤7：计算等效模型的静态参数。

2.根据权利要求1所述的混合式步进电机的二维有限元仿真方法，其特征在于，所述磁路等效原理，包括二维等效模型永磁体产生的磁动势和磁通与实际模型永磁体产生的磁动势和磁通相同。

3.根据权利要求1所述的混合式步进电机的二维有限元仿真方法，其特征在于，所述永磁体为径向充磁的两个半圆形磁体，两个半圆形磁体贴于圆形的内静止铁芯外面，且永磁体外与转子旋转齿之间也为内静止铁芯的一部分，该部分上有隔磁磁桥，防止永磁体漏磁。