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二相混合式直线步进电机的三维场分析 |
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作者：太原理工大学 熊光煜 牛华 |
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摘要：二相混合式直线步进电动机作为一种理想的高科技直线驱动器，在高分辨率直接驱动的直线伺服系统中得到了广泛应用。本文以日本神钢电机株式会社生产的SLPMU-025A为研究样机，利用Ansoft公司的Maxwell 3D软件建立了SLPMU-025A的三维模型，通过有限元方法计算了电机的静态磁场，重点分析了电机齿层区域的磁场，使计算精度大为提高。并得到了电机的静推力——位移特性。
关键词：直线步进电动机；有限元分析；三维磁场
1. SLPMU-025A的简介
SLPMU系列直线步进电动机是日本神钢电机株式会社开发生产的二相直线步进电动机。SLPMU-025A是作为微型计算机末端的薄型打印机的早期产品而开发设计的。图1是其外观图。
图1 SLPMU-025A的外观图
SLPMU-025A的结构如图2，图3和图4所示。它是由动子和定子两部分组成的。按一定方式通电时，动子在定子的上方作步进的直线运动。背铁、永久磁铁、铁心和绕组组合成为电机的动子，动子的铁心是由硅钢片叠制而成的。由线圈围绕的铁心柱构成电机的磁极，磁极分前后两排布置。每个磁极上均匀排列着三个齿。
图2 SLPMU-025A正视图 图3 SLPMU-025A侧视图
电机的定子是由矽铁片刻成两排栅网状贴于软铁上加工而成的(如图4所示)。磁极上的齿宽和槽宽与定子上的齿宽和槽宽相等，齿距相等。
图4 SLPMU-025A定子俯视图
单相4拍运行时，也就是按顺序 通电时，电机的动子就以τ/4的步距向右行进。定子的前后两排齿相差τ/2（τ为一个齿距），这样可使电机的动子运行更加平稳。定子后排齿沿y轴方向对应的磁极依次为 。
2. SLPMU-025A的三维磁场分析
2.1. 建立三维仿真模型
利用Maxwell 3D对SLPMU-025A进行三维磁场分析，首先要建立它的三维仿真模型，参见图5。
因为要做的是静态特性分析，动子在定子上移动的范围有限，所以定子只取了相应的一小段，这样可以大大减少剖分计算量，缩短计算时间。建立了三维模型之后，对各材料定义属性，然后定义边界条件和源电流，最后求力。先求SLPMU-025A在固定的某一点动子所受的电磁力，然后再通过后处理可以看到对应的剖分图和磁场分析情况。这里首先以A极下动子齿和定子齿对齐时的这一点为例，做它的电磁力计算及磁场分析。得到的结果是动子y方向所受的电磁力大小为19.121[N]，三棱柱剖分单元达到 165061 个。
2.2. 背铁中的磁场分布
与动子对应的背铁部分的磁场分布的计算结果如图 6 所示。由图6可见，沿x轴，磁场分布是不均匀的，而在二维磁场分析时则认为是相同的。
图 6 与动子对应的背铁的磁密
由图6可以看到，背铁的最大磁密为 1.7949[T]，不存在过饱和现象。对于二相混合式直线步进电动机的磁密计算而言，最关键的部分应该是齿层区域。
2.3. 齿层区域的磁场分析
对于步进电机的静态特性而言，一个重要问题就是分析它的齿层区域的磁场。由于SLPMU-025A的定子齿高度只有0.3mm，宽度只有0.8mm，所以极易饱和。图7与图8表示在动子A极与定子齿对齿时，对B相通正向电流时得到的定子表面磁密图。定子齿对应A极与极的磁密如图7所示。定子齿对应B极与A-极的磁密如图8所示。由图7可以看出，A极下的磁密比B-极下的磁密大，因为A极与定子的关系是齿对齿，而A-极与定子的关系是齿对槽，而磁通总是沿着磁导最大的路径闭合。由图8可以看出，B极下的磁密最大值达到3.4295[T],出现过饱和现象。A-极下由于磁通相互抵消，所以磁密非常小，最大只有0.6956[T]。
3. SLPMU-025A的静推力——位移特性实验值与计算值的比较
当给SLPMU-025A的单相线圈持续通1.2A直流电时，求得的一个周期的静推力——位移特性计算值与实验值的比较如图9所示。
图 9 SLPMU-025A 静推力－位移特性实验值与计算值的比较
按二相混合式直线步进电动机 SLPMU-025A 的结构来说，其静推力只与动子和定子的相对位置有关，应该是具有周期性和上下对称性的。静推力的最大正值和最小负值的绝对值应该相等。由图9可以看出，SLPMU-025A的静推力——位移特性的计算值与实验值的总体趋势差不多，上半部分的计算值和实验值大体吻合。下班部分计算值与实验值相差的主要原因是因为忽略了摩擦力的影响，这是造成负方向上的实验值与计算值偏差较大的主要原因。
4. 结论
本文应用有限元软件Maxwell 3D 计算了电机内的静态磁场，重点分析计算了电机齿层区域内的磁场变化情况。并得到了电机的静推力——位移特性，与实验值进行了比较。
本文利用“场”的方法代替了以前“路”的方法及“场路结合”的方法，使计算精度大为提高，尤其对于步进电机的关键部分——齿层区域的磁场精确求解比较有意义，例如可以根据磁密的饱和程度来精确选材。本文主要是对步进电机进行了静态场分析，在此基础上可以进行进一步的深入计算如瞬态计算等。
参考文献：
1 丁志刚.直线步进电动机的原理、控制和应用.北京:机械工业出版社,1994
2 牛华.二相混合式直线步进电动机的研究.太原:[硕士学位论文]太原理工大学,2000,4(end)
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(7/9/2005) |
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