HB混合式步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理的詳細說明
- 發(fā)布時間:??2021-03-24
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混合式步進電機有三種類型:永磁(PM)、電抗(VR)和混合式(HB)。反應(yīng)式步進一般為兩相,扭矩和體積較小,步進角度一般為7.5度或1.5度;永磁步進一般為三相,可以實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出。步進角度一般為1.5度,但噪音和振動都很大。80年代在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)淘汰;混合式步進是指永磁型和電抗型優(yōu)點的結(jié)合。
混合(HB型)步進電機有兩相、三相、五相三種,轉(zhuǎn)子是一樣的,因為與相數(shù)無關(guān)。本文以兩相HB型混合式步進電機為例進行說明。HB型的名稱來源于它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),它的轉(zhuǎn)子是PM型永磁步進電機和VR型變磁阻無功步進電機的組合體,故又稱混合式步進電機。
本文主要介紹HB混合式步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理,具體跟隨邊肖來了解。
HB型混合式步進電機的結(jié)構(gòu)
HB混合式步進電機的結(jié)構(gòu)是在兩個導磁圓盤之間軸向串入一個永磁圓柱體,兩個導磁圓盤的外圓齒距相同,與VR變磁阻無功步進電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同。兩個圓盤的齒交錯1/2節(jié)距,轉(zhuǎn)子圓柱形永磁體一端軸向充磁N極,另一端為S極。
從結(jié)構(gòu)上看,永磁轉(zhuǎn)子的N極和S極分布在轉(zhuǎn)子的外表面。為了提高分辨率,需要增加極數(shù),通常直徑為20毫米,轉(zhuǎn)子可以配備24極。極數(shù)增加,漏磁通增加,電磁轉(zhuǎn)矩減??;而HB轉(zhuǎn)子的N、S極分布在兩個不同的軟磁盤上,可以增加轉(zhuǎn)子極數(shù),提高分辨率。直徑20mm可配置100極,磁極軸向磁化。N極和S極組裝后在兩極磁化,磁化簡單。
與轉(zhuǎn)子齒對應(yīng)的定子極有與轉(zhuǎn)子齒同節(jié)距的小齒,與轉(zhuǎn)子齒在氣隙處的磁通相互作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。這種帶轉(zhuǎn)子的步進電機近年來得到了廣泛的應(yīng)用。
這種結(jié)構(gòu)起源于1992年美國GE通用電氣公司的Karl Feiertag,獲得了美國專利發(fā)電機。與目前的兩相HB步進電機結(jié)構(gòu)相同,初是作為低速同步電機使用的。后來美國Superior Electric Company和Sigma Instruments Company開發(fā)了一種步進角為1.8,轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50的兩相HB步進電機。
下圖為HB混合式步進電機的截面圖,定子繞組為兩相,轉(zhuǎn)子齒數(shù)分別為50和1.8。為了增加輸出轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子軟磁極的軸向長度盡可能加長。
下圖是HB步進電機各結(jié)構(gòu)示意圖:
定子有八個均勻分布的磁極(放置繞組的主磁極)。這八個磁極的內(nèi)圓分布著與轉(zhuǎn)子齒節(jié)距相同的齒,分布在氣隙的兩側(cè)。轉(zhuǎn)子齒比定子齒多。
線圈直接用繞線機纏繞在樹脂注射成型的槽絕緣骨架上,線圈纏繞安裝在磁極上。前后端蓋由鑄鋁制成,并經(jīng)過機械加工,以確保軸承座和安裝接頭之間的同心度。通常HB混合式步進電機的氣隙為0.05~0.1mm,因此控制各部件的加工精度非常重要。
轉(zhuǎn)子安裝在定子和前后端蓋中,以確保均勻的氣隙。永磁體磁化方向為軸向,N、S極兩端磁化。產(chǎn)生的磁力線方向用箭頭表示。為了便于理解,實際磁路被簡化為定子有四個主磁極和五個轉(zhuǎn)子齒(如下圖所示
,B為磁通密度,L為線圈軸向有效長度)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。2個導磁體夾著1個永磁體,轉(zhuǎn)子的齒位置互相相差1/2齒節(jié)距。轉(zhuǎn)子的磁通從N極出發(fā),經(jīng)過氣隙小處(定轉(zhuǎn)子齒相對的地方)到定子磁路,再返回轉(zhuǎn)子的S極,磁路如箭頭所示。
上圖左側(cè)的轉(zhuǎn)子上部,右側(cè)的轉(zhuǎn)子下部產(chǎn)生吸引力,軸兩側(cè)產(chǎn)生力矩(此力是不平衡電磁力),轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)受定子激磁線圈切換產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力。軸承的間隙會很容易產(chǎn)生振動。實際上定子主極為8個極,轉(zhuǎn)子齒數(shù)為偶數(shù),目的是消除此不平衡電磁力。實際上與2個轉(zhuǎn)子齒部相對的定子,在軸向上并非是分開成兩個,而是采用硅鋼片疊壓而成一體。
HB型混合式步進電機工作原理
下圖描述了兩相HB型步進電機的工作原理。永久磁鐵使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生N極和S極,由吸引力和排斥力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,兩相繞組假設(shè)為A相、B相、“杠A”相、“杠B”相。例如,A相和“杠A”相接通電源,根據(jù)右手螺旋法則產(chǎn)生相反的磁場。同樣,B相與“杠B”相也是如此。圖中,實線箭頭表示轉(zhuǎn)子磁通,虛線表示為其磁路磁通Фm。從轉(zhuǎn)子磁鐵的軸向圖看,轉(zhuǎn)子N極通過氣隙向下進入定子,通過定子磁極軸向穿過鐵心到達上面的定子磁極后,穿過氣隙回到轉(zhuǎn)子S極。下圖充分說明了HB型混合式步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。
轉(zhuǎn)子磁路中間為永久磁鐵,下側(cè)為N極,上側(cè)為S極。磁鐵的厚度方向磁通由上向下。開始狀態(tài)(a)為A相激磁,則“杠A”相極性相反,因此停在圖示位置,轉(zhuǎn)子與A相和“杠A”相的各一半對應(yīng),形成交鏈磁通Фm,如圖中虛線所示。
下一步,激磁相轉(zhuǎn)換到狀態(tài)(b),斷開A相激磁電流,接通B相激磁電流,則轉(zhuǎn)子向右移動1/4轉(zhuǎn)子齒距,運行到圖(b)的位置。
再一步,激磁相轉(zhuǎn)換到狀態(tài)(c),斷開B相激磁,接通“杠A”相激磁,則轉(zhuǎn)子從狀態(tài)(b)向右移動一步(1/4齒距)運行到狀態(tài)(c)的位置。同樣,激磁相換到狀態(tài)(d),斷開“杠A”相激磁,接通“杠B”相激磁,則轉(zhuǎn)子從狀態(tài)(c)向右移動一步(1/4齒距)運行到狀態(tài)(d)的位置。再一步,就返回狀態(tài)(a),依次不斷循環(huán)。
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