陳金學(xué), 毛可意, 趙 飛, 卓 亮

(1. 貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008；2. 國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550008)

基于AnsoftMaxwell對(duì)單相步進(jìn)電機(jī)性能影響因素的分析*

陳金學(xué)1,2, 毛可意1,2, 趙 飛1,2, 卓 亮1,2

(1. 貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008；2. 國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550008)

基于Ansoft Maxwell有限元分析軟件，對(duì)單相步進(jìn)電機(jī)性能的影響因素進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：使用溫度、輸入電壓顯著影響電機(jī)性能，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域及工況；同軸度、氣隙會(huì)對(duì)電機(jī)的性能產(chǎn)生一定影響，應(yīng)確保同軸度和氣隙的最佳設(shè)計(jì)；形位公差對(duì)電機(jī)性能的影響最小，可忽略不計(jì)。

AnsoftMaxwell；單相步進(jìn)電機(jī)；輸出力矩；輸出角度

0 引 言

單相步進(jìn)電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)中較為特殊的一種。它具有單步運(yùn)動(dòng)角度大、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已在軍用的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。Ansoft Maxwell是世界著名的商用低頻電磁場(chǎng)有限元分析軟件之一，基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?，可針?duì)不同的實(shí)際問題迅速建立數(shù)值模型并準(zhǔn)確計(jì)算[1-3]。

本文基于Ansoft Maxwell有限元分析軟件，對(duì)用于某重點(diǎn)型號(hào)的單相步進(jìn)電機(jī)最大輸出力矩(簡(jiǎn)稱輸出力矩)及輸出轉(zhuǎn)矩角度(半步距角內(nèi)輸出力矩大于等于30 mN·m的角度范圍，簡(jiǎn)稱角度)的影響因素進(jìn)行分析。

1 電機(jī)工作原理

單相步進(jìn)電機(jī)的工作原理為：電機(jī)在軸伸端裝入凸輪及彈簧組件后，在電磁力矩和扭簧力矩的共同作用下輸出驅(qū)動(dòng)力矩[4]。在電機(jī)收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，其轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生較大的輸出力矩，在每一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用時(shí)，能夠可靠地運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置，運(yùn)動(dòng)時(shí)既不丟步又不運(yùn)動(dòng)超程，單步動(dòng)作角度(步距角)為90°。該電機(jī)具有單步運(yùn)動(dòng)角度大、輸出力矩大、運(yùn)動(dòng)可靠等特點(diǎn)。

2 電機(jī)仿真模型建立

2.1電機(jī)電磁參數(shù)

電機(jī)電磁參數(shù)如表1所示。考慮到公差范圍對(duì)電磁性能的影響，在仿真時(shí)，以電磁力最小狀態(tài)為基準(zhǔn)，保證所有尺寸均處于電磁力最小的極限公差范圍內(nèi)。

表1 電磁參數(shù)

2.2電機(jī)模型建立

基于Ansys Maxwell，建立電機(jī)的電磁場(chǎng)仿真模型如圖1(a)所示，以瞬態(tài)場(chǎng)進(jìn)行求解，以S作為求解區(qū)域外邊界，忽略電機(jī)的端部效應(yīng)，當(dāng)作二維磁場(chǎng)來處理。為了計(jì)算準(zhǔn)確，適當(dāng)選擇各區(qū)域剖分網(wǎng)格的大小，氣隙與繞組剖分較細(xì)。求解域的網(wǎng)格剖分如圖1(b)所示。

圖1 電磁場(chǎng)仿真分析模型與剖分

用磁矢位A描述場(chǎng)，瞬變電磁場(chǎng)的邊界問題可以表達(dá)為[5-7]

式中：μ——磁導(dǎo)率；

Az——磁矢位軸向分量；

Jz——電流源密度軸向分量；

σ——電導(dǎo)率。

因電機(jī)為單相直流電壓供電，在電樞繞組中添加直流電壓源激勵(lì)即可。為了直觀觀察電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩寬度、角度，將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1°/s，輸出的時(shí)間曲線即為電機(jī)的角度曲線。

2.3仿真與實(shí)測(cè)性能對(duì)比

電機(jī)在常溫(20 ℃)、12 V輸入電壓下，仿真與實(shí)測(cè)的矩角特性曲線對(duì)比如圖2所示。由圖2可知，仿真與實(shí)測(cè)的矩角特性曲線較吻合，仿真的輸出轉(zhuǎn)矩最大值為53.7 mN·m，實(shí)測(cè)值為51.5 mN·m，準(zhǔn)確率達(dá)95.9%；仿真角度為26.5°，實(shí)測(cè)值為25°，準(zhǔn)確率達(dá)94.3%。說明此仿真模型可以反映電機(jī)真實(shí)的輸出特性，并進(jìn)行電機(jī)的性能優(yōu)化分析。

圖2 實(shí)測(cè)與仿真矩角特性對(duì)比

3 影響電機(jī)輸出性能因素分析

3.1溫度(電阻)對(duì)輸出性能的影響

Ansys Maxwell對(duì)溫度變化的分析是通過電阻來反映的。由式(2)可知，電機(jī)的工作溫度直接影響繞組的阻值，當(dāng)溫度升高時(shí)，繞組阻值變大。

式中：Rt——t℃時(shí)的電阻值；

R20——20 ℃時(shí)的電阻值；

Δt=t-20。

所以電機(jī)在不同電阻下的輸出性能即是在不同工作溫度下的輸出性能，如圖3所示。

由圖可知，在電壓相同時(shí)，不同溫度對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響極大，當(dāng)溫度越高時(shí)，電阻值越大，繞組相電流越小，所以電機(jī)安匝值越低，輸出轉(zhuǎn)矩越小。以圖3(c)為例，電壓為11 V時(shí)，對(duì)應(yīng)常溫(20 ℃)的輸出力矩為50.0 mN·m，對(duì)應(yīng)-40 ℃的輸出力矩為66.2 mN·m，增加了32.4%；而70 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出力矩為41.1 mN·m，下降了17.8%。還可以看出，隨著溫度的升高，角度也逐漸減小，常溫(20 ℃)時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出角度為25.6°，-40 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出角度為27.4°，增加了7.0%；而70 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出角度為24.2°，下降了5.5%?？梢姕囟葘?duì)輸出性能的影響較大。

圖3 溫度(電阻)對(duì)輸出性能的影響

當(dāng)溫度不變時(shí)，繞組阻值也恒定，這時(shí)電壓直接影響電流值的大小。電壓越小，電流也越小，導(dǎo)致安匝值降低，使得電機(jī)的輸出性能變差。圖4是溫度分別為-40 ℃、20 ℃、70 ℃時(shí)不同電壓對(duì)電機(jī)輸出性能的影響。以圖4(b)為例：常溫(20 ℃)時(shí)，12 V時(shí)輸出力矩為55.0 mN·m，5 V時(shí)輸出力矩為18.9 mN·m，下降了65.6%；15 V時(shí)的輸出力矩為69.9 mN·m，增加了27.1%。由圖4還可知，在電壓低于7.5 V時(shí)，角度為0，隨著電壓的升高，角度逐漸增大。結(jié)合三幅圖還可看出，在同一電壓下，溫度越高，輸出性能越差。

圖4 電壓對(duì)輸出性能的影響

3.3氣隙對(duì)輸出性能的影響

電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)與氣隙大小有關(guān)，氣隙較大時(shí)，氣隙磁場(chǎng)變小，導(dǎo)致電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小，輸出性能變差。氣隙對(duì)電機(jī)輸出性能的影響如圖5所示，氣隙分析范圍為0.01～0.1 mm。

圖5 氣隙對(duì)輸出性能的影響

由圖5可知，隨著氣隙的增大，輸出性能逐漸降低。其中輸出轉(zhuǎn)矩呈直線下降趨勢(shì)。輸出轉(zhuǎn)矩從77.3 mN·m減小到66.1 mN·m，降低了14.5%；輸出角度從28.4°減小至27.6°，降低了2.8%。所以理論上氣隙越小越好，但是在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，也要綜合考慮設(shè)計(jì)要求、加工條件和制造成本等因素，同時(shí)氣隙過小，易導(dǎo)致電機(jī)卡滯，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

3.4同軸度對(duì)輸出性能的影響

電機(jī)的同軸度會(huì)對(duì)氣隙場(chǎng)分布的均勻性產(chǎn)生一定影響。由于電機(jī)的氣隙較小，同軸度分析范圍設(shè)為0～0.04 mm，步距為0.01 mm，同軸度對(duì)電機(jī)輸出性能的影響如圖6所示。

圖6 同軸度對(duì)輸出性能的影響

從圖6可以看出，同軸度對(duì)輸出性能和電機(jī)的輸出角度的影響均不大，但是由于同軸度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性有一定的影響，所以在設(shè)計(jì)電機(jī)同軸度時(shí)以0～0.02 mm為宜。

她父親死后的第二天，所有的婦女們都準(zhǔn)備到她家拜望，表示哀悼和愿意接濟(jì)的心意，這是我們的習(xí)俗。愛米麗小姐在家門口接待她們，衣著和平日一樣，臉上沒有一絲哀愁。她告訴她們，她的父親并未死。一連三天她都是這樣，不論是教會(huì)牧師訪問她也好，還是醫(yī)生想勸她讓他們把尸體處理掉也好。正當(dāng)他們要訴諸法律和武力時(shí)，她垮下來了，于是他們很快地埋葬了她的父親。

3.5形位公差對(duì)輸出性能的影響

3. 5. 1 鐵心長(zhǎng)度公差對(duì)輸出性能的影響

從式(3)中可以直觀看出，電機(jī)的安匝值與鐵心長(zhǎng)度l成正比，又因?yàn)檩敵鲂阅芘c安匝值成正比，所以，輸出性能與鐵心長(zhǎng)度成正比。即隨著鐵心長(zhǎng)度的增加，電機(jī)輸出性能也隨之提高。

式中：N——線圈匝數(shù)；

F——作用在鐵心磁路上的安匝值，稱為磁路的磁動(dòng)勢(shì)，A；

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A·m-1；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

μ——鐵磁材料的磁導(dǎo)率，H/m；

Φ——磁通量，Wb；

Rm——磁路中的磁阻，A/Wb。

鐵心長(zhǎng)度公差對(duì)電機(jī)輸出性能的影響如圖7所示。

圖7 鐵心長(zhǎng)度公差對(duì)輸出性能的影響

由圖7可知，隨著電機(jī)長(zhǎng)度的增加，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨之增加，但是由于公差較小(0.01～0.1 mm)，輸出轉(zhuǎn)矩的變化幅值在0.6 mN·m以內(nèi)。從圖7中還可知，該鐵心長(zhǎng)度公差對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩的角度無影響。

3. 5. 2 磁極寬度公差對(duì)輸出性能的影響

增加定子鐵心磁極寬度可以增加磁路面積，改善磁路飽和狀態(tài)，增強(qiáng)磁路中的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而提高輸出性能。Ansoft中磁極寬度與極弧系數(shù)相對(duì)應(yīng)，可以通過改變極弧系數(shù)來改變磁極寬度。鐵心磁極寬度公差對(duì)電機(jī)輸出性能的影響如圖8所示。

圖8 磁極寬度公差對(duì)輸出性能的影響

由圖8可知，極弧系數(shù)的變化范圍為0.336 6～0.346 6，步距為0.01，對(duì)應(yīng)的磁極寬度為3.44～3.54 mm，隨著磁極寬度的增加，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)隨之增加，但增加幅值較小，在0.2 mN·m以內(nèi)。從圖中還可看出鐵心寬度對(duì)角度影響較小，增加幅值在0.4°以內(nèi)。

4 結(jié) 語

(1) 文中所提仿真模型的精度達(dá)到94%以上，可用于仿真分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)。

(2) 使用溫度、輸入電壓對(duì)電機(jī)性能的影響最大，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮電機(jī)的工況及使用范圍。

(3) 同軸度、氣隙對(duì)電機(jī)性能的影響不大，應(yīng)追求最好的同軸度和最小的氣隙，但氣隙過小，存在定轉(zhuǎn)子卡滯的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

(4) 形位公差對(duì)電機(jī)性能的影響較小，基本可忽略不計(jì)。

[1] 坂本正文.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].王自強(qiáng),譯.北京: 科學(xué)出版社,2010.

[2] 趙博, 張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M].北京: 中國(guó)水利水電出版社,2010.

[3] 王宗培,姚宏.步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和設(shè)計(jì)方法的研究[M].南京: 東南大學(xué)出版社,1994.

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[7] WALE J D, POOLLOCK C. Hybrid stepping mortors and drives[J].Power Engineering Journal,2001,15(1): 5-12.

AnalysisofthePerformanceFactorsofSinglePhaseSteppingMotorBasedonAnsoftMaxwell*

CHENJinxue1,2,MAOKeyi1,2,ZHAOFei1,2,ZHUOLiang1,2

(1. Guizhou Aerospace Linquan Motor Co., Ltd., Guiyang 550008, China;2. National Engineering Research Center for Small and Special Precision Motors, Guiyang 550008, China)

Based on the Ansoft Maxwell, the factors affecting the performance of single phase stepping motor were analyzed. The results showed that operating temperature and input voltage significantly affected the performance of the motor, therefore, the application field and condition of the machine should be fully considered. Axiality and air gap, to an extent, had an effect on the performance of the motor, hence the optimal design of them should be guaranteed. Geometrical tolerances had minimal impact on the performance of the motor, which could be neglected.

AnsoftMaxwell;singlephasesteppingmotor;outputtorque;outputangle

蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置用帶位置反饋電子膨脹閥研究

陳金學(xué)(1987—)，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)及微特電機(jī)。

TM 302

A

1673-6540(2017)11- 0085- 04

2017 -09 -19