某衛(wèi)星天線驅(qū)動用步進電機性能仿真分析

引言

以往關(guān)于步進電機的研究主要針對不同的定子齒形、轉(zhuǎn)子齒形(方形齒、梯形齒)對電機性能的影響。然而,對于步進電機而言,不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、磁鋼厚度等參數(shù)也會對性能產(chǎn)生很大的影響,而在這兩方面所能參考的文獻較少。因此,本文以某型衛(wèi)星天線驅(qū)動用步進電機為例,通過使用ANSYS進行有限元分析計算,研究不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式對混合式步進電機的靜轉(zhuǎn)矩形成的影響,為后續(xù)步進電機的性能優(yōu)化提供了一定的參考。

1混合式步進電機工作原理

步進電機的定子分成偶數(shù)對磁極,每個磁極上有小齒及控制線圈:線圈提供電流通路:大極上的小齒與轉(zhuǎn)子進行能量轉(zhuǎn)換,使轉(zhuǎn)子步進式旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼及兩段鐵芯組成,環(huán)形磁鋼軸向充磁,鐵芯分別裝在磁鋼兩端,所有轉(zhuǎn)子鐵芯上都均勻分布有小齒,但相鄰兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距。定子通電時產(chǎn)生的磁通與轉(zhuǎn)子磁鋼相互作用,產(chǎn)生電磁力矩:電機每改變一次通電狀態(tài),轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個步距角(圖1):當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時,轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距。

2有限元分析法

以往由于計算機資源的限制,文獻提出先對步進電機進行二維等效處理,再進行二維有限元分析。然而,對于混合式步進電機而言,轉(zhuǎn)子中有永磁體,存在著軸向磁路,導致其磁路結(jié)果具有特殊性:在二維等效過程中會加入一些經(jīng)驗系數(shù),得到的結(jié)果往往是不夠精確的,與實際結(jié)果相比存在著一定的誤差?；诖?本文準備使用三維有限元法對混合式步進電機進行仿真研究分析,其主要計算原理如公式(1)所示:

式中:H為磁場強度:r為介質(zhì)電導率:E為電場強度:B為磁感應強度。

3主要電磁參數(shù)設(shè)計

3.2轉(zhuǎn)子外徑

長徑比計算公式如下:

式中:入為長徑比,一般長徑比入選取范圍在0.4~2.0:Dro為轉(zhuǎn)子外徑:Lt為定子鐵芯長度,為了使轉(zhuǎn)子鐵芯得到充分利用,在設(shè)計時定子鐵芯要比轉(zhuǎn)子鐵芯稍微長一些。轉(zhuǎn)子外徑依據(jù)公式(3)進行計算:

式中:cm為轉(zhuǎn)矩系數(shù),通常取0.2~0.3:Mjmax為步進電機保持轉(zhuǎn)矩。

3.2定子鐵芯外徑

式中:8io為定子鐵芯內(nèi)徑與外徑的比值,一般在0.4~0.7范圍進行選取:DSi為定子鐵芯內(nèi)徑。

3.3定子鐵芯長度

3.4轉(zhuǎn)子齒數(shù)

式中:Nr為轉(zhuǎn)子小齒數(shù):P為電機相數(shù):9S為步距角。

本文電機P=2,9S=l.8o,Nr=50。

3.5具體設(shè)計參數(shù)

本文設(shè)計的某型天線驅(qū)動電機為兩相混合式步進電機,其主要電磁設(shè)計參數(shù)如表1所示。

4性能仿真分析

依據(jù)表1建立了步進電機三維模型,如圖2、圖3所示。其結(jié)構(gòu)特點為定子有8個磁極,轉(zhuǎn)子鐵芯分為四段,相鄰兩段轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)之間夾著環(huán)形磁鋼并錯開半個齒距,中間兩段轉(zhuǎn)子鐵芯采用隔磁橋隔開。

通過ANSYS工具軟件對建立的三維模型進行有限元仿真計算,得到了步進電機自定位轉(zhuǎn)矩曲線與矩角特性曲線,分別如圖4、圖5所示。

由圖4可知,電機在一個齒距范圍內(nèi)自定位轉(zhuǎn)矩峰值為61mN·m:由圖5可知,兩個齒距范圍內(nèi)步進電機靜轉(zhuǎn)矩的正峰值為602.1mN·m,負峰值為-602.2mN·m。

5性能優(yōu)化研究

為了提高步進電機力矩密度,在小電流下,步進電機能夠輸出大力矩,本文以步進電機靜轉(zhuǎn)矩作為目標函數(shù)進行優(yōu)化,通過優(yōu)化設(shè)計得到步進電機靜轉(zhuǎn)矩的最大值。

5.1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對電機性能的影響及優(yōu)化

通過只改變轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu),對比分析圖6、圖7中兩種不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對步進電機靜轉(zhuǎn)矩的影響。

圖6是在圖3的轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,改變了中間隔磁橋厚度的大小,轉(zhuǎn)子鐵芯長度也隨之變化:圖7是將步進電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由四段鐵芯變?yōu)榱藘啥舞F芯,磁鋼總的厚度大小保持不變。方案一、方案二的矩角特性仿真結(jié)果分別如圖8、圖9所示。

由圖8可知,當隔磁橋的厚度減小后,步進電機在兩個齒距范圍內(nèi)的靜轉(zhuǎn)矩正峰值為657.6mN·m,負峰值為二655.2mN·m:由圖9可知,當轉(zhuǎn)子鐵芯段數(shù)減少以后,步進電機兩個齒距范圍內(nèi)靜轉(zhuǎn)矩的正峰值為717.4mN·m,負峰值為二716.6mN·m。

相比原方案,方案一能使步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩增加,增加幅度為8.9%:方案二使得步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩提升更大,提升幅度約為19.1%。對比三種方案的矩角特性波形,方案二波形的正弦性最好,曲線也最為光滑。綜上所述,本文決定采用方案二中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

5.2磁鋼厚度對電機性能的影響及優(yōu)化

磁鋼結(jié)構(gòu)對步進電機的力矩性能存在著一定的影響。在方案二的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過只改變磁鋼的厚度lm,研究分析步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩隨著磁鋼厚度變化的情況。

選取磁鋼厚度分別為1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm時的最大靜轉(zhuǎn)矩,得到最大靜轉(zhuǎn)矩隨磁鋼厚度lm變化曲線,如圖10所示。

由圖10可知,磁鋼厚度lm存在一個最佳值。當lm=2mm時,最大靜轉(zhuǎn)矩達到最大值:當lm≥4mm時,最大靜轉(zhuǎn)矩開始顯著降低。這是因為當磁路飽和時,繼續(xù)增加永磁體厚度,增磁側(cè)由于磁路飽和,正力矩增幅減小:去磁側(cè)由于磁路不飽和,負力矩值變大,導致總的合成力矩變小。綜上所述,優(yōu)化后的磁鋼厚度選為2mm。

5.3鐵芯迭長對電機性能的影響及優(yōu)化

為研究不同的鐵芯迭長對步進電機性能的影響,在磁鋼尺寸不變的情況下,本文選取鐵芯迭長分別為15mm、19mm、23mm、25mm、27mm、31mm、35mm時的最大靜轉(zhuǎn)矩,得到了其隨鐵芯迭長變化曲線,如圖11所示。

由圖11可知,步進電機單位鐵芯長度所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩并不是隨鐵芯迭長的增大而保持恒定的。這是因為雖然鐵芯迭長不斷增加,但永磁體的尺寸是保持不變的,導致由永磁體提供的軸向磁通有限,當鐵芯迭長超過一定值后,轉(zhuǎn)矩增加的幅度開始減少,轉(zhuǎn)矩值逐漸趨于平穩(wěn)。

鐵芯長度越大,步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩也就越大,但對應的鐵芯重量也會相應增加。在太空應用環(huán)境中,小體積、輕量化設(shè)計是必須優(yōu)先考慮的,鐵芯迭長選取時應考慮電機的性能并兼顧安裝尺寸與重量要求,基于此,本文的步進電機鐵芯迭長選取25mm。

5.4優(yōu)化前后參數(shù)對比

電機優(yōu)化前后參數(shù)對比如表2所示。由前文分析可知,當電機轉(zhuǎn)子鐵芯段數(shù)由四段變?yōu)閮啥魏?電機最大靜力矩性能提升為19.1%:當轉(zhuǎn)子永磁體厚度變?yōu)?mm后,電機最大靜力矩性能提升約1.4%:當鐵芯迭長變?yōu)?5mm后,電機最大靜力矩性能提升約22.4%。優(yōu)化后,步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩提升明顯。

6結(jié)論

本文針對混合式步進電機的仿真及性能優(yōu)化進行了研究,并從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、磁鋼厚度、鐵芯迭長三個方面對電機性能進行優(yōu)化,主要得到如下結(jié)論:

(1)進行步進電機設(shè)計時,首先應依據(jù)指標要求確定合適的鐵芯迭長與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),再進行其他參數(shù)的設(shè)計。電機的鐵芯迭長優(yōu)化,對電機最大靜力矩性能提升最為明顯:其次為優(yōu)化電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式:進行優(yōu)化設(shè)計時,也應著重考慮兩者對性能的影響。

(2)對于步進電機而言,磁鋼的厚度并不是越大越好,它存在著一個最優(yōu)值,需要依據(jù)步進電機磁密分布情況,統(tǒng)籌考慮。當磁路飽和時,繼續(xù)增加永磁體厚度lm,會導致總的合成力矩變小。因此,在設(shè)計過程中,當電機齒部磁密過飽和時,在保證磁鋼剛度的前提下,可以適當減小磁鋼厚度,優(yōu)化電機轉(zhuǎn)矩性能。

(3)鐵芯長度越大,步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩也就越大,但對應的鐵芯重量也會相應增加。在太空應用環(huán)境中,小體積、輕量化設(shè)計是必須優(yōu)先考慮的,鐵芯迭長選取時應考慮電機的性能并兼顧安裝尺寸與重量要求。