[其他]反应式步进电动机

说明书

本发明是一种反应式步进电动机，在不改变电机其它参数的条件下，计算电机的磁场并求出电磁转矩，再以电磁转矩为目标函数对定、转子齿形进行优化，得到产生最大电磁转矩的定、转子齿形是齿顶部分为等腰梯形、齿间部分为矩形、齿根部分为等腰梯形的八边形齿。采用这种齿形的反应式步进电动机的性能有很大提高。这种八边齿同样适用于磁阻同步电动机、感应子式电动机、永磁反应式步进电动机、直线电动机和平面电动机。

本发明属于反应式（即磁阻式）步进电动机。

一种将电脉冲信号变换成直线位移或角位移的反应式步进电动机，由定子、转子和机壳组成。如图1所示的三相反应式步进电动机结构，定子为三相绕组，每相有两个磁极，三相绕组为Y接法。转子铁芯和定子极靴上均有小齿，且定、转子齿距相等。目前大部分反应式步进电动机的转子铁芯和定子极靴上的小齿是矩形齿，也有很小部分反应式步进电动机的转子铁芯和定子极靴上的小齿是梯形齿或渐开线形齿。但这些齿形的设计没有一个准确的计算方法，都是在实验的基础上选用一些经验系数设计计算出来的，不能准确地计算电磁转矩，所以定、转子采用这些齿形的反应式步进电动机的最大静转矩小，起动频率和运行频率低，功率消耗大。

美国专利US4186316公开了一种步进电动机转子齿形，如图2所示，它由一个等腰梯形和一个矩形组成，定子极靴上的小齿是矩形齿，这种步进电动机同样存在最大静转矩小、起动频率和运行频率低、功率消耗大等缺陷。

本发明的目的是在不改变反应式步进电动机的相数、极数、转子齿数、激磁安匝数和不改变极宽、极高、轭高、轭长、气隙、定子内径和铁芯长度等尺寸的条件下，用一种精确的设计计算方法，得出产生电磁转矩最大的定、转子齿形，使设计出的反应式步进电动机具有最大静转矩大、起动频率和运行频率高且功率消耗小的特点。

本发明是这样实现的：在不改变反应式步进电动机的相数m，极数P，转子齿数Zr，励磁电流If，绕组匝数Wf和不改变极宽bm，极高hm，定子轭高hc，定子轭长lc，转子轭高hr，转子轭长lr，每级定子齿数z，铁芯长度l和气隙长度δ的条件下，用有限单元法求解不同定、转子位置时齿部铁芯和气隙部分磁场的磁通密度、磁通和磁共能，并求出磁共能随定、转子位置的变化，再用虚位移原理求得电磁转矩，最后以电磁转矩为目标函数对定、转子齿形进行优化，得到产生最大电磁转矩的定、转子齿形是齿顶部分为等腰梯形、齿间部分为矩形、齿根部分为等腰梯形的八边形齿。

这种产生最大电磁转矩的定、转子齿形是这样得出来的：首先用有限单元法计算不同定、转子位置时齿部铁芯和气隙部分磁场的磁通密度、磁通和磁共能。如图3所示的定子1与转子2槽对槽（或齿对齿）时的情况，图中AB、CD为等磁位面，AC、BD为周期性边界条件（每一齿距内磁场周期性重复）。阴影部分为齿部铁芯，其磁场是非线性的;其余部分为空气，其磁场是线性的。整个磁场满足准拉氏方程：

ααx(μα4αx)+ααy(μα4αy)=0 ]]>

此方程为一非线性方程，它的边界条件为

φ｜_AB＝F₁，φ｜_CD＝0，φ｜_AC＝φ｜_BD

假设某-F₁值，求得图3区域中不同点的磁通φ后，便可方便地求出磁通密度：