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1.背景描述

步进电机是将绕组上所加脉冲电压通过电磁耦合原理转化为转子上的机械角位移或线位移的一种装置。

从步进电机的本体上来讲,主要围绕步进电机的静态性能来进行分析,其主要关注步进电机的结构设计、齿槽结构、主要尺寸以及生产成本。结合控制理论之后,会针对步进电机的动态性能进行分析,其在连续运行的过程中,存在温升过高、噪声过大等特点。

2.技术难点

考虑到步进电机的磁路是轴向磁路,故步进电机的CAE分析,必须采用3D静态和3D瞬态分析。其中,3D静态分析主要是针对定位力矩、矩角特性、静力矩和绕组电流的关系、绕组电感和绕组电流的关系、绕组电感和转子位置的关系等开展分析;3D瞬态分析,主要是针对动态起动过程,最大起动频率等开展分析。

考虑到步进电机轴向磁通和齿数较多的情况,在CAE分析方面,存在以下几个难点:

网格量大,收敛困难

目前一些电磁软件在分析步进电机中都遇到困难,原因在于步进电机的结构,具有众多小齿和曲面,会极大增加剖分的网格量;同时在进行瞬态运动分析时,气隙重新划分的网格量也非常巨大。

计算速度

步进电机的有限元仿真模型必须采用3D模型,故分析速度是必须考虑的因素。

此外,步进电机的电磁分析,受到控制方式的影响,目前主流的控制方式有以下几种,CAE仿真分析中,必须能够模拟这样的电流激励方式;同时脉冲激励时间非常短,对时间步长的设置要求也很高。

3.案例介绍

针对某实际步进电机模型,进行了静态分析和瞬态分析。其中瞬态分析可以直接分析静态量。该模型采用了两段式的结构,即包含两个磁钢,主要目的是为了提高输出转矩,如下图所示:

瞬态分析主要针对空载情况,设置一个脉冲周期,电流激励如下图所示。此外,MagNet软件可以自动针对模型进行网格自适应划分,考虑到混合式步进电动机磁路高度非线性以及定转子双开槽的特点,为了提高仿真分析的精度,有必要对气隙处设置最大单元网格尺寸,本案例中将气隙网格尺寸设置为2mm。

瞬态分析的结果如下所示,通过CAE分析,可以得到混合式步进电机在不同的激励下的转矩,磁密云图以及过饱和区域。该分析结果可以为步进电机的改进提供优化方向。


4.总结

借助MagNet软件强大的网格自适应剖分、良好的收敛性、与控制系统仿真软件的无缝集成等技术优势,建立混合式步进电机的仿真模型并进行分析和计算,得到了混合式步进电机的静态特性和动态特性,给出了单四拍工作方式下的磁场分布图、静转矩、矩角特性曲线、绕组电感和转子位置的关系等静态特性数据,以及低频脉冲下的步进电机启动过程的动态特性数据,为混合式步进电机的优化,提供了理论依据。