[發(fā)明專利]一種混合式步進電機轉子

有效

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• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112311191B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發(fā)明（設計）人: 郗珂慶;李敏哲;楊凡;胡博;高俊麗;胡昊;蘇倩;郭炳岐
• 申請（專利權）人: 西安航天動力測控技術研究所
• 主分類號: H02K1/2733
• 分類號: H02K1/2733;H02K15/03;H02K37/14;G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 西安匠星互智知識產(chǎn)權代理有限公司 61291
• 代理人: 陳星

本發(fā)明提出一種混合式步進電機轉子，包括轉子軸、隔磁環(huán)、磁軛、磁鋼，磁鋼嵌入磁軛內(nèi)部，所處磁鋼采用軸向中間位置外徑大，軸向兩端位置外徑小的雙向錐形結構。而錐形結構的錐度角和轉子外徑相關，通過預設初始錐度角，采用電磁仿真判斷到磁路的最大磁密與磁性材料磁密飽和值之間關系的方式進行錐度角迭代，得到最佳錐度角。本發(fā)明能夠改善磁軛磁路的局部飽和，進一步提高轉子磁通Φ，提升電機輸出力矩。

技術領域

本發(fā)明屬于機電技術領域，具體為一種混合式步進電機轉子。

背景技術

混合式步進電機轉子主要有兩種典型磁路結構，見圖1和圖2所示，其共性特點主要有以下幾點：

1、零件特性：轉子軸承載扭矩輸出，因此金屬材料需熱處理提高材料硬度，但所用材料均亦有導磁屬性；隔磁環(huán)主要用于屏蔽轉子主磁路對轉子軸的漏磁；磁軛使用軟磁材料，降低磁路磁阻；磁鋼為步進電機整機提供磁源；不同轉子結構所用零件材料均選擇同牌號，以便于對比不同結構的優(yōu)缺點；

2、錯齒結構：轉子中存在兩個磁軛，且從軸向視之，二者位置呈現(xiàn)出齒對槽、槽對齒的特點(見E-E、F-F剖視圖)，俗稱錯齒。錯齒主要原因是步進電機接收連續(xù)脈沖時能夠實現(xiàn)轉子連續(xù)運轉，即步進電機工作原理；

3、轉子磁路方向：圖1圖2轉子磁路方向均一致，外部磁路進入磁軛齒部，磁路穿過磁軛后沿軸向穿過磁鋼，然后進入另一個磁軛的齒部，最終出轉子，進入外部磁路；典型局部磁路路徑見示意圖3及圖4所示(箭頭為磁路方向)：

4、轉子磁軛磁路設計時均要求處于不飽和狀態(tài)，否則不滿足步進電機設計基本要求；

5、轉子磁通為磁軛齒部截面積與磁軛齒部磁密的乘積，而轉子磁通與步進電機輸出力矩的大小成正比。

Φ＝B×S (1)

S＝b×L×Z (2)

式中：Φ、轉子磁通，B、磁軛齒部磁密，S、磁軛齒部截面積，b、磁軛單齒寬度，L、磁軛長度，Z、磁軛齒數(shù)。

由圖1圖2轉子結構及磁路示意圖可知，二者特性差異如下所示：

(1)圖2磁軛齒部截面積S增大：圖2相比圖1結構差異是磁鋼嵌入磁軛內(nèi)部，磁軛長度L增大，齒寬b及齒數(shù)Z固定，則磁軛齒部截面積增大S增大；

(2)圖2磁軛齒部磁密B增大：磁鋼軸向截面積及磁鋼軸向長度均與磁軛齒部磁密B(磁軛磁路不飽和條件)正相關，而圖2相比圖1結構差異是磁鋼軸向長度增大，截面積相同，則磁軛齒部磁密B增大，最終轉子磁通大，相同控制條件下輸出力矩大；

(3)圖1磁軛磁路肯定不飽和：目前磁鋼最高牌號磁密為1.46T，普通硅鋼片磁路允許磁密最低為1.65T，且磁軛截面積大于磁鋼截面積，因此圖1磁路肯定不飽和；

(4)圖2磁軛局部磁路可能飽和：圖2在局部易出現(xiàn)磁路偏小導致磁路飽和(見圖5所示局部飽和點)，此時只能減小磁鋼截面積以降低磁軛齒部磁密B。通過建立三維模型，運用有限元軟件仿真進行核算，以對比磁鋼長度、截面積分別與磁軛齒部磁密B的變化趨勢選擇磁鋼最佳尺寸。

具體可分析得出：

圖1、圖2均為常規(guī)的混合式步進電機轉子結構，均能實現(xiàn)混合式步進電機正常工作；圖1肯定不會出現(xiàn)磁軛局部飽和點，但是輸出力矩偏小；圖2磁鋼長度增大會提升轉子磁通，從而提高輸出力矩，但是易出現(xiàn)局部飽和點，如果要避免局部飽和點，現(xiàn)有技術中的思路是減小磁鋼截面積，以降低磁軛齒部磁密B，并用三維模型的有限元仿真軟件進行迭代驗證。

發(fā)明內(nèi)容