新型绕线转子混合式步进电机

乔纳森·u·阿格伯

尼日利亚贝努埃州马库尔迪联邦农业大学电气和电子工程系高级讲师

摘要

混合式步进电机可以分析为恒磁场励磁的同步电机。这些电机运行的一个限制是无法调节永磁体(PM) mmf，以获得像传统同步电机一样的稳态特性。本文的目的是研究永磁混合动力电机特性对转子励磁的依赖关系。因此，设计和建造了一种缠绕式转子电机，其中混合步进电机转子中的两个永磁体被缠绕软熨斗取代。进行了不同转子mmf的静态试验，结果表明，保持力矩随转子励磁而变化，永磁mmf也随定子励磁而变化。

关键字

步进电机，混合式步进电机，绕线转子电机，同步电机，稳态特性。

介绍

建立了混合步进电机与同步电机的关系[1]，[2]，[3]，[4]，[9]，[10]。这使得用同步电机理论研究步进电机特性[6]成为可能。对这些电机的操作的一个限制是无法控制永磁体(PM) mmf，以获得像传统同步电机一样的稳态特性。随着近年来对变速驱动器的需求不断增加，步进电机已显示出具有竞争力的全可控变速系统[8]，使其与传统同步电机完全兼容的兴趣也有所上升。这导致了一个环形线圈[7]的混合式步进电机的设计和建造，其中定子层压板被分为两个部分，并由环形线圈分开，转子中的PM被软铁套筒取代。绕线式转子(WR)电机的构造涉及到用绕线软铁成型机替换永磁混合步进电机转子中的两个永磁体。所使用的设计方法由纽卡斯尔大学开发，并记录了[3]，[6]，[7]。本设计的依据是广汽集团生产的永磁混合式步进电机VM156-270BK。

建造WR混合动力电机的动机是为了研究混合动力电机的性能特性对转子mmf变化的依赖关系，以及获得与同步电机显示的特性相似的可能性。因此，WR电机进行了涵盖足够宽的工作范围的测试。电压为正弦波，覆盖范围为115V/10A、230V/7.5A和440V/5A。

测试使用115v /10A在选定的步进频率下使用以下转子mmfs进行:360,480,600和840At。

本文介绍了PM与WR混合式步进电机的试验结果。试验结果表明，如果有方法改变永磁混合步进电机的转子mmf，它能够产生与传统同步电机相似的稳态特性。

2仪表

实验台框图如图1所示。它由一个步进电机与一个带扭矩计的滞回制动器耦合组成。相位绕组连接到一个功率放大器，功率放大器连接到一个信号发生器，该信号发生器能够产生存储在安装在前面板上的eprom中的任何波形。宽带电子瓦特表的电压表端子连接在每个相绕组上，而在每个相的负轨上连接一个分流器。负轨用于分路，因为其中一根电线(屏幕)与电子瓦特表接地。电子瓦特计测量相电流、电压、功率和功率因数。在每个相中都提供了一个转换开关，将电机电缆连接到功率放大器和直流电源，以方便在每次测试运行的开始和结束时测量相位绕组电阻。

3测试电压的选择

构建WR混合式步进电机的动机是为了研究混合式电机的性能特性与转子mmf变化的关系。因此，选择了一组四种合适的电压组合来覆盖足够宽的工作范围。所选器件分别为115V/10A、170V/7.5A、230V/7.5A和440V/5A。电压波形为正弦波和方波。

四相功率放大器的输出变压器有115V/10A、230V/7.5A和440/5A抽头，需要在合理的备用系数下使电压-电流乘积最大化，影响了测试电压的选择。这些均方根值用于正弦波和方波电源。之所以选择170V/7.5A，是因为PM混合式步进电机厂家提供的数据是用230V的测试电压获得的，170V对应240V的峰值，7.5A对应10A的峰值电流。

测试电压为正弦波，有效值为115V。使用下列转子mmfs在选定的步进频率下进行了测试:360、480、600和840At。

四、试验程序

采用了三种测试方法。在较低的速度下，相电流被设置在极限值，并通过改变施加的电压来维持。在中档速度下，设定并保持相电压，直到达到所需的电流极限。此时，电流一直保持到拉出。在更高的速度下，电压限制被设置并在整个测试过程中保持。使用这些程序，进行了下面所述的试验。

A.拉出测试

在较低速度下的拉拔测试中，一旦达到测试速度并建立了电流极限，转矩就会缓慢增加，并通过降低信号发生器增益来维持电流。当达到拉出扭矩时，电流的上升是如此之快以至于无法控制。马达失去同步，熄火了。

在中频，设定电压极限，随着转矩的增加，电流上升，直到达到设定的极限。这个电流一直保持到电机退出。

在较高的步进频率下，将施加的电压设置为极限值并施加扭矩。当转矩增加时，调节使电压下降，调节信号发生器增益以保持电压恒定。随着拉出转矩的接近，电压迅速下降，难以精确调节，最终电机被拉出。只记录了发生拉拔时的速度和扭矩值。

B.满载和变载试验

以满载为拉拔扭矩的70%(70%)。试验的方法与拔除试验相同。唯一不同的是，一些中程阶跃频率在拉出过程中是电流限制的，在满载时变成了电压限制。这是因为电压限制设置在空载。随着转矩的逐渐增大，电压随着电流的增大而下降。由于满载转矩的值小于拉出，恰好在电流达到限制值之前就达到了满载转矩的值。以下记录:-速度，转矩，相电压，电流和功率。

在选定的速度下进行了可变负载试验。在170V/7.5A时，选择2667步/秒(800 rpm)，因为它提供了最大的输出功率。为PM混合动力电机选择的步进频率分别为1000、2000、2667、3333、4000、5000、8333、10000和11666步/秒，电压分别为115、230和440V。

在WR混合动力电机上进行了可变负载测试，以便与PM混合动力电机进行比较。在不同转子mmfs下，测试的步进频率在1000步到4000步/秒之间。在这些测试中记录了以下内容:相电压、电流、功率和转矩以及转子电流和功率。

五、测试结果的陈述

测试结果以图形形式显示。图2是PM和WR混合动力电机在115V/10A限制下的拉出转矩与速度特性。PM混合转子在PM额定mmf激励，而WR混合转子设置为360At, 480At, 600At和840At。

图2表明，通过保持定子电压不变和改变转子励磁，可以产生一系列的拉出转矩/速度特性。对于永磁混合式步进电机，由于永磁磁链不能改变，所以只显示一条曲线。

转子励磁600At时可变定子电压下的拉拔转矩与速度特性如图3所示。该图表明，在固定转子励磁时，定子电压可以改变，从而为PM和WR混合步进电机产生一系列稳态特性。为了方便起见，只显示了WR混合动力电机的特性，因为两个电机显示相似的特性，除了PM混合动力步进电机在某些步进频率下显示的扭矩下降。

六、结果讨论

这些测试在1000到4000步/秒之间进行，转子mmf恒定或变化。在不同转子励磁条件下的试验表明，拉拔力矩随着转子励磁的增大而增大，这是一个有趣的特征。图2显示了不同转子mmf下的拉拔力矩与速度特性。可以看出，该电机的性能范围随着转子mmf的增加而提高。出现在PM混合步进电机拉出转矩曲线的转矩下降没有遇到。

在选定的速度和恒定的终端电压下进行了可变负载试验。用于这些试验的转子mmf分别为360、480、600和840At。功率因数曲线如图4、5、6所示。可以看出，在转子mmf控制良好的情况下，WR混合动力电机可以在非常高的功率因数和效率值下运行。事实上，通过适当的控制，可以在固定速度下保持恒定的功率因数，而负载扭矩则有所变化。与同步机器在行为上的相似之处是惊人的。

图7所示的效率曲线还表明，该电机可以在高扭矩值下保持高效率。在覆盖的整个速度范围内，效率值为85%。

其他测试结果证实了WR混合步进电机与传统同步电机的相似之处，包括在滞后和领先功率因素下工作的能力。

7wr和PM步进电机的比较

WR和PM混合动力电机的比较将基于这两种电机的性能特征，即测量的拉出扭矩、效率和功率因数。

A.拉出扭矩特性

在图2中，给出了两个电机在115V rms，正弦波电源下运行时的拉出转矩与速度曲线。可以看出，PM混合动力电机得到的拉出转矩曲线介于WR步进电机在转子mmf为360和480At时的拉出转矩曲线之间。

WR混合动力曲线中没有转矩下降，表明动力特性得到了改善。这可能是由于转子磁链的改变，因为这会影响阻尼，从而影响电机的共振特性(稳定性)。

在不同转子mmf下的测试表明，只要改变转子励磁，就可以获得一系列的拉出转矩与速度曲线，就像用同步电机一样。

图3为WR混合式步进电机在不同定子电压下的拉出转矩/速度特性。PM混合动力电机的特性没有显示出来，因为它们与WR电机相似，除了它们在某些频率下显示扭矩下降。没有转矩下降使得WR混合步进电机比其PM对手更稳定。

B.功率因数和效率曲线

图4为1000步/秒时两台电机的功率因数曲线，图7为效率曲线。在低频时，WR混合动力电机的功率因数优于PM混合动力电机，而在高频时，PM混合动力电机的性能曲线优于WR。这种差异的效率可能是由于增加磁和机械损失在WR混合电动机。功率因数的差异可能与PM mmf对定子励磁的依赖有关。图6和图7显示了这种情况下测量的功率因数和效率曲线。具有领先和落后功率因数的操作能力，使其可与同步电机相媲美。

结论

本文对永磁混合式步进电机和WR混合式步进电机的稳态试验进行了广泛的研究。讨论了各种重要的稳态特性。

为WR混合式步进电机提供了参数变化，以突出与电机性能对转子mmf的依赖性相关的一些关键特征。这已采取的观点，以改善设计和工作范围的PM混合步进电机。WR电机的性能曲线表明，不仅在稳定性上有了提高，而且如果在转子中使用更强的磁体，PM混合电机的性能可以进一步提高。

参考文献

皮卡，i.e.d.和罗素，a.p.“预测混合(永磁)同步/步进电机动态特性的模型”，增量运动控制系统和设备第九届年度研讨会，伊利诺伊大学，第1 - 13页，1980。
斯诺登，a . E.和马德森，E. W.“同步电感电机的特性”，翻译。应用与工业，第81卷，第1 - 5页，1962年3月。
罗宾逊，D. J.和塔夫脱，C. K.“磁步进电机的动态分析”，IEEE Trans。《工业机械学报》第2期，第111 - 125页，1969年。
Hughes, A. Lawrenson, P. J.和Davies, T. S.“决定混合动力电机高速转矩的因素”，Proc. Int。关于步进电机的会议，利兹大学，第150 - 157页，1976。
Krishnan, R.“开关磁阻电机驱动-建模，仿真，分析，设计和应用”工业电子系列，CRC出版社有限责任公司，博卡拉顿，佛罗里达州3343,2001。
李志强，李志强，“混合式步进电机输出转矩的仿真研究”，中国机械工程学院。《科学与工程研究》2012年第3卷第12期。
郭伯昌，郭德昌，“带线圈的混合式步进电机”，第十届增量运动系统与装置学术研讨会，伊利诺伊大学，第169 - 176页，1981。
劳伦森，P. J.， Stephenson, J. M.， Blenkinsop, P. T.， Corda, J.和Fulton, N. N.，“变速开关磁阻电机”，程序，IEE。《中华人民共和国学报》，Vol. 127, Pt. B, No. 4, pp. 253 - 265, 1980。
Acarnley, P.“步进电机:理论与实践指南”，IET控制工程系列63，第4版，工程技术学会，伦敦，英国，2007。
Athani, V. V.“步进电机:基础，应用和设计”，新时代国际(P)有限公司，2005。
芬奇，J. W.和哈里斯，M. R.“线性步进电机:性能评估”，程序，Int。关于步进电机的讨论，利兹大学，第24 - 31页，1979。
哈里斯，M. R.和芬奇，J. W.“混合步进电机静态特性的估计”，第八届增量运动控制系统和设备年度研讨会，伊利诺伊大学，第293 - 306页，1979。
芬奇，J. W.，哈里斯，M. R.和Musoke, A.“线性步进电机的法向力”，IEE会议，小型和特殊电机出版物，第202号，78 - 81,1981。