双径向直线旋转步进电机的研制

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 10.21MB 101 页 15积分
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摘 要
本文从多自由度电机的研究出发，简单介绍了多自由度电机的发展趋势及研
究现状。目前，多自由度电机的研究主要局限于球形电机的研究，对其他形状电
机的探索相对比较少。在此基础上，本文瞄准多自由度电机研究领域的空白，结
合传统旋转式步进电机和传统的圆筒式直线电机的基本理论，创造性的提出了一
种新型的多自由度电机——双径向直线旋转步进电机。这种电机既可以绕轴线方
向做旋转步进运动，又可以沿轴线方向做反复直线步进运动，甚至可以做螺旋运
动。
基于这种特殊的结构，本文将该电机分为旋转运动部分、直线运动部分和二
者共用的转子这三部分进行讲解，详细阐述了电机各部分的运行原理，系统论述
了各部分定子段及两定子段所共用的转子的特殊结构，分别说明了旋转运动部分
定子段、直线运动部分定子段、转子的成型方法。最后通过经典算法计算出各部
分定转子的具体参数，包括齿宽、槽深、气隙厚度等。
电机结构和参数确定以后，再对其进行有限元分析。有限元分析在工程应用
中是非常重要的一个环节。通过有限元软件（ANSYS、ANSOFT MAXWELL）对电机的
电磁场进行分析可以检测一台电机设计的合理性。在工程实际中，不但可以节省
费用还能大大缩短时间。本文使用 ANSYS 软件对电机二维、三维静态磁场进行分
析，再通过 ANSOFT MAXWELL 软件对电机二维、三维瞬态磁场进行分析。最终确定
一套完整的设计方案。
关键字：反应式步进电机 圆筒式直线步进电机 多自由度电机 有限
元分析 ANSYS Ansoft
ABSTRACT
This paper studies multi-freedom motors and its development trend as well as
Present Condition. At present, the research of the multi-freedom motors is limited to
spherical motors, which is lack of research on other forms of the motor. On this basis,
the paper aims at the blank field of multi-freedom motors, combines with fundamental
theories of traditional rotary stepper motors and cylinder-type linear motors, and
propounds creatively a kind of new multi-freedom motor – the Dual Radial Linear
Rotary Stepper Motor. The motor can rotate around the axis of the stepper motor, and
it can also do linear motion along the axis of the linear stepper motor, even can do
spiral motion.
Based on this special structure, the paper is divided into three parts: the rotary
motion, the linear motion and shared rotors. It explains the operating principle of the
motor’s all parts in detail, discusses the special structure of the rotors which are shares
by the all stators and two stator section systematically, illustrates forming methods of
the rotation stator segment, the linear stator section and the rotor. Finally, the specific
parameters of the rotor are calculated by the classical algorithm, including the tooth
width, the slot depth and the air gap thickness.
After determining the structure and parameters of the motor, then it analyses the
finite element. The finite element analysis is a very important aspect in the engineering
application. Analysis of the electromagnetic field of the motor by the finite element
software (ANSYS, ANSOFT MAXWELL) can detect whether the motor design is
reasonable or not. In engineering practice, it can not only reduce the cost but also
greatly shorten the time. This article analyses electrical toll and three-dimensional
static magnetic fields by using ANSYS software, and then through ANSOFT
MAXWELL software to crystallize a complete design.
Key Word: reaction stepper motor，cylindrical linear stepper motor，
multi-freedom motors，FEA，ANSYS，Ansoft Maxwell
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 课题来源 .................................................... 1
§1.2 课题背景研究现状 ............................................ 1
§1.2.1 课题背景 ................................................. 1
§1.2.2 多自由度电机的研究现状 ................................... 3
§1.3 主要研究内容 ................................................ 4
第二章 双径相直线旋转步进电机运行原理 ................................ 5
§2.1 引言 ........................................................ 5
§2.2 直线运动部分的运行原理 ...................................... 5
§2.3 旋转运动部分的运行原理 ...................................... 7
§2.4 本章小结 .................................................... 9
第三章 双径相直线旋转步进电机结构设计 ............................... 10
§3.1 引言 ....................................................... 10
§3.2 电机整体结构 ............................................... 11
§3.3 旋转运动部分定子段 ......................................... 11
§3.4 直线运动部分定子段[44] ....................................... 12
§3.5 转子结构 ................................................... 13
§3.6 本章小结 ................................................... 15
第四章 双径相直线旋转步进电机气隙设计 ............................... 16
§4.1 引言 ....................................................... 16
§4.2 气隙对双径向直线旋转步进电机的影响 ......................... 16
§4.3 气隙磁导的计算 ............................................. 16
§4.4 本章小结 ................................................... 24
第五章 双径相直线旋转步进电机参数设计 ............................... 25
§5.1 引言 ....................................................... 25
§5.2 旋转运动部分定转子参数设计 ................................. 25
§5.2.1 旋转运动部分技术指标 .................................... 25
§5.2.2 旋转运动部定转子主要尺寸计算 ............................ 31
§5.3 直线运动部分定子段设计 ..................................... 36
§5.3.1 旋转运动部分技术指标 .................................... 36
§5.3.2 直线运动部定定子齿槽尺寸计算及叠压方法 .................. 38
§5.4 本章小结 ................................................... 41
第六章 双径相直线旋转步进电机有限元分析 ............................. 42
§6.1 引言 ....................................................... 42
§6.2 有限元分析概述 ............................................. 42
§6.3 ANSYS 软件概述 .............................................. 43
§6.3.1 ANSYS 电磁场分析对象及分析方法 ........................... 43
§6.3.2 ANSYS 参数化设计语言（APDL） ............................. 44
§6.4 基于 APDL 的双径向直线旋转步进电机 2D 静态电磁场分析 ......... 44
§6.4.1 磁矢量位（MVP）法的基本原理 ............................. 44
§6.4.2 基于 APDL 的旋转部分 2D 静态磁场分析 ...................... 46
§6.4.3 基于 APDL 的直线部分 2D 静态磁场分析 ...................... 57
§6.5 基于 APDL 的双径向直线旋转步进电机 3D 静态电磁场分析 ......... 63
§6.5.1 标量磁位（MAG）法的基本原理 ............................. 63
§6.5.2 基于 APDL 方式的旋转部分 3D 静态磁场分析 .................. 65
§6.5.3 基于 APDL 方式的直线部分 3D 静态磁场分析 .................. 70
§6.6 ANSOFT/MAXWELL 软件概述 ..................................... 73
§6.7 基于 ANSOFT MAXWELL 瞬态电磁场分析 .............................73
§6.7.1 基于 Ansoft Maxwell 旋转部分 2D 瞬态仿真 .................. 73
§6.7.2 基于 Ansoft Maxwell 直线部分 2D 瞬态仿真 .................. 75
§6.7.3 基于 Ansoft Maxwell 旋转部分 3D 瞬态仿真 .................. 77
§6.7.4 基于 Ansoft Maxwell 直线部分 3D 瞬态仿真 .................. 79
§6.9 本章小结 ................................................... 81
第七章 样机加工及成品展示 ........................................... 82
§7.1 引言 ....................................................... 82
§7.2 电机材料 ................................................... 82
§7.2.1 矽钢片分类 .............................................. 82
§7.2.2 矽钢片中国牌号表示方法 .................................. 82
§7.2.3 双径向直线旋转步进电机选用矽钢片型号 .................... 83
§7.3 电机各部分图纸设计 ......................................... 83
§7.3.1 电机旋转部分定子工程图纸设计 ............................ 84
§7.3.2 电机直线部分定子工程图纸设计 ............................ 85
§7.3.3 电机转子及转轴工程图纸设计 .............................. 86
§7.3.3 电机端盖及中间连接装置的图纸设计 ........................ 87
§7.3.4 电机样机展示 ............................................ 88
§7.4 本章小结 ................................................... 89
附录 ................................................................ 90
参考文献 ............................................................ 94
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 97
致 谢 ............................................................... 98
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源
本课题来自上海市研究生创新基金项目《双径向磁场直线旋转步进电机驱动
器研究》（项目号JWCXSL0902）、《双径向磁场直线旋转步进电机的研制》（项
目号JWCXSL1002），已获得国家专利《双径向磁场磁阻式直线旋转步进电机》(专
利号：2008100427463) 授权书。
§1.2 课题背景研究现状
随着现代科学技术的迅猛发展，特别是微电子技术、电子计算机技术、电力
电子技术和材料科学的飞速发展，近年来国内外出现了许多性能优越的新型电机。
习惯上，我们把这些新型电机都归入特种电机。一般来说，与传统电机相比，在
工作原理、结构、性能或设计方法上有较大特点的电机都属于特种电机的范畴。
美 国 人 Robert Hammer, Brookfield, Connd 专 利 《 METHOD OF
FABRICATING A COMBINED LINEAR-ROTARY DIRECT DRIVE STEP
MOTOR》中提出过一种混合运动电机，虽然也用到直线运动和旋转运动同轴的
思想，但是他们的专利中所研制的转子分为上下两部分，这大大浪费了转子的利
用率，而且不能做持续的直线运动，只能做小范围的往返运动。本课题研究的双
径向直线旋转步进电机的转子段由于采用了特殊的结构设计，因此做到了真正意
义上的不同定子部分同轴的思想。这大大提高了转子的利用率，而且加大了直线
运动的范围。
§1.2.1 课题背景
（1）步进电动机
步进电动机是一种电磁式增量运动执行元件，最早是在1920年代由英国人所
开发的，它可以将输入的脉冲信号转换成机械角度或直线位移。这类电动机与其
他形式交、直流电动机主要区别在于其运动受脉冲信号的控制。目前，步进电动
机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
步进电机的结构形式和分类方法较多。按励磁方式分类，可将步进电动机分
为永磁式（PM）、反应式（VR）、混合式（HB）三类。其中，反应式步进电机，
其定子与转子由铁芯构成，没有永磁铁，定子上嵌有线圈。转子在定子与转子磁
阻最小位置上转动。这类电机转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由
摘要：

摘要本文从多自由度电机的研究出发，简单介绍了多自由度电机的发展趋势及研究现状。目前，多自由度电机的研究主要局限于球形电机的研究，对其他形状电机的探索相对比较少。在此基础上，本文瞄准多自由度电机研究领域的空白，结合传统旋转式步进电机和传统的圆筒式直线电机的基本理论，创造性的提出了一种新型的多自由度电机——双径向直线旋转步进电机。这种电机既可以绕轴线方向做旋转步进运动，又可以沿轴线方向做反复直线步进运动，甚至可以做螺旋运动。基于这种特殊的结构，本文将该电机分为旋转运动部分、直线运动部分和二者共用的转子这三部分进行讲解，详细阐述了电机各部分的运行原理，系统论述了各部分定子段及两定子段所共用的转子的特...

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