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
双径向直线旋转步进电机的研制
2
于该类电机的定子与转子均不含有永磁铁，故无励磁时没有保持力；永磁式步进
电动机的转子由极性为 N/S 的磁钢构成，可以是一对，也可以是多对，在定子极
上绕有线圈，通过对线圈轮流通电，定转子间将产生磁场，从而产生转矩。永磁
式步进电机由于转子结构采用了永磁体，在永磁的作用下，即使不通电也能保持
一定转矩，故具有记忆力，可作为定位驱动；混合型步进电机转子导磁铁上嵌有
永久磁铁，可以说是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式。
（2）直线电机
直线电机与旋转电机相比，算是一种较新颖的电机。主要由于直线电机没有
齿轮转动或者从旋转到直线运动的变换装置，而使它迅速地得到应用。在大多数
情况下，直线电机作为电动机使用，而且工作得十分可靠。如图 1-1 所示，设想
把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直
线感应电动机。在直线电机中，“初级”相当于旋转电机的定子；“次级”相当
于旋转电机转子；初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运
动。
图 1-1 旋转电机到直线电机的演化
直线电动机主要有扁平式（或平板式）、圆筒式（或管型）、圆弧式和圆盘
式等结构形式。其中，扁平式和圆筒式结构是最基本的结构，应用也最广泛。如
上图 1-1 所示，将扁平式结构沿横向卷起来，就得到了圆筒式结构。与旋转电机
类似，给圆筒形直线电机的定子绕组通交流电时，圆筒形直线电机定转子间的气
隙中会产生类似行波的磁场，在行波磁场的作用下，圆筒形直线电机的磁极将切
割磁感应线，从而将产生感应电动势，最终会生成电流。在电流与磁场的作用下，
将产生电磁推力。圆筒形步进电机的初级或是次级在推力的作用下做直线运动。
基于这样原理，圆筒形直线电机可以在不需要其他机械装置的基础上，直接将电
能转换成机械运动。市面上常见的扁平式直线电机和圆筒式直线电机如图 1-2 所
示。
（a） 扁平式直线电机 （b） 圆筒式直线电机
图 1-2 直线电机
第一章 绪论
3
（3）多自由度电机
多自由度电动机指具有两个或三个运动自由度，可以绕过定点的空间任意轴
线运动（直线运动或旋转运动）的电动机。多自由度电机具有以下特点：
a、电机结构简单
b、机械集成度高
c、驱动控制系统元件利用率高
因此多自由度电动机在日常和工业领域具有广泛的应用前景。例如，多自由
度电机可以应用于机器人关节处，便于机械手臂做多方位的自由转动；多自由度
电机还可以作为航天飞机机舱门，或是动车组车门的开关起合装置；在医疗器械
方面，多自由度电机也有很好的应用前景；日常生活方面，多自由度电机还可以
作为摄像机、监控器的云台装置；在数控机床领域，多自由度电机也有很广泛的
应用，比如说多刀具的车床，在频繁换刀过程中也可以利用多自由度电机来代替
多台电机的联合运用。综上所述，对自由度电机的研究是十分必要的，因为，在
多自由度电机的研究过程中将会涉及很多传统直线电机或是旋转式电机从没有遇
到的新问题，对多自由电机的研究目前已经形成了一种新的科研方向，为世界的
电机学科开拓了新的研究领域。
本文所论述的电机以传统的旋转步进电机及圆筒式直线电机技术要求为背
景。对电机定转子结构进行创新，首次尝试采用双径向磁路的方式对电机磁路进
行设计。该电机具有既能沿纵向直线运动，又能沿轴向旋转运动，还能做螺旋式
递进运动，是一种多功能、多自由度电机。
§1.2.2 多自由度电机的研究现状
随着时间的不断向前推移，如今已经进入了 21 世纪。随着材料学的不断完善，
直接导致了电机用新材料的出现；随着制造业的不断发展，电机制造工艺水平获
得了长足的进步，工艺水平不断提高；随着电机理论研究的不断深入，以及电力
电子技术的快速发展，这一切都为多自由度电机电机本体设计和驱动控制提供了
坚实的理论基础和技术支持。而机器人学的进一步发展，要求自由度电机从理论
研究进入实践设计。
多自由度电动机的研究重点如下：
（1）新样机的开发。
目前国内外研究热门是球形电机的开发。球形电机由于其结构的特殊性和合
理性成为当下多自由度电机研究的重点。但是，球形电机也有其自身的缺点。由
于球面结构的特殊性，要想在球面结构上开槽，其加工工艺比较复杂。而样机制
作后期，还必须在球面结构上固定绕组，这也是课题研究的难点之一。因此，必
双径向直线旋转步进电机的研制
4
须积极探索其他非球形电机的新结构。
（2）结构设计优化
为了使多自由度电机的结构更简化，从而得到成熟的样机，必须对多自由度
电机的结构进行优化。目前可以从以下几方面进行优化。首先，提高电机的机械
集成度；其实，充分利用电机自身材料的利用率；最后，扩大转子的偏转范围。
本文论述的电机的创新点在于首先瞄准世界先进技术在非球形多自由度电动
机领域的空白，提出一种全新的电机概念——双径向磁场精确运行直线旋转步进
电机。利用两段圆筒形定子的不同磁极产生的两个径向磁场，由于定、转子特殊
结构，这两个磁场根据磁阻作用的原理，分别产生绕轴线做旋转运动的推力和沿
轴线做直线运动的推力。本文论述的电机通过不同定子励磁绕组产生的励磁形成
在空间上径向的磁场，而转子磁路是两个空间径向磁通通路，使得转子结构大幅
度简化，并且使用叠片结构，增加了转子磁导率，降低了磁路磁阻和电机的体积。
综上所述，双径向直线旋转步进电机的研究不仅具有实际意义，而且还具有很高
的理论意义。
§1.3 主要研究内容
本文论述的电机是在传统旋转式步进电机和圆筒式直线电机的基础上，对电
机定转子结构进行创新性设计；以传统旋转式步进电机和圆筒式直线电机的运动
原理为基础，研发的一种新型的多自由度电机——双径相直线旋转步进电机。具
体的研究内容如下：
（1）电机转子结构设计。打破传统电机转子齿槽纵向排布规律，在转子表面
沿横、纵两个方向开槽。使得该转子段能够同时被产生直线运动定子段和产生旋
转运动定子段所共用。
（2）产生直线运动定子段结构设计。以传统的圆筒式直线运动电机为基础，
改变齿槽比和齿槽排布规律，设计出一种新式的圆筒形直线步进电机定子段。
（3）电机结构参数计算。通过经典算法计算出该电机具体结构参数。
（4）设计工程图纸。通过计算数据，利用 AUTOCAD 软件制作电机定转子冲片
的工程图纸，进行加工生产
（5）电机三维实体建模。通过 UG NX 三维建模软件，对该电机各部分进行实
体建模、装配；制作电机端盖等其他部分的工程图纸，进行加工生产。
（6）电磁场有限元仿真分 析。 通过 有限 元仿真软件（ ANSYS、ANSOFT
MAXWELL），进行二维、三维静瞬态仿真，并得到一系列所关心的物理量如电机磁
场分布，气隙磁密等，分析电机的设计的合理性。
第二章 双径向直线旋转步进电机运行原理
5
第二章 双径相直线旋转步进电机运行原理
§2.1 引言
本章节将系统阐述双径相直线旋转步进电机的运行原理。该电机的运行原理
分两部分论述。第一部分着重介绍该电机的直线运动部分的运行原理；第二部分
着重介绍该电机旋转运动部分的运行原理。
§2.2 直线运动部分的运行原理
以三相单三拍通电为例说明该电机直线运动部分的运行原理。为便于说明，
将该部分定子各极通电情况及动子和定子齿相对位置情况用图表示如下。图 2-1
为 C 极停止通电转向定子 A 极通电的情况。
图 2-1 定子 A 极通电
设动子位置与定子 A、B、C 三极之间位置关系如图 2-1 所示（a、b、c 极由
于是对应关系，未画出）。图中黑色矩形体（标注 1#--5#）为动子上一系列轴向
排列的齿。图中奇数号动子齿（1#、3#、5#）与 A 极定子齿有重叠部分，给 A 极
通电，在电磁力的作用下，动子将向 X 轴反向移动，直到动子奇数号齿与定子 A
极齿重合为止。此时，定子齿与动子齿位置如图 2-2 所示，第一拍运行结束。动
子朝 X 轴反向移动 1/2 个齿宽。
图 2-2 定子 B 极通电
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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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：101 页 大小：10.21MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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