磁阻式直線旋轉步進電機的直線運動磁場分析
怡勇，楊文煥，趙天明，李鐵栓
（上海理工大學上海200090)
摘要：本文分析了直線旋轉步進電動機直線運動的原理；并利用ansoft公司maxwell軟件對直線運動徑向磁路系統進行了仿真；結果表明本文設計的直線旋轉電機的定子繞組和轉子結構可以通過控制，既可以實現旋轉運動，也可實現直線運動。該電動機可適用于多種不同使用要求的場合，對簡化系統的機械結構有重要意義。
關鍵詞：徑向磁路；直線步進；ansoft
中圖分類號：tm383.6; tm359.4 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)02-0030-05
0 引言
直線旋轉電機分別具有直線運動、旋轉運動和螺旋運動三種運動方式。由于它有多種運動狀態，可以大大簡化系統的機械結構。因此受到人們廣泛的重視。一般旋轉電機是徑向的磁場，圓軸型直絨電機是軸向磁場，如果轉子既能通過徑向磁場又能通過軸向磁場，則必須選用鑄鋼鐵芯。這樣徑向磁路磁阻就會非常大，而且比疊片磁路磁阻大得多。
本文提出了一種新型的具有磁阻式直線旋轉步進電機的結構，其旋轉力矩和直線力矩均由徑向磁場產生，因此稱為雙徑向磁阻式直線旋轉步進電機。并對電機的直線運動徑向磁場進行了分析，建立了等效磁路結構，計算了一個齒距內不同位置的氣隙磁阻，并根據建立的磁路結構進行了仿真，結果表明這種磁場形式的直線運動具有一般感應式直線步進電機的優良特性。
1雙徑向磁場磁阻式直線旋轉步進電機的結構及運行原理
雙徑向磁場磁阻式直線旋轉步進電機的定子分為旋轉運動的定子段如圖1所示，和直線運動的定子段如圖2所示，兩段定子分別設在電機定子的兩端。動子主體為一個圓柱體，由硅鋼片疊壓而成。
結合磁阻電機樣機的概念設計，在uc4nx平臺上進行的電機三維結構設計如圖1、2、3所示。
1.1產生旋轉運動徑向磁場的定子段結構
產生旋轉力矩部分的定子段在定子軸向有一定的長度，可設為p對磁極。如圖1所示。每對極的兩個磁極在空間相差180度（機械角度），其中心線通過電機截面圓的圓心，磁極的極身上繞有勵磁繞組。極靴表面有等距齒和槽，每一對磁極與相鄰磁極第一個齒中心線在圓周周長方向相差l/p個齒距。電機旋轉運行原理與普通磁阻式步進電機類似，這里不再贅述。
1.2產生直線運動徑向磁場的定子段結構
產生直線推力部分的定子段占定子軸向一定的長度，可設為p對磁極。如圖2所示。每對極在空間相差180度（機械角度），其中心線通過電機截面圓的圓心，磁極的機身上繞有勵磁繞組，繞向相同。每對極的極靴表面有等距齒和槽，每對極與相鄰磁極第一個齒中心線的軸向距離相差l/p個齒距。
1.3轉子段及運行原理
為利用徑向磁場既產生旋轉力矩，又能產生直線力矩的的轉子，轉子是由硅鋼片疊成的圓柱形帶齒轉子，如圖3所示。
定子截面如圖4所示。徑向磁場直線運動時，當一對主極下如a-a通電時，轉子齒與定于a-a磁極對齊如圖5，相鄰的b-b磁極與轉子相差1/p齒距（p為極對數）如圖6所示，當通電方式由a-a，轉到b-b，時，轉子移動1/p個齒距，實現了直線運動。同樣也可以兩相繞組通電，直線移動距離為1/2p。
1.4直線運動的徑向磁路結構
直線運動徑向磁場主磁通的磁路為：定子軛一定子極身_+定子極靴一定子齒一氣隙一轉子齒一轉子軛一轉子齒一定子齒一定子極靴一定子極身_+定子軛。
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