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步进电机的静态转矩特性

文章出处:汉德保(HDB)电机 人气:599发表时间:2022-04-28

步进电机的静态转矩特性

步进电机的线圈通直流电时,带负载转子的电磁转矩(与负载转矩平衡而产生的恢复电磁转矩称为静态转矩或静止转矩)与转子功率角的关系称为角度-静止转矩特性,这就是电机的静态特性。如下图所示:

 

因为转子为永磁体,产生的气隙磁密为正弦分布,所以理论上静止转矩曲线为正弦波。此角度-静止转矩特性为步进电机产生电磁转矩能力的重要指标,最大转矩越大越好,转矩波形越接近正弦越好。实际上磁极下存在齿槽转矩,使合成转矩发生畸变,如两相电机的齿槽转矩为静止转矩角度周期的4倍谐波,加在正弦的静止转矩上,则上图所示的转矩为

 

其中TLTM各表示负载转矩和最大静止转矩(或称把持转矩),相对应的功率角为θL和θM,此位移角的变化决定了步进电机位置精度。根据上式得到:

 

永磁步进电机HB混合式步进电机的步距角θs在前面的课程中讲过即:θs=180°/PNr,角度改为机械角度(弧度),则变成下式:

 

上式Nr为转子齿数或极对数,所以两相电机θM=θs

负载转矩为电磁转矩的负载(如弹簧力或重物的提升力等),电机如要正反向运动,会产生2θL的角度偏差,要提高位置精度,θL就要小,因此,依据式θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM),应选择最大静止转矩Tm大、步距角θs小的步进电机,即高分辨率电机。根据式θs=π/(2Nr)可知,要使θs越小,Nr越大越好。

另外,高分辨率的步进电机的转子结构大致分为PM型、VR型、HB型三种,其中HB型分辨率最好。

由于PM型定子磁极为爪级结构的关系,定子磁极数的增加受到机械加工的限制。HB型转子表面无齿,N极与S极在转子表面交替磁化,因此极数即为极对数Nr,同样的,转子磁极Nr的增加也受到充磁机械的限制。VR型转子齿数与HB型相同时,因不使用永磁体,虽有相同的Nr,但是步距角θsHB型的2倍,并且由于无永磁磁极,最大转矩TmHB型小。

当两相步进电机外径为42mm左右时,Nr=100齿,步距角0.9°,这 是实际使用中最高的分辨率。Nr变大,电抗也增加,则高转速下转矩会下降。因此,Nr=50,步距角为1.8°的电机被广泛使用。对HB型结构,全步进状态的步距角精度为士3%,步进电机运行角度θ=nθs,各步运行中无累积误差,电机的速度如足够大,尽可能提高n(θs小),以提高位置定位精度。

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