三相PM型爪极步进电机结构原理

本步进电机的三相定子绕组在轴向三重配置,三相y(三个线圈的末端接在一起,简称星形)或△(三个线圈首尾相接,简称三角形)接出三个出线端,为三相驱动pm型爪极步进电机。三相pm型爪极步进电机的结构如下图所示。
转子r的结构完全与两相步进电机相同。定子每相结构基本上与两相步进电机的相同。与两相步进电机不同的是定子三个相的配置角度不同。上图为三相pm型爪极步进电机的结构,立体剖面图只表示定子与转子结构。转子r与两相pm型步进电机相同,其外表面为n、s 极,极对数为nr。如图所示,转子r的极对数的节距为τ。定子由a、b、c相组成,各线圈绕制成da、db、dc的环状线圈,以ca、cb、cc在转子轴方向纵向配置,线圈ca激磁形成a相的磁极a1和a2,cb激磁形成b相的磁极b1和b2,cc激磁形成c相的磁极c1和c2。此电机转子极对数节距为τ,a1与a2,b1与b2,c1与c2各相差τ/2,a1、b1、c1各相差τ/3,故相邻相a2与b1,b2与c1之间相差τ/6。
此步进电机的运行原理如下图所示:
此图各定子相磁极的符号与上面的三相pm型爪极步进电机的结构图相同,两图对照来看。三个线圈ca、cb、cc为y连接,如用△(三角形)接法也能同样运行。例如,如图(a)所示,a相b相间加电压,两个线圈磁通方向相反如箭头所示。该激磁驱动电路如下图所示。
t1~t6为功率管,各相线圈接法如图所示,t1~t6的b端为电源端,g端为接地端。
t1~t6导通顺序如下表所示,o表示功率管导通,由此给y接法的3个端子中的两个加正负电压。由于三个线圈的尾端短接,必定使两相绕组顺次激磁,即三相绕组两相激磁驱动。两相pm型步进 电机以两相激磁方式驱动(如上文之中的两相pm型爪极步进电机的运行原理图),此时两相激磁,转子r的磁极静止在两相定子磁极之间。
第一步:t1与t4导通,a相与b相激磁。如上面的三相pm步进电机运行原理图(a)所示,a相与b相激磁,箭头方向为两绕组线圈产生的磁通方向,a相与b相磁极极性图中也有标识。由此,转子r被吸引到稳定位置。
第二步:t1关断,t5变成导通,t4与t5导通,b相和c相激磁,如上面的三相pm步进电机运行原理图(b)所示,b相和c相的线圈磁通方向相反。此时,转子r 从图(a)位置向左移动τ/6的稳定位置,τ/6为三相永磁步进电机的步距角,即步距角为转子一对极极距的1/6。与两相永磁步进电机的1/4相比,分辨率提高1.5倍。
第三步:t4关断,t2变成导通,c相和a相的线圈导通,转子移动到如上面的三相pm步进电机运行原理图(c)所示的稳定位置,转子r又向左移动τ/6。依次切换功率管,使定子绕组依次导通,实现上面的三相pm步进电机运行原理图(d)、(e)、(f)步骤的激磁,使转子依次步进。六步一个循环,转子移动一对极的极距,如此反复循环。与pm型爪极步进电机的特点不同,三相pm型与两相pm型的步进电机相同,转子磁场从n极发出,相邻s极返回,与定子线圈交链。
图(三相pm型爪极步进电机的结构)中a、b、c(a1、b1、c1)相差τ/3即电气角120。,各相偏差τ/6,图(三相pm步进电机的运行原理)的接线方式还不能达到连续步进的动作,要将b相线圈与其他的a相和c相反接才行,即绕制方向相同的三个线圈,将其中一个反接,并装配成一体。
下图为相同尺寸和同一转子的两相pm型与三相pm型步进电机的速度—转矩特性。
其速度—振动特性如下图所示。
转矩特性方面,三相pm型步进电机在高速旋转时转矩较高;振动特性中三相pm型在步进电机低速下比较小;相应的噪音特性与两相pm型电机相比有更大改善。总之,三相pm型步进电机虽然结构比两相pm型步进电机复杂,但性价比更好。
下表为试验电机参数,即相同尺寸的两相hb型与三相pm型步进电机的参数。
下图为两种电机的速度—转矩特性及其速度-噪音特性:
速度—转矩特性两者相差不多,三相pm型电机的噪音特性约低10db。在分辨率和寿命及其成本都能满足要求时,三相pm型电机较两相hb型电机振动噪音更低。