永磁步进电机结构和工作原理
永磁步进电机是一种兼容且高效的设备,具有多种应用。由于转子由永磁体制成,不需要任何外部励磁,这使其在玩具、小型电机等应用中非常有用。
在设计方面,每次旋转的步距角可以轻松设计,这使得永磁步进电机在医疗仪器和航空结构等精密应用中非常有用。另外,由于体积小,它具有很高的移动性和易于使用等优势特点。
基本概念
永磁步进电机是一种机电能量转换装置,也就是将电能转换为机械能。在步进电机中,转子和定子磁场都被激发,因此转子磁场和定子磁场的相互作用产生扭矩。而在永磁步进电机中,转子线圈没有励磁,而是使用永磁体。
在传统的步进电机中,使用电磁铁,需要外部激励才能产生转子磁场。但在永磁步进电机当中,使用了永磁体,这减少了转子励磁系统并使电机更适合运行。由于没有转子励磁,损耗也减少了。
结构组成
永磁步进电机由两个基本部分组成,固定部件也称为定子。在定子中,定子磁极的放置方式是,当如下图所示用绕组激励时,每个定子磁极形成一个磁极。如果是双极电机,那么则相反的极由串联的公共绕组激励,这样,南北极各有相反的磁极。
类似地,其它两对磁极在一个周期内通过串联绕组被激励,从而它们也形成一对磁极。转子由永久磁铁制成,目前有许多材料可用,如陶瓷,可以用作永久磁铁。转子磁体连接到外部轴,从而在旋转时提供机械输出。
工作原理
永磁步进电机的工作原理与普通电机相似,也是基于洛伦兹力定律。据此,只要将载流导体置于磁场中,由于通量的相互作用,它就会受到力。
相互作用的磁通量是定子磁通量和转子磁通量。定子磁通量因外部激励而产生,转子磁通量因永磁体而产生。需要注意的是,电机的方向是由弗莱明左手定则决定的。
工作中的永磁步进电机可以用以下几种方式来解释
模式1 – 在这种模式下,定子磁极的A相与串联绕组一起励磁,形成两对磁极。可以注意到,在这种模式下,B相根本没有被激发。A相激发时,形成南北两极。此时,转子磁极被吸引到定子磁极。
模式2 – 在这种模式下,定子磁极的B相与串联绕组一起被励磁,形成两对磁极。可以注意到,在这种模式下,A相根本没有被激发。B相激发时,形成南北两极。此时,转子磁极被吸引到定子磁极。这使得转子从模式1开始沿顺时针方向旋转。
模式3 – 再次在此模式下,定子磁极的A相与串联绕组一起励磁,形成两对磁极。可以注意到,在这种模式下,B相根本没有被激发。A相激发时,形成南北两极。此时,转子磁极被吸引到定子磁极。它使转子从模式2开始沿顺时针方向旋转。
模式4 – 再次在此模式下,定子磁极的B相与串联绕组一起励磁,形成两对磁极。可以注意到,在这种模式下,A相根本没有被激发。B相激发时,形成南北两极。此时,转子磁极被吸引到定子磁极。这使得转子从模式3沿顺时针方向旋转。
通过上述这种方式,转子从模式1到模式4旋转一整圈,从而持续的进行工作。
主要优缺点
永磁步进电机的主要优点包括:
- 结构紧凑,体积小,适用于许多应用。
- 由于没有任何外部激励,损耗较小。
- 由于没有任何外部激励,因此维护较少。
- 可外接电路,控制电机转速。
- 传感器可用于定位转子绕组。
- 可在广泛的速度和扭矩范围内运行。
- 能够做到精确控制。
永磁步进电机的主要缺点包括:
- 由于永磁体的限制,它不能用于大功率应用。
- 产生的扭矩有限。
- 永磁体的寿命有限。
主要应用
永磁步进电机的主要典型应用包括:
- 航空工业
- 机器人技术
- 儿童玩具
- 制造和控制业
- 工厂和印刷