爪極式步進電機正反轉(zhuǎn)扭矩偏差改善策略研究*

顧志剛，王富岡，卿宏軍

（1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院，江蘇常州 213164；2.江蘇雷利電機股份有限公司，江蘇常州 213162；3.常州湖南大學機械裝備研究院，江蘇常州 213164）

0 引言

步進電機由于具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、轉(zhuǎn)矩剛度大、定位穩(wěn)定可靠、無積累誤差等優(yōu)點［1］，被廣泛應用于工業(yè)設備自動化控制［2］和家電產(chǎn)品智能化控制中。某企業(yè)生產(chǎn)的一種步進電機，采用定子的內(nèi)齒和外齒交錯在一起構(gòu)成爪極式結(jié)構(gòu)［3］，這種電機極數(shù)多，比一般永磁步進電動機的步距角小，因而啟動頻率和運行頻率也較高［4］。該企業(yè)對生產(chǎn)的某系列步進電機存在扭矩上下限要求，然后在成品測試中，發(fā)現(xiàn)該系列電機在正反轉(zhuǎn)扭矩上存在差異，時常導致超差不良現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，研究如何改善爪極式步進電機正反轉(zhuǎn)扭矩偏差，對提高產(chǎn)品良品率，為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益，是非常有必要的。

目前國內(nèi)外對爪極式步進電機的研究較少，且研究熱點主要集中在提高電機性能方面。其中國外的Ji－Hyun Ahn等［5］研究了爪極外形對靜扭矩的影響。Dae－Sung Jung等［6］從爪極形狀、爪極數(shù)對永磁爪極電機的靜扭矩特性進行了數(shù)值優(yōu)化。C.P.Liu等［7－8］在數(shù)值分析了上下爪極的間隙及爪極形狀對步進電機動態(tài)扭矩的影響。國內(nèi)的吳俊云等［9］從爪極的寬度和高度方面，對爪極式步進電機的自定位扭矩和保持扭矩進行了數(shù)值優(yōu)化研究。夏長亮等［10］在不同頻率下對四相雙4拍永磁爪極步進電機進行了相電流仿真。

本文針對某企業(yè)生產(chǎn)的一種爪極式步進電機，探討了影響電機扭矩的主要影響因素，并從這些因素入手，進行了大量實驗分析，通過數(shù)據(jù)對比，總結(jié)出改善電機正反轉(zhuǎn)扭矩偏差大的原因，并給出了生產(chǎn)建議，也為其他相關(guān)研究提供了參考。

1 爪極式系列步進電機

測試所用電機為四相八拍爪極式步進電機，是一種小型步進電機，其主要主要由帶極爪的外殼、塑料繞組骨架、爪極板、轉(zhuǎn)子、減速傳動齒輪、輸出軸等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 爪極式步進電機組成結(jié)構(gòu)

該系列步進電機主要用于控制空調(diào)扇葉的掃風，電扇搖頭，安防監(jiān)控攝像頭旋轉(zhuǎn)等場合，該電機有關(guān)性能參數(shù)如表1所示。

表1 電機性能參數(shù)表

步進電機的工作原理是將輸入的脈沖電流信號，轉(zhuǎn)換成輸出軸的步進角位移［11］。一般情況下，在產(chǎn)品的設計中，要求驅(qū)動電機提供正反轉(zhuǎn)速度和扭矩一致，由于步進電機正反轉(zhuǎn)扭矩偏差較大，將會使得產(chǎn)品質(zhì)量魯棒性變差，造成不良品率上升。

為了解決這個問題，本文首先從企業(yè)生產(chǎn)的一批正反轉(zhuǎn)扭矩上下限超出標準值的電機中，抽取了6個樣品，對每個樣品加載12 V額定電壓，使其正常運轉(zhuǎn)，利用扭矩表對每個樣品的正反轉(zhuǎn)扭矩進行了檢測，檢測結(jié)果如表2所示。從樣品檢測數(shù)據(jù)中可以看出，每個電機均存在著正轉(zhuǎn)扭矩大于反轉(zhuǎn)扭矩的情況。

表2 樣品電機扭矩偏差初始值

2 偏差原因分析

電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入電流的脈沖頻率，頻率越大，轉(zhuǎn)速越大；從文獻［12］可知，定子繞組的安匝數(shù)對電機扭矩有影響，要提高電機扭矩，可以增加繞組的匝數(shù)或者增加繞組電流。由于電機在制造過程中，四相繞組是同時完成的，繞制匝數(shù)必然相同，因此本文主要從繞組電流的角度，對偏差進行了分析。

首先利用電流鉗對每個樣品的四相電流分別進行檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)每個樣品的相電流均不相同，存在正轉(zhuǎn)相電流大于反轉(zhuǎn)相電流的情況。雖然四相繞組匝數(shù)相同，繞組線徑也相同，但在實際生產(chǎn)過程中，由于產(chǎn)品尺寸偏差等原因，會造成每個繞組上電線繞制時的張力不同，張力較大的繞組使得線徑變細，電阻增大，故造成每相電流產(chǎn)生了差值，從而導致力矩產(chǎn)生了偏差。將樣品電機的四相繞組通過四通道的可調(diào)電阻與電源相互連接，如圖2所示。調(diào)整可調(diào)電阻，使各相繞組電流值均為42 mA，然后使用扭矩表測量正反轉(zhuǎn)的扭矩值，得到測試數(shù)據(jù)如表3所示。

圖2 四通道可調(diào)電阻

表3 各相繞組電流42 mA測量值

調(diào)整相電流扭矩偏差對比如圖3所示，可以看出四相繞組等電流輸入后，正反轉(zhuǎn)扭矩偏差相對減小。以上數(shù)據(jù)說明：正反轉(zhuǎn)扭矩偏差過大與四相電流不對稱強相關(guān)。因此，在電機制造過程中，盡量保證各相電流相等，可以有效減小電機正反轉(zhuǎn)扭矩偏差過大的現(xiàn)象，提高產(chǎn)品的良品率。

圖3 調(diào)整相電流扭矩偏差對比圖

3 調(diào)整策略分析

從以上分析可知，使各相電流對稱可以在一定程度上減小電機正反轉(zhuǎn)力矩之間的差值，因此，應盡量保證各相繞組的電阻相同，在實際生產(chǎn)中，影響繞組電阻的主要因素主要有以下幾個方面：繞線張力、匝數(shù)、線徑。由于在電機制造過程中，定子各相繞組由同一臺繞線機同時繞制而成，產(chǎn)品與產(chǎn)品之間存在微小的尺寸或位置偏差，都可能導致繞線張力產(chǎn)生變化，故調(diào)整繞線張力可行性較差；同時，當電機設計完成后，繞組匝數(shù)也已基本確定，少量匝數(shù)的變化帶來的變化成果不明顯，大量增加匝數(shù)勢必會導致企業(yè)成本的上升。

本文通過調(diào)整線徑的方法，分別采用直徑0.095 mm、0.093 mm、0.090 mm、0.085 mm的銅絲對樣品繞組進行了重新繞制，通過扭矩表對新繞制的電機進行了測試。圖4、圖5所示分別為不同線徑下，電機正反轉(zhuǎn)扭矩測試數(shù)據(jù)變化。

圖4 電機正轉(zhuǎn)扭矩與線徑關(guān)系

圖5 電機反轉(zhuǎn)扭矩與線徑關(guān)系

隨著繞組線徑的減小，繞組電阻增大，當電機在12 V額定電壓下工作時，各相電流逐漸減小，從圖中可以看出，隨著線徑的變化，當線徑由0.095 mm改變至0.093 mm時，6個樣品電機正反轉(zhuǎn)扭矩均變小，當線徑變?yōu)?.090 mm時，正反轉(zhuǎn)扭矩均又增大，當線徑改變至0.085 mm時，扭矩又變小?？梢婋姍C的扭矩并不是隨著線徑的變化呈單調(diào)變化的。

圖6所示為電機在不同線徑下的正反轉(zhuǎn)扭矩偏差值，從圖中可以看出，0.095 mm線徑的電機正反轉(zhuǎn)扭矩偏差最大，數(shù)據(jù)較分散，不利于控制產(chǎn)品的良品率。當線徑為0.090 mm時，電機的正反轉(zhuǎn)扭矩偏差較集中，較易使產(chǎn)品獲得一致性，對于產(chǎn)品管理較方便。

圖6 電機反轉(zhuǎn)扭矩偏差與線徑關(guān)

圖7 電機反轉(zhuǎn)扭矩偏差百分數(shù)與線徑關(guān)系

圖7 所示為電機在不同線徑下的正反轉(zhuǎn)扭矩偏差百分數(shù)，從圖中可知，在線徑為0.090 mm時，扭矩偏差集中，利于控制產(chǎn)品的品質(zhì)，但此時的偏差百分數(shù)仍較大，集中在10%左右，隨著線徑的進一步減小，扭矩偏差開始呈分散狀態(tài)，但總體偏差百分數(shù)較0.090 mm進一步下降。因此從提高產(chǎn)品良品率的角度來看，選擇線徑為0.085 mm能縮小電機正反轉(zhuǎn)之間的偏差。

4 結(jié)束語

本文針對某企業(yè)生產(chǎn)的爪極式步進電機存在正反轉(zhuǎn)扭矩偏差大的情況展開了研究，對于正反轉(zhuǎn)扭矩上下限超差的原因進行了分析，主要在于各相電流不對稱。利用調(diào)節(jié)電機線徑的方法對樣品電機繞組進行了重新繞制，利用扭矩表測量得出不同線徑下電機的正反轉(zhuǎn)扭矩，并進行了數(shù)據(jù)分析。從數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可知，隨著線徑的下降，電機扭矩主要呈下降趨勢，電機正反轉(zhuǎn)扭矩偏差也逐漸減小，對于后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在保證電機扭矩能夠滿足使用條件的情況下，可以酌情考慮減小線徑，使得產(chǎn)品獲得更好的一致性和提高產(chǎn)品的良品率。