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1、 上海 SoftWave 公司 SoftWave Ltd 上海浦东松涛路563号B座3楼 邮编: 201203 3F, Bldg B, 563 Songtao Rd, Pudong, Shanghai 201203, China Phone: +86 21 50807400 Fax: +86 21 50802326 Email: infoSoftW Website: www. SoftW FLUX 在反应式步进电机中的应用在反应式步进电机中的应用 一、 步进电机的工作原理及特性一、 步进电机的工作原理及特性 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速
2、、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 图 1.1 步进电机的工作原理图 步进电机的品种规格很多，按照它们的结构和工作原理分为永磁式步进电机、反应式步进电机和混合式步进电机。永磁式步进电机一般为两相, 转矩和体积较小, 步进角一般为7.5度或1.5 度; 反应式步进电机一般为三相, 可实现大转矩输出, 步进角一般为1.5 度, 但噪声和振动都很大。 反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成, 定子上
3、有多相励磁绕组, 利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相: 两相步进角一般为1.8 度而五相步进角一般为0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 步进电机的主要特性： 1步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。 上海 SoftWave 公司 SoftWave Ltd 上海浦东松涛路563号B座3楼 邮编: 201203 3F, Bldg B, 563 Songtao Rd, Pudong, Shanghai
4、 201203, China Phone: +86 21 50807400 Fax: +86 21 50802326 Email: infoSoftW Website: www. SoftW 2步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 3改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。 二、二、反应式步进电机的反应式步进电机的 FLUX 仿真过程仿真过程 图 1.2 是三相反应式步进电机的剖面图。电机定子的每两个相对的极组成一相，极上绕组反向串联，以此形成 N-S 极。电机的定子有 6 个磁极，每个磁极上均匀分布 5 个小齿。转
5、子圆周上均匀布 40 个小齿，故其齿距角=3600/400=90。在三相单三拍工作方式中，当 A 相通电时，定子 A 相的五个齿与转子对齐，与 A 相相隔 1200的 B 相上，定子齿与转子齿错开120/9=13+1/3 齿，与 A 相相隔 2400的 C 相，定子齿与转子齿错开 240/9=26+2/3 齿。因此，若 A 相断电，接通 B 相时，转子齿相对于 A 相定子齿转动 1/3 齿距角，即 30，就可以使 B相定子与转子齿对齐。同理，C 相通电，转子齿相对于 A 相转动 2/3 齿距角，即 60。这样就可以实现 A-B-C-A 三相轮流导通。 图 1.2 三相反应式步进电机 1利用 F
6、LUX 自带的 OVERLAY 模块，快速建立一个反应式步进电机 在 FLUX 前处理器的 Extensions-overlay 选项中，软件提供了六个可供选择的模块，用户只要输入一定的参数，就可以获得想要建立的模型，同时，软件自动进行剖分，这一优越的功能对电机设计人员具有很大的帮助，是目前国内很多类型软件无法实现的。 上海 SoftWave 公司 SoftWave Ltd 上海浦东松涛路563号B座3楼 邮编: 201203 3F, Bldg B, 563 Songtao Rd, Pudong, Shanghai 201203, China Phone: +86 21 50807400 Fa
7、x: +86 21 50802326 Email: infoSoftW Website: www. SoftW 。 下面是输入反应式步进电机相关参数后，软件自动建模及网格剖分后的效果图： FLUX 2D 模型 上海 SoftWave 公司 SoftWave Ltd 上海浦东松涛路563号B座3楼 邮编: 201203 3F, Bldg B, 563 Songtao Rd, Pudong, Shanghai 201203, China Phone: +86 21 50807400 Fax: +86 21 50802326 Email: infoSoftW Website: www. SoftW
8、2.电路图 采用三相单三拍通电工作方式，电路图为： 线圈电压 V=5.6 伏 Switch: S1:user(3,6,9) S2:user(6,9,9) S3:user(0,3,9) 3.仿真结果分析 上海 SoftWave 公司 SoftWave Ltd 上海浦东松涛路563号B座3楼 邮编: 201203 3F, Bldg B, 563 Songtao Rd, Pudong, Shanghai 201203, China Phone: +86 21 50807400 Fax: +86 21 50802326 Email: infoSoftW Website: www. SoftW 转子位置
9、随时间变化的曲线 电源电流随时间变化曲线 上海 SoftWave 公司 SoftWave Ltd 上海浦东松涛路563号B座3楼 邮编: 201203 3F, Bldg B, 563 Songtao Rd, Pudong, Shanghai 201203, China Phone: +86 21 50807400 Fax: +86 21 50802326 Email: infoSoftW Website: www. SoftW 通过线圈 B1 的电流随时间变化曲线 三、 三、 技术中心对技术中心对 FLUX 软件的评价软件的评价 哈尔滨工业大学是法国 CEDRAT 公司设在中国的 FLUX 技
10、术中心， 他们利用 FLUX 软件在学术领域取得了显著的成果，以下是他们对于 FLUX 的使用评价： 该软件 FLUX3D 模块，在静态、瞬态三维磁场分析方面具有方便、易用、计算精度高等特点。前处理中，实体建模方法灵活多样，参数化的建模方法使模型的修改大为方便。标量法中采用 non-meshed 线圈，使整个模型形状的复杂程度减少，为网格划分提供了便利。丰富的网格控制操作，使网格形状、大小、数量及质量易于控制。求解中，INFINETEBOX技术及磁场标量磁位法应用于有限元模型，在保证计算精度的同时，使计算区域缩小，计算时间缩短。 后处理模块能直接给出用户想要的各种曲线，给用户获取结果带来了很大
11、便利。除了能显示磁感应强度、磁场强度等的矢量图和云图外，还能给出铁磁区域的相对磁导率的等值图，直观地显示出铁磁区域的饱和程度，这对电磁系统的设计具有很好的指导作用。 四、 用户四、 用户 国内:船总 704 所、船总 712 所、航天部 16 所、哈尔滨电机厂、德阳东方电机厂、哈尔滨工业大学等 FLUX 客户在船磁、电解腐蚀、各类旋转电机、传感器、直线电磁装置、电磁继电器等方面都有非常广泛的应用。 上海 SoftWave 公司 SoftWave Ltd 上海浦东松涛路563号B座3楼 邮编: 201203 3F, Bldg B, 563 Songtao Rd, Pudong, Shanghai
12、 201203, China Phone: +86 21 50807400 Fax: +86 21 50802326 Email: infoSoftW Website: www. SoftW 国外国防领域: Bath Iron Works, BEI Kimco, Curtiss Wright, DCN, DREA, General Dynamics, Giat, ISL, Kockums AB, Lockheed Martin, MBDA, NUWC, US Army Benet Lab, WTD71。 附：附：FLUX 软件简介和特点软件简介和特点 一、 简介一、 简介 FLUX 是由位于法
13、国东部城市Meylan、 有着近30年的软件开发和应用经验的CEDRAT公司开发的，是一款针对于继电器、电机、传感器、变压器、船磁等领域的专业二维及三维仿真软件，是目前国际市场上最具灵活性的软件。它基于二阶有限元算法，主要用于电磁设备、热装置、热处理的分析与设计。主要应用领域有：电磁、电热、电子机械和驱动设备等。基本模块包括前处理（建模、物理属性设置、网格剖分） 、求解以及后处理（结果显示、数据输出） ，共有多种应用功能模块供用户选择。 二、 二、 FLUX 软件的特点软件的特点 ? 精度高、可靠、计算速度快、易用 ? 可视化、交互式操作界面 ? 参数化处理 - 几何模型可进行参数化定义，简化
14、模型修改 - 几何参数、网格参数、材料特性、激励源、电路元器件、边界条件、频率、传速、扭矩、时间步长等均可实现参数化，易于优化设计 ? 强大的模型导入功能： - 支持 DXF、IGES、STEP、CATIA 等十多种数据格式 - 支持已进行网格划分的几何模型 (IDEAS, PATRAN, NASTRAN, PRO-ENGINEER) - 提供 Classical 和 Advanced 两种导入模式，自动快速修复几何模型 ? 剖分：软件具有自动剖分和半自动剖分功能 - 4 种网格形状（长方体、四面体、棱柱、金字塔）混合使用 - 点、线、面、体独立特性控制 ? 坐标系定义：全局坐标系、局部坐标系
15、、直角坐标系、柱形坐标系、球形坐标系 ? 自动识别和构造几何模型的面、体单元以及自动纠错功能 ? 边界条件：包括对称、轴向、法向或切向、周期性、非周期性、混合等多种形式 ? 机械参数：转动惯量、质量、摩擦系数、负载和力矩 ? 材料数据库：内置了多种常用材料。材料特性包括磁导率、介电常数、电阻率、比热、对流、辐射、传导系数等 上海 SoftWave 公司 SoftWave Ltd 上海浦东松涛路563号B座3楼 邮编: 201203 3F, Bldg B, 563 Songtao Rd, Pudong, Shanghai 201203, China Phone: +86 21 50807400 Fax: +86 21 50802326 Email: infoSoftW Website: www. SoftW ? 外部电路：励磁源、负载都可以用电路的形式进行描述，其中元器件有：电压源、电流源、电阻、电感、电容、开关、二极管和闸流管等 ? 用户控制：材料、源等其他物理属性和边界条件都可以由用户编写子程序进行定义 ? Python 命令流：支持 Python 程序化语言 ? 子程序：允许用户使用计算机高级语言对数据实现和扩展更复杂、专业的后处理功能，实现二次开发 ? SimuLink 接口：与 MATLAB 等专业仿真软件强
