定子永磁型步进电动机结构原理及分析计算
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山东大学电气工程学院的研究人员鲁炳林、徐衍亮，在2016年第19期《电工技术学报》上撰文，为提高混合式步进电动机（HSM）的运行性能，彻底消除其转子放置永磁体的结构弊端，提出了一种定子上放置永磁体的新型步进电动机（SPMSM），其工作原理与HSM完全相同，但结构更为简单，转矩/功率密度及效率更高。
对SPMSM的运行原理及所采用的关键技术进行了分析，并与DSPM电动机进行了比较。同时，基于步进电动机归一化设计思想，并结合SPMSM磁场呈二维分布的特点（忽略电动机端部效应），提出了适用于SPMSM的归一化分析计算方法，并对其磁链、电动势、转矩及功率进行了计算。试制了一台2相8极50齿SPMSM样机，通过实验验证了其工作原理的实际可行性。
有限元仿真与实验结果表明，所采用的理论分析方法及所建立的功率方程能较好地反映SPMSM的实际特性，且具有较强的适用性，为该类步进电动机的设计和分析提供了参考。
步进电动机因具有转矩刚度大、定位稳定可靠、跟踪准确度高、可开环运行以及无累计误差等优点，在20世纪70年代迅速发展，广泛应用于计算机外设、办公自动化及工业设备和装置中，并于80年代达到高峰，成为数控系统中运控电动机的主体[1,2]。其后随着无刷直流电动机、数字化交流伺服电动机及双凸极电动机的发展和成熟[3-6]，步进电动机的发展受到限制。如何进一步推动和发展步进电动机，成为步进电动机工作者面临的研究课题。
混合式步进电动机（Hybrid SteppingMotor, HSM）综合了磁阻式步进电动机和永磁式步进电动机的优势，已成为步进电动机发展的主流方向，特别在装备制造业中，所用到的步进电动机几乎都是混合式步进电动机[7]。
然而，即使对于HSM，其功率密度、转矩密度、调速范围、过载能力、运行效率也难以与无刷直流电动机及交流伺服电动机相媲美，究其原因，除了步进电动机经常采用的恒电流控制及本质上的高频驱动外，其转子放置轴向充磁永磁体的结构构造缺陷是重要因素。
为了提高HSM的运行性能，文献[8]分析了一种在普通HSM定子齿槽中放置永磁体的增强型混合式步进电动机。文献[9]提出了在普通HSM定转子齿槽中均放置永磁体的超强型混合式步进电动机。文献[10]提出了一种用于HSM的新型转子磁路结构。
以上几种改进后的结构都能显著提高HSM的功率密度、转矩密度、过载能力及动态性能，但转子上放置永磁体的结构弊端仍存在，同时更增加了电动机的制造难度和成本。
另一方面，近来随着双凸极永磁（Doubly-SalientPermanent Magnet，DSPM）电动机[11]、磁通反向永磁（FluxReversal Permanent Magnet，FRPM）电动机[12]及磁通切换永磁（Flux-SwitchingPermanent Magnet，FSPM）电动机[13,14]的提出、发展和成熟，定子永磁型电动机[15,16]逐步成为研究热点。
初步研究表明，此类电动机因永磁体放置于定子上而具有诸多优越性（如转子结构简单、永磁体散热容易、功率密度及效率较高等），具有良好的应用及发展前景。然而，对于同样采用双凸极定转子结构的步进电动机，目前通用的形式仍为转子放置永磁体结构，尚未见文献涉及对定子永磁型（转子无永磁体）结构步进电动机的研究。
本文通过借鉴DSPM电动机的结构形式[17,18]，针对传统转子永磁型HSM的不足，提出了一种定子永磁型步进电动机（StatorPermanent Magnet Stepping Motor，SPMSM），并对其进行了理论分析计算及实验研究，该种电动机兼具步进电动机和定子永磁型无刷电动机的特征。
首先给出其基本结构特征，对其运行原理及关键技术进行了分析，并与DSPM电动机进行了比较；进而推导了功率方程，并提出适用于SPMSM的归一化分析计算方法，对其磁链、电动势、转矩和功率进行了计算；最后试制了一台2相8极50齿SPMSM样机，通过有限元仿真和样机实验验证了理论分析及计算的正确性。
结论
本文提出一种新颖结构的定子永磁型步进电动机(SPMSM)，彻底消除了传统混合式步进电动机（HSM）转子放置永磁体的结构弊端，通过理论分析、有限元仿真和实验结果验证，得到以下结论：
1）SPMSM与HSM工作原理完全相同，且具有结构简单、加工制造容易、功率密度/转矩密度高、运行效率高、永磁体散热容易及利用率高的优势，既可用于传统HSM的小功率定位传动领域，也可用于大功率机电能量转换领域。
2）SPMSM与DSPM电动机同为定子永磁型电动机，两者既有共同性亦存在差异性，两者的差异性主要体现在运行原理和控制方式不同，可根据实际应用场合提出的具体要求对两种电动机进行选择。
3）所采用的SPMSM理论分析计算方法体现了步进电动机归一化设计思想，具有较强的适用性，为初步分析比较不同结构、不同尺寸型号的SPMSM电磁特性提供了有利工具；同时，基于所建立的SPMSM功率方程，可进一步推导其尺寸方程，为电动机初步电磁设计奠定了基础。