混合式步进电动机的理论析和设计特点
杨永良（西安微电机研究所）
【摘 要】本文以对比方式叙述了混合式步进电动机与反应式、永磁式步进电动机的差异。在论述混合式步进电动机的理论基础上，提出径向气隙磁场等于轴向气隙磁场的设计原则，导出混合式步进电动机的实用静态转矩计算式，并以四相混合式步进电动机为例，给出****转子铁心长和静转矩的设计值和试验值。
【主题词】混合式步进电动机，理论，分析，设计，转子，铁心，长度，静转矩计算式
1 引 言
步进电动机是近年研制开发并已普遍应用的新型电动机，从工作上区分，有反应式步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机。这三类步进电动机产品发展历程是反应式、永磁式在先，混合式在后。对于反应式、永磁式步进电动机，从现有论著来看，工作的理论基础论述清晰，设计计算与试验数据吻合一致，生产制造已基本定型。混合式步进电动机发展相对迟缓，这与永磁材料发展息息相关。近年来，各种高矫顽力稀土磁体涌现，促进了混合式步进电动机的发展。本文结合生产实际·将混合式步进电动机与反应式、永磁式步进电动机在基理方面进行比较说明的基础上，详绌论述混合式步进电动机的理论基础，并提出相应的设计原则和设计特点。
2理论分析
反应式步进电动机的工作基础是基于定子磁场产生的反应转矩，静转矩简化表达式为
式(1)表示反应式步进电动机是基于反应力矩（磁阻力矩）工作的，因此气隙两侧的定、转子表面有意设计成齿槽结构，使鲁变化率****。由式(1)可得出，当定转子齿层尺寸确定之后，’反应式步进电动机的静转矩正比于定子磁场在气隙中的磁压降和电机铁心长度的乘积。
永磁式步进电动机的工作原理是基于定子磁场和转子永磁磁场的互相作用，静转矩的简化表达式为
由式(2)可见，永磁式步进电动机的静转矩是由定子电枢磁场和转子永磁磁场互相作用产生的同步转矩。当磁钢材质和几何尺寸确定之后，其静转矩正比于定子磁场和磁钢磁场及铁心长度的乘积。
综上所述，在工作原理、磁路状态、转矩计算等方面，反应式步进电动机类同反应式同步电机；永磁式步进电动机类同永磁式同步电动机，共同特点都是转矩与定子铁心长度成正比，其差别只是同步电动机的定子磁场是随电源频率同步的旋转磁场，而步进电动机定子磁场是随通电脉冲频率的阶跃旋转磁场。
混合式步进电动机的作用原理不同于反应式步进电动机，也不同于永磁式步进电动机，更不能简单理解为永磁式和反应式步进电动机的混合，由于基理不同．磁路计算、转矩计算都不能套用永磁式和反应式步进电动机的相关公式，它在磁路状态、磁场作用、磁场之间关系等方面有它自身的特点。
混合式步进电动机通常有四相、五相，其结构如图所示。图为典型四相混合式步进电动机的结构。
齿并嵌套线圈。转子由二段铗心中间夹一块
由图可见，定子结构与反应式步进电动机基本相同，定子铁心分成8个极齿，极齿上有小 环形磁钢，转子铁心也有小齿，磁钢两端铁心互相错开半个齿距。磁钢轴向充磁。为说明方便，将部分剖面展开．如图2所示，图中上面部分为磁钢s极性侧剖面，下面部分为磁n极性侧剖面。现设定、转子齿处于图2所示位置。图中虚线表示磁钢产生的磁通，实线表示线圈电流产生的磁通。先假定定子线图没有通电流，此时只有磁钢产生的磁通，如图中虚线所示。磁钢两侧极性磁力线走向及转子受力方向如表1所示。
由表1可知，在s极性侧，磁钢产生的磁力在口极齿和d极齿下转子受力互相抵消，a极极齿下转子受力自身抵消．e极齿下只产生径向磁拉力。在ⅳ极性侧，b极齿和d极齿下转子受力互相抵 |
