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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: infoSoftWave.cn Website: www. SoftWave.cn 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、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 201203, China Phone: +86 21 50807400 Fax: +86 21 50802326 Email: infoSoftWave.cn Website: www. SoftWave.cn 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 FLUX 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 Fax: +86 21 50802326 Email: infoSoftWave.cn Website: www. SoftWave.cn 。 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: infoSoftWave.cn Website: www. SoftWave.cn 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: infoSoftWave.cn Website: www. SoftWave.cn 转子位置随时间变化的曲线 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: infoSoftWave.cn Website: www. SoftWave.cn 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 201203, China Phone: +86 21 50807400 Fax: +86 21 50802326 Email: infoSoftWave.cn Website: www. SoftWave.cn 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、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: infoSoftWave.cn Website: www. SoftWave.cn ? 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
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