齿槽转矩

永磁电机特有的问题

齿槽转矩是永磁电机特有的问题之一，是高性能永磁电机设计和制造中必须考虑和解决的关键问题。

原理

齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。

危害

齿槽转矩会使电机产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。所以做永磁电机研发的工程师希望把自己做的电机的齿槽转矩降到最小，使用永磁电机的工程师则希望了解手上这台电机的齿槽转矩，从而去优化他的控制算法。

测试方法

在国标GBT/30549-2014里对齿槽转矩的测试有了明确的定义：电机绕组开路时，电机回转一周内，由电枢铁心开槽，有趋于最小磁阻位置的倾向而产生的周期性力矩。齿槽转矩的测试方法常用的有：杠杆测量法、转矩仪法。杠杆测量法比较简单，测量精度比较差，所以主要用于对精度要求不高的场合。转矩仪法架构图如图2所示，由于伺服电机的齿槽转矩非常小，所以测试时需要以一个非常低的转速来带动未上电的被测电机来完成测试，原动机输出后要先经过减速系统，将转速降至1rpm/min左右，然后带动被测电机进行测试，用扭矩传感器测试出齿槽转矩。在测试过程中需要处理好原动机和传动系统本身转矩波动使得输出的转速扭矩更加平滑，以减小传动系统的扭矩波动对测试结果的影响。

削弱方法

1斜槽或斜极

定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一,该方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。实践证明，斜槽使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小。而斜槽或斜极引起的绕组反电动势的币弦化将会增大电磁转矩纹波。斜极由于加工复杂、材料成本高而在工程上很少采用。

2磁极分块移位

由于转子斜极会使成本大大增加,并且加工工艺也会变得复杂,因而应用中往往采用磁极分块移位法,由通过计算得到磁极极弧系数,然后再把它优化,最后把几段分块磁钢沿周向错开一定角度安放来近似等效成一个连续的磁极,通常有两种移位方法:连续移位和交差移位,前者消除的是磁钢分块数目整数倍以外的所有齿槽转矩谐波成分,后者只能消除齿槽转矩的奇数次谐波,对偶数次谐波没有影响。

3分数槽法

此方法可以提高齿槽转矩基波的频率，使齿槽转矩脉动量明显减少。但是，采用了分数槽后，各极下绕组分布不对称从而使电机的有效转矩分量部分被抵消，电机的平均转矩也会因此而相应减小。

4磁性槽楔法

采用磁性槽楔法就是在电机的定子槽口上涂压一层磁性槽泥，固化后形成具有一定导磁性能的槽楔。磁性槽楔减少了定子槽开口的影响，使定子与转子间的气隙磁导分命更加均匀，从而减少由于齿槽效应而引起的转矩脉动。由于磁性槽楔材料的导磁性能不是很好，因而对于转矩脉动的削弱程度有限。

5闭口槽法

定子槽不开口，槽口材料与齿部材料相同,槽口的导磁性能较好，所以闭口槽比磁性槽楔能更有效地消除转矩脉动。但采用闭口槽，给绕组嵌线带来极大不便，同时也会大大增加槽漏抗，增大电路的时间常数，从而影响电机控制系统的动态特性。也可通过减少槽口宽度来减少齿槽转矩越，但槽口宽度的减小能够削弱齿槽转矩，却给绕组下线工艺带来困难，另外还使漏磁增加，最终影响电机出力。

6优化磁钢设计

平行充磁情况下电机气隙磁场和反电势波形更接近正弦波，平行充磁对转矩脉动影响较小；电机极对数越大，转矩脉动越大；电机极弧系数越大，转矩脉动越小。

7无槽式绕组

齿槽转矩本质上是由永久磁钢产生的磁通势与由于定子开槽引起的磁阻变化相互作用而产生的，因此最彻底而又简单的方法是采用无槽式绕组结构。无槽结构早在上世纪70年代中叶就应用于直流电机中，电枢绕组有粘贴在光滑转子表面的，也有做成动圈式(moving coil)的，或者是盘式电机的印刷绕组(printed circuit winding)，不管采用何种形式电枢绕组的厚度始终是实际气隙的组成部分，因此无槽式电机的实际等效气隙比有齿槽电机大得多，所需的励磁磁势也要大许多，这在早期限制了无槽电机的容量和发展随着NeFeB等高磁能积的永磁材料的迅猛发展，为无槽式永磁Rl机的实用化提供了契机。应用于永磁无刷直流电动机的无槽式绕组主要可分为三大类：环形绕组、非重叠集中绕组和杯形绕组。

8辅助凹槽法

加辅助凹槽的目的是减少主要的谐波分量，同时辅助凹槽本身会产生谐波，当辅助凹槽产生的谐波与原定子产生的谐波同相位变化时，会使定位力矩升高；反之，会使定位力矩降低。辅助凹槽中心线与定子冲片中心线的夹角决定了二者是同相还是反相。所加辅助凹槽产生的谐波，将会抵消原来有害的谐波分量的P次谐波，同一冲片在对称位置上增加两个辅助凹槽的作用是相互抵消谐波分量，合适角度的选择，冲片坑口开口位置的减小，都能够减少能量变化。同一冲片上，辅助凹槽在对称位置上排布能取得较好的效果。

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