齒槽轉(zhuǎn)矩原理

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)永磁體和定子鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是由永磁體與電樞齒之間相互作用力的切向分量引起的。

齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使電機(jī)不能平穩(wěn)運(yùn)行，影響電機(jī)的性能。在變速驅(qū)動(dòng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率與定子或轉(zhuǎn)子的機(jī)械共振頻率一致時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲將被放大。齒槽轉(zhuǎn)矩的存在同樣影響了電機(jī)在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。所以做永磁電機(jī)研發(fā)的工程師希望把自己做的電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩降到最小，使用永磁電機(jī)的工程師則希望了解手上這臺(tái)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，從而去優(yōu)化他的控制算法。

在國(guó)標(biāo)GBT/30549-2014里對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)試有了明確的定義：電機(jī)繞組開路時(shí)，電機(jī)回轉(zhuǎn)一周內(nèi)，由電樞鐵心開槽，有趨于最小磁阻位置的傾向而產(chǎn)生的周期性力矩。齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)試方法常用的有：杠桿測(cè)量法、轉(zhuǎn)矩儀法。杠桿測(cè)量法比較簡(jiǎn)單，測(cè)量精度比較差，所以主要用于對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。轉(zhuǎn)矩儀法架構(gòu)圖如圖2所示，由于伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩非常小，所以測(cè)試時(shí)需要以一個(gè)非常低的轉(zhuǎn)速來帶動(dòng)未上電的被測(cè)電機(jī)來完成測(cè)試，原動(dòng)機(jī)輸出后要先經(jīng)過減速系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)速降至1rpm/min左右，然后帶動(dòng)被測(cè)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，用扭矩傳感器測(cè)試出齒槽轉(zhuǎn)矩。在測(cè)試過程中需要處理好原動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)本身轉(zhuǎn)矩波動(dòng)使得輸出的轉(zhuǎn)速扭矩更加平滑，以減小傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1斜槽或斜極

定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極是抑制齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最有效且應(yīng)用廣泛的方法之一,該方法主要用于定子槽數(shù)較多且軸向較長(zhǎng)的電機(jī)。實(shí)踐證明，斜槽使電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩各次諧波的幅值均有所減小。而斜槽或斜極引起的繞組反電動(dòng)勢(shì)的幣弦化將會(huì)增大電磁轉(zhuǎn)矩紋波。斜極由于加工復(fù)雜、材料成本高而在工程上很少采用。

2磁極分塊移位

由于轉(zhuǎn)子斜極會(huì)使成本大大增加,并且加工工藝也會(huì)變得復(fù)雜,因而應(yīng)用中往往采用磁極分塊移位法,由通過計(jì)算得到磁極極弧系數(shù),然后再把它優(yōu)化,最后把幾段分塊磁鋼沿周向錯(cuò)開一定角度安放來近似等效成一個(gè)連續(xù)的磁極,通常有兩種移位方法:連續(xù)移位和交差移位,前者消除的是磁鋼分塊數(shù)目整數(shù)倍以外的所有齒槽轉(zhuǎn)矩諧波成分,后者只能消除齒槽轉(zhuǎn)矩的奇數(shù)次諧波,對(duì)偶數(shù)次諧波沒有影響。

3分?jǐn)?shù)槽法

此方法可以提高齒槽轉(zhuǎn)矩基波的頻率，使齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量明顯減少。但是，采用了分?jǐn)?shù)槽后，各極下繞組分布不對(duì)稱從而使電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩分量部分被抵消，電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩也會(huì)因此而相應(yīng)減小。

4磁性槽楔法

采用磁性槽楔法就是在電機(jī)的定子槽口上涂壓一層磁性槽泥，固化后形成具有一定導(dǎo)磁性能的槽楔。磁性槽楔減少了定子槽開口的影響，使定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙磁導(dǎo)分命更加均勻，從而減少由于齒槽效應(yīng)而引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由于磁性槽楔材料的導(dǎo)磁性能不是很好，因而對(duì)于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的削弱程度有限。

5閉口槽法

定子槽不開口，槽口材料與齒部材料相同,槽口的導(dǎo)磁性能較好，所以閉口槽比磁性槽楔能更有效地消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但采用閉口槽，給繞組嵌線帶來極大不便，同時(shí)也會(huì)大大增加槽漏抗，增大電路的時(shí)間常數(shù)，從而影響電機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。也可通過減少槽口寬度來減少齒槽轉(zhuǎn)矩越，但槽口寬度的減小能夠削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，卻給繞組下線工藝帶來困難，另外還使漏磁增加，最終影響電機(jī)出力。

6優(yōu)化磁鋼設(shè)計(jì)

平行充磁情況下電機(jī)氣隙磁場(chǎng)和反電勢(shì)波形更接近正弦波，平行充磁對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響較小；電機(jī)極對(duì)數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大；電機(jī)極弧系數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小。

7無槽式繞組

齒槽轉(zhuǎn)矩本質(zhì)上是由永久磁鋼產(chǎn)生的磁通勢(shì)與由于定子開槽引起的磁阻變化相互作用而產(chǎn)生的，因此最徹底而又簡(jiǎn)單的方法是采用無槽式繞組結(jié)構(gòu)。無槽結(jié)構(gòu)早在上世紀(jì)70年代中葉就應(yīng)用于直流電機(jī)中，電樞繞組有粘貼在光滑轉(zhuǎn)子表面的，也有做成動(dòng)圈式(moving coil)的，或者是盤式電機(jī)的印刷繞組(printed circuit winding)，不管采用何種形式電樞繞組的厚度始終是實(shí)際氣隙的組成部分，因此無槽式電機(jī)的實(shí)際等效氣隙比有齒槽電機(jī)大得多，所需的勵(lì)磁磁勢(shì)也要大許多，這在早期限制了無槽電機(jī)的容量和發(fā)展隨著NeFeB等高磁能積的永磁材料的迅猛發(fā)展，為無槽式永磁Rl機(jī)的實(shí)用化提供了契機(jī)。應(yīng)用于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的無槽式繞組主要可分為三大類：環(huán)形繞組、非重疊集中繞組和杯形繞組。

8輔助凹槽法

加輔助凹槽的目的是減少主要的諧波分量，同時(shí)輔助凹槽本身會(huì)產(chǎn)生諧波，當(dāng)輔助凹槽產(chǎn)生的諧波與原定子產(chǎn)生的諧波同相位變化時(shí)，會(huì)使定位力矩升高；反之，會(huì)使定位力矩降低。輔助凹槽中心線與定子沖片中心線的夾角決定了二者是同相還是反相。所加輔助凹槽產(chǎn)生的諧波，將會(huì)抵消原來有害的諧波分量的P次諧波，同一沖片在對(duì)稱位置上增加兩個(gè)輔助凹槽的作用是相互抵消諧波分量，合適角度的選擇，沖片坑口開口位置的減小，都能夠減少能量變化。同一沖片上，輔助凹槽在對(duì)稱位置上排布能取得較好的效果。

測(cè)齒槽轉(zhuǎn)矩量程在輸出轉(zhuǎn)矩范圍分別為0~100mNm以及0~2Nm， 扭矩精度±0.5%， 轉(zhuǎn)速在測(cè)齒槽轉(zhuǎn)矩時(shí)0~10r/min可調(diào) ；測(cè)負(fù)載時(shí)能達(dá)到10000rpm以上。

永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大小及負(fù)載下性能測(cè)試。

轉(zhuǎn)矩可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。

靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是值不隨時(shí)間變化或變化很小、很緩慢的轉(zhuǎn)矩，包括靜止轉(zhuǎn)矩、恒定轉(zhuǎn)矩、

緩變轉(zhuǎn)矩和微脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

靜止轉(zhuǎn)矩的值為常數(shù)，傳動(dòng)軸不旋轉(zhuǎn)；

恒定轉(zhuǎn)矩的值為常數(shù)，但傳動(dòng)軸以勻速旋轉(zhuǎn)，如電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩；

緩變轉(zhuǎn)矩的值隨時(shí)間緩慢變化，但在短時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為轉(zhuǎn)矩值是不變的；

微脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值有幅度不大的脈動(dòng)變化。

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是值隨時(shí)間變化很大的轉(zhuǎn)矩，包括振動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過渡轉(zhuǎn)矩和隨機(jī)轉(zhuǎn)矩三種。

振動(dòng)轉(zhuǎn)矩的值是周期性波動(dòng)的；

過渡轉(zhuǎn)矩是機(jī)械從一種工況轉(zhuǎn)換到另一種工況時(shí)的轉(zhuǎn)矩變化過程；隨機(jī)轉(zhuǎn)矩是一種不確定的、變化無規(guī)律的轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩的不同情況，可以采取不同的轉(zhuǎn)矩測(cè)量方法。轉(zhuǎn)矩=9550*功率/轉(zhuǎn)速同樣功率=轉(zhuǎn)速*轉(zhuǎn)矩/9550平衡方程式中：功率的單位（kW）；轉(zhuǎn)速的單位（r/min)；轉(zhuǎn)矩的單位（N.m）；9550是計(jì)算系數(shù)。2100433B