齒槽轉矩

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

齒槽轉矩會使電機產生振動和噪聲，出現轉速波動，使電機不能平穩運行，影響電機的性能。在變速驅動中，當轉矩脈動頻率與定子或轉子的機械共振頻率一致時，齒槽轉矩產生的振動和噪聲將被放大。齒槽轉矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統中的低速性能和位置控制系統中的高精度定位。所以做永磁電機研發的工程師希望把自己做的電機的齒槽轉矩降到最小，使用永磁電機的工程師則希望瞭解手上這台電機的齒槽轉矩，從而去優化他的控制算法。

在國標GBT/30549-2014裏對齒槽轉矩的測試有了明確的定義：電機繞組開路時，電機迴轉一週內，由電樞鐵心開槽，有趨於最小磁阻位置的傾向而產生的週期性力矩。齒槽轉矩的測試方法常用的有：槓桿測量法、轉矩儀法。槓桿測量法比較簡單，測量精度比較差，所以主要用於對精度要求不高的場合。轉矩儀法架構圖如圖2所示，由於伺服電機的齒槽轉矩非常小，所以測試時需要以一個非常低的轉速來帶動未上電的被測電機來完成測試，原動機輸出後要先經過減速系統，將轉速降至1rpm/min左右，然後帶動被測電機進行測試，用扭矩傳感器測試出齒槽轉矩。在測試過程中需要處理好原動機和傳動系統本身轉矩波動使得輸出的轉速扭矩更加平滑，以減小傳動系統的扭矩波動對測試結果的影響。

定子斜槽或轉子斜極是抑制齒槽轉矩脈動最有效且應用廣泛的方法之一,該方法主要用於定子槽數較多且軸向較長的電機。實踐證明，斜槽使電機電磁轉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勢的幣弦化將會增大電磁轉矩紋波。斜極由於加工複雜、材料成本高而在工程上很少採用。

由於轉子斜極會使成本大大增加,並且加工工藝也會變得複雜,因而應用中往往採用磁極分塊移位法,由通過計算得到磁極極弧係數,然後再把它優化,最後把幾段分塊磁鋼沿周向錯開一定角度安放來近似等效成一個連續的磁極,通常有兩種移位方法:連續移位和交差移位,前者消除的是磁鋼分塊數目整數倍以外的所有齒槽轉矩諧波成分,後者只能消除齒槽轉矩的奇數次諧波,對偶數次諧波沒有影響。

此方法可以提高齒槽轉矩基波的頻率，使齒槽轉矩脈動量明顯減少。但是，採用了分數槽後，各極下繞組分佈不對稱從而使電機的有效轉矩分量部分被抵消，電機的平均轉矩也會因此而相應減小。

採用磁性槽楔法就是在電機的定子槽口上塗壓一層磁性槽泥，固化後形成具有一定導磁性能的槽楔。磁性槽楔減少了定子槽開口的影響，使定子與轉子間的氣隙磁導分命更加均勻，從而減少由於齒槽效應而引起的轉矩脈動。由於磁性槽楔材料的導磁性能不是很好，因而對於轉矩脈動的削弱程度有限。

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

平行充磁情況下電機氣隙磁場和反電勢波形更接近正弦波，平行充磁對轉矩脈動影響較小；電機極對數越大，轉矩脈動越大；電機極弧係數越大，轉矩脈動越小。

齒槽轉矩本質上是由永久磁鋼產生的磁通勢與由於定子開槽引起的磁阻變化相互作用而產生的，因此最徹底而又簡單的方法是採用無槽式繞組結構。無槽結構早在上世紀70年代中葉就應用於直流電機中，電樞繞組有粘貼在光滑轉子表面的，也有做成動圈式(moving coil)的，或者是盤式電機的印刷繞組(printed circuit winding)，不管採用何種形式電樞繞組的厚度始終是實際氣隙的組成部分，因此無槽式電機的實際等效氣隙比有齒槽電機大得多，所需的勵磁磁勢也要大許多，這在早期限制了無槽電機的容量和發展隨着NeFeB等高磁能積的永磁材料的迅猛發展，為無槽式永磁Rl機的實用化提供了契機。應用於永磁無刷直流電動機的無槽式繞組主要可分為三大類：環形繞組、非重疊集中繞組和杯形繞組。

加輔助凹槽的目的是減少主要的諧波分量，同時輔助凹槽本身會產生諧波，當輔助凹槽產生的諧波與原定子產生的諧波同相位變化時，會使定位力矩升高；反之，會使定位力矩降低。輔助凹槽中心線與定子衝片中心線的夾角決定了二者是同相還是反相。所加輔助凹槽產生的諧波，將會抵消原來有害的諧波分量的P次諧波，同一衝片在對稱位置上增加兩個輔助凹槽的作用是相互抵消諧波分量，合適角度的選擇，衝片坑口開口位置的減小，都能夠減少能量變化。同一衝片上，輔助凹槽在對稱位置上排布能取得較好的效果。 ^[1]