齿槽转矩脉动
齿槽转矩形成的原因、对电机性能的影响和不同削弱方法的对比分析
齿槽转矩形成的原因、对电机性能的影响和不同削弱方法的对比分析一、齿槽转矩形成的原因及影响齿槽转矩Cogging torque，是永磁电机的固有现象，它是在电枢绕组不通电的状态下，由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向产生的转矩。
它的产生来自于永磁体与电枢齿之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势，试图将转子定位在某些位置，由此趋势产生的一种振荡转矩[1]。
无刷直流电动机电枢铁心为了安放定子绕组必定存在齿和槽,由于齿槽的存在,引起气隙的不均匀,一个齿距内的磁通相对集中于齿部,使得气隙磁导不是常数。
当转子旋转时,气隙磁场的贮能就发生变化,产生齿槽转矩,这个转矩是不变的,它与转子位置有关,因而随着转子位置发生变化,就引起转矩脉动[2]。
它与转子的结构尺寸、定子齿槽的结构、气隙的大小、磁极的形状和磁场分布等有关，而与绕组如何放置在槽中和各相绕组中馈入多少电流等因素无关。
齿槽转矩会使电机转矩波动，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。
同时使电机产生不希望的振动和噪声。
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。
二、不同削弱方法及对比分析(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[3]。
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[4],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。
同步电机齿槽转矩
同步电机齿槽转矩
摘要：
一、同步电机齿槽转矩的概念与特点
二、同步电机齿槽转矩产生的原因
三、同步电机齿槽转矩的影响及应对措施
四、同步电机齿槽转矩的削弱方法及发展趋势
正文：
同步电机齿槽转矩是指在同步电机运行过程中，由于电机定子和转子之间的齿槽相互影响，使得电机转矩产生脉动，这种脉动转矩即为齿槽转矩。
齿槽转矩的特点是随着电机转子的位置变化而变化，因此是一种脉动转矩。
同步电机齿槽转矩产生的主要原因是电机定子和转子之间的磁场相互作用。
当电机转子旋转时，永磁体两侧面对应定子齿槽的一小段范围内磁导发生较大变化，引起磁场储能发生变化，从而产生齿槽转矩。
同步电机齿槽转矩会对电机性能产生影响，如引起转矩脉动、速度波动、振动和噪声等。
为降低齿槽转矩对电机性能的影响，可以采取一些措施，如优化电机设计、改变定子齿槽参数、采用磁场定向控制技术等。
随着同步电机在工业领域的广泛应用，对齿槽转矩的研究也越来越受到关注。
未来，同步电机齿槽转矩的削弱方法将朝着更加高效、环保、节能的方向发展，以满足不同应用场景的需求。
电机齿槽转矩
电机齿槽转矩
1 什么是电机齿槽转矩？
电机齿槽转矩是指电机中齿槽的作用力和扭矩的抵消程度。
在电机运作时，齿槽和齿轮的转动产生的力会作用在电机转子两侧，而另一侧则会受到扭矩的作用，这时候齿槽和齿轮的力和扭矩的平衡程度就叫做电机齿槽转矩。
2 电机齿槽转矩的作用
电机齿槽转矩对于电机的正常运转非常重要。
如果电机齿槽转矩出现了问题，会导致电机的性能下降，甚至发生故障。
正常的电机齿槽转矩能够保证电机的稳定运行，防止电机因为力不足或者过大而导致的损坏，同时保证了电机的动力输出和效率。
3 电机齿槽转矩的调节方法
一般来说，电机齿槽转矩需要在电机设计阶段确定，根据电机的类型和使用条件来确定齿槽的设计。
如果电机齿槽转矩出现了问题，需要进行相应的调整。
一种方法是改变齿槽的形状和尺寸，以增加或者减小齿槽的作用力。
另一种方法是对电机的传动系统进行检查和维护，以确保电机的传动系统处于良好状态，不会对齿槽转矩的平衡产生影响。
4 总结
电机齿槽转矩是电机运行中很重要的一个参数，直接影响电机的性能和寿命。
为了保证电机的正常运转和长久使用，我们需要密切关注电机齿槽转矩的问题，并且及时采取相应的措施加以维护，以确保电机齿槽转矩始终处于正常状态。
齿槽转矩测试的必要性和方法
齿槽转矩测试的必要性和方法近年来随着永磁材料的发展，永磁电机成了电机行业的新宠。
然而在永磁电机中，齿槽转矩的存在给电机的控制性能造成了很大的影响，那齿槽转矩到底是怎么产生的？我们又该怎么去测呢？玩过永磁电机的朋友都有过类似的经历：我们在电机掉电的情况下去转电机的转子，发现会有一种卡顿的感觉，而不像传统直流电机那么顺畅的就能把转子徒手转起来。
这种卡顿其实就是因为永磁电机存在齿槽转矩。
永磁电机内部结构图如图1所示，齿槽转矩是永磁电机的固有的特征之一，它是在电枢绕组不通电的状态下，由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向上产生的转矩。
它其实是永磁体与电枢齿之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势，试图将转子定位在某些位置，由此趋势产生的一种振荡转矩就是齿槽转矩。
图1 永磁同步电机结构图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。
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。
无刷直流电机低速转矩脉动抑制控制方法
无刷直流电机低速转矩脉动抑制控制方法摘要：无刷直流电机具有性能优良、结构简单、操作便捷、使用效率高等优势，在工业生产、制造领域得到了广泛应用，但应用中由于成本控制等原因往往采取无位置传感器控制方法，极易出现较为明显的脉动转矩问题。
基于此，文章从无刷直流电机低速转矩脉动产生原因入手，重点分析有效抑制低速转矩脉动的方法，确保无刷直流电机的高效运作，并为后续的工程建设作业提供有效参考。
关键词：无刷直流电机；低速转矩脉动抑制；控制方法引言：无刷直流电机结合了交流及直流电机的优点，被广泛应用于计算机办公设备、工业控制、医疗卫生、汽车家电等多个领域，但由于其本身极易受到结构限制，出现低速转矩脉动问题，影响使用效果，因此，相关技术人员需尽量提高重视，有效抑制噪声、抖动等转矩脉动问题，从而延长电机使用寿命，满足实际使用需求。
一、低速转矩脉动产生原因在无刷直流电机低速运行的过程中，由于输入的电流强度逐渐减小，将使得定转子的感应磁场强度随之下降，对于定转子的吸引力逐渐减弱，进而拉长磁场力矩，降低拖动力，不定子磁场与转子磁场不匹配，将发生脱节、失步等问题，最终导致转子转速降低，产生低速转矩脉动。
具体可分为以下几点原因。
（一）齿槽转矩脉动齿槽转矩实际上就是绕组构件在断电时，转子永磁体及定子齿之间产生的切向分量，具有周期性波动的特点。
在低速运行的情况下，齿槽转矩将使得电机出现噪声、振动等问题，影响电机正常运行。
从实际情况来看，无刷直流电机主要以梯形波的方式为电枢绕组提供反电动势，进而形成方波电流，但受到波形影响，在此过程中将出现电磁转矩波动问题[1]。
（二）换相转矩脉动换相转矩脉动产生于无刷直流电机在导通状态下发生换相动作的过程中。
电机绕组实际上属于感性负载元件的一种，在换相时，导通及关断电流将出现续流情况，导致电流的变化速率不同。
无刷直流电机采用了电子换相的方式确保电机平稳工作，但需注意保证其换相信号的精确性。
通过观察可知，通电线圈的状态会随换相动作发生改变，但其原有的互感及电感将阻碍电流变化，造成力矩异变，实际脉动值高于标准值的50%，极大降低了无刷直流电机的工作精确性[2]。
永磁同步电动机齿槽转矩的测量方法图解
永磁同步电动机齿槽转矩的测量方法图解齿槽转矩是指永磁同步电动机绕组开路时，电机回转一周内，由于电枢铁心开槽，有趋于最小磁阻位置的倾向而产生的周期性转矩。
永磁同步电机的三相绕组在不通电且绕组开路的情况下，用手轻轻转动转子，你会感觉到转子上面有一个力在与你较劲。
这个力在一圈的范围内大小不均匀，而且会发现转子具有若干个定位点。
在自然的状态下转子保持在这些定位点，只有外界施加一定的力，才能改变转子的位置，正因为这样齿槽转矩也被称为定位转矩。
齿槽转矩的产生主要是由于定子齿槽的存在，齿槽转矩的产生会造成电机运行中的振动、噪声、启动和调速控制困难。
如何抑制或消除齿槽转矩一直是永磁电机研究的重要方向，准确测量齿槽转矩可以为永磁电机设计和控制提供帮助，下面本文对几种齿槽转矩测试方法进行对比介绍。
一、传感器的动态测量方法测量齿槽转矩图示1：使用传感器的动态测量方法示意图如图1所示，被测电动机通过转矩传感器与制动器(例如磁粉制动器)相连，制动器加载，被测电动机稳速运转，从转矩测试仪直接测量转矩瞬时值(图2)，在测得的转矩值中求得齿槽转矩值。
图示2：转矩测试仪测得的转矩瞬时值这种测量方法测得的转矩包含了被测电动机自身的齿槽转矩、控制器控制引起的脉动转矩(闭环控制运行条件下情况更为复杂)和负载引起的脉动转矩。
所以为了能得到最接近真实的齿槽转矩，测试时需注意几点：1) 要求负载自身的脉动转矩要小(建议采用磁粉制动器)；2) 要求传感器系统的采样速率要高(建议3K以上)，能实现动态转矩测量；3) 要求转矩检测仪器能够进行数据处理。
二、步进电机的静态测量方法测量齿槽转矩图示3：使用步进电动机的静态测量方法示意图如图3所示，将步进电动机、转矩传感器和被测电动机固连载同一轴线上，通过控制脉冲数使步进电动机精确地将被试电机转子旋转一定角度后，步进电动机利用自身的保持转矩作为转矩传感器的一个固定端，这样齿槽转矩就作用在转矩传感器上，从测试仪可以直接独处齿槽转矩。
无刷电机电磁噪音振动的最主要原因分析和有效解决途径
这个板块中关于噪音的问题非常多。
在此我总结了1下，只从最常见发生机率最大也是刚刚开始做无刷最容易忽视的情况做1个分析和有效解决方案，我看好多的噪音求助就属于我下面要说的噪音种类了。
先说这种情况下的原因，解决方案相信大家看完了就应该知道怎么做了。
所有的电动机均呈现某种形式的齿槽效应。
齿槽效应越低电动机转动越平稳。
在电动机和电动机的铁芯结构中的磁体所产生的非均匀磁场形成了齿槽效应：当转子中的磁体切割定子齿时产生磁力。
当磁力从1个齿转到另外1个齿时，磁力帮助或阻止转动，使转子有规律的加速或者减速。
不均匀的磁拉力产生的齿槽效应。
电动机转动不平稳会引起速度脉动和转矩脉动、效率损耗、振动和噪音。
速度脉动是指全过程内的速度变化或者速度波动；而转矩脉动则描述了全过程内的转矩变化，槽中绕铜导线将增加这一效果。
而从1个齿到另外1个齿的不平衡拉力也在转子中产生了径向偏差，根据这一个产生的齿槽效应的强弱，相应幅度的电磁振动和电磁噪音将随之出现。
这种情况在无刷电机中表现最为明显。
根据这个基础在保证满足基本性能要求情况下，调整相关参数或气隙或磁钢磁场强度或者其他，只要是减弱齿槽效应的就可以，相对来说已经做好的电机调气隙是最方便的，直接降低了气隙磁密，这样可以解决或者削弱90%（这里不是说噪音的幅度是说电磁噪音的种类）以上的电磁噪音，只不过需要牺牲其他方面的性能。
具体调整矛盾的程度自己把握控制。
至于为什么，因为不管是电枢结构或者是电磁参数不当或者材料共振频率或者其他原因所形成的电磁振动噪音最终要表现于外时，必须得通过1个途径，那就是气隙。
控制了气隙也就可以直接影响电磁振动。
这里要说明一下电磁振动是电磁噪音的声源，他们本为1体，只不过因为其他相关原因表现出来的幅度不同而已。
这里我有点疑惑，这个相对于做过成熟的无刷设计者来说应该是众所周知了的问题吧？为什么没人把它明白的说出来，这个论坛上我没见到人说，只看见到处的噪音求助和讨论。
永磁同步电机齿槽转矩分析与控制总结
永磁同步电机齿槽转矩分析与控制总结齿槽转矩是永磁电机固有的特性，它会使电机产生转矩脉动，引起速度波动、振动和噪声，当转矩脉动的频率与电机定、转子或端盖的固有频率相等时，电机产生共振，振动和噪声会明显增大。
齿槽转矩也会影响电机的低速性能和控制精度。
1.齿槽转矩定义：转子在旋转过程中,定子槽口引起磁路磁阻变化, 转子磁通与定子开槽引起的气隙磁导（磁阻的倒数）交互作用在圆周方向产生的转矩为齿槽转矩。
齿槽转矩也称定位转矩，它的产生来自永磁体与电枢齿间的切向力，使转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势.2.齿槽转矩影响因素：齿槽形状、磁极极弧系数、永磁体形状、极槽配合、气隙、磁场强度等.3.齿槽转矩每机械周期齿槽转矩周期数：N co=LCM（Z，2p），Z为槽数，2p为极数,LCM表示最小公倍数.4.齿槽转矩一个周期机械角度为：θsk=360°／N co5.齿槽转矩基波频率为： f c=N co n s=N co fpn s=fp(r/s)为同步转速，p为极对数，f为电源频率.6.齿槽转矩的通用表达式：T co=∑T n∞n=1sin(nN coθ+ϕn)n=1时对应的齿槽转矩的基波幅值为T1, θ为转子机械角位置.7.齿槽转矩的计算：齿槽转矩可以通过计算响应区域的磁能积得到，T ec=dW cdθ，式中，磁共能：W c=∫Bθ22μ0d(υr)(J)对气间隙区域应用麦克斯韦张力张量法计算齿槽转矩，有：T ec=LL gμ0∫rB nS gB t ds，L为有效转子长度；L g为气隙长度；μ0为自由空间磁导率；r为虚拟半径；B n和B t为气间隙磁通的径向和切向分量；S g为气隙表面积.8.降低齿槽转矩措施：1)无槽绕组：采用无槽绕组可以完全消除齿槽转矩，但气隙磁通密度会降低，需要增加永磁体的材料（高度）.2)定子斜槽：通常定子斜槽等于一个槽距，可将齿槽转矩降为零，但定子斜槽减小电动势，电机性能会下降，转子偏心情况，斜槽有效性降低。
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齿槽转矩脉动
齿槽转矩是由转子的永磁体磁场同定子铁心的齿槽相互作用，在圆周方向产生的转矩。
此转矩与定子的电流无关，它总是试图将转子定位在某些位置。
在变速驱动中，当转矩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。
解决齿槽转矩脉动问题的方法主要集中在电机本体的优化设计
上。
（1）斜槽法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。
实践表明，采用斜槽角度为10°时，齿槽转矩的基波转矩幅值相当于直槽时的90％，3次谐波幅值相当于直槽时的30％，5次谐波幅值相当于直槽时的19％。
值得注意的是，为产生恒定的电磁转矩，反电动势波形必须是平顶宽度大于120°的理想梯形波，而斜槽或斜极引起的绕组反电动势的正弦化将会增大电磁转矩纹波。
因此，选择合适的斜槽角度是有效抑制齿槽转矩脉动的关键。
（2）分数槽法该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。
（3）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布更加均匀，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。
（4）闭口槽法闭口槽即定子槽不开口，槽口材料与齿部材料相同。
因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。
（5）无齿槽绕组为了消除齿槽转矩脉动，可采用无槽绕组的永磁无刷直流电机，这种结构的电机定子可使用非导磁铁心的无齿槽空心杯定子结构（见图），能够彻底消除了齿槽转矩脉动的影响；但绕组电感显著减小，一般只有几μH到几十μH，因此定子电流中的PWM分量非常明显。