齿槽转矩对电机性能的影响有哪些（齿槽转矩对电机性能的影响大吗）

齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时，永磁体与定子铁心相互作用产生的转矩。它是由永磁体和定子齿之间的相互作用力的切向分量的脉动引起的。当电机转子旋转时，永磁体两侧的磁导在与定子齿槽相对应的小范围内发生较大变化，引起磁场储能的变化，从而产生齿槽转矩。

齿槽转矩会导致永磁电机出现转矩脉动，进而导致速度波动。扭矩脉动也会引起电机的振动和噪声。当脉动转矩的频率与电枢电流谐振频率一致时，就会发生谐振，必然放大齿槽转矩的振动和噪声。它严重影响电机的定位精度和伺服性能，尤其是低速时。

齿槽扭矩图

齿槽扭矩产生机构

齿槽转矩是电枢绕组不通电时，永磁体与电枢铁心之间的齿槽相互作用产生的周向转矩。该扭矩随着转子位置的变化而变化。因此它是脉动扭矩。它是由永磁体和定子齿之间的切向合力产生的。切向力总是试图使永磁体磁场的轴线与定子齿的轴线对齐，从而使转子趋于定位在某个位置。也可以简单理解为，当磁路磁阻分布不均匀时，磁力线总是沿着磁阻最小的磁路靠近，这就是“磁路磁阻最小原理”磁路”。

从能量角度来看，齿槽转矩是由永磁体产生的磁场能量变化引起的，而磁场能量与转子的角度有关。由于磁场能量表达式的复杂性，由磁场能量偏微分得到的齿槽转矩的解析解必然很复杂。下面提到的所有减弱齿槽转矩的方法都是为了减小磁场能量偏微分的波动。

齿槽扭矩弱化法

学者们对削弱齿槽转矩进行了大量的研究。这些方法可以概括为三类：

电机总体考虑：采用分数槽绕组；

定子侧考虑：定子斜槽、定子齿辅助槽、槽宽优化；

转子侧考虑：转子磁极弧度系数、气隙不均匀、转子倾斜磁极、磁极偏移。

采用分数槽绕组

考虑到槽数Z和极数2p的组合与齿槽转矩的关系，一般认为基波齿槽转矩的周期数越大，其幅值越小，因此定子槽数Z和应选择最小公倍数较大的转子极。 2p 号组合。

使用分数槽绕组电机降低齿槽转矩的原理是，其定子的每个槽处于不同的磁场位置，因此它们产生的齿槽转矩的相位不同。叠加结果不仅改善了基波齿槽转矩。时刻的周期数可能会导致相互补偿。在整槽绕组电机中，每个磁极下的齿槽的数量和位置都相同，并且所有磁极下产生的齿槽转矩同相。 2p极的齿槽转矩叠加，使总齿槽转矩更大。为增加。

作者模拟了同样的9槽定子冲孔，转子分别为6极和8极。两种解决方案都是分数槽电机，但齿槽转矩也有很大不同，因为它们的Z分别是2p的最小公倍数。参见图18和72。9槽6极电机的峰值齿槽转矩为30mNm，而9槽8极电机的齿槽转矩为2mNm。

不同极数的齿槽转矩

转子磁极弧系数

极弧系数是指磁极弧宽度与磁极节距的比值。对于整槽电机，对于表贴式永磁磁极，一般认为，当极弧宽度接近槽距的整数倍时，有利于减小齿槽转矩。对于分数槽电机，如9槽8极电机，通过有限元仿真分析，极弧系数为0.89/0.78/0.67时，齿槽转矩较小；当4极6槽电机极弧系数为0.67时，齿槽转矩较小。

不同槽型的齿槽扭矩

气隙不均匀

通常电机定子和转子之间的气隙设计得均匀，磁体下方气隙的磁密度分布会更接近谐波较多的梯形波。如果改为不等气隙，即磁体中心气隙较小，极尖处气隙较大，则磁体下方气隙磁通密度分布将接近正弦波，这将有助于减少齿槽扭矩。

在内转子的表贴式电机中，如果弧形永磁体的内径和外径为同心圆，则永磁体的厚度相等，气隙均匀。如果内外径不同心，磁体厚度不等，会使电机气隙不均匀，降低齿槽转矩。

不均匀气隙转子结构

转子斜极、定子斜槽

齿槽转矩基波的周期数等于定子槽数Z与转子极数2p的最小公倍数N，即齿槽转矩基波的周期对应于机械角度360/N。因此，如果定子铁芯倾斜角或转子磁极倾斜角为360/N，则可以消除齿槽转矩的基波。

采用斜极、斜槽会导致电机反电动势减小，电磁转矩减小。定子歪斜将使插入绕组变得更加困难，并且电机将产生轴向力。技术上通常采用转子分段位错法来近似斜极。例如，如果对转子段数进行参数分析，当转子段数达到5段时，齿槽转矩可以完全忽略。

转子交极结构

磁极位移

磁极偏移类似于转子磁极的分段不对中。只有2p磁极才能将原来的均匀位置改为圆周偏移。这相当于在一个基波齿槽周期内具有分段磁极2p段，除了2p次及其多次谐波之外，其他齿槽转矩均被削弱。然而，磁极偏移会带来转子磁拉力不平衡的问题。例如，对于4极24槽电机，采用磁极偏移法后，齿槽转矩从0.2Nm降低到0.02Nm。笔者曾经拆解过瑞诺的伺服电机，该电机利用磁极偏移来降低齿槽转矩。

磁极偏置结构

定子齿辅助槽

通过在定子齿上开设辅助槽来减小齿槽转矩的原理是增加齿槽转矩基波的周期数。辅助槽引起的齿槽转矩补偿了原始槽齿槽转矩，从而增加了总齿槽转矩。力矩振幅减小。打开辅助槽还可以增加等效气隙并有助于降低齿槽扭矩。文献提到，对于18槽12极电机，当定子有两个槽时，齿槽转矩循环数增加了3倍，齿槽转矩减少了约3倍。对于4极6槽电机，当定子开两个辅助槽时，齿槽转矩从1.04Nm下降到0.2Nm。

定子开口辅助槽结构

缺口宽度优化

定子槽的存在是产生齿槽转矩的主要原因。一般认为槽宽越小越好。对于整槽电机，通过有限元仿真分析，齿槽转矩随槽宽单调增大。针对12槽14极电机等分数槽电机，进行了有限元仿真分析。当槽宽为3.45mm时，齿槽转矩约为槽宽为2mm时的6%，约为槽宽为4mm时的10%。 %。对于分数槽电机，较小的槽宽度并不总是更好，有可以优化的槽宽度选项。

无槽绕组

最彻底、最简单的方法是采用无槽绕组结构。电枢绕组粘贴在光滑转子的表面，也制成动圈，或者是盘式电机的印刷电路绕组。无论采用哪种形式，电枢绕组的厚度始终是实际厚度。作为气隙的组成部分，无槽电机的实际等效气隙比齿槽电机大得多，所需的励磁磁势也大得多，这限制了无槽电机在国内的容量和发展。早些年。这个国家确实很早就在研究、试制了，但是没听说有哪家公司可以量产。英国有一家公司专门生产这种电机，广泛应用于一些航空领域。

审稿人：彭静