在現(xiàn)代工業(yè)和精密制造領(lǐng)域，電機(jī)的噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）控制至關(guān)重要。其中，齒槽轉(zhuǎn)矩是影響電機(jī)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。本文將深入探討齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生原因，并提供一系列削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的有效方法。

圖1 齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生原因

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)在繞組不通電時(shí)，由于永磁體與定子鐵心之間的相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體兩側(cè)面對(duì)應(yīng)定子齒槽的一小段范圍內(nèi)磁導(dǎo)發(fā)生較大變化，引起磁場儲(chǔ)能發(fā)生變化，從而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。

齒槽轉(zhuǎn)矩的存在會(huì)引起電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致速度波動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。特別是在低速時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩的影響更為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響電機(jī)的定位精度和伺服性能。

齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法

為了提高電機(jī)性能，學(xué)者們提出了多種削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，主要可以歸結(jié)為以下幾類：

1.  電機(jī)總體考慮 ：采用分?jǐn)?shù)槽繞組。通過選擇最小公倍數(shù)較大的定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)組合，可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值。

案例：仿真相同的9槽定子沖片，轉(zhuǎn)子分別為6極極8極，兩種方案均為分?jǐn)?shù)槽電機(jī)，但齒槽轉(zhuǎn)矩也有很大差異，因?yàn)樗麄兊腪與2p的最小公倍數(shù)分別為18和72。9槽6極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為30mNm，而9槽8極電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為2mNm。

 圖2不同極數(shù)齒槽轉(zhuǎn)矩

2.  定子側(cè)考慮 ：

    定子斜槽：通過改變定子鐵心的槽型，可以減少齒槽轉(zhuǎn)矩。

    定子齒開輔助槽：增加齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期次數(shù)，輔助槽引起的齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)原有槽口齒槽轉(zhuǎn)矩起到抵償作用。

    槽口寬度優(yōu)化：通過有限元仿真分析，可以找到最優(yōu)的槽口寬度，降低齒槽轉(zhuǎn)矩。案例：對(duì)于分?jǐn)?shù)槽電機(jī)如12槽14極電機(jī)，進(jìn)行有限元仿真分析，當(dāng)槽口寬度為3.45mm時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩約為槽口寬度2mm時(shí)的6%，約為槽口寬度4mm時(shí)的10%。對(duì)于分?jǐn)?shù)槽電機(jī)，并非槽口寬度越小越好，存在可優(yōu)化的槽口寬度選擇。

3.  轉(zhuǎn)子側(cè)考慮 ：

   轉(zhuǎn)子磁極極弧系數(shù)：選擇合適的極弧系數(shù)可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩。例如：分?jǐn)?shù)槽電機(jī)情況下，如9槽8極電機(jī)，通過有限元仿真分析，極弧系數(shù)選擇0.89/0.78/0.67時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩較??；4極6槽電機(jī)，極弧系數(shù)為0.67時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩較小。

圖3 不同槽型齒槽轉(zhuǎn)矩

不均勻氣隙：通過設(shè)計(jì)不等氣隙，使磁體下的氣隙磁通密度分布接近正弦波，有利于降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

圖4不均勻氣隙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子斜極：通過轉(zhuǎn)子磁極斜極角度的設(shè)計(jì)，可以消除齒槽轉(zhuǎn)矩基波。

圖5轉(zhuǎn)子錯(cuò)極結(jié)構(gòu)

磁極偏移：通過磁極在圓周方向的偏移，削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

4.  無槽式繞組 ：

采用無槽式繞組結(jié)構(gòu)是最徹底的解決方案，但需要較大的勵(lì)磁磁勢(shì)，限制了其在早期的應(yīng)用。

圖6無槽繞組

5.結(jié)論

齒槽轉(zhuǎn)矩是影響永磁電機(jī)性能的重要因素，通過上述方法可以有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的定位精度和伺服性能。隨著技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，未來電機(jī)NVH控制將更加精細(xì)和高效。