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倾斜齿槽设计可以有效减少永磁电机的80%齿槽转矩脉动

2020-05-15 11:41:17     来源:老赵说制造        

【大比特导读】当电机反向驱动时,齿槽也会产生相应的变化转矩,在(非齿轮)定位系统中,由于转子倾向于锁定在电机转子和定子对齐的位置,齿槽也会影响定位精度。

齿槽转矩(Cogging torque)也称为齿形转矩或无电流力矩,是永磁马达的转子磁铁和定子齿槽之间产生的力矩,在定子没有电流时就会出现。简单的说,就是因为电机內部磁场分布导致的磁阻力,齿槽转矩与转子位置有关,随着转子位置会有周期性的变化,也与旋转规则和定子齿槽、转子磁铁个数有关。齿槽转矩是当转子齿侧与电机内定子齿侧对齐时产生的,我们可以认为永磁电机既有磁路又有电路,当转子和定子的齿槽对齐时,磁路中的“电阻”是最低的。

齿槽转矩的危害

齿槽转矩是一些永磁电机设计中不理想的特性,它在步进电机中也被称为“止动”或“无电流”转矩。齿槽转矩在低速时会很明显,会让电机的运转不平順,是电机的运作不希望出现的特性。齿槽转矩会影响电机转矩,也会影响速度波形,若在高速运转时,齿槽转矩的影响会因为电机惯量的滤波而变小。附加振动、噪音和更复杂的起动在这种情况下,设计会变得很难。

电机

齿槽效应

当我们转动一个无动力的电机轴(例如用手指)时,你可以感觉到它从当前点“跳跃”到另一个点“沉淀”。这些跳跃中所经历的扭矩是脱离当前转子/定子对中并进入下一个转子/定子对中所需的扭矩。当驱动时,电机的齿槽转矩是不可取的,特别是在低速时,因为它会引起电机的输出转矩脉动。在更高的转速下,转子的惯性会使波纹平滑,使其不那么明显,可以在下图中看到齿槽转矩的脉动。

当电机反向驱动时,齿槽也会产生相应的变化转矩,在(非齿轮)定位系统中,由于转子倾向于锁定在电机转子和定子对齐的位置,齿槽也会影响定位精度。

齿槽解决方法

有许多方法可以减少齿槽,但几乎所有的方法都是通过改变电机的设计,大多采用优化磁体尺寸,定子槽或磁铁歪斜,改变定子开槽宽度等。由于齿槽转矩取决于机器的几何参数,因此,减少扭矩是机械设计的主要任务。

在定子磁场,转子中没有永久磁路元件,这意味着不存在转子和定子磁路不对准的情况。另一种方法是增加电动机使用的极数,7极电机的齿槽转矩比3极电机低,齿槽位置之间的夹角较小。高转矩多极电机的一个有用的方法是“倾斜槽”,如图下所示。这些电机也被称为“扭曲槽”电机,但这种齿槽的减少是有代价的,扭槽电机效率较低。因为每个转子槽的端部与定子槽重叠,这意味着驱动时磁场相互作用的区域较小(这也是降低齿槽的原因)。

定子槽或转子极的倾斜,意思是歪斜定子(转子)铁心一侧偏离中心轴产生几度的夹角,倾斜允许消除齿槽转矩或将其减至最小。然而,偏斜使生产过程复杂化,它提高了产品的最终价格。槽的歪斜也可能使电枢组复杂化卷绕,减少槽的有效面积,增加导线长度。为了使转子的磁极倾斜,我们需要形状复杂的磁铁,因此会增加设计成本。

开槽量宽度减小会使齿槽转矩脉动减小,宽度开口的大小受到定子槽中的绕组影响。如果槽开口宽度等于极间距离,会进一步降低齿槽转矩脉动的可能性,下图为没有倾斜槽的转子。

最后一种更先进的方法是可以用于带有编码器的电机,从编码器可以调制电流驱动到电机,以补偿一些齿槽转矩波动,并用电子驱动技术使其平滑。

结论

齿槽转矩对一个对电机转动是有害的,但在许多应用程序中,它并不存在任何重大问题。如果齿槽脉动影响到我们电机的使用,最快的方法是转移到无刷电机方案上。如果无刷电机设计不能满足应用环境,我们可以采用一些更先进的技术(例如,降低电机的扭矩密度)。使用定子槽倾斜,同时齿槽开口等于极间距离,能有效地解决齿槽转矩脉动的80%。

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