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電機NVH控制：齒槽轉(zhuǎn)矩的原因 & 如何削弱齒槽轉(zhuǎn)矩？
在現(xiàn)代工業(yè)和精密制造領(lǐng)域，電機的噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）控制至關(guān)重要。其中，齒槽轉(zhuǎn)矩是影響電機性能的一個關(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)矩是永磁電機在繞組不通電時，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)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，永磁體兩側(cè)面對應(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)矩的存在會引起電機的轉(zhuǎn)矩脈動，進而導(dǎo)致速度波動，產(chǎn)生振動和噪聲。特別是在低速時，齒槽轉(zhuǎn)矩的影響更為嚴重，嚴重影響電機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. 電機總體考慮 ：采用分數(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，兩種方案均為分數(shù)槽電機，但齒槽轉(zhuǎn)矩也有很大差異，因為他們的Z與2p的最小公倍數(shù)分別為18和72。9槽6極電機的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為30mNm，而9槽8極電機齒槽轉(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：對于分數(shù)槽電機如12槽14極電機，進行有限元仿真分析，當(dāng)槽口寬度為3.45mm時，齒槽轉(zhuǎn)矩約為槽口寬度2mm時的6%，約為槽口寬度4mm時的10%。對于分數(shù)槽電機，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：分數(shù)槽電機情況下，如9槽8極電機，通過有限元仿真分析，極弧系數(shù)選擇0.89/0.78/0.67時，齒槽轉(zhuǎn)矩較?。?極6槽電機，極弧系數(shù)為0.67時，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，可以消除齒槽轉(zhuǎn)矩基波。
圖5轉(zhuǎn)子錯極結(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，但需要較大的勵磁磁勢，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NVH控制將更加精細和高效。
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