电机NVH控制：齿槽转矩的原因 & 如何削弱齿槽转矩？

在现代工业和精密制造领域，电机的噪声、振动和声振粗糙度（NVH）控制至关重要。其中，齿槽转矩是影响电机性能的一个关键因素。本文将深入探讨齿槽转矩的产生原因，并提供一系列削弱齿槽转矩的有效方法。

图1 齿槽转矩

齿槽转矩的产生原因

齿槽转矩是永磁电机在绕组不通电时，由于永磁体与定子铁心之间的相互作用而产生的转矩。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。

齿槽转矩的存在会引起电机的转矩脉动，进而导致速度波动，产生振动和噪声。特别是在低速时，齿槽转矩的影响更为严重，严重影响电机的定位精度和伺服性能。

齿槽转矩削弱方法

为了提高电机性能，学者们提出了多种削弱齿槽转矩的方法，主要可以归结为以下几类：

1.  电机总体考虑 ：采用分数槽绕组。通过选择最小公倍数较大的定子槽数和转子极数组合，可以降低齿槽转矩的幅值。

案例：仿真相同的9槽定子冲片，转子分别为6极极8极，两种方案均为分数槽电机，但齿槽转矩也有很大差异，因为他们的Z与2p的最小公倍数分别为18和72。9槽6极电机的齿槽转矩峰值为30mNm，而9槽8极电机齿槽转矩为2mNm。

 图2不同极数齿槽转矩

2.  定子侧考虑 ：

    定子斜槽：通过改变定子铁心的槽型，可以减少齿槽转矩。

    定子齿开辅助槽：增加齿槽转矩基波周期次数，辅助槽引起的齿槽转矩对原有槽口齿槽转矩起到抵偿作用。

    槽口宽度优化：通过有限元仿真分析，可以找到最优的槽口宽度，降低齿槽转矩。案例：对于分数槽电机如12槽14极电机，进行有限元仿真分析，当槽口宽度为3.45mm时，齿槽转矩约为槽口宽度2mm时的6%，约为槽口宽度4mm时的10%。对于分数槽电机，并非槽口宽度越小越好，存在可优化的槽口宽度选择。

3.  转子侧考虑 ：

   转子磁极极弧系数：选择合适的极弧系数可以降低齿槽转矩。例如：分数槽电机情况下，如9槽8极电机，通过有限元仿真分析，极弧系数选择0.89/0.78/0.67时，齿槽转矩较小；4极6槽电机，极弧系数为0.67时，齿槽转矩较小。

图3 不同槽型齿槽转矩

不均匀气隙：通过设计不等气隙，使磁体下的气隙磁通密度分布接近正弦波，有利于降低齿槽转矩。

图4不均匀气隙转子结构

转子斜极：通过转子磁极斜极角度的设计，可以消除齿槽转矩基波。

图5转子错极结构

磁极偏移：通过磁极在圆周方向的偏移，削弱齿槽转矩。

4.  无槽式绕组 ：

采用无槽式绕组结构是最彻底的解决方案，但需要较大的励磁磁势，限制了其在早期的应用。

图6无槽绕组

5.结论

齿槽转矩是影响永磁电机性能的重要因素，通过上述方法可以有效削弱齿槽转矩，提高电机的定位精度和伺服性能。随着技术的发展和创新，未来电机NVH控制将更加精细和高效。