齿槽转矩的原因＆如何削弱齿槽转矩？

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在精密制造和工业自动化的世界里，永磁电机无处不在。它们驱动着我们的机器人、数控机床和电动汽车。然而，即使是最高效的永磁电机，也面临着一个共同的挑战——齿槽转矩。这种在电机绕组不通电时产生的微妙力量，却是影响电机性能的关键因素。

什么是齿槽转矩？

齿槽转矩，也被称为定位转矩，是永磁电机在绕组不通电时，永磁体与定子铁心之间相互作用产生的周期性转矩。简单来说，它是由永磁体与电枢齿之间作用力的切向分量引起的。

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会发生较大变化，从而引起磁场储能变化，产生齿槽转矩。从能量角度理解，这一现象可以看作是磁路磁阻分布不均匀时，磁力线总是沿着磁阻最小的磁路闭合的结果，即遵循“磁路磁阻最小原理”。

齿槽转矩示意图

齿槽转矩的危害不容小觑

齿槽转矩的存在会引起永磁电机的转矩脉动，进而导致速度波动。这种转矩脉动会使电机产生振动和噪声——当脉动转矩的频率与电枢电流谐振频率一致时，会产生共振，放大齿槽转矩的振动和噪声。

在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。这些问题会严重影响电机的定位精度和伺服性能，尤其在低速运行时影响更为严重。

正常情况下，齿槽转矩只占额定转矩的5%-10%，但在高精度应用场合，要求将其控制在1%-2%以内。

如何削弱齿槽转矩？

针对齿槽转矩问题，学者们已经提出了多种有效的解决方案，主要可以从电机整体设计、定子侧优化和转子侧改进三个方面入手。

1. 电机整体设计优化

采用分数槽绕组是一种有效的整体设计方法。通过选择最小公倍数较大的定子槽数（Z）和转子极数（2p）组合，可以降低齿槽转矩的幅值。

分数槽绕组电机的各个槽口所处磁场位置不同，因此各自产生的齿槽转矩相位也不同，叠加结果不但提高了基波齿槽转矩的周期数，还可能产生相互抵偿作用。

例如，相同的9槽定子冲片，配6极转子时齿槽转矩峰值为30mNm，而配8极转子时齿槽转矩仅为2mNm，差异源于它们的Z与2p最小公倍数不同（分别为18和72）。

不同极数齿槽转矩

2. 定子侧优化措施

定子斜槽是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一。这种方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。实践证明，斜槽能使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小。

定子齿开辅助槽可以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。研究表明，对于4极6槽电机，当定子开两个辅助槽时，齿槽转矩可从1.04Nm下降到0.2Nm。

槽口宽度优化也是定子侧重要的优化手段。对于分数槽电机如12槽14极电机，当槽口宽度为3.45mm时，齿槽转矩约为槽口宽度2mm时的6%。对于分数槽电机，并非槽口宽度越小越好，而是存在最佳的槽口宽度选择。

不同槽型齿槽转矩

3. 转子侧改进方法

优化磁极极弧系数能有效降低齿槽转矩。极弧系数α是指磁极极弧宽度与磁极极距之比。对于分数槽电机如9槽8极电机，极弧系数选择0.89/0.78/0.67时，齿槽转矩较小。

采用不均匀气隙是另一种转子侧改进方法。通过设计不等气隙（磁体中央处气隙小，极尖处气隙大），可以使磁体下的气隙磁通密度分布接近正弦波，从而降低齿槽转矩。

不均匀气隙转子结构

转子斜极与定子斜槽原理相似，但工艺上通常采用转子分段错位方法来近似斜极。研究表明，当转子分段数达到5段时，齿槽转矩可以完全被忽略。

转子错极结构

磁极偏移通过将磁极从原来的均布位置改为圆周方向偏移，相当于在一个基波齿槽周期内有分段磁极2p段，能有效削弱齿槽转矩。例如，对于4极24槽电机，采用此方法后，齿槽转矩可从0.2Nm降低至0.02Nm。

磁极偏移结构

定子齿开辅助槽定子齿开辅助槽降低齿槽转矩的原理在于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，从而使总齿槽转矩幅值降低。开辅助槽还使等效气隙增加，也有利于降低齿槽转矩。文献提到对于18槽12极电机，当定子开两个槽时，齿槽转矩周期次数提高三倍，齿槽转矩下降约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。