倾斜齿槽设计可以有效减少永磁电机的80%齿槽转矩脉动

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。

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%。