削弱新型永磁步进电机齿槽转矩的不同设计措施及其对比 (2005年)

齿槽转矩是引起永磁步进电机振动、噪声甚至影响其安全运行的主要因素.在描述该种电机结构的基础上，研究了供电方式对电磁转矩的影响，分析了削弱永磁步进电机齿槽转矩的不同设计措施，给出了其齿槽转矩的数学表述.以一台永磁步进电机样机为例，用有限元法计算了几种不同设计措施对电机齿槽转矩的影响，并进行了对比研究，从而为该种电机的设计提供了可以借鉴的理论依据.图8，表1，参8. ### 削弱新型永磁步进电机齿槽转矩的不同设计措施及其对比 #### 摘要 本文探讨了永磁步进电机中的一个重要问题——齿槽转矩（Cogging Torque），它是导致此类电机产生振动、噪声并可能影响其正常运行的主要原因。文章在详细介绍电机结构的基础上，分析了供电方式对电磁转矩的影响，并提出了多种削弱齿槽转矩的设计措施。通过对比不同设计措施的效果，为永磁步进电机的设计提供了有价值的参考。 #### 1. 引言 永磁步进电机因其结构简单、运行可靠及易于控制等特点，在多个工业领域如汽车电器、电动工具和家用电器中广泛应用。然而，齿槽转矩的存在成为了一个不容忽视的问题。它会导致电机产生较大的振动和噪声，严重时甚至会影响电机的平稳运行。特别是在面贴永磁的步进电机中，这一现象更为显著。因此，如何有效地减少齿槽转矩成为了电机设计中的一个关键课题。 #### 2. 电机结构与供电方式 本文讨论的永磁步进电机是一种采用转子面贴永磁的大步距角步进电机。其特点是定子为两相4凸极，而转子为6极结构。这种电机可以通过两相单4拍供电方式或两相双4拍供电方式进行驱动。两相双4拍供电方式相比单4拍供电方式能够提供更高的平均转矩，如图2所示。 #### 3. 齿槽转矩的产生机制与削弱措施 ##### 3.1 产生机制 齿槽转矩是由于电机静止时定子和转子之间的磁性相互作用而产生的。当电机旋转时，由于磁场的变化，会在电机内部产生周期性的转矩波动，即齿槽转矩。这种转矩波动是永磁步进电机特有的现象。 ##### 3.2 削弱措施 针对齿槽转矩的问题，研究者们提出了多种设计上的改进措施，主要包括： 1. **转子分段扭斜法**：通过将转子分割成多段并以一定的角度错开，可以有效地减小齿槽转矩。这种方法尤其适用于难以实现整体斜置的电机结构。如图3所示，如果分段数足够多，可以显著降低齿槽转矩。 2. **改变定子和转子的几何参数**：例如，通过调整极弧系数、增加或减少定子和转子的极数等方式来减小齿槽转矩。 3. **采用特定的磁钢材料**：选择特定的磁钢材料也可以有效改善齿槽转矩的情况。 4. **优化供电策略**：如采用谐波电流控制、力矩观测控制等方法。 #### 4. 实验验证 为了验证这些设计措施的有效性，作者以一台具体的永磁步进电机样机为例，运用有限元分析法模拟了不同设计措施下齿槽转矩的变化情况。结果显示，采用上述措施确实能够有效降低齿槽转矩。 #### 5. 结论 通过对永磁步进电机齿槽转矩的研究，本文提出了一系列有效的设计改进措施，并通过实验验证了这些措施的有效性。这些成果对于提高永磁步进电机的整体性能，尤其是在降低振动和噪声方面具有重要意义。 --- 齿槽转矩是永磁步进电机设计中必须考虑的关键因素之一。通过采取合理的结构设计和供电策略，可以显著降低齿槽转矩的影响，从而提高电机的工作效率和平稳性。未来的研究可以进一步探索更多创新的设计方案和技术手段，以更好地解决这一问题。