齒槽轉矩
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-03
齒槽轉矩的視頻教程
手把手教你設計一款8極4.5kW永磁同步伺服電機
1、對伺服電機的基本要求； 2、伺服電機快速建模方法； 3、伺服電機齒槽轉矩計算； 4、伺服電機+驅動器耦合分析
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電磁仿真軟件FLUX安裝視頻教程
FLUX軟件同ansoft maxwell一樣，是一款功能強大的電磁仿真軟件，目前高校和企業運用較多，本人主要運用該軟件進行電機的電感仿真，當然還可以做反電勢、齒槽轉矩等仿真研究，其仿真結果與實驗測試結果一致，滿足工程使用要求。 PS：附件中提供視頻中軟件的下載鏈接，可完美安裝。
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ANSYS直流無刷電機電磁方案設計
課程內容包括但不限于： ?BLDC工作原理 ?理論電磁設計總體流程 ?基于仿真方法設計電磁方案 ?BLDC仿真內容 ?額定工況仿真 ?空載工況仿真 ?齒槽轉矩仿真 ?掃描功角和內功率角得轉矩隨角度變仿真 ?短路電流退磁仿真 ?toolkit計算得到外特性及效率、電壓等Map圖 詳細課程大綱如下
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齒槽轉矩的實例教程
圖14 空載電動勢對比
Fig.14 Comparison of No-load EMF
5 結論
（1）基于能量法提出用二維分段疊加近似替代三維計算的定子混合疊壓電機齒槽轉矩計算方法，并通過仿真分析驗證了二維疊加近似計算混合疊壓電機齒槽轉矩的可行性，簡化了齒槽轉矩的優化分析。
（2）對比分析了不同混合比例下電機的各項性能參數。隨著非晶比例的增大，混合疊壓再制造電機的空載性能基本不變；額定工況下電機損耗降低、效率提高的同時，齒槽轉矩增大，輸出轉矩減小，電機效率提升率逐漸升高，當占比高于50%時趨于穩定；結合成本考慮，對于本款電機，選取再制造定子材料混合比例為1∶1。
（3）對正反斜槽后電機的齒槽轉矩與空載電動勢進行對比分析，正向斜槽對齒槽轉矩的減小效果更好，反向斜槽對空載電動勢幅值的影響較小；在確保空載電動勢幅值的情況下，對于本款電機，正向斜槽數為0.25與反向斜槽數為0.75時，電機的齒槽轉矩最小。
（4）對定子由純硅鋼和純非晶組成的電機齒槽轉矩進行了對比分析，研究了材料對齒槽轉矩的影響。定子采用非晶材料時齒槽轉矩的基波幅值大約是采用硅鋼材料時齒槽轉矩的基波幅值的4倍，其余各次諧波幅值相差不超過10 mN·m。定子材料對齒槽轉矩的影響主要體現在基波幅值上。
（5）仿真分析了不同混合疊壓方式下電機的齒槽轉矩。各次諧波幅值中最大差值約為11 mN·m，在一定的混合比例和總的分段數下，材料的分段數與混合疊壓順序對電機齒槽轉矩，即能量的變化規律影響較小。
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展開 圖14 空載電動勢對比
Fig.14 Comparison of No-load EMF
5 結論
（1）基于能量法提出用二維分段疊加近似替代三維計算的定子混合疊壓電機齒槽轉矩計算方法，并通過仿真分析驗證了二維疊加近似計算混合疊壓電機齒槽轉矩的可行性，簡化了齒槽轉矩的優化分析。
（2）對比分析了不同混合比例下電機的各項性能參數。隨著非晶比例的增大，混合疊壓再制造電機的空載性能基本不變；額定工況下電機損耗降低、效率提高的同時，齒槽轉矩增大，輸出轉矩減小，電機效率提升率逐漸升高，當占比高于50%時趨于穩定；結合成本考慮，對于本款電機，選取再制造定子材料混合比例為1∶1。
（3）對正反斜槽后電機的齒槽轉矩與空載電動勢進行對比分析，正向斜槽對齒槽轉矩的減小效果更好，反向斜槽對空載電動勢幅值的影響較小；在確保空載電動勢幅值的情況下，對于本款電機，正向斜槽數為0.25與反向斜槽數為0.75時，電機的齒槽轉矩最小。
（4）對定子由純硅鋼和純非晶組成的電機齒槽轉矩進行了對比分析，研究了材料對齒槽轉矩的影響。定子采用非晶材料時齒槽轉矩的基波幅值大約是采用硅鋼材料時齒槽轉矩的基波幅值的4倍，其余各次諧波幅值相差不超過10 mN·m。定子材料對齒槽轉矩的影響主要體現在基波幅值上。
（5）仿真分析了不同混合疊壓方式下電機的齒槽轉矩。各次諧波幅值中最大差值約為11 mN·m，在一定的混合比例和總的分段數下，材料的分段數與混合疊壓順序對電機齒槽轉矩，即能量的變化規律影響較小。
展開 對設計需求有以下幾個方面：
在電磁，電氣，熱和機械極限運行條件下進行設計，滿足變化的性能需求；
電機通常在較寬的轉矩-速度范圍內運行；
日益激烈的競爭需要更短的開發周期；
實現高度優化的設計方案；
效率高、轉速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、噪聲低、成本低。
對設計工具的要求：
兼顧磁路法的理論深度和有限元法的高精度，提供專業的前、后處理功能；
電磁和熱的耦合分析必須快速高效以滿足產品研發周期的需求；
電機機械強度的分析需要在電磁設計階段同時進行，以減少設計迭代；
集成控制算法，在全運行范圍內實現電磁-熱-機械快速耦合計算。
本文以一臺永磁電機為例，重點描述永磁電機設計中比較關注的技術問題和解決方案。用簡單明了的語言和精簡關鍵的圖片展示關注問題解決步驟和結果。
齒槽轉矩
齒槽轉矩是永磁電機繞組不通電時永磁體和定子鐵心之間相互作用產生的轉矩，是由永磁體與電樞齒之間相互作用力的切向分量引起的。齒槽轉矩會使電機產生振動和噪聲，出現轉速波動，使電機不能平穩運行，影響電機的性能。在變速驅動中，當轉矩脈動頻率與定子或轉子的機械共振頻率一致時，齒槽轉矩產生的振動和噪聲將被放大。齒槽轉矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統中的低速性能和位置控制系統中的高精度定位。所以做永磁電機研發的工程師希望把自己做的電機的齒槽轉矩降到最小，使用永磁電機的工程師則希望了解手上這臺電機的齒槽轉矩，從而去優化他的控制算法。
有限元法計算齒槽轉矩時，氣隙的網格質量對齒槽轉矩的計算影響很大，為了得到較為準確的齒槽轉矩數值，可以對氣隙做多層剖分，如下圖所示，該電機為8極48槽，轉子是V&“一”槽形。
展開 微調定子小齒結構
降低激磁磁通中高次諧波的有效手段，如如下圖所示，是使轉子齒相對定子齒的節距為不等距角δ1、δ2等，通過不同角度方法降低磁通的高次諧波，減小齒槽轉矩。
兩相電機時，齒槽轉矩由四次諧波構成，設計時主要考慮消除四次諧波。定子與轉子齒距進行微小變化，使部分交鏈磁通減小，距角特性的峰值轉矩減小。目前，銷售的兩相步進電機，除特殊用于制動等方面，一般均采用微調節距或改變形狀構造，減小齒槽轉矩。
下圖為兩相步進電機的例子，齒槽轉矩使距角特性產生畸變。兩相電機的齒槽轉矩為距角特性周期的1/4，即變成四次諧波。定子電流與永久磁鐵轉子磁通的距角特性的理論值為虛線所示的正弦波，此曲線疊加上齒槽轉矩產生的四次諧波，合成為粗線描述的畸變轉矩曲線，距角特性畸變，則成為非正弦波，引起位置定位精度變差，振動和噪音變大。齒槽轉矩的相位由定子與轉子齒相對位置關系決定，定子與轉子齒的微小位置偏移，使各齒產生的四次諧波的相位發生微小變化，起到互相抵消的作用，從而減小齒槽轉矩。
上圖（微調定子小齒結構）所示的微調方式，定子與轉子齒的齒形及相位角δ的偏移量，是各個電機生產廠家重點研究的地方。日本伺服公司對有無微調的電機特性進行了以下比較。
下圖表示兩相步距角1.8°的步進電機在有和沒有微調情況下的細分驅動時的速度-振動特性。無微調電機細分驅動時，如虛線所示，低速區域或中速區域可看到振動的峰值，而使用微調方式，可消除其中大部分的振動。
其次，比較這兩個電機在兩相激磁驅動方式下的速度-噪聲特性，如下圖所示。比較看出，使用微調偏移方式的噪音得到大幅改善。電機速度越快，噪音的降低效果越明顯。
對三相HB型步進電機進行比較，下圖為有無采用微調偏移方法的特性曲線。
展開 ；
圖10 齒槽轉矩隨極弧系數變化曲線
小步長調優分析
調優設置：調優變量的范圍0.6~0.7，調優步長為0.01；
圖11 調優設置
調優求解：勾選Real time，取消勾選Browse available variations，拖動右側滑塊，軟件會自動計算滑塊所對應的變量值，并自動更新曲線；
圖12 調優求解
調優結果：當embrace=0.67時，齒槽轉矩取得極小值；
圖13 調優結果
? 對比：調優結果：當embrace=0.7時，齒槽轉矩取最大值為665.05mNm；當embrace=0.67時，齒槽轉矩取最大值為114.508mNm，下降了82.78%；
圖14 齒槽轉矩曲線@embrace=0.67&0.7
操作視頻.mp4
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齒槽轉矩的最新內容
能測什么：可完成從基礎的電壓、電流、電阻測量，到復雜的效率、溫升、齒槽轉矩、耐久性及路譜模擬等測試 。
電機試驗平臺并非千篇一律，針對不同類型和行業的電機，其測試平臺也有很大差異。下面是一些常見的類型和應用實例：
旋轉電機試驗平臺
測試對象：新能源汽車驅動電機、工業伺服電機、家用電器電機 。
主要特點：測試項目全和面，覆蓋電氣特性、負載性能、溫升等 。
總結
一個完整的電機試驗平臺技術參數表，是由 “能力邊界指標”（功率、轉速、扭矩）、“適配約束指標”（電壓、電流、尺寸）、“品質衡量指標”（精度、分辨率） 和 “特色功能指標”（齒槽轉矩、振動、環境模擬） 共同構成的有機整體。
如需要更深入的分析（通常用于實驗室環境，但也適用于產品下線檢測），可采用有負載的循環工況（負載測試），進一步評估轉速、扭矩、功率和效率、齒槽轉矩/扭矩紋波等。
借助eDrive功率分析儀的強大功能，HBK為任何類型的電機（直流電機或交流電機，同步或異步）和電橋的生產線下線檢測提供了評估不同功能參數的專用解決方案，幫助客戶滿足對安全和性能的要求，并將生產轉向更高質量等級。
這是減少齒槽轉矩（改善啟動平順性）、抑制轉矩脈動（提升運行平順性）、降低特定階次電磁振動與噪聲的核心技術。進階技術如V形斜極、交叉斜極能進一步優化效果。但需注意，分段增加會導致軸向電磁力增大和磁漏增加，設計時需精細平衡諧波削弱效果與軸向力影響。
利用磁場解析法，計算定子磁勢諧波、轉子磁勢諧波、氣隙磁勢諧波、氣隙磁通密度諧波、氣隙磁力密度諧波、單邊磁拉力諧波、電磁轉矩諧波、齒槽轉矩諧波等（這里稱諧波時也包含基波）。利用解析公式對結果理論說明，明晰結果與電機參數的關系，充分發揮理論解析在多諧波分析計算中的獨特優勢，消除有限元數值算法引起虛假結果的干擾。
宇樹A1機器人關節電機計算結果及仿真報告解讀
1 計算結果
負載工況點性能 T-N曲線 最大轉矩曲線
齒槽轉矩曲線 效率MAP圖 輸出功率MAP圖
穩態溫度分布圖 溫升包絡曲線 等效輻射聲功率級瀑布圖
（注：以上圖片在推文中以橫屏滾動方式展現，單圖可點擊放大）
2 設計報告解讀
（宇樹官網提供的A1 T-N曲線）
軸向磁通電機仿真APP可軸向磁通電機仿真計算，得到電機的磁密云圖、磁密矢量、磁鏈、反電動勢、齒槽轉矩等結果。
軸向磁通電機仿真APP可軸向磁通電機仿真計算，得到電機的磁密云圖、磁密矢量、磁鏈、反電動勢、齒槽轉矩等結果。
APP計算：軸向磁通電機仿真計算 - Simapps Store - 工業仿真APP商店
3、三相感應電機仿真APP
三相感應電機是一種具有啟動性能好、運行平穩、維護方便、小型輕量、絕緣等級高等優點的電機。
下面我們就來看下如何使用伏圖低頻電磁模塊對表面永磁同步電機 (SPMSM)進行仿真分析，并封裝為仿真APP
結語
通過低頻電磁仿真分析可以得出永磁同步電機的空載工況，包括反電動勢、磁鏈、磁感應強度分布、齒槽轉矩等參數，也可以得到負載工況關注的電磁轉矩和功率密度分布等重要參數，工程師可根據這些參數，優化電機設計。
color: rgb(127, 127, 127);">▲永磁同步電機仿真分析案例</span></p><p><br></p><p class="ql-align-center"><strong>結 語</strong></p><p><span style="color: rgb(8, 8, 35);">通過低頻電磁仿真分析可以得出永磁同步電機的空載工況，包括反電動勢、磁鏈、磁感應強度分布、齒槽轉矩等參數
