永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)試的必要性和方法

玩過永磁電機(jī)的朋友都有過類似的經(jīng)歷：我們?cè)陔姍C(jī)掉電的情況下去轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，發(fā)現(xiàn)會(huì)有一種卡頓的感覺，而不像傳統(tǒng)直流電機(jī)那么順暢的就能把轉(zhuǎn)子徒手轉(zhuǎn)起來(lái)。這種卡頓其實(shí)就是因?yàn)橛来烹姍C(jī)存在齒槽轉(zhuǎn)矩。永磁電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)的固有的特征之一，它是在電樞繞組不通電的狀態(tài)下，由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)同電樞鐵心的齒槽作用在圓周方向上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。它其實(shí)是永磁體與電樞齒之間的切向力，使永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子有一種沿著某一特定方向與定子對(duì)齊的趨勢(shì)，試圖將轉(zhuǎn)子定位在某些位置，由此趨勢(shì)產(chǎn)生的一種振蕩轉(zhuǎn)矩就是齒槽轉(zhuǎn)矩。

圖1.永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使電機(jī)不能平穩(wěn)運(yùn)行，影響電機(jī)的性能。在變速驅(qū)動(dòng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率與定子或轉(zhuǎn)子的機(jī)械共振頻率一致時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲將被放大。齒槽轉(zhuǎn)矩的存在同樣影響了電機(jī)在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。所以做永磁電機(jī)研發(fā)的工程師希望把自己做的電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩降到最小，使用永磁電機(jī)的工程師則希望了解手上這臺(tái)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，從而去優(yōu)化他的控制算法。

在國(guó)標(biāo)GBT/ 30549-2014里對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)試有了明確的定義：電機(jī)繞組開路時(shí)，電機(jī)回轉(zhuǎn)一周內(nèi)，由電樞鐵心開槽，有趨于最小磁阻位置的傾向而產(chǎn)生的周期性力矩。齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)試方法常用的有：杠桿測(cè)量法、轉(zhuǎn)矩儀法。杠桿測(cè)量法比較簡(jiǎn)單，測(cè)量精度比較差，所以主要用于對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。轉(zhuǎn)矩儀法架構(gòu)圖如圖2所示，由于伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩非常小，所以測(cè)試時(shí)需要以一個(gè)非常低的轉(zhuǎn)速來(lái)帶動(dòng)未上電的被測(cè)電機(jī)來(lái)完成測(cè)試，原動(dòng)機(jī)輸出后要先經(jīng)過減速系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)速降至1rpm/min左右，然后帶動(dòng)被測(cè)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，用扭矩傳感器測(cè)試出齒槽轉(zhuǎn)矩。在測(cè)試過程中需要處理好原動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)本身轉(zhuǎn)矩波動(dòng)使得輸出的轉(zhuǎn)速扭矩更加平滑，以減小傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖2.齒槽轉(zhuǎn)矩臺(tái)架架構(gòu)

憑借在電機(jī)測(cè)量領(lǐng)域的深入理解和長(zhǎng)久的技術(shù)積累，推出了專用于電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和摩擦力矩測(cè)試的測(cè)試臺(tái)架。國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》后，各地紛紛吹起了伺服機(jī)器人智能制造的東風(fēng)，意在突破機(jī)器人本體、減速器、伺服電機(jī)、控制器、傳感器與驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)制造等技術(shù)瓶頸。致遠(yuǎn)電子長(zhǎng)久以來(lái)專注伺服電機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試，在控制時(shí)間響應(yīng)、階躍響應(yīng)、頻帶寬度試驗(yàn)等測(cè)試上擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)試臺(tái)的推出更是助力伺服電機(jī)的測(cè)試進(jìn)入一個(gè)更全面的時(shí)代。

圖3.齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)試臺(tái)