了解转矩脉动、齿槽转矩和止动之间的区别

在一个完美的世界中，定位轴可以将负载快速准确地传递到所需的位置。不幸的是，现实并非如此。电机由于磁场的相互作用而产生转矩。这些磁场是各向异性的，这意味着它们产生的转矩是不同的。这是否会产生问题取决于应用程序。在本文中，我们将讨论围绕扭矩变化的三个术语，阐明所涉及的机制以及它们对设计的意义。

转矩脉动
虽然电机的具体规格差别很大，但基本部件是转子和定子（参见教程：有刷直流电机).最常见的情况是，转子与负载相连，并由于转子磁场与定子磁场之间的排斥作用而旋转（见图1）。为了保持电机转动，转子的磁定向必须定期切换方向。发生这种情况的频率取决于转子/定子中的磁极数，磁极数从2到N不等。

磁场之间的相互作用呈正弦曲线，这意味着磁场随转子角度呈非线性变化。最终结果是峰值扭矩随时间的变化而波动（见图2）。增加磁极数可以降低转矩脉动水平，但在一定程度上始终存在。

添加更多的轮询会增加成本和复杂性，但对于需要非常平滑运动的加工等应用来说，这可能是最好的解决方案。

齿槽和止动
齿槽和止动转矩为开路转矩，而转矩波动仅在电机通电时发生。齿槽是永磁有刷、无刷或交流同步电机的一个特征。当转子齿侧面与定子齿侧面对齐时，产生齿槽转矩，电机需要转矩来打破这种吸引力。

似乎普遍认为齿槽转矩和止动转矩指的是相同的现象。这两个词的意思是否相同，这是一个需要讨论的问题。“我认为它们是一样的，”Aerotech Inc.产品管理总监约瑟夫·普洛夫塔（Joseph Profeta）说，“如果你看看齿槽转矩，它基本上是由于磁场异常造成的，而磁场异常通常是由磁铁的特定方向引起的。”

“这两个术语的定义没有很好的基础，它们在运动控制市场的许多领域都混淆了。”该公司总裁丹·琼斯说Incremotion公司。（千橡树，加利福尼亚州）。“大多数伺服电机专业人员不设计步进电机，反之亦然，因此，你实际上看到的是两种不同类型的电机专业人员，他们的混合效果并不好。齿槽已经变得更加重要，因为无刷电机中要做的工作要多得多，所以今天你会听到更多齿槽，而不是止动。”

这两个术语的重要之处并不是它们描述了不同的物理机制——它们没有——而是这些机制的效果和价值因环境而异。在步进电机的情况下，通过引入步进操作，拘禁实际上可能改善定位性能。在步进电机的早期，在微步进电机发展之前，工程师们将制动称为保持扭矩，这有助于系统在没有动力的情况下保持位置。

在伺服电机的情况下，齿槽扭矩影响电机的性能时，它开始或结束一个移动。根据运动要求，齿槽可以阻止伺服电机定位到所需的精度水平，但在大多数情况下，这不是一个问题。“有一种看法认为，如果一个永磁体电机有很大的齿转矩，那就不是一个好电机，但事实并非如此，”电机设计师、IEEE研究员吉姆·亨德肖特说永磁无刷电机与发电机设计. “一旦给电机通电，齿槽转矩就会消失。”例如，对于自动测试等点对点移动，齿槽不会出现问题。测量发生在系统停止时，而齿槽发生在移动的开始和结束时。

打击接头
电机设计师有许多工具可以用来对付齿槽。一种常见的方法是使转子倾斜，从而使齿与定子磁极成直线交叉，而不是倾斜交叉，从而使效果更加平缓。

常识认为，倾斜会增加成本，但不一定非得如此。在某些情况下，制造商堆叠叠片，插入槽衬，并插入线圈。只有这样，他们才倾斜堆栈，然后他们沿着外径焊接零件以将其锁定到位。该工艺基本上与传统制造相同，但焊接操作发生在线圈就位后，而不是之前。

另一种减轻齿槽效应的方法是选择分数槽组合，其中定子槽数除以转子极数为非整数。因此，只有定子磁铁的一侧与转子槽对齐。槽的边缘不能与磁极对齐，从而降低齿槽转矩。

通量聚焦也可以有效，Profeta说。“磁通聚焦磁铁往往是较小的磁铁，强度不同，因此当你观察磁场与线圈相互作用时，磁场非常均匀，当你使用该电机时，不会出现任何‘齿轮’，”他观察到。

另一种避免齿槽的方法是采用无芯设计。无芯电机的转子由无芯斜绕线组成。它们提供较低的惯性和电感，以及零齿槽。当然，与工程中的所有事情一样，也存在权衡。无齿设计可能提供更平滑的扭矩，但这是以降低扭矩为代价的。对于恒速和轮廓应用，无芯电机可能提供最佳效果。

对于以恒定速度移动的应用程序，齿槽的频率取决于速度。通过选择适当的驱动和设计控制回路来最小化该频率的增益，系统设计者可以最小化齿槽的影响。

最后，工程师们可以开发一种包括齿槽但通过控制算法补偿性能的电机。“如果你做的是中等精度的工作，那会非常好，”Profeta说。

权衡
最终，这是一个折衷的问题。对于许多应用，齿槽转矩几乎没有影响。然而，在连续运动应用（如扫描或轮廓）的情况下，齿槽可能是一个问题。“制造或检验，这些往往是某种轮廓移动，需要平滑运动，”Profeta说。“即使您正在执行定位应用程序，定位也会影响您。您必须问问自己您正在执行的定位应用程序是哪种类型的，这是否有意义。”

其他需要无齿槽性能的应用包括那些需要即时精度的应用，例如定位望远镜来捕捉特定的事件。该系统需要精确地移动以跟踪目标，并且需要在第一时间正确地移动。即使是一个由齿轮啮合引入的小错误，也可能导致捕获和错过事件之间的差别。相比之下，用步进电机将固定数量的药物注入安瓿瓶的泵可能就能很好地工作。用小的微步脉冲脉冲脉冲泵将提供必要的量在允许的误差。

最终，它会回到应用程序中，”琼斯说。“系统试图实现什么，所需的精度、可重复性和速度是什么？”在考虑这些因素的情况下做出设计选择，系统就会成功。