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电机齿槽效应的比较

2019-10-12 16:50阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1933911261

挑战


永磁无刷电动机具有各种形状和尺寸，可提供旋转和线性运动。它们以高扭矩密度和高效率而著称。它们通常也被称为无刷直流电动机，无刷交流电动机，同步永磁电动机或伺服电动机。这些机器的基本输出是扭矩（旋转）或力（线性）。
移动时平稳且可预测的扭矩/力是成像，扫描，计量，光子学和跟踪中许多应用的主要挑战。传统的永磁无刷电动机表现出齿槽转矩，该转矩是永磁体与定子齿之间的槽之间的相互作用引起的转矩扰动。齿槽效应是具有角度的周期性转矩，会产生转矩波动（和相应的速度波动），从而在电动机的控制中添加非线性元素。
多年来，已经使用了各种方法来最小化齿槽效应，这些方法包括：电机控制器中的叠片，磁体倾斜，特殊的机械修改和电气补偿。在要求轻负载下平稳运动的大多数应用中，这些方法的成功是微不足道的。

解决方案

无槽电机旨在优化平滑度并以最小的非线性影响创建可预测的扭矩输出。当旋转，空心电动机设计为线性，无槽电动机设计时，通常称为无槽电动机，而在无气隙电动机设计中，它们仅称为铜芯线圈。这些线圈在正确放置后会与永久磁通相互作用以产生力或转矩。由于从电机气隙中去除了不连续的铁齿，因此消除了齿槽
转矩。无槽技术在直接驱动精密系统中特别有效，因为所有扭矩都是相电流的函数，并且不会因电动机而产生不必要或不受控制的扭矩干扰

电机拓扑

永磁无刷电机有两个关键的内部部件。永磁体组件和电磁体组件。在旋转形式中，这两个部分称为转子组件和定子组件。以线性形式，它们是磁道和压力。转子/磁铁轨道由电磁钢部件组成，内部固定或埋有永久磁铁。定子/推力器是具有三相作为最常见结构的多相电磁体。
本技术说明的其余部分将集中于比较和对比无槽式和槽式旋转电机。相同的原理也适用于空心线性电机和执行器。

转子和定子的构造


永磁转子组件

转子组件通常采用带磁铁的钢环或轴的形式。磁体可以是机械离散的，也可以是单个环，其中单个磁场被磁化。
极数与转子组件上的永磁体数直接相关。
极点有时定义为极对，即南北极对的数量。极数是电频率和机械速度之间的传递比率。通常，极数较少的电机在机械上运行得更快，而极数较大的电机在运行上却较慢，但是现代的高带宽电子设备越来越能够从极数很多的电机上实现较高的速度。
下面的图1a展示了一个带有Celera Motion OmniTM系列电机的带有机械离散磁体的转子示例。
Omni系列直接驱动薄型转子-图1
图1a：Celera Motion OmniTM系列直接驱动薄型转子。磁体粘结到转子轮毂环的表面。此示例具有32个磁极，并且磁体在表面上成形以最大程度地减小齿槽转矩。

电磁定子总成

为了使电动机旋转，需要许多电磁相。无刷永磁电动机中通常有三相。这些电磁相通过电动机控制器的电流输出来激励。电机控制器通常使用编码器反馈来监视转子的位置，并在定子相集中创建正确的电流矢量以产生转矩。一旦创建了扭矩，就可以将其与速度和位置一起进行控制，以处理任何运动控制应用。
定子组件通常由带有径向突出齿的软铁叠片组成。这些齿之间的空间称为狭槽，可以插入电磁线圈导线。这种电动机称为开槽电动机。下面的图1b显示了Celera Motion OmniTM系列电机的示例。
常见的直接驱动无框式电动机-图2
图1b：具有高磁极数和环形薄型结构的普通直接驱动无框式电动机。在此示例中，定子的齿和槽清晰可见。电动机中心的灰色环是由磁性材料制成的转子，其磁化了36个磁偏极。注意这些极点的图形近似。倾斜的模式通过轴向改变磁场和磁场来帮助最小化齿槽转矩。

开槽定子

传统的开槽定子设计使用齿将电磁通量聚焦在转子磁体上，并减小磁路中的总气隙。通常每个阶段有多个牙齿。开槽电动机是主要的电动机拓扑，因为它们在扭矩输出，电动机常数，效率和可制造性之间提供了良好的平衡。对于给定的电动机尺寸，开槽电动机通常会产生最高的电动机常数（torque / watt1 / 2）。它们还以最小的惯性提供了高效率和高加速度。
如上所述，定子齿之间的空间允许插入电磁相线。槽是齿槽转矩的主要原因，因为当磁体移动经过每个槽时，它们会产生不连续的磁导率。通常的做法是使定子齿或转子磁铁倾斜或交错，以最大程度地减小齿槽转矩的基本频率。
下面的图2显示了带有倾斜齿的Celera Motion OmniTM系列定子。
轴向偏斜的定子齿-图3
图2：在此示例中，定子的齿和槽清晰可见。偏斜模式通过补偿齿槽转矩的基本频率的偏斜来帮助最小化齿槽转矩。

无槽定子

完美的永磁无刷电机具有正弦转矩输出，具有一定角度且没有更高的谐波失真。无槽电机是最接近该目标的近似值。无槽定子不包含定子齿或它们相应的槽。相线圈围绕定子在空间上定向，以形成电动机运行所需的电磁相位关系。通电后，线圈会产生与开槽电机类似的电磁场，但会导致转矩与角度的关系呈正弦曲线。齿槽转矩为零，因为没有带有相应槽的齿。
下面的图3a显示了Celera Motion AgilityTM系列无槽电机，其转子设计为机械分立的磁体。
下图3b显示了Celera Motion AgilityTM系列无槽电机，其转子设计为单片环形磁铁。
带有8个磁铁的转子-图4
图1：转子在内部，永磁体固定在转子轴上。定子在外面。有一个定子铁环和与该环同心的盆栽线圈。电机中的铁最少，而气隙较大（包括磁铁和铜）。该电机的电感小于1 mh。在相同尺寸下，无槽电机的电感量约为传统电机的25％。
转子-单片环形磁体-图4b
图3b：中心的转子是具有12极的单片环形磁体
对于无槽电机，所有转矩都是施加到绕组的电流的函数。这简化了伺服控制系统，并使操作更平稳。与开槽电机相比，该电机的Kt线性也明显更好。
无槽设计的一个考虑因素是，由于去除了定子齿，转子和定子之间的磁气隙较大。对于给定尺寸的电动机，这导致较低的磁通密度和相应较低的转矩输出。无槽设计的扭矩输出通常是同等尺寸的槽式电动机的70-75％，而Celera运动可以优化许多Agility系列电动机的设计，以实现高达85％的效率。如果对平稳性至关重要，则首选无槽技术，但是如果连续扭矩是最关键的要求，则开槽电动机可能是更好的解决方案。

扭矩与角度曲线

旋转电机的基本输出是扭矩，扭矩是电流和位置的函数。用于分析此现象的最常用方法是转矩与角度的关系曲线。转矩与角度的关系曲线描述了包括齿槽转矩在内的电动机转矩输出，是预测电动机在应用中的性能的最接近的品质因数。可以通过在手动旋转转子的同时给电机通电并测量由扭矩传感器产生的扭矩来测量扭矩与角度的关系。
所有无刷永磁电动机都具有通常呈正弦形状的转矩与角度的关系曲线。它通常包含多个谐波。齿槽转矩是导致严重谐波失真的因素之一。这种变形会在电动机运行时导致转矩波动，并会影响速度波动。
下面的图4和图5说明了齿槽转矩如何成为开槽和无槽电机技术之间的关键区别。图4清楚地表明，当开槽电机未以其满额额定转矩运行时，齿槽效应是输出的相对百分比，转矩脉动明显更高。在图5中很容易看出，转矩与角度的曲线中齿槽转矩为零。
带电角度的转矩波动-开槽电动机-图5
图4：紫色曲线是理论正弦转矩与角度的关系。绿色曲线是齿槽转矩的折中结果。红色曲线为齿槽转矩，蓝色曲线为所有三个相位共同运行产生的转矩。为了易于显示，所有值均已标准化为1。该示例的齿槽转矩为电动机额定转矩的5％。
具有电角度的转矩波动-无槽电机-图6
图5：无齿槽转矩使电动机在旋转或移动时产生恒定的转矩矢量。所有扭矩都与提供给绕组的电流直接相关。转矩输出是线性的，电流和运动的变化更加可控。上方的紫色线与绿色线重叠，因此两条曲线重叠。

总结与结论

在Celera Motion，产品包括开槽电动机和无槽电动机。缝隙电动机对于高转矩密度和高加速度而言是很好的选择，而无缝隙电动机对于在伺服控制系统中运行时的平稳运行和良好的Kt线性度是最佳的选择。
齿槽转矩会随电动机的不同设计而变化很大，通常会采取一些步骤来减小其影响，例如使磁体或定子叠片偏斜。两种技术都提供大通孔，并且可以设计用于薄型直接驱动应用。下表1总结了每种电机类型的关键性能特征。
表1：开槽和无槽电机的关键性能特征摘要。
参数 开槽的 无槽
最平稳的运动（最低速度波纹）
最高扭矩常数
转矩常数（Kt）线性
最大通孔
最高加速度

Celera Motion的多个产品线均提供无槽技术，包括Agility™系列无框旋转电动机，Javelin™系列无框线性电动机，Infinity™系列弧形无框电动机和AgilityRH™系列旋转执行器。
转自Celera Motion

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