六種齒槽轉(zhuǎn)矩測試方法進行對比介紹（永磁同步電動機）

齒槽轉(zhuǎn)矩是指永磁同步電動機繞組開路時，電機回轉(zhuǎn)一周內(nèi)，由于電樞鐵心開槽，有趨于最小磁阻位置的傾向而產(chǎn)生的周期性轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機的三相繞組在不通電且繞組開路的情況下，用手輕輕轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，你會感覺到轉(zhuǎn)子上面有一個力在與你較勁。

這個力在一圈的范圍內(nèi)大小不均勻，而且會發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子具有若干個定位點。在自然的狀態(tài)下轉(zhuǎn)子保持在這些定位點，只有外界施加一定的力，才能改變轉(zhuǎn)子的位置，正因為這樣齒槽轉(zhuǎn)矩也被稱為定位轉(zhuǎn)矩。

齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生主要是由于定子齒槽的存在，齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生會造成電機運行中的振動、噪聲、啟動和調(diào)速控制困難。如何抑制或消除齒槽轉(zhuǎn)矩一直是永磁電機研究的重要方向，準(zhǔn)確測量齒槽轉(zhuǎn)矩可以為永磁電機設(shè)計和控制提供幫助，下面本文對幾種齒槽轉(zhuǎn)矩測試方法進行對比介紹。

一、傳感器的動態(tài)測量方法測量齒槽轉(zhuǎn)矩

圖示1：使用傳感器的動態(tài)測量方法示意圖

如圖1所示，被測電動機通過轉(zhuǎn)矩傳感器與制動器（例如磁粉制動器）相連，制動器加載，被測電動機穩(wěn)速運轉(zhuǎn)，從轉(zhuǎn)矩測試儀直接測量轉(zhuǎn)矩瞬時值（圖2），在測得的轉(zhuǎn)矩值中求得齒槽轉(zhuǎn)矩值。

圖示2：轉(zhuǎn)矩測試儀測得的轉(zhuǎn)矩瞬時值

這種測量方法測得的轉(zhuǎn)矩包含了被測電動機自身的齒槽轉(zhuǎn)矩、控制器控制引起的脈動轉(zhuǎn)矩（閉環(huán)控制運行條件下情況更為復(fù)雜）和負(fù)載引起的脈動轉(zhuǎn)矩。

所以為了能得到最接近真實的齒槽轉(zhuǎn)矩，測試時需注意幾點：

1） 要求負(fù)載自身的脈動轉(zhuǎn)矩要小（建議采用磁粉制動器）；

2） 要求傳感器系統(tǒng)的采樣速率要高（建議3K以上），能實現(xiàn)動態(tài)轉(zhuǎn)矩測量；

3） 要求轉(zhuǎn)矩檢測儀器能夠進行數(shù)據(jù)處理。

二、步進電機的靜態(tài)測量方法測量齒槽轉(zhuǎn)矩

圖示3：使用步進電動機的靜態(tài)測量方法示意圖

如圖3所示，將步進電動機、轉(zhuǎn)矩傳感器和被測電動機固連載同一軸線上，通過控制脈沖數(shù)使步進電動機精確地將被試電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度后，步進電動機利用自身的保持轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)矩傳感器的一個固定端，這樣齒槽轉(zhuǎn)矩就作用在轉(zhuǎn)矩傳感器上，從測試儀可以直接獨處齒槽轉(zhuǎn)矩。

測量過程中還應(yīng)注意幾點：

1） 由于大多數(shù)電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩都比較小，為了提高轉(zhuǎn)矩傳感器的測試精度，可以在被測電動機側(cè)增加一偏置重物，提高測試質(zhì)量；

2） 針對齒槽較多的被測電動機，步進電動機的步數(shù)應(yīng)該足夠多；

3） 為避免引入步進電動機運轉(zhuǎn)的波動，步數(shù)之間的間隔時間應(yīng)該足夠長。

三、測電壓法測量齒槽轉(zhuǎn)矩

圖示4：測電壓法示意圖

測試系統(tǒng)示意圖如圖4所示，它主要由步進電機、機械分度頭及電參量測量儀組成。步進電機和被測電機轉(zhuǎn)子軸作剛性連接，機械分度頭爪夾住步進電動機的外殼，控制步進電機轉(zhuǎn)過角度。在步進電機中如果給其中一相繞組通直流電，其他兩相繞組加以交流電壓，由于步進電機中三相繞組間的耦合關(guān)系，就會在通直流電的繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小取決于步進電機中的氣隙磁通。根據(jù)步進電機的矩角特性，靜態(tài)時外加力矩的大小跟失調(diào)角有關(guān)，而失調(diào)角決定轉(zhuǎn)子位置，直接影響氣隙磁通。利用這一原理，可通過檢測步進電機通直流電繞組上的感應(yīng)電勢得出被測電機的齒槽轉(zhuǎn)矩。

該方法首先測得步進電機感應(yīng)電勢隨力矩變化的曲線，然后連接被測電機，轉(zhuǎn)動分度頭，選取采樣點，從電壓表上讀取步進電機通直流電繞組上的電壓，計算出感應(yīng)電勢，根據(jù)感應(yīng)電勢，查步進電機感應(yīng)電勢-力矩曲線，得到該采樣點的齒槽轉(zhuǎn)矩。

使用該方法可以在齒槽轉(zhuǎn)矩的一個周期內(nèi)進行多采樣點測量，但試驗方法復(fù)雜，操作麻煩，步進電機感應(yīng)電勢與力矩的曲線精度不高，測量誤差較大。

四、杠桿測量法測量齒槽轉(zhuǎn)矩

圖示5：杠桿測量法示意圖

如圖5所示，被測電動機不通電，手動拉動數(shù)字測力儀，拉到杠桿滑動前瞬間的力的顯示值Fmax，乘以力臂長L，就是齒槽轉(zhuǎn)矩幅值（單峰幅值）。

杠桿測量法是一種非常簡單、直管、易于實現(xiàn)的測量方法，但是精度很難保證，所以常在測量要求精度不高或者條件受限時采用。測量時需注意幾點：

1） 杠桿垂直向下起始測量（杠桿盡量輕；

2） 手拉時，要盡量保持力F與力臂F垂直；

3） 手拉要保持緩慢、平穩(wěn)。

電子秤法測量齒槽轉(zhuǎn)矩

五、被測變頻器基本參數(shù)

圖示6：電子秤法示意圖

圖6所示是利用電子秤測量齒槽轉(zhuǎn)矩的原理圖，被測電機的定子用可以精確控制轉(zhuǎn)動角度的裝置（如車床，步進電機等）夾緊。在被測電機軸伸端加以平衡桿，在平衡桿兩端加裝以支桿。

測試時，支桿壓在電子秤上，在平衡桿上加一配重物，確保不論電機正反轉(zhuǎn)，支桿始終與電子秤接觸。調(diào)節(jié)電子秤的高度，使平衡桿水平，記錄電子秤示數(shù)M，保持平衡桿水平，轉(zhuǎn)動電機，每轉(zhuǎn)過一個角度記錄一次電子秤示數(shù)F。齒槽轉(zhuǎn)矩為：

用電子秤測量，需要時刻保持平衡桿的水平，試驗過程比較繁瑣。

六、砝碼法測量齒槽轉(zhuǎn)矩

上述的方法大多存在的問題是測量時需要一個高精度的能控制被測電機轉(zhuǎn)角的裝置，試驗需要的夾裝工具較多，且需要針對具體電機設(shè)計。為了簡化測量方法，降低試驗成本，下面采用一種新的測量方法——砝碼法，測試原理圖如圖7所示，在轉(zhuǎn)軸上裝懸掛砝碼的支桿，在定子上安裝帶角度刻度的圓盤，以方便測出懸掛砝碼的力臂以及確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度。

圖示7：砝碼法測試示意圖

測量時先用水平儀調(diào)節(jié)圓盤的0刻度線水平，將加工的支桿安裝在電機軸伸端。在砝碼上纏上一定強度較輕的繩索，轉(zhuǎn)動支桿到被測點的刻度，在支桿上輕輕加掛砝碼，記錄支桿開始轉(zhuǎn)動時的砝碼質(zhì)量M。用下式計算測得的轉(zhuǎn)矩T：

式中：

g：重力加速度； θ為被測點的角度。

測得的轉(zhuǎn)矩包含電機的齒槽轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩，對于被試電機來說不同位置的摩擦轉(zhuǎn)矩基本不變，齒槽轉(zhuǎn)矩根據(jù)理論分析是周期性變化的，可通過求測得轉(zhuǎn)矩最大值和最小值的均值來得到摩擦轉(zhuǎn)矩，最后測得的轉(zhuǎn)矩就能得到齒槽轉(zhuǎn)矩。

測量時要注意以下幾點：

1） 根據(jù)被測電機齒槽轉(zhuǎn)矩的大小，選擇合適長度的支桿和砝碼。

2） 砝碼要輕輕的掛在支架上。