齒槽轉矩是指永磁同步電動(dòng)機繞組開(kāi)路時(shí)，電機回轉一周內，由于電樞鐵心開(kāi)槽，有趨于最小磁阻位置的傾向而產(chǎn)生的周期性轉矩。永磁同步電機的三相繞組在不通電且繞組開(kāi)路的情況下，用手輕輕轉動(dòng)轉子，你會(huì )感覺(jué)到轉子上面有一個(gè)力在與你較勁。這個(gè)力在一圈的范圍內大小不均勻，而且會(huì )發(fā)現轉子具有若干個(gè)定位點(diǎn)。在自然的狀態(tài)下轉子保持在這些定位點(diǎn)，只有外界施加一定的力，才能改變轉子的位置，正因為這樣齒槽轉矩也被稱(chēng)為定位轉矩。

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

一傳感器的動(dòng)態(tài)測量方法測量齒槽轉矩

圖示1：使用傳感器的動(dòng)態(tài)測量方法示意圖

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

圖示2：轉矩測試儀測得的轉矩瞬時(shí)值

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

　　所以為了能得到最接近真實(shí)的齒槽轉矩，測試時(shí)需注意幾點(diǎn)：

　　1) 要求負載自身的脈動(dòng)轉矩要小(建議采用磁粉制動(dòng)器)；

　　2) 要求傳感器系統的采樣速率要高(建議3K以上)，能實(shí)現動(dòng)態(tài)轉矩測量；

　　3) 要求轉矩檢測儀器能夠進(jìn)行數據處理。

二步進(jìn)電機的靜態(tài)測量方法測量齒槽轉矩

圖示3：使用步進(jìn)電動(dòng)機的靜態(tài)測量方法示意圖

　　如圖3所示，將步進(jìn)電動(dòng)機、轉矩傳感器和被測電動(dòng)機固連載同一軸線(xiàn)上，通過(guò)控制脈沖數使步進(jìn)電動(dòng)機精確地將被試電機轉子旋轉一定角度后，步進(jìn)電動(dòng)機利用自身的保持轉矩作為轉矩傳感器的一個(gè)固定端，這樣齒槽轉矩就作用在轉矩傳感器上，從測試儀可以直接獨處齒槽轉矩。

　　測量過(guò)程中還應注意幾點(diǎn)：

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

　　2) 針對齒槽較多的被測電動(dòng)機，步進(jìn)電動(dòng)機的步數應該足夠多；

　　3) 為避免引入步進(jìn)電動(dòng)機運轉的波動(dòng)，步數之間的間隔時(shí)間應該足夠長(cháng)。

三測電壓法測量齒槽轉矩

圖示4：測電壓法示意圖

　　測試系統示意圖如圖4所示，它主要由步進(jìn)電機、機械分度頭及電參量測量?jì)x組成。步進(jìn)電機和被測電機轉子軸作剛性連接，機械分度頭爪夾住步進(jìn)電動(dòng)機的外殼，控制步進(jìn)電機轉過(guò)角度。在步進(jìn)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(jìn)電機中三相繞組間的耦合關(guān)系，就會(huì )在通直流電的繞組上產(chǎn)生感應電勢，感應電勢的大小取決于步進(jìn)電機中的氣隙磁通。根據步進(jìn)電機的矩角特性，靜態(tài)時(shí)外加力矩的大小跟失調角有關(guān)，而失調角決定轉子位置，直接影響氣隙磁通。利用這一原理，可通過(guò)檢測步進(jìn)電機通直流電繞組上的感應電勢得出被測電機的齒槽轉矩。

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

　　使用該方法可以在齒槽轉矩的一個(gè)周期內進(jìn)行多采樣點(diǎn)測量，但試驗方法復雜，操作麻煩，步進(jìn)電機感應電勢與力矩的曲線(xiàn)精度不高，測量誤差較大。

四杠桿測量法測量齒槽轉矩

圖示5：杠桿測量法示意圖

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

　　杠桿測量法是一種非常簡(jiǎn)單、直管、易于實(shí)現的測量方法，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(shí)采用。測量時(shí)需注意幾點(diǎn)：

　　1) 杠桿垂直向下起始測量(杠桿盡量輕；

　　2) 手拉時(shí)，要盡量保持力F與力臂F垂直；

　　3) 手拉要保持緩慢、平穩。

五電子秤法測量齒槽轉矩

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矩的原理圖，被測電機的定子用可以精確控制轉動(dòng)角度的裝置(如車(chē)床，步進(jìn)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(shí)，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，支桿始終與電子秤接觸。調節電子秤的高度，使平衡桿水平，記錄電子秤示數M，保持平衡桿水平，轉動(dòng)電機，每轉過(guò)一個(gè)角度記錄一次電子秤示數F。齒槽轉矩為：

　　用電子秤測量，需要時(shí)刻保持平衡桿的水平，試驗過(guò)程比較繁瑣。

六砝碼法測量齒槽轉矩

　　上述的方法大多存在的問(wèn)題是測量時(shí)需要一個(gè)高精度的能控制被測電機轉角的裝置，試驗需要的夾裝工具較多，且需要針對具體電機設計。為了簡(jiǎn)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，在轉軸上裝懸掛砝碼的支桿，在定子上安裝帶角度刻度的圓盤(pán)，以方便測出懸掛砝碼的力臂以及確定轉子轉過(guò)角度。

圖示7：砝碼法測試示意圖

　　測量時(shí)先用水平儀調節圓盤(pán)的0刻度線(xiàn)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，轉動(dòng)支桿到被測點(diǎn)的刻度，在支桿上輕輕加掛砝碼，記錄支桿開(kāi)始轉動(dòng)時(shí)的砝碼質(zhì)量M。用下式計算測得的轉矩T：

　　式中：

　　g：重力加速度；

　　θ為被測點(diǎn)的角度。

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

　　測量時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

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

　　2) 砝碼要輕輕的掛在支架上。

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