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步进电机的齿槽转矩和转矩脉动

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  电动机的基本作依赖于转子永磁体和定子通电绕组之间的相互作用。但即使电机没有通电并且没有电流流过绕组,转子的永磁体和定子的铁磁齿之间也存在磁吸引力。磁吸引力根据磁场的磁通密度或强度而变化,这种变化会导致扭矩产生不均匀,称为“齿槽转矩”或“转矩脉动”。

  虽然这两个术语有时可以互换使用,但齿槽转矩通常是指引起扭矩变化的现象,而转矩脉动是这些变化对电机性能的影响。

1、齿槽转矩

  齿槽转矩是转子永磁体的磁极与定子齿的钢片之间的磁相互作用的产物。换句话说,当转子的磁极与定子的齿对齐时,需要一个力来破坏吸引力,这个力被称为齿槽转矩。齿槽转矩取决于位置,具体取决于定子齿相对于永磁体的位置,因为磁体不断寻找最小磁阻的位置。

  电机的齿槽转矩曲线取决于转子中永磁体的数量和定子中的齿数,可以通过优化磁极和齿数的机械方法,或通过倾斜或成形永磁体以使它们在定子齿之间的过渡更加平缓。

  齿槽转矩出现在永磁电机中,包括有刷和无刷直流电机和同步交流电机。因为它发生在未通电的电机中,所以有时被称为“开路转矩”。

2、转矩脉动

  齿槽转矩的结果是当电机以恒定电流通电时发生扭矩产生的变化(称为转矩脉动)。由于转子和定子磁场之间相互作用的性质(如上所述),转矩脉动呈正弦变化。在高速行驶时,它通常会被系统的惯性过滤掉,但在较低速度下,转矩脉动会导致不必要的速度波动、振动和可听见的噪音。

步进电机的齿槽转矩和转矩脉动
扭矩纹波(绿色)由于定子和转子磁场之间的相互作用而呈正弦变化。

3、步进电机中的齿槽转矩

  步进电机也表现出齿槽转矩,但在步进电机的讨论中,它通常被称为“制动转矩”。与齿槽转矩一样,制动转矩是非通电电机中磁平衡的结果。必须在电机旋转之前克服这种磁平衡,这意味着制动扭矩会降低电机可以产生的运行扭矩量。步进电机所经历的制动扭矩量与电机速度成正比,因此制动扭矩对运行扭矩的影响在电机速度较高时更为显着。

  使用永磁转子的永磁和混合式步进电机具有制动扭矩;但使用非磁化软铁转子的可变磁阻步进电机则不然。在永磁和混合式中,混合式步进由于其齿形转子而具有更高的制动扭矩,这使得它们能够更好地管理定子和转子之间的磁通量。

步进电机的齿槽转矩和转矩脉动
制动扭矩会降低电机可以产生的理想扭矩(和功率),随着速度的增加,其影响会变大

  制动扭矩通常为电机保持扭矩的5%至20%,这是当绕组通电但转子静止时电机能够产生的扭矩量。但是制动扭矩并不总是一个负担:当电机减速时,它会抵消电机的动量,并帮助它更快地停止。

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饭谷仔
版权声明:本文于2025-09-12转载自What’s the difference between cogging torque and torque ripple?,共计1013字。
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