了解扭矩波动，齿槽扭矩和棘爪之间的区别

在一个完美的世界中，定位轴将迅速准确地将负载传送到所需位置。不幸的是，现实不是如此善良。由于磁场的相互作用，电机产生扭矩。这些领域是各向异性的，这意味着它们产生的扭矩变化。这是否创造了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您的设计意义为什么。

转矩脉动
虽然电动机的细节差别很大，但基本部件是转子和定子教程:拉丝直流电机）。最常见的是，由于转子的磁场和定子的磁场之间的排斥，转子附接到负载和旋转（参见图1）。为了保持电动机转动，转子的磁取向必须周期性地切换方向。发生这种情况的频率取决于转子/定子中的磁极的数量，其可以从两个到N变化。

磁场之间的相互作用遵循正弦曲线，这意味着它作为转子角度的函数非线性地变化。最终结果是作为时间函数的峰值扭矩的纹波（参见图2）。增加极点的数量可以减少扭矩涟漪的水平，但它将永远存在于某种程度上。

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。

接头和止动装置
齿槽和制动扭矩是开路扭矩，而仅当电动机通电时才会发生扭矩纹波。齿槽是永磁刷，无刷或交流同步电机的特征。当转子齿的侧面与定子齿的侧面的侧面一起产生齿槽扭矩，并且电动机需要扭矩以破坏该吸引力。

似乎普遍同意，即齿槽扭矩和棘爪扭矩是指同样的现象。这两个意味着同样的事情，嗯，这是一个讨论的问题。“我认为他们是一样的，”Aerotech Inc的产品管理主任Joseph Profeta说：“如果你看齿槽扭矩，那么它基本上是由于通常引起的磁场中的异常通过磁铁的特定取向。“

“这两个术语没有很好的定义基础，它们在运动控制市场的许多领域中被混淆了。该公司总裁丹•琼斯表示Incremotion Inc .)(加州千橡市)。“大多数伺服电机制造商不设计步进电机，反之亦然，所以你真的看到了两种不同类型的电机制造商，他们不能很好地混合。齿槽加工变得越来越重要，因为在无刷电机中有更多的工作要做，所以今天你会听到齿槽加工，而不是你将阻止。”

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和发电机的设计．“一旦你给发动机通电，齿槽扭矩就会消失。”例如，对于点对点的移动，如自动化测试，齿轮啮合往往不会产生问题。测量在系统停止时进行，而齿槽在移动的开始和结束时进行。

打击接头
电机设计师有许多工具，他们可以使用来对抗齿槽。一种常见的方法是使转子倾斜，这样齿状物就不是以直线穿过定子极，而是以倾斜的方式穿过，使效果更加缓慢。

常见的智慧认为，歪斜增加了成本，但它并不一定是必要的。在某些情况下，制造商堆叠叠片，插入插槽衬垫，并插入线圈。只有那么它们才歪斜堆叠，然后它们沿着外径焊接部分以将其锁定到位。该过程基本上与常规制造相同，除了在将线圈置于以前的焊接操作之后发生焊接操作。

另一种减轻齿槽影响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。槽的边缘不与极对齐，这减少了齿槽扭矩。

普罗菲塔说，通量聚焦也可以是有效的。“磁通聚焦磁铁往往是较小的磁铁，不同的强度，所以当你观察磁场时，它与线圈相互作用，它是非常均匀的，当你使用电机时，你不会结束任何'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。他们提供更低的惯性和电感，以及零齿槽。当然，与工程学中的所有事情一样，也有权衡。无齿设计可能提供更平稳的扭矩，但这是以更低的扭矩为代价的。对于等速和轮廓应用，无铁芯电机可能提供最好的结果。

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，那就非常好了，”普罗菲塔说。

权衡的问题
最终，这是一个权衡的问题。在许多应用中，齿槽扭矩的影响很小。然而，在连续运动应用程序的情况下，如扫描或轮廓，齿槽可能是一个问题。Profeta说:“制造或检查往往是某种轮廓运动，而你需要平稳运动。”即使你是在做一个定位应用程序，开锁也会影响你。你必须问问自己，你在做哪种类型的定位应用，这样做是否有意义。”

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，它会回到申请中，“琼斯说。“试图完成的系统是什么，所需的准确性和重复性以及速度是多少？”通过考虑这些因素，使您的设计选择，您的系统将成功。