直流无刷电机：产生转矩波动的原因

造成直流无刷电机转矩波动有多方面的原因，可以分为以下几个方面：电磁转矩产生原理引起的转矩波动、电流换相引起的转矩波动、齿槽效应引起的转矩波动。此外，还有电枢反应和电机工艺缺陷引起的转矩波动等。分述如下:

1、非理想反电动势波形引起原理性电磁转矩波动

从工作原理看正弦波驱动是一种高性能的控制方式，电流是连续的、三相正弦波交流电流与三相绕组中的三相正弦波反电动势共同作用产生光滑平稳的电磁转矩。理论上可获得与转角无关的均匀输出转矩，良好设计的系统可做到3%以下的低纹波转矩。而方波驱动定子磁场是非连续、步进式旋转，从电磁转矩产生原理就决定了直流无刷电机转矩波动比正弦波驱动要大许多。尽管在反电动势为梯形波，平顶宽度120°电角度，定子电流为方波的理想情况下，不考虑换相过程时，产生的电磁转矩将为恒值，理论上没有转矩波动。但在实际电机，由于设计和制造方面的原因，很难做到反电动势为平顶宽度120°电角度的梯形波；实际上，大多数直流无刷电机的反电动势波形都不可能是梯形波，而更接近于正弦波；这样，电流波形也就必然偏离方波，这些非理想情况都会导致其电磁转矩存在原理性波动。

2、换相引起的转矩波动

直流无刷电机工作时，定子绕组按一定顺序换相。即使在符合反电动势为平顶宽度120°电角度梯形波，定子电流为方波的理想情况下，由于相绕组存在电感，在每两个状态之间存在一个换相时段，电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相时有一个过渡过程，电流变化的滞后使换相期间产生的电磁转矩存在明显的波动，称为换相转矩波动。

3、齿槽效应引起的转矩波动

当直流无刷电机定子铁心有齿槽时，由于定子齿糟的存在，气隙不均匀，使气隙磁导不是常数。当转子处于不同角度时，气隙磁场就要发生变化，产生齿槽转矩。齿槽转矩与转子位置有关，因而引起转矩波动。齿槽转矩是水磁电机的固有特性，在电机低速轻载运行时，齿槽转矩将引起明显的转速波动，并产生振动和噪声。因此，如何削弱齿槽转矩是永磁电机设计中较为重要的目标之。

齿槽转矩产生的原因与前述两种引起转矩波动的原因不同。前述两种引起转矩波动的原因均在于定子电流与转子磁场的相互作用，而齿槽转矩是由定子铁心与转子磁场相互作用产生的。消除齿槽效应最好的方法就是采用无槽电机结构。无槽电机的电枢绕组不管采用何种形式，它的厚度始终是实际气隙的一部分，因此无槽电机的实际等效气隙比有槽电机要大得多，所需要的励磁磁动势也要大许多，这在早期限制了无槽电机的容量和发展。近年来，随着磁性材料的迅猛发展，特别是钕铁硼等高磁能积稀土永磁材料的应用，为无槽电机的实用化创造了条件。采用无槽结构，因为同时具有超大气隙，除了能彻底消除齿槽效应引起的转矩波动外,还能大幅度削弱由于电枢反应和机械偏心而产生的转矩波动。

4、电枢反应引起的转矩波动

电枢磁动势对气隙永磁主磁场的影响，称为电枢反应。直流无刷电机的电枢反应比较复杂。电枢反应磁动势会使气隙主磁场波形发生畸变，气隙主磁场的磁通密度不再是空载时的方波，反电动势也随之畸变，从而引起转矩波动。现代直流无刷电机大多采用高性能的稀土永磁材料，若采用瓦片形表面贴装式，则电枢反应对气隙主磁场的影响比较微弱。这是因为电枢反应磁路要经过气隙和永磁体，永磁材料的磁导率与空气的磁导率是非常接近的，这就使电枢反应磁路的磁阻很大，交轴电枢反应的磁通很小，其对气隙主磁场的影响可以忽略不计。但是对于内置式转子结构，电枢反应的影响则不能够忽略。

5、电机机械加工缺陷和材料不一致引起的转矩波动

机械加工缺陷和材料的不一致也是引起直流无刷电机转矩波动的重要原因之一。例如电机机械加工及装配时产生的尺寸和形位偏差，定子冲片各槽分布不均匀，定子内、外圆偏心，定、转子同轴度偏差等产生的单边磁拉力；轴承系统的摩擦转矩不均匀；转子位置传感器定位不准导致的转矩波动；各相绕组参数不对称及电子元器件性能参数的差异而导致的转矩波动；磁路中各零件材料特别是每个磁极永磁体性能不一致而产生的转矩波动等。因此，提高加工制造水平也是减少转矩波动的重要措施。

研究表明，电机在空载或轻载时主要是齿槽转矩引起的转矩波动，而负载情况下主要是电磁原理性转矩波动和换相引起的转矩波动。因此，分析转矩波动形成的原因，研究降低或抑制转矩波动的方法具有十分重要的意义。