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电机测试 | 扭矩波动的来源和对电机的影响

2024-04-18 09:41:35·  来源：HBM测试与测量  
　

什么是扭矩波动


扭矩通常可以理解为一种直流量，但实际上其存在频率分量。具体而言，电动机内部扭矩对应有直流平均值，该值呈现周期性偏移特性。而偏移的频率对应为转速和幅度的函数，幅度对应为直流值的百分比。图1为扭矩波动示例，其中平均扭矩为直流值，但高带宽扭矩存在约+-2Nm的波动。虽然这看似并非严重问题，但该波动频率较高，可能导致各种不良后果，包括可听见的噪声、结构振动和齿轮疲劳。若要减少扭矩波动，我们需要了解扭矩波动的来源，包括电激励、电机结构、机械共振、对准度和负载。


图1 转矩波动示例


扭矩波动的来源和影响


电机电激励


由于电机的扭矩会随电流变化而变化，因此电机电激励会引发扭矩波动。这里以最极端的例子单相电动机为例，其内部存在两倍于基频的周期性扭矩和零扭矩。通过增大相位，可以消除零交叉点和波动幅度，但由此会增加频率。标准电动机有三个相，这种设计可以有效减少扭矩波动，但不会将其完全消除。


由于扭矩由正弦激励产生，而由该激励产生的扭矩波动与电信号有着相同频率，这意味着随着转速增加，扭矩波动的频率也会随之增大。此外，由于激励并非完美的正弦波，因此还存在其他扭矩波动要素。时常以高频率运行的逆变器和电机绕组会影响电流的分布。因此，这些问题会引起额外的扭矩波动。


电机结构


结构也是影响扭矩波动的一个因素。在所有电机中，扭矩波动均由电机绕组所引发，而且每种类型的电机都会形成扭矩波动，继而促使转子磁体与定子金属铁相互作用。在感应电机中，扭矩波动幅度较小，并且通过倾斜转子条可以控制扭矩波动。随着永磁电机利用率的提高，除了需要考虑绕组函数和倾斜度外，还需要考虑磁体对转子的影响。转子上的磁体会吸引定子上的金属铁，当电动机旋转时，磁体会吸引定子上的各个齿。由于转子磁体和定子槽数量固定，因此扭矩波动也与转速成正比。由于电机转速原因引发高振幅和潜在高频率时，将难以表征和减少永磁体的扭矩波动。


考虑到激励和电机结构会引发扭矩波动，因此您可以从这两个特征出发减少扭矩波动。通过采用不同结构型式和不同类型的电动机控制方式可以减小扭矩波动。车内信息反馈和逆变器技术的发展使我们能够采用有效手段减少扭矩波动。为了验证减少扭矩波动方法的有效性，工程师需要通过测量来检验其设计。


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