齒槽轉(zhuǎn)矩是指永磁同步電動(dòng)機(jī)繞組開路時(shí)，電機(jī)回轉(zhuǎn)一周內(nèi)，由于電樞鐵心開槽，有趨于最小磁阻位置的傾向而產(chǎn)生的周期性轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機(jī)的三相繞組在不通電且繞組開路的情況下，用手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，你會(huì)感覺到轉(zhuǎn)子上面有一個(gè)力在與你較勁。這個(gè)力在一圈的范圍內(nèi)大小不均勻，而且會(huì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子具有若干個(gè)定位點(diǎn)。在自然的狀態(tài)下轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的位置，正因?yàn)檫@樣齒槽轉(zhuǎn)矩也被稱為定位轉(zhuǎn)矩。
齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生主要是由于定子齒槽的存在，齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生會(huì)造成電機(jī)運(yùn)行中的振動(dòng)、噪聲、啟動(dòng)和調(diào)速控制困難。如何抑制或消除齒槽轉(zhuǎn)矩一直是永磁電機(jī)研究的重要方向，準(zhǔn)確測量齒槽轉(zhuǎn)矩可以為永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和控制提供幫助，下面本文對幾種齒槽轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)通過轉(zhuǎn)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(jī)穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從轉(zhuǎn)矩測試儀直接測量轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值(圖2)，在測得的轉(zhuǎn)矩值中求得齒槽轉(zhuǎn)矩值。
圖示2：轉(zhuǎn)矩測試儀測得的轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值
這種測量方法測得的轉(zhuǎn)矩包含了被測電動(dòng)機(jī)自身的齒槽轉(zhuǎn)矩、控制器控制引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩(閉環(huán)控制運(yùn)行條件下情況更為復(fù)雜)和負(fù)載引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
所以為了能得到最接近真實(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩，測試時(shí)需注意幾點(diǎn)：
1) 要求負(fù)載自身的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩要小(建議采用磁粉制動(dòng)器)；
2) 要求傳感器系統(tǒng)的采樣速率要高(建議3k以上)，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩測量；
3) 要求轉(zhuǎn)矩檢測儀器能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
二、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)測量方法測量齒槽轉(zhuǎn)矩
圖示3：使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)測量方法示意圖
如圖3所示，將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器和被測電動(dòng)機(jī)固連載同一軸線上，通過控制脈沖數(shù)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精確地將被試電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)利用自身的保持轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)矩傳感器的一個(gè)固定端，這樣齒槽轉(zhuǎn)矩就作用在轉(zhuǎn)矩傳感器上，從測試儀可以直接獨(dú)處齒槽轉(zhuǎn)矩。
測量過程中還應(yīng)注意幾點(diǎn)：
1) 由于大多數(shù)電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩都比較小，為了提高轉(zhuǎn)矩傳感器的測試精度，可以在被測電動(dòng)機(jī)側(cè)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(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù)應(yīng)該足夠多；
3) 為避免引入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的波動(dòng)，步數(shù)之間的間隔時(shí)間應(yīng)該足夠長。
三、測電壓法測量齒槽轉(zhuǎn)矩
圖示4：測電壓法示意圖
測試系統(tǒng)示意圖如圖4所示，它主要由步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械分度頭及電參量測量儀組成。步進(jìn)電機(jī)和被測電機(jī)轉(zhuǎn)子軸作剛性連接，機(jī)械分度頭爪夾住步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的外殼，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過角度。在步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小取決于步進(jìn)電機(jī)中的氣隙磁通。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩角特性，靜態(tài)時(shí)外加力矩的大小跟失調(diào)角有關(guān)，而失調(diào)角決定轉(zhuǎn)子位置，直接影響氣隙磁通。利用這一原理，可通過檢測步進(jìn)電機(jī)通直流電繞組上的感應(yīng)電勢得出被測電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。
該方法首先測得步進(jìn)電機(jī)感應(yīng)電勢隨力矩變化的曲線，然后連接被測電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)分度頭，選取采樣點(diǎn)，從電壓表上讀取步進(jìn)電機(jī)通直流電繞組上的電壓，計(jì)算出感應(yīng)電勢，根據(jù)感應(yīng)電勢，查步進(jìn)電機(jī)感應(yīng)電勢-力矩曲線，得到該采樣點(diǎn)的齒槽轉(zhuǎn)矩。
使用該方法可以在齒槽轉(zhuǎn)矩的一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行多采樣點(diǎn)測量，但試驗(yàn)方法復(fù)雜，操作麻煩，步進(jìn)電機(jī)感應(yīng)電勢與力矩的曲線精度不高，測量誤差較大。
四、杠桿測量法測量齒槽轉(zhuǎn)矩
圖示5：杠桿測量法示意圖
如圖5所示，被測電動(dòng)機(jī)不通電，手動(dòng)拉動(dòng)數(shù)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l，就是齒槽轉(zhuǎn)矩幅值(單峰幅值)。
杠桿測量法是一種非常簡單、直管、易于實(shí)現(xiàn)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(wěn)。
電子秤法測量齒槽轉(zhuǎn)矩
五、被測變頻器基本參數(shù)
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(zhuǎn)矩的原理圖，被測電機(jī)的定子用可以精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度的裝置(如車床，步進(jìn)電機(jī)等)夾緊。在被測電機(jī)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(jī)正反轉(zhuǎn)，支桿始終與電子秤接觸。調(diào)節(jié)電子秤的高度，使平衡桿水平，記錄電子秤示數(shù)m，保持平衡桿水平，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度記錄一次電子秤示數(shù)f。齒槽轉(zhuǎn)矩為：
用電子秤測量，需要時(shí)刻保持平衡桿的水平，試驗(yàn)過程比較繁瑣。
六、砝碼法測量齒槽轉(zhuǎn)矩
上述的方法大多存在的問題是測量時(shí)需要一個(gè)高精度的能控制被測電機(jī)轉(zhuǎn)角的裝置，試驗(yàn)需要的夾裝工具較多，且需要針對具體電機(jī)設(shè)計(jì)。為了簡化測量方法，降低試驗(yàn)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(zhuǎn)軸上裝懸掛砝碼的支桿，在定子上安裝帶角度刻度的圓盤，以方便測出懸掛砝碼的力臂以及確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度。
圖示7：砝碼法測試示意圖
測量時(shí)先用水平儀調(diào)節(jié)圓盤的0刻度線水平，將加工的支桿安裝在電機(jī)軸伸端。在砝碼上纏上一定強(qiáng)度較輕的繩索，轉(zhuǎn)動(dòng)支桿到被測點(diǎn)的刻度，在支桿上輕輕加掛砝碼，記錄支桿開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的砝碼質(zhì)量m。用下式計(jì)算測得的轉(zhuǎn)矩t：
式中：
g：重力加速度；
θ為被測點(diǎn)的角度。
測得的轉(zhuǎn)矩包含電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩，對于被試電機(jī)來說不同位置的摩擦轉(zhuǎn)矩基本不變，齒槽轉(zhuǎn)矩根據(jù)理論分析是周期性變化的，可通過求測得轉(zhuǎn)矩最大值和最小值的均值來得到摩擦轉(zhuǎn)矩，最后測得的轉(zhuǎn)矩就能得到齒槽轉(zhuǎn)矩。
測量時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
1) 根據(jù)被測電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的大小，選擇合適長度的支桿和砝碼。
2) 砝碼要輕輕的掛在支架上。