齒槽扭矩 Cogging Torque (2025-01-04)

即使不使用齒輪或鏈輪，在馬達旋轉的情況下，扭矩的不均勻/顛簸印象仍然存在。
許多馬達使用開槽鐵芯。這些馬達往往會產生齒槽效應。此扭矩脈動是由電樞鐵芯和永久磁鐵之間的相互作用產生的。由於除了電流產生的扭矩之外還產生該扭矩，因此會導致不均勻的扭矩。由於研究透過採用各種齒形和磁體的磁化方法來減少齒槽效應，現在生產的許多馬達都具有低齒槽效應。然而，在某些應用中，需要一定量的齒槽效應。
下圖所示為齒槽扭力的測量系統。

Notes

Cogging effect (鑲齒效應) 顧名思義：定子齒(槽)與轉子齒(槽)之間-即空氣隙，因『產生氣隙磁通諧波的效應』之謂。故定子與轉子結構若非『均質、純圓柱體』很難阻絕Cogging effect的發生，因此Cogging torque(頓轉轉矩)並非永磁電機的專利，只是永磁電機的磁極常為凸極(Salient pole)形式，故其效應更加明顯。單/三相『鼠籠型感應電動機』轉子的槽數與定子的槽數配合不當為產生Cogging torque的主因外，槽口的寬度、氣隙的大小、齒部的飽和程度、鐵心的尺寸等均有關聯，並無簡單的法則可循，設計經驗法則變得不可或缺。定子採『分數節距』(Fractional pitch)與轉子採『斜槽』(Skew)為避免發生異常轉矩常用的方法。從『設計著手』，配合『磁路分析』，加以『適當的控制』三管齊下，才能有良好特性的產品問世。這也就是『各種馬達專業設計分析及應用軟體』成為主流的原因。依本人量測單/三相『鼠籠型感應電動機』的經驗，T-N 曲線的下陷或不平順，此現象稱為『同步尖端』(Synchronous cusps)，常發生於1/3、1/5與1/7同步轉速時，亦即3、5、7 次諧波的效應最常見。

Refer: https://www.precisionmicrodrives.com/cogging-torque-in-permanent-magnet-motors
減少齒槽效應的方法有很多種，但幾乎所有方法都涉及馬達設計的改變。
無芯馬達根本不會受到齒槽效應的影響，因為它們具有均勻的 360 度定子磁場，且轉子中沒有永久磁路元件。這意味著轉子和定子磁路不會出現對齊/不對齊的情況。
另一種方法是增加馬達使用的極數。 7 極電機會比 3 極馬達經歷更低的齒槽扭矩，且齒槽位置之間的角度也會更小。
對於更高扭矩的多極電機，一個有趣的方法是“傾斜槽”，如下圖 2 所示。扭槽馬達的效率較低，因為每個轉子槽的末端與定子槽重疊，這意味著驅動時磁場交互作用的區域較小（這也是減少齒槽效應的原因）。
最後一種更先進的方法是為馬達配備編碼器。了解馬達的位置後，可以從編碼器調製馬達的電流驅動，以補償一些齒槽轉矩脈動，並透過電子驅動技術進行平滑處理。
齒槽效應是一種不可避免的弊病，但在許多應用中，它不會帶來任何重大問題。如果您的應用有齒槽效應問題，最快的方法是採用無芯設計（有刷或無刷）。然而，如果無芯設計無法工作（例如馬達的扭矩密度太低），我們可以採用一些更先進的技術。