汽車座椅翻轉(zhuǎn)用永磁直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

張英勛

（哈爾濱泰富電氣有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

汽車座椅翻轉(zhuǎn)用永磁直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

張英勛

（哈爾濱泰富電氣有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

介紹了一種永磁直流汽車電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理、設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，闡述了其在汽車座椅中的應(yīng)用。

永磁直流電動(dòng)機(jī)；減速箱；輸出齒輪組件；霍爾控制電路；電磁兼容電路

1 前言

近年來隨著對(duì)汽車舒適性要求的不斷提高，汽車電機(jī)在汽車上安裝的數(shù)量也越來越多，其中在汽車座椅系統(tǒng)中汽車電機(jī)也得到了廣泛的應(yīng)用。

為了充分利用空間，在廂式車中采用座椅翻轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)將座椅整體翻轉(zhuǎn)到汽車地板下的儲(chǔ)存間內(nèi)，這樣可以節(jié)省空間裝載其他的物品，如需要坐人時(shí)，就把座椅翻轉(zhuǎn)出來使用，靈活性強(qiáng)。這樣的電機(jī)要有很大的轉(zhuǎn)矩且轉(zhuǎn)速較低，并且位置控制精確，才能驅(qū)動(dòng)座椅完成上述動(dòng)作。因此，汽車座椅翻轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)作為汽車座椅的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)部件具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

汽車座椅翻轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)為永磁直流有刷電動(dòng)機(jī)，電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、減速箱三大部分組成。

（1）定子由機(jī)殼、一對(duì)瓦型磁鋼、磁鋼支架、機(jī)殼軸承組成。機(jī)殼支撐定子磁鋼，同時(shí)又起導(dǎo)磁、防護(hù)和散熱作用；瓦型磁鋼為永磁材料,用來產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)；磁鋼支架起固定磁鋼作用；機(jī)殼軸承與機(jī)殼軸承室緊配承載轉(zhuǎn)子軸。

（2）轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子軸、換向器、轉(zhuǎn)子繞組、刷架組件、太陽輪組成。轉(zhuǎn)子鐵心采用硅鋼片疊壓而成，作為電動(dòng)機(jī)磁路的一部分；轉(zhuǎn)子軸用來支撐轉(zhuǎn)子，傳遞轉(zhuǎn)矩；換向器保證輸出電流方向不變；轉(zhuǎn)子繞組繞制于鐵心上，其作用是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過電流而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；刷架組件可以支撐轉(zhuǎn)子，通過止口和機(jī)殼的配合關(guān)系，使轉(zhuǎn)子組件裝在定子內(nèi)，并穩(wěn)定可靠地工作，是保證定、轉(zhuǎn)子之間同軸度、氣隙勻度和軸向間隙的關(guān)鍵零件之一，同時(shí)其上面安裝有電子元件；太陽輪作為行星減速機(jī)構(gòu)的中心輪安裝在轉(zhuǎn)子軸上。

（3）減速箱采用四級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，由一級(jí)行星齒輪、行星盤、二級(jí)行星齒輪、行星盤、三級(jí)行星齒輪、行星盤、四級(jí)行星齒輪、行星盤，內(nèi)齒輪及齒輪殼體、端蓋、輸出齒輪組成，行星盤承載定位行星輪，各級(jí)行星輪與內(nèi)齒輪嚙合逐級(jí)減速，齒輪殼體用作固定支撐，端蓋組件支撐輸出齒輪組件，輸出齒輪與座椅上的樞軸齒輪嚙合，帶動(dòng)座椅翻轉(zhuǎn)。

基本工作原理：電機(jī)定子上固定有永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生電磁力，定轉(zhuǎn)子相互作用使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子連接減速箱，逐級(jí)減速，輸出而獲得較大轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 永磁直流有刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

汽車座椅翻轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，具體如下。

（1）電機(jī)定子采用永磁體磁鋼，這樣可以取消勵(lì)磁系統(tǒng)的損耗，提高效率；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，運(yùn)行可靠。

（2）定子磁鋼采用涂膠和塑料支架支撐雙重固定的方法，采用支架既可以防止電機(jī)受沖擊時(shí)磁鋼脫落又能保證安裝磁鋼時(shí)的安裝尺寸。

（3）電機(jī)一端采用含油圓柱滾子軸承，另一端采用含油球軸承，含油球軸承可以對(duì)轉(zhuǎn)子裝配后不同軸現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低了電機(jī)噪音。

（4）由于翻轉(zhuǎn)電機(jī)的綜合空間有限，減速箱采用行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，行星齒輪傳動(dòng)是浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，屬于精密傳動(dòng)。減速箱采用四級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，可保證很大的減速比。為了防止內(nèi)齒輪打滑，在內(nèi)齒輪與殼體之間采用凸凹槽配合，強(qiáng)度大大增加。齒輪箱由于前兩級(jí)行星齒輪承載的轉(zhuǎn)矩較低，采用耐磨性好的塑料齒輪，既降低成本又能降低噪音，同時(shí)齒輪箱采用特殊油脂潤滑，來降低多級(jí)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音。

（5）該電機(jī)可采用全自動(dòng)流水線生產(chǎn)，包括采用超聲波清洗設(shè)備對(duì)鐵心的清洗，全自動(dòng)涂敷機(jī)對(duì)鐵心表面絕緣涂敷，全自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行換向器的壓接，全自動(dòng)繞線機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子繞阻的繞制，全自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)對(duì)換向器掛鉤的點(diǎn)焊，全自動(dòng)精粗車機(jī)對(duì)換向器表面的粗車、精車、清理，二工位平衡機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子的校平衡，轉(zhuǎn)子綜合測(cè)試儀對(duì)轉(zhuǎn)子的綜合測(cè)試，定子組裝及總裝配在流水線上作業(yè)，成品在磁粉測(cè)功裝置、汽車電機(jī)綜合測(cè)試儀、響度測(cè)試系統(tǒng)及聲級(jí)計(jì)上進(jìn)行性能檢測(cè)。以上方法效率非常高，很適于大批量生產(chǎn)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

本汽車座椅翻轉(zhuǎn)用電機(jī)除具有以上一些特點(diǎn)外，同時(shí)還具有如下的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）在輸出齒輪組件裝配環(huán)節(jié)上，在輸出軸上套有特種材質(zhì)波紋滑環(huán)，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩大大超過電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩并低于堵動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，輸出軸和輸出齒輪間產(chǎn)生打滑來卸掉過大的輸出轉(zhuǎn)矩，起到保護(hù)電機(jī)減速箱里的齒輪和電機(jī)本體作用，輸出齒輪組件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 輸出齒輪組件結(jié)構(gòu)圖

（2）該電機(jī)設(shè)有霍爾元件位置計(jì)數(shù)系統(tǒng)，霍爾元件計(jì)數(shù)是運(yùn)動(dòng)位置的控制需要?；魻柨刂齐娐饭苣_1連接電源(VCC)，利用與電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上連接的信號(hào)磁鋼產(chǎn)生磁場(chǎng)，信號(hào)磁鋼被徑向充磁為N、S兩極，在外表面產(chǎn)生一個(gè)接近正弦波的磁通量。當(dāng)信號(hào)磁鋼隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)在霍爾元件管腳3（OUT）與管腳2（GND）之間產(chǎn)生脈沖信號(hào)，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，輸入到控制處理電路，作為座椅動(dòng)作位置控制信號(hào)。電路原理圖如圖 3 所示。

圖3 霍爾控制電路原理圖

（3）霍爾元件很容易受到靜電或浪涌電壓的傷害而失去工作能力，因此在霍爾元件計(jì)數(shù)電路中，并聯(lián)ESD壓敏電阻予以保護(hù)。壓敏電阻的電壓與電流不遵守歐姆定律，而成特殊的非線性關(guān)系。在常規(guī)狀態(tài)下，當(dāng)兩端所加電壓低于標(biāo)準(zhǔn)額定電壓時(shí)，壓敏電阻阻值接近于∞，內(nèi)部幾乎無電流通過；當(dāng)兩端電壓高于標(biāo)準(zhǔn)額定電壓時(shí)，壓敏電阻將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大，能瞬間將高壓靜電和高壓脈沖對(duì)地泄漏掉，從而保護(hù)霍爾元件；當(dāng)兩端所加電壓低于標(biāo)準(zhǔn)額定電壓時(shí)，壓敏電阻又恢復(fù)高阻狀態(tài)。

（4）對(duì)翻轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行EMC（電磁兼容檢測(cè)系統(tǒng)）測(cè)試時(shí)，將有幾百k到幾G的高頻信號(hào)輸入，同樣作為直流有刷電機(jī)，也會(huì)有高頻信號(hào)（如換向器火花）干擾外界。為了使電機(jī)和外界在相互干擾下能同時(shí)正常工作（即兼容），須增加LC的抑制電路。在電機(jī)主回路中，串并聯(lián)LC電路，在沒有高頻信號(hào)干擾時(shí)，電磁兼容檢測(cè)系統(tǒng)（EMC）電路中，電感元件L呈現(xiàn)低阻抗（近似短路），而電容元件C呈現(xiàn)高阻抗（近似開路）；而當(dāng)有高頻干擾信號(hào)時(shí)，則電感元件L會(huì)呈現(xiàn)高阻抗（近似開路），而電容元件C則呈現(xiàn)低阻抗（近似短路），所以，高頻干擾信號(hào)難以通過電感元件L，而被電容元件C“短路”。電路原理圖如圖 4 所示。

圖4 電磁兼容電路原理圖

LC回路設(shè)計(jì)計(jì)算

按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，工作電壓為12.5V,對(duì)電機(jī)施加一定負(fù)載，工作電流設(shè)為2.5A，按此計(jì)算出電機(jī)的阻抗為：

Zm=U/I=12.5÷2.5=5(Ω)

有高頻信號(hào)干擾時(shí)，以1G（1024M）為例計(jì)算此時(shí)LC電路中電感元件阻抗。

Zm=ωL=2πfL=2×3.14×1024×106×17× 10-6=109.3(kΩ)

式中：L=17μH（要求值）

主回路中為2L電感元件串聯(lián)，

則2ZL=2×109.3=218.6(kΩ)

LC電路中電容元件的阻抗：

ZC=1/ωC=1/2πfC=1÷(2×3.14×1024×106×684×10-9)=0.000227(Ω)

由以上計(jì)算可見，當(dāng)有高頻干擾信號(hào)時(shí)，主回路電感元件將呈現(xiàn)極大的電阻218.6kΩ＞＞5Ω，使高頻干擾信號(hào)很難通過；而在并聯(lián)的電容元件上，又呈現(xiàn)極小的容抗0.000227Ω＜＜5Ω，高頻信號(hào)被短路，從而保護(hù)了電機(jī)。

4 結(jié)束語

由上可見，汽車座椅翻轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)在汽車上可得到充分的應(yīng)用，整體結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，可大批量生產(chǎn)，具有很好的市場(chǎng)前景。

（編輯：鐘 媛）

Design of permanent-magnet D.C. motor used for turning down car seat

Zhang Yingxun
( Harbin Tech.full Electric Co.,Ltd.,Harbin150060, China )

It introduced the structure, working principle, design features and technical key points of a kind of permanent- magnet D.C. motor used for car. It also expounded the application of this motor in car seat.

permanent-magnet D.C. motor; decelerating box; out gear assembly; Hall control circuit; electromagnetism compatible circuit

U463.83+6

B

1672-4852（2014）01-0061-03

2013-08-29.

張英勛（1979-），男，工程師, 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人.