關(guān)于電機(jī)電樞參數(shù)和空載電流對(duì)電機(jī)力矩影響的研究

摘要：對(duì)于雨刮電機(jī)而言，輸出力矩大小是其主要性能之一，力矩過(guò)小會(huì)導(dǎo)致電機(jī)刮不動(dòng)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)進(jìn)而燒電機(jī)，而力矩設(shè)計(jì)過(guò)大會(huì)造成資源的浪費(fèi)。本文主要通過(guò)對(duì)電機(jī)電樞部件的參數(shù)調(diào)整和空載電流的驗(yàn)證研究，來(lái)提高后雨刮電機(jī)的輸出力矩，進(jìn)而滿足產(chǎn)品使用要求。

關(guān)鍵詞：電樞部件;繞組導(dǎo)線;匝數(shù);輸出力矩

中圖分類號(hào)：U461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 背景

某后雨刮產(chǎn)品退回的“零公里”中，電機(jī)不工作約占故障件的36.7%。對(duì)退回件進(jìn)行通電檢查，電機(jī)工作正常，多次檢查結(jié)果一致，并且裝車刮試也正常，故障現(xiàn)象并未復(fù)現(xiàn)。

經(jīng)與主車廠確認(rèn)情況得知，整車進(jìn)入淋雨線后，雨刮開始工作大約10 min，隨后從淋雨線出來(lái)，進(jìn)入檢測(cè)工位大概2 min左右，檢查無(wú)異常后關(guān)閉雨刮器。在此期間后雨刮電機(jī)一直工作，先開始濕刮10 min，隨后在半干半濕狀態(tài)工作2 min左右，但是有部分電機(jī)在半干半濕狀態(tài)下工作幾個(gè)循環(huán)就不工作了。

分析故障原因?yàn)殡姍C(jī)在半干半濕情況下工作，工作阻力過(guò)大，電機(jī)溫度逐漸升高，輸出力矩隨溫度的升高而減小，最終導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)不能帶動(dòng)刮臂正常工作。2關(guān)于后刮電機(jī)出力不足原因的研究

按照主機(jī)廠生產(chǎn)情況，確定驗(yàn)證方法為連續(xù)濕刮10 min，然后停水干刮，觀察其運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 電機(jī)輸出力矩和電機(jī)溫度的關(guān)系

測(cè)試方法：取5臺(tái)后雨刮電機(jī)，保證空載電流一樣，測(cè)試常溫下的電機(jī)力矩;將電機(jī)空載磨合10 min，測(cè)量電機(jī)殼體尾部溫度并測(cè)試電機(jī)力矩;將電機(jī)空載磨合20 min，測(cè)量電機(jī)殼體尾部溫度并測(cè)試電機(jī)力矩。

驗(yàn)證結(jié)果：隨電機(jī)溫度的升高，電機(jī)輸出力矩會(huì)逐漸衰減，最終會(huì)逐漸穩(wěn)定;電流大小是電機(jī)發(fā)熱的主要因素，電流越大發(fā)熱越快，力矩衰減也就越明顯。因此改進(jìn)時(shí)可以將控制電機(jī)的電流大小作為一項(xiàng)指標(biāo)。

2.2 不同電流下的電機(jī)干刮情況

由于機(jī)械損耗是電機(jī)空載損耗的重要組成部分，因此對(duì)于不同電流下的電機(jī)進(jìn)行干刮驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果為當(dāng)電流小于1.5 A的電機(jī)，在半干半濕狀態(tài)下（阻力最大時(shí)）刮試4 min以上沒有任何問題;電流在1.5 A以上的電機(jī)，在半干半濕狀態(tài)下工作很難超過(guò)3 min。以1.5 A為分界線干刮時(shí)間有很明顯的變動(dòng)。

2.3 電機(jī)輸出力矩和電壓的關(guān)系

測(cè)試方法：取3臺(tái)后雨刮電機(jī)保證空載電流一樣，從11.0 V開始每0.5V一級(jí)來(lái)測(cè)量電機(jī)的力矩。

測(cè)試結(jié)果：隨輸入電壓的不斷增大，電機(jī)輸出力矩也隨之增大，但是在一定區(qū)域段之內(nèi)是穩(wěn)定變化不大的，故而排除主車廠在評(píng)定時(shí)車身狀態(tài)不一致的問題（關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，蓄電池輸入到電機(jī)的電壓在12.5 V左右，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后電壓在14.0 V左右）。

2.4 電機(jī)輸出力矩和電樞匝數(shù)以及電流的關(guān)系

測(cè)試方法：取用6臺(tái)后雨刮電機(jī)（電樞0.45線，27匝），測(cè)試力矩;將電樞更換為0.45線29匝電樞，用同樣的方法測(cè)試力矩。具體結(jié)果為：電流在1.5A以上的電機(jī)比-1.5A以下的電機(jī)輸出力矩要小0.3 N.m;電樞由27匝調(diào)整至29匝，電機(jī)輸出力矩提高0.6N·m以上。

2.5 電機(jī)輸出力矩和電樞繞線線徑的關(guān)系

測(cè)試方法：取6臺(tái)后刮電機(jī)（電樞0.42線，27匝），測(cè)試力矩;將電樞更換為0.45線27匝電樞，用同樣的方法測(cè)試力矩。

測(cè)試結(jié)果：將電樞由0.42線27匝更換為0.45線27匝時(shí)，電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩提高了0.70 N·m;空載電流有略微提高。

3 關(guān)于后刮電機(jī)出力理論計(jì)算

3.1 電機(jī)力矩計(jì)算公式

T ≈ Fcc×μ max×Lcc×fB×fT×RAW/RAK+Fcp×μ max×Lcp×fB×fT×RAW/RAK

（1）

其中T為電機(jī)力矩，L為刮臂長(zhǎng)度，F(xiàn)為刮臂壓力，μ max為刮片膠條最大干摩擦系數(shù)（1.6），侶為刮臂接頭摩擦系數(shù)（1.15），fT為刮臂載荷公差系數(shù)（1.12），RAW為正常工作下轉(zhuǎn)子繞組的熱態(tài)電阻，RAK為正常工作下轉(zhuǎn)子繞組的冷態(tài)電阻，RAW/RAK=1.25（RAVWRAK會(huì)隨著溫度變化而有所變化，濕刮時(shí)通常取125，干刮至平衡時(shí)，測(cè)得RAW為3.7 Ω，RAK為2.8 Ω，RAW/RAK=1.32）.

SA01后雨刮電機(jī)計(jì)算，刮臂壓力為4.2 N，刮臂長(zhǎng)度為255 mm，根據(jù)上述公式，可算出電機(jī)輸出力矩如下：電機(jī)正常工作（濕刮）時(shí)，系數(shù)μ取0.4（經(jīng)驗(yàn)值），得出了電機(jī)力矩為0.69 N·m;電機(jī)在半干半濕狀態(tài)下工作時(shí)，系數(shù)μ取1.6（經(jīng)驗(yàn)值），得出了電機(jī)力矩為2.90 N·m。

理論上，當(dāng)電機(jī)的輸出軸力矩> 2.90 N·m時(shí)，就可以滿足使用要求，但由于溫度升高后電機(jī)力矩會(huì)出現(xiàn)衰減，就會(huì)出現(xiàn)電機(jī)不工作的情況，因此要給予一定的安全裕度。

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式

M=Cmφl(shuí)a

（2）

公式中M為電磁轉(zhuǎn)矩，Cm為電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)，φ為磁極磁通，la為電樞電流。額定負(fù)載時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩M=Me+MO。其中Me為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，MO為空載轉(zhuǎn)矩，即是電機(jī)本身的阻轉(zhuǎn)矩，它是由電機(jī)本身的機(jī)械摩擦損耗和電樞鐵芯中的渦流及磁滯損耗引起的。

在電機(jī)結(jié)構(gòu)和磁鋼性能不變的情況下，電機(jī)的機(jī)械摩擦損耗和空載轉(zhuǎn)矩成正比，與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩成反比，也就是說(shuō)機(jī)械摩擦損耗越小越好，空載電流越小越好。根據(jù)以上理論分析和驗(yàn)證，相關(guān)人員可以從增大電機(jī)本身輸出力矩、降低工作電流（即降低電機(jī)的空載損耗）著手，來(lái)提高電機(jī)的整體性能。

3.3 效率特性

電機(jī)效率公式如下。

其中P1為輸入功率，∑P為功率損耗，PO為空載損耗，Ra為電阻，la為工作電流，Un為工作電壓。當(dāng)電機(jī)裝配完成后，空載損耗即為不變損耗，不隨負(fù)載電流變化，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上;負(fù)載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機(jī)械負(fù)載上;但當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度時(shí)，銅損快速增大，此時(shí)效率又變小。

在輸入電壓不變及不考慮磨損的情況下，理論上電機(jī)只要能帶動(dòng)刮臂工作，就可以一直工作。但電機(jī)工作過(guò)程中持續(xù)發(fā)熱，電機(jī)溫度也會(huì)隨之升高，到最后會(huì)達(dá)到一個(gè)熱平衡狀態(tài)，即電機(jī)的溫升。由于電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速，堵轉(zhuǎn)力矩和最大效率會(huì)隨著電機(jī)溫度的升高而有所降低，當(dāng)部分電機(jī)輸出力矩由于衰減而小于2.90 N·m時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況。一旦電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電源輸入的功率將全部轉(zhuǎn)化為熱能，電機(jī)溫度就會(huì)急速上升。達(dá)到一定溫度時(shí)，電機(jī)內(nèi)部的塑料件會(huì)出現(xiàn)變形以及電樞繞線會(huì)燒蝕，最終導(dǎo)致電機(jī)燒，致使電機(jī)不工作。

根據(jù)前面的理論分析和驗(yàn)證，相關(guān)人員可以從增大電機(jī)本身輸出力矩、降低工作電流以及降低電機(jī)的空載損耗著手，來(lái)提高電機(jī)的整體性能和效率。

4 關(guān)于電機(jī)出力的改進(jìn)驗(yàn)證及效果

4.1 改進(jìn)方案的確定

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，在盡量不更改零件的工藝過(guò)程以及生產(chǎn)方法的基礎(chǔ)上，只對(duì)電樞部件的繞線參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，來(lái)解決后雨刮電機(jī)零公里不工作的情況。并根據(jù)前面的驗(yàn)證結(jié)果，確定最優(yōu)改進(jìn)方案如下：對(duì)電樞部件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，線徑由φ0.42更改為φ0.45，匝數(shù)由27匝加大至29匝;對(duì)電機(jī)空載電流進(jìn)行加嚴(yán)控制，由小于等于1.8 A更改為小于等于1.5A。

4.2 改進(jìn)效果

隨機(jī)抽選退回零公里故障件電機(jī)5臺(tái)，測(cè)試堵轉(zhuǎn)力矩和干刮時(shí)間。根據(jù)上述改進(jìn)方案，更換新電樞并調(diào)整電流，測(cè)試堵轉(zhuǎn)力矩和干刮時(shí)間，結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

單純的增加電樞繞組匝數(shù)，可以降低空載電流，同時(shí)降低轉(zhuǎn)速，小幅度增加電機(jī)力矩。相反單純減少電樞繞組匝數(shù)，可以增大空載電流，同時(shí)增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)力矩會(huì)減小。單純的增大電樞繞組線徑，可以明顯增大電機(jī)力矩，但同時(shí)會(huì)使空載電流增加，電機(jī)溫度上升快，溫升高;相反單純減小電樞繞組線徑，電機(jī)力矩會(huì)減小，但是空載電流會(huì)變小，電機(jī)溫度上升慢，溫升低。通過(guò)控制電機(jī)空載電流，減小內(nèi)部損耗，可以提高電機(jī)的輸出力矩，提高電機(jī)的傳動(dòng)效率。關(guān)于電流控制方面的要求和操作方法，已經(jīng)廣泛使用在了現(xiàn)在的后雨刮電機(jī)生產(chǎn)中，對(duì)于后雨刮電機(jī)整體的性能提升有這很大的改善作用。