關(guān)于電機電樞參數(shù)和空載電流對電機力矩影響的研究

李天永

（貴陽萬江航空機電有限公司 550018）

1 背景

某后雨刮產(chǎn)品退回的“零公里”中，電機不工作約占故障件的36.7%。對退回件進行通電檢查，電機工作正常，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，整車進入淋雨線后，雨刮開始工作大約10 min，隨后從淋雨線出來，進入檢測工位大概2 min左右，檢查無異常后關(guān)閉雨刮器。在此期間后雨刮電機一直工作，先開始濕刮10 min，隨后在半干半濕狀態(tài)工作2 min左右，但是有部分電機在半干半濕狀態(tài)下工作幾個循環(huán)就不工作了。

分析故障原因為電機在半干半濕情況下工作，工作阻力過大，電機溫度逐漸升高，輸出力矩隨溫度的升高而減小，最終導(dǎo)致電機堵轉(zhuǎn)不能帶動刮臂正常工作。

2 關(guān)于后刮電機出力不足原因的研究

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

2.1 電機輸出力矩和電機溫度的關(guān)系

測試方法：取5臺后雨刮電機，保證空載電流一樣，測試常溫下的電機力矩；將電機空載磨合10 min，測量電機殼體尾部溫度并測試電機力矩；將電機空載磨合20 min，測量電機殼體尾部溫度并測試電機力矩。

驗證結(jié)果：隨電機溫度的升高，電機輸出力矩會逐漸衰減，最終會逐漸穩(wěn)定；電流大小是電機發(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。因此改進時可以將控制電機的電流大小作為一項指標(biāo)。

2.2 不同電流下的電機干刮情況

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

2.3 電機輸出力矩和電壓的關(guān)系

測試方法：取3臺后雨刮電機保證空載電流一樣，從11.0 V開始每0.5 V一級來測量電機的力矩。

測試結(jié)果：隨輸入電壓的不斷增大，電機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定時車身狀態(tài)不一致的問題（關(guān)閉發(fā)動機，蓄電池輸入到電機的電壓在12.5 V左右，起動發(fā)動機后電壓在14.0 V左右）。

2.4 電機輸出力矩和電樞匝數(shù)以及電流的關(guān)系

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

2.5 電機輸出力矩和電樞繞線線徑的關(guān)系

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

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

3 關(guān)于后刮電機出力理論計算

3.1 電機力矩計算公式

其中T為電機力矩，L為刮臂長度，F(xiàn)為刮臂壓力，μmax為刮片膠條最大干摩擦系數(shù)（1.6），fB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（RAW/RAK會隨著溫度變化而有所變化，濕刮時通常取1.25，干刮至平衡時，測得RAW為3.7 Ω，RAK為2.8 Ω，RAW/RAK=1.32）。

SA01后雨刮電機計算，刮臂壓力為4.2 N，刮臂長度為255 mm，根據(jù)上述公式，可算出電機輸出力矩如下：電機正常工作（濕刮）時，系數(shù)μ取0.4（經(jīng)驗值），得出了電機力矩為0.69 N·m；電機在半干半濕狀態(tài)下工作時，系數(shù)μ取1.6（經(jīng)驗值），得出了電機力矩為2.90 N·m。

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

3.2 電機轉(zhuǎn)矩公式

公式中M為電磁轉(zhuǎn)矩，Cm為電機結(jié)構(gòu)常數(shù)，Ф為磁極磁通，Ia為電樞電流。額定負(fù)載時電磁轉(zhuǎn)矩M=Me+M0。其中Me為電機輸出轉(zhuǎn)矩，M0為空載轉(zhuǎn)矩，即是電機本身的阻轉(zhuǎn)矩，它是由電機本身的機械摩擦損耗和電樞鐵芯中的渦流及磁滯損耗引起的。

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

3.3 效率特性

電機效率公式如下。

其中P1為輸入功率，∑P為功率損耗，P0為空載損耗，Ra為電阻，Ia為工作電流，Un為工作電壓。當(dāng)電機裝配完成后，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械負(fù)載上；但當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度時，銅損快速增大，此時效率又變小。

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

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

4 關(guān)于電機出力的改進驗證及效果

4.1 改進方案的確定

結(jié)合實際生產(chǎn)情況，在盡量不更改零件的工藝過程以及生產(chǎn)方法的基礎(chǔ)上，只對電樞部件的繞線參數(shù)進行調(diào)整，來解決后雨刮電機零公里不工作的情況。并根據(jù)前面的驗證結(jié)果，確定最優(yōu)改進方案如下：對電樞部件參數(shù)進行調(diào)整，線徑由φ0.42更改為φ0.45，匝數(shù)由27匝加大至29匝；對電機空載電流進行加嚴(yán)控制，由小于等于1.8 A更改為小于等于1.5 A。

4.2 改進效果

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

5 結(jié)束語

單純的增加電樞繞組匝數(shù)，可以降低空載電流，同時降低轉(zhuǎn)速，小幅度增加電機力矩。相反單純減少電樞繞組匝數(shù)，可以增大空載電流，同時增加電機轉(zhuǎn)速，電機力矩會減小。單純的增大電樞繞組線徑，可以明顯增大電機力矩，但同時會使空載電流增加，電機溫度上升快，溫升高；相反單純減小電樞繞組線徑，電機力矩會減小，但是空載電流會變小，電機溫度上升慢，溫升低。通過控制電機空載電流，減小內(nèi)部損耗，可以提高電機的輸出力矩，提高電機的傳動效率。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)在的后雨刮電機生產(chǎn)中，對于后雨刮電機整體的性能提升有這很大的改善作用。

表1 改進前后對比