車用微電機(jī)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱桂英

(浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用工程學(xué)院，杭州 310018)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)生活品質(zhì)的不斷追求，使得汽車上的電子化產(chǎn)品越來越多[1-2]，近幾年汽車上的后視鏡越來越多的應(yīng)用了電子折疊功能。使得汽車在較狹窄的空間情況下可以通過電動(dòng)折疊后視鏡的方式，快速安全的通過，此功能一方面給車主帶來了良好的駕駛乘坐體驗(yàn)，但是一方面在使用中電動(dòng)后視鏡存在諸多問題。主要有以下幾條[3-4]：反應(yīng)不靈敏，轉(zhuǎn)動(dòng)折疊時(shí)震動(dòng)大，有工作噪聲，有異響甚至出現(xiàn)卡頓等等情況。這種種問題的出現(xiàn)，影響了客戶的體驗(yàn)感和對(duì)汽車使用的滿意度，降低了客戶消費(fèi)的積極性。而這些問題的產(chǎn)生很大一部分來自于汽車后視鏡中的微電機(jī)，因此研究汽車后視鏡微電機(jī)的工作特性，降低微電機(jī)的起動(dòng)電壓，使得后視鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，降低工作聲音是有意義和市場(chǎng)價(jià)值的。

1 車用微電機(jī)性能及原理

汽車后視鏡微電機(jī)采用的是有刷280直流微特電機(jī)。汽車用微電機(jī)的有以下幾個(gè)特點(diǎn)[5-6]：(1)低電壓、大電流。汽車上的電源特點(diǎn)是雙電源，一是蓄電池供電，一是發(fā)電機(jī)發(fā)電，電壓一般為直流14 V，所以汽車后視鏡電機(jī)是低壓直流電動(dòng)機(jī)，其工作電流較大；(2)工作電壓波動(dòng)大。汽車上的眾多用電設(shè)備和電子系統(tǒng)，都由蓄電池供電。在不同汽車工況下蓄電池供電的電壓變化范圍大，所以要求車用微電機(jī)在電源電壓8 V～16 V范圍內(nèi)都能正常工作；(3)環(huán)境條件苛刻。汽車用微電機(jī)與其他電機(jī)相比，環(huán)境條件要更為苛刻，車輛是一種戶外使用產(chǎn)品，因此所用電機(jī)應(yīng)滿足一定程度的耐熱、耐振動(dòng)、防水，防腐蝕等要求；(4)“三防”性能好。汽車作為一種交通工具，由于其工作環(huán)境的特殊性，要求所用微電機(jī)具有良好的防潮、防霉、防塵的性能。(5)效率高。隨著耗電量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加，燃油經(jīng)濟(jì)性變差，從而使耗電量上升。因此要求車用微電機(jī)的效率要高。

汽車后視鏡微電機(jī)的工作原理[7-8]如圖1所示。

圖1 電機(jī)工作原理

這是最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分(定子)為兩個(gè)靜止的磁極N、S；旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)為電樞線圈，由硅鋼片疊成鐵心和線圈構(gòu)成，線圈同一方向纏繞，當(dāng)通電后根據(jù)安培右手定則，可以確定轉(zhuǎn)子通電時(shí)的磁場(chǎng)方向[9]。換向片是兩個(gè)不導(dǎo)通的弧形銅片，固定在轉(zhuǎn)子上連接線圈兩極，石墨電刷與換向片接觸并固定在電機(jī)外殼上，與電源連接。

當(dāng)電源導(dǎo)通后由于定子與轉(zhuǎn)子異性排斥，則導(dǎo)致轉(zhuǎn)子相對(duì)定子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到定子轉(zhuǎn)子磁性平衡位置時(shí)，電刷恰好在兩換向片間隙，電路斷電，線圈無磁性，此時(shí)線圈由于慣性繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致?lián)Q向片，換向連接電刷，使得電流換向，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)[10]。

直流永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式：

T(t)=CT*Φδ(t)*i0(t)

(1)

電流公式：

(2)

穩(wěn)態(tài)時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式：

e(t0=Cen0Φδ(t)

(3)

式中電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)：

(4)

磁瓦磁通密度分布函數(shù)：Bδ(x)表示的磁通密度分布函數(shù),單個(gè)密度分布函數(shù)形式，矩形或梯形分布函數(shù)圖形如圖2(a)所示，正弦函數(shù)磁通密度分布函數(shù)圖如圖2(b)所示。

圖2 磁通密度分布函數(shù)圖

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之后，磁密波形表現(xiàn)為連續(xù)的磁通密度分布函數(shù)，即為周期性矩形波函數(shù)和正弦波函數(shù)，如圖3所示。

圖3 周期性磁通密度分布函數(shù)

對(duì)以上兩種磁通密度分布函數(shù)進(jìn)行傅里葉階數(shù)展開：

(5)

矩形波傅里葉階數(shù)展開：

(6)

各次諧波分量值分析如下：

n=1時(shí)，

直流分量幅度：

(7)

其中,T0≈2*t，則

(8)

n=2時(shí)，

(9)

n=3時(shí)，

(10)

n=4時(shí)，

(11)

n=5時(shí)，

(12)

后續(xù)高頻率波忽略，因此合成磁密波形函數(shù)為

Bδ1(x)=Bmax*0.5+0.667*Bmaxcos(wt)+0.217*Bmaxcos(3wt)+0.128*Bmaxcos(5wt)

(13)

磁密余弦波傅里葉階數(shù)展開：

Bδ2(x)=Bmax*0.5+0.5*Bmaxcos(wt)

(14)

對(duì)比分析，兩種磁密波形的實(shí)時(shí)磁通函數(shù)：

Φδ1(t)=Bmax*l*(0.5*(t+T0)+0.667*sin(wt)/w+0.217*sin(3wt)/3w+0.128*sin(5wt)/5)

(15)

Φδ2(t)=Bmax*l*(0.5*(t+T0)+0.5*sin(wt)/w)

(16)

轉(zhuǎn)矩公式得出：

T(t)=CT*Φδ(t)*i0(t)

(17)

從實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩函數(shù)顯示，分析結(jié)果如下：

①?gòu)拇磐ê瘮?shù)式(15)和式(16)分析中，得出矩形波磁密分布的磁瓦電機(jī)提供的力矩大于磁瓦磁密分布為正弦波的電機(jī)力矩。

②從式(15)中，可以得出磁通函數(shù)除基波和直流分量之外，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩上還疊加了三次，五次及以上諧次波轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)矩振動(dòng)、噪聲加大；分析式(16)得出輸出轉(zhuǎn)矩沒有額外高次波轉(zhuǎn)矩疊加，轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn)，噪聲聲音小。

第二，強(qiáng)化科技創(chuàng)新，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)高新化和生態(tài)化發(fā)展。工業(yè)發(fā)展質(zhì)量的核心在于高新技術(shù)的應(yīng)用，為了提高青島市的工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，推進(jìn)其新型工業(yè)化進(jìn)程，必須提高工業(yè)企業(yè)的科技創(chuàng)新能力，提升高新技術(shù)同傳統(tǒng)工業(yè)的融合發(fā)展水平，從驅(qū)動(dòng)力上轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式。具體做法如按照市場(chǎng)需求，有計(jì)劃地培育高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建立科技提高生產(chǎn)力的產(chǎn)業(yè)平臺(tái)；整合高校、科研機(jī)構(gòu)等組織機(jī)構(gòu)的科研成果，充分利用其科研成果不斷變革科學(xué)技術(shù)，提高科學(xué)技術(shù)的水平和適用性；為科技創(chuàng)新發(fā)展?fàn)I造良好的外部環(huán)境，探索產(chǎn)學(xué)研一體化發(fā)展的科技創(chuàng)新模式。

③矩形波磁瓦電機(jī)的起動(dòng)電壓高、起動(dòng)力矩小，起動(dòng)難；正弦波的起動(dòng)電壓低，起動(dòng)力矩大，起動(dòng)響應(yīng)快。

在詳細(xì)分析電機(jī)起動(dòng)過程時(shí)，磁瓦磁密波形為矩形波情況。在電機(jī)起動(dòng)瞬間磁密跳變非常大，導(dǎo)致電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)跳變極大，加載在電機(jī)兩端的電壓很小，造成起動(dòng)電流小，起動(dòng)力矩過小，電機(jī)瞬間難以起動(dòng)，造成卡頓，具體分析過程如下：

(18)

如果要快速起動(dòng)只能提高起動(dòng)電壓U0。

本文從理論上分析了磁密波形為矩形會(huì)引起一系列的缺陷的原因，將采用改變磁瓦形狀尺寸的方法來改進(jìn)電機(jī)特性的方法。磁瓦根據(jù)工藝有干壓和濕壓兩類，干壓的研究比較成熟，對(duì)于濕壓產(chǎn)品要達(dá)到干壓的性能，目前成熟的生產(chǎn)廠商較少，根據(jù)電機(jī)廠的反饋性能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況?；诖?，本文針對(duì)濕壓磁瓦提出了一種改變磁瓦的磁密分布的方法，即不改變?cè)泄ぷ麟娐返幕A(chǔ)上只改變磁場(chǎng)密度分布來改善電機(jī)的工作性能。

2 電機(jī)性能優(yōu)化方法

目前有很多方法可以改進(jìn)或優(yōu)化電機(jī)性能，本文提出一種針對(duì)濕壓磁瓦新的方法，在不改變?cè)泄ぷ麟娐?，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)磁瓦尺寸的方法來改進(jìn)電機(jī)性能。傳統(tǒng)的電機(jī)磁瓦在生產(chǎn)過程中因工藝限制、生產(chǎn)效率等方面因素，磁瓦尺寸都采用等厚度生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，既磁瓦厚h是個(gè)恒定值。圖5為電機(jī)磁瓦放置的剖面圖，一般都采用在殼體內(nèi)對(duì)稱安裝兩片磁瓦，中間安裝轉(zhuǎn)子的方法。

圖4 磁瓦結(jié)構(gòu)圖

圖5 電機(jī)磁瓦剖面圖

在汽車的微特電機(jī)上使用等厚的磁瓦會(huì)產(chǎn)生諸多不足之處，經(jīng)特斯拉計(jì)采集磁密分布波形，其波形如圖6(a)所示(類似矩形或梯形)。矩形或梯形波因帶有高次諧波的成分會(huì)引起微特電機(jī)起動(dòng)卡頓、噪聲和振動(dòng)大等缺點(diǎn)，表現(xiàn)在后視鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作特性上就是轉(zhuǎn)動(dòng)流暢性差、不平順、卡頓、反映不靈敏、反應(yīng)慢及噪聲大等現(xiàn)象。如果要改善以上各種不足之處，必須過濾雜波，同時(shí)調(diào)整磁密分布波形，要求形成或接近氣隙磁密波形成如圖6(b)所示的余弦波。

本文已對(duì)理想氣隙波形進(jìn)行分析，得出引起各種缺陷的的理論原因，再通過改變勵(lì)磁磁瓦的形狀尺寸，改進(jìn)磁瓦的磁密分布波形，以此抑制各種缺陷，并用試驗(yàn)結(jié)果證明各種改進(jìn)方法的有效性。改進(jìn)方法有三種方式，一是改變磁瓦的內(nèi)弧半徑R1,二是改變磁瓦的外弧半徑R2，三是等厚削角外弧半徑R2。

圖6 磁瓦波形圖

2.1 改變內(nèi)弧半徑R1的方式

改變內(nèi)弧半徑R1的方法：改變電機(jī)磁瓦內(nèi)弧半徑，新半徑小于原來半徑，新舊半徑偏心間距為0.1～0.8 mm，形成兩個(gè)偏心圓。通過改進(jìn)磁瓦砂輪，用專用磨床對(duì)內(nèi)弧邊緣部分進(jìn)行打磨，其磁瓦形狀如圖7(b)所示，減小磁瓦邊緣內(nèi)部?jī)蓚?cè)的厚度，也叫內(nèi)偏心磁瓦，通過徑向充磁后，得到的磁密波形過濾掉了主波前后的部分雜波，其波形接近正弦波。

圖7 磁瓦形狀分布圖

2.2 改變外弧徑R2的方式

圖8 偏心磁瓦工藝原理圖

2.3 等厚削角外邊弧半徑R2方式

等厚削外半徑R2的方式：直線切削掉外弧邊緣部分，此磁瓦也叫削角磁瓦，其磁瓦分布如圖7(d)所示，這種方式是在原來等厚磁瓦的前提下，通過改進(jìn)磨床砂輪尺寸，將磁瓦邊緣外部?jī)蓚?cè)的厚度進(jìn)行削減，加工工藝簡(jiǎn)單，減少加工的難度，體現(xiàn)在磁瓦磁密分布函數(shù)上就是過濾掉了氣隙磁密波形主波前后的雜波，使其波形接近正弦波。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形分析

以汽車后視鏡電機(jī)磁瓦280為例，通過對(duì)磁瓦外形尺寸加工進(jìn)行工藝改進(jìn)，完成了磁瓦尺寸形狀的重新設(shè)計(jì)，選取各100片進(jìn)行工藝改進(jìn)，并從中隨機(jī)選取10片，進(jìn)行電機(jī)安裝，對(duì)改進(jìn)后的磁瓦的微特電機(jī)性能參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)。該磁瓦的基本參數(shù)如表1所示。

表1 磁瓦280結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)對(duì)電機(jī)電流波形進(jìn)行測(cè)試

對(duì)安裝了改進(jìn)后的磁瓦的電機(jī)電流進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法如下：在電機(jī)的接線端串聯(lián)一個(gè)兩歐姆電阻，示波器測(cè)試電阻兩端的電壓，得到的測(cè)試電流波形，具體分析幾種情況。

圖9 改進(jìn)后磁瓦電流波形圖

等厚磁瓦電機(jī)，示波器檢測(cè)到的電流波形如圖9(a)所示，雜波大、波形失真嚴(yán)重，但是轉(zhuǎn)矩大。內(nèi)偏心磁瓦電機(jī)，選擇偏心距為0.3 mm,其波形如圖9(b)所示；外偏小磁瓦電機(jī)，選擇偏心距為0.3 mm，其電流波形圖如圖9(c)所示；外削角磁瓦電機(jī)，其削角的角度為30°，選用其波形圖如圖9(d)所示。

(2)對(duì)磁瓦電機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試

通過微電機(jī)綜合性能檢測(cè)儀對(duì)隨機(jī)選取的各10片磁瓦進(jìn)行進(jìn)行性能測(cè)試，并求取平均值得到各個(gè)參數(shù)，其各項(xiàng)性能參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)性能測(cè)試比較

通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)比，從電流波形上三種改進(jìn)后磁瓦電機(jī)的電流波形基本都是正弦波，波形失真度小，滿足優(yōu)化的要求，從性能上來看改善了等厚磁瓦噪聲大，性能不穩(wěn)定的問題，達(dá)到了改善電機(jī)性能的目的，但是從生產(chǎn)工藝上來看，在改善磁瓦性能的情況下不需要改變殼體的工藝和尺寸,對(duì)于廠家選擇改變磁瓦內(nèi)弧徑的方法更加經(jīng)濟(jì)。而削角的方法改變斜邊角的方法改善了電機(jī)的換向性能，但是增加了磁瓦的加工難度。單從理論分析和實(shí)踐測(cè)試三種改進(jìn)方法都達(dá)到了電機(jī)優(yōu)化的要求，但是同時(shí)需要滿足工藝和經(jīng)濟(jì)性的要求，就需要從磨床工序等多方面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)磁瓦的磁密分布函數(shù)形狀進(jìn)行分析，通過理論推導(dǎo)得知等厚磁瓦電機(jī)存在起動(dòng)難、噪聲大，性能不穩(wěn)等問題，通過改進(jìn)磁瓦磨削砂輪，改變磁瓦的內(nèi)徑、外徑、削角三種方法，成為內(nèi)、外偏心磁瓦或外削磁瓦，得到氣隙波形為理想的正弦波，改善了電機(jī)的性能，提高了使用體驗(yàn)感。在電機(jī)的設(shè)計(jì)中，選擇不同的方法，合適的形狀和尺寸，達(dá)到調(diào)節(jié)理想的電機(jī)特性。對(duì)于偏心距的選擇需要進(jìn)行功能的試驗(yàn)和換算，對(duì)于不同大小的磁瓦需要通過試驗(yàn)的方法來確定，才能得到最優(yōu)性能峰值。本文提出的方法可以改善電機(jī)的使用性能，提升電子產(chǎn)品的使用效果。對(duì)于汽車微電機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。