基于TRIZ 理論的電驅(qū)動(dòng)排種器高效電機(jī)設(shè)計(jì)

楊柳，衣淑娟

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

TRIZ 理論為發(fā)明問(wèn)題的解決理論，于1946 年由蘇聯(lián)科學(xué)家創(chuàng)設(shè)，科學(xué)家通過(guò)成千上萬(wàn)的專利研究發(fā)現(xiàn)[1]，無(wú)論人們對(duì)何種學(xué)科進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造時(shí)，都遵循一定的科學(xué)方法和科學(xué)原則，繼而總結(jié)創(chuàng)造了TRIZ 理論，形成了一個(gè)綜合理論體系，幫助人們更高效快速解決科學(xué)和技術(shù)的問(wèn)題[2-3]。在科學(xué)研究中為學(xué)者提供一種新型解決問(wèn)題的方法，其核心思想為遵循客觀發(fā)展規(guī)律解決科學(xué)矛盾、難點(diǎn)等問(wèn)題，在解決問(wèn)題過(guò)程中用最少、最簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益。

1 TRIZ 理論研究現(xiàn)狀

1.1 TRIZ 理論的國(guó)外研究現(xiàn)狀

隨著TRIZ 理論體系的發(fā)展，多個(gè)國(guó)家的學(xué)者將TRIZ 理論用于機(jī)械、化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域當(dāng)中，其中也有不少企業(yè)也陸續(xù)開始應(yīng)用TRIZ 理論進(jìn)行產(chǎn)品更新設(shè)計(jì)，在解決問(wèn)題過(guò)程中，應(yīng)用TRIZ 理論能高效快速的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題并解決問(wèn)題，大大提高了企業(yè)研發(fā)周期，節(jié)約研究成本，提升企業(yè)收益[4-5]。智利Federico Santa Maria 大學(xué)利用TRIZ 理論構(gòu)建一種建模體系，應(yīng)用TRIZ 理論中多種工具，在城市火災(zāi)模型構(gòu)建廣泛應(yīng)用[6]。印度尼西亞大學(xué)利用TRIZ理論提高電動(dòng)車總線功能，為殘疾人設(shè)施做出貢獻(xiàn)。馬來(lái)西亞大學(xué)通過(guò)TRIZ 理論矛盾矩陣的方法，減輕汽車前罩的重量，同時(shí)也有利于減少燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中形成的氣體排放[7]。

1.2 TRIZ 理論的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近幾年TRIZ 理論在科學(xué)研究中TRIZ 理論的應(yīng)用逐漸增加，國(guó)內(nèi)學(xué)者在電子技術(shù)、企業(yè)開發(fā)、產(chǎn)品創(chuàng)新、教育教學(xué)、建筑、農(nóng)業(yè)、創(chuàng)業(yè)等幾十個(gè)方面均有TRIZ 理論的應(yīng)用。

2014 年，浙江農(nóng)林大學(xué)在蔬菜苗嫁接機(jī)設(shè)計(jì)上應(yīng)用TRIZ 理論中的即使矛盾，矛盾矩陣和物場(chǎng)模型等方法，對(duì)蔬菜苗嫁接機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。2015 年，哈爾濱理工大學(xué)應(yīng)用TRIZ 理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)一款紅菇娘果去皮機(jī)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，得到最佳方案[8]。2016 年，浙江理工大學(xué)將TRIZ 理論引入到人體假肢裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，利用創(chuàng)新發(fā)明原理、物理矛盾分析等七種原則，得到最終優(yōu)化方案[9]。2017 年，河北工業(yè)大學(xué)多名學(xué)者利用TRIZ 理論體系解決包裝設(shè)計(jì)、力學(xué)特性分析等多個(gè)方面問(wèn)題。2018年，沈陽(yáng)建筑大學(xué)應(yīng)用TRIZ 理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)路邊石清洗機(jī)，有效清洗路邊石中粉塵、細(xì)菌和污泥等，提升城市形象的同時(shí)解決影響居民健康的一大隱患[10]。2019 年，山東青島科技大學(xué)在高校創(chuàng)新教育培養(yǎng)體系構(gòu)建與實(shí)踐方向引入TRIZ 理論體系，改革人才培養(yǎng)模式，收獲顯著成效。2020 年，開灤集團(tuán)在礦山數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)中應(yīng)用TRIZ 理論，有效的分析該裝置差異使用狀況，優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化功能[11]。

TRIZ 理論體系在國(guó)內(nèi)外幾十個(gè)領(lǐng)域中均有應(yīng)用，對(duì)于企業(yè)和科研學(xué)者，TRIZ 理論是一種高效、便捷的理論體系選擇，給學(xué)者提供多種思路，尋找最優(yōu)解決方案，獲得最終理想解。

2 設(shè)計(jì)與方法

2.1 電動(dòng)排種器高效電機(jī)設(shè)計(jì)

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為配合實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的高速播種，將傳統(tǒng)動(dòng)力源由地輪提供改為電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)排種器，利用排種盤外側(cè)鋸齒形與電機(jī)傳動(dòng)齒輪直接嚙合，既可以消除地輪打滑對(duì)播種質(zhì)量的影響，又可以減輕整機(jī)重量。在高速播種環(huán)節(jié)中，電驅(qū)動(dòng)更容易實(shí)現(xiàn)播種環(huán)節(jié)全程信息化跟蹤和監(jiān)測(cè)。

無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)位置傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子磁極的位置，利用電子換相線路去驅(qū)動(dòng)位置開關(guān)的導(dǎo)通或關(guān)斷，依次使電樞繞組饋電，從而在定子電樞上發(fā)出躍進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)中較常用的是三相繞組兩相導(dǎo)通的方式，位置檢測(cè)器常采用霍爾元件位置傳感器[12-13]。

2.1.1 功能分析

在利用TRIZ 理論建立該電機(jī)技術(shù)系統(tǒng)時(shí)，理解系統(tǒng)功能，找到系統(tǒng)問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)中主要功能或者輔助功能進(jìn)行功能定義、功能分類和功能管理一系列步驟實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化[14]。

傳統(tǒng)播種機(jī)排種器的的動(dòng)力源為地輪，地輪通過(guò)鏈輪的傳動(dòng)帶動(dòng)排種器進(jìn)行工作。電動(dòng)排種器去掉復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)電機(jī)直接帶動(dòng)排種器工作。根據(jù)電動(dòng)排種器的實(shí)際工作情況，建立電動(dòng)排種器工作系統(tǒng)的組件模型如表1 所示。

表1 系統(tǒng)的組件模型Table 1 System component models

在整理過(guò)程中，明確關(guān)聯(lián)，辨別功能分類[15]，確定基本功能和輔助功能后，明確逐個(gè)功能間的邏輯練習(xí)，排列整理重要功能，繪制系統(tǒng)功能模型圖如圖1所示。最終根據(jù)功能模型的分析，整理電動(dòng)排種器系統(tǒng)功能模型提出技術(shù)方案如下：

圖1 系統(tǒng)的功能模型Fig.1 Functional models of the system

設(shè)計(jì)無(wú)損電機(jī)，減少由于電機(jī)內(nèi)部損耗而減小播種機(jī)的工作效率；對(duì)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行改變，減少原有組成所產(chǎn)生的摩擦損耗、風(fēng)損、雜散損耗等；在控制系統(tǒng)方面，需進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，避免農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者對(duì)控制系統(tǒng)的理解不足而影響生產(chǎn)，進(jìn)而影響推廣；設(shè)計(jì)新的機(jī)械傳動(dòng)方式，減少機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低成本；設(shè)計(jì)電動(dòng)排種器，去掉傳動(dòng)鏈輪，避免土壤對(duì)排種器產(chǎn)生的有害作用，提高作業(yè)率；使電動(dòng)排種器成為一體結(jié)構(gòu)，減少整機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

2.1.2 矛盾

根據(jù)對(duì)電動(dòng)排種器工作系統(tǒng)的整體分析，找到可能存在的技術(shù)矛盾，其技術(shù)矛盾表述為：如果增加電機(jī)為動(dòng)力源（原動(dòng)力源仍為地輪），那么系統(tǒng)自動(dòng)化增加，但是耗電量增加；如果不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)（動(dòng)力源仍為地輪），那么耗電量減少，但是人工操作環(huán)節(jié)增多。

TRIZ 理論提出運(yùn)用39 個(gè)通用工程參數(shù)描述技術(shù)矛盾和40 條解決技術(shù)矛盾的發(fā)明創(chuàng)新原理，利用這兩個(gè)表格，解決系統(tǒng)中的問(wèn)題[16]。將現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中形形色色的矛盾問(wèn)題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)矛盾參數(shù)，對(duì)應(yīng)參數(shù)表，確定技術(shù)矛盾參數(shù)為No.31 物體產(chǎn)生的有害因素，惡化的參數(shù)為No.22 能量損失[17]。按照技術(shù)矛盾的工程參數(shù)編號(hào)No.31 和No.22，對(duì)應(yīng)查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創(chuàng)新原理可能的解集是：M31-22=[21，35，2，22]；其中：No.21 緊急行動(dòng)；No.35 參數(shù)變化；No.2 分離；No.22 變有害為有利[11-12]。

根據(jù)以上查表與分析可知，選定發(fā)明原理，結(jié)合系統(tǒng)相關(guān)性專業(yè)知識(shí)，可得到如下解：設(shè)計(jì)高效控制系統(tǒng)，減小電機(jī)反應(yīng)時(shí)間，減少損耗；減小排鐘盤直徑，增加形孔數(shù)，在相同的施播量時(shí)，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少工作強(qiáng)度，降低損耗；將電機(jī)內(nèi)部易產(chǎn)生高溫的繞組用新型導(dǎo)體材料分割，減少由于相互觸碰產(chǎn)生的升溫情況；改變電機(jī)內(nèi)部組成轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子磁鐵、套管、定子鐵軛、定子線圈、定子槽、軸、輪轂等元件的材料以及參數(shù)。

2.1.3 物場(chǎng)分析

在問(wèn)題模型建立以后，TRIZ 理論中的物場(chǎng)分析針對(duì)基本問(wèn)題，找到系統(tǒng)特征和規(guī)律，分析并改進(jìn)系統(tǒng)功能。在解決問(wèn)題過(guò)程中，通過(guò)問(wèn)題分析和描述，簡(jiǎn)歷系統(tǒng)與技術(shù)之間的功能模型，對(duì)應(yīng)找到一般解和標(biāo)準(zhǔn)解[18]。在物場(chǎng)分析中，一般必須兩個(gè)物體和一個(gè)場(chǎng)，物體一般包括材料、工具、零件、人和環(huán)境，其中場(chǎng)指的是兩個(gè)物體之間產(chǎn)生作用力的一種能量，包含機(jī)械場(chǎng)、聲場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等等分類。

問(wèn)題描述：播種機(jī)在實(shí)際作業(yè)生產(chǎn)中存在很多外界不可控因素，例如地塊地形復(fù)雜程度，雨水量較多等，會(huì)造成電機(jī)損耗增加，系統(tǒng)消耗增大，建立物場(chǎng)模型如圖2 所示。

圖2 物-場(chǎng)模型Fig.2 Object field model

利用物場(chǎng)分析最終得到標(biāo)準(zhǔn)解法，又叫通用解法，運(yùn)用物-場(chǎng)模型將待解決的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)解，形成最終方案[19]。通過(guò)對(duì)物場(chǎng)分析并運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解法，選用增加一個(gè)物質(zhì)S3 來(lái)解決該物場(chǎng)模型中效應(yīng)不足的問(wèn)題，提出技術(shù)解決方案為：增加機(jī)車速度實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，保證在由于土壤等環(huán)境因素導(dǎo)致的打滑等現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，電機(jī)能及時(shí)調(diào)節(jié)排種器，避免重播漏播現(xiàn)象出現(xiàn)。其組合后的氣吸式電驅(qū)動(dòng)排種器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)排種器的排種盤完成排種工作，結(jié)構(gòu)下排種盤的驅(qū)動(dòng)力完全來(lái)自于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此不會(huì)產(chǎn)生由于地面驅(qū)動(dòng)輪打滑等因素造成的漏播和播種不均現(xiàn)象。

圖3 氣吸式電驅(qū)動(dòng)排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural schematic diagram of air-suction electric drive metering device

2.2 最終確定方案

通過(guò)運(yùn)用物理矛盾分析求解與物場(chǎng)矛盾分析求解原理等TRIZ 工具進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)設(shè)計(jì)，綜合全部技術(shù)方案，同時(shí)考慮到排種器驅(qū)動(dòng)時(shí)需要電機(jī)具有較高的響應(yīng)能力，最終確定電動(dòng)排種器配套驅(qū)動(dòng)電機(jī)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其內(nèi)部由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子磁鐵、套管、定子鐵芯、定子線圈、定子槽襯里、軸和軸承組成，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of brushless DC motor

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 電機(jī)效率試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

電機(jī)效率檢測(cè)采用扭矩功率試驗(yàn)儀和多功能測(cè)試儀，如圖5、圖6 所示。

圖5 扭矩試驗(yàn)儀圖Fig.5 Torque tester

圖6 多功能測(cè)試儀Fig.6 Multi-function tester

圖7 無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Fig.7 Brushless motor driver

圖8 TLE9879QXA40 控制芯片針腳分配圖Fig.8 TLE9879QXA40 control chip pin allocation diagram

3.1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

有刷和無(wú)刷兩種電機(jī)的控制原理上都是采用調(diào)壓的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速的控制，但由于無(wú)刷直流采用了電子換向，與有刷電機(jī)調(diào)整電壓電流通過(guò)整流子及電刷地轉(zhuǎn)換，改變電極產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)弱達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的控制方式不同，無(wú)刷馬達(dá)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行數(shù)字控制才能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。因此試驗(yàn)前需要在前文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)上對(duì)調(diào)速方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。需要在供電電源的電壓不變，改變電調(diào)的控制信號(hào)，通過(guò)微處理器再改變大功率MOS 管的開關(guān)速率，來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。

研究采用BLDCM 系統(tǒng)閉環(huán)控制設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)通過(guò)控制轉(zhuǎn)速外環(huán)使電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤上給定轉(zhuǎn)速，通過(guò)控制電流內(nèi)環(huán)電流控制提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能?？刂葡到y(tǒng)圖如圖9 所示。而系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)的控制方式采用PWM（Pulse width modulation）斬波控制方式進(jìn)行內(nèi)外環(huán)電流控制，設(shè)計(jì)的控制電路圖如圖10 所示。由于電機(jī)與排種器連接具有一定符合，因此，采用H on-L pwm 型調(diào)制方式，其波形圖如圖11 所示。該方式下，在改變電極過(guò)程中同時(shí)包含斬波調(diào)速電平和高電平，使電機(jī)變速的過(guò)程中扭矩變化較小，保證驅(qū)動(dòng)力輸出的穩(wěn)定。

圖9 BLDCM 系統(tǒng)閉環(huán)控制Fig.9 BLDCM system closed loop control

圖10 PWM 斬波控制電路Fig.10 PWM chopper control circuit

圖11 H on-L pwm 型調(diào)制方式波形圖Fig.11 Waveform of H ON-L PWM modulation mode

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)計(jì)的無(wú)刷電機(jī)動(dòng)端軸與扭矩測(cè)試儀連接，同時(shí)將多功能測(cè)試儀檢測(cè)端子接入驅(qū)動(dòng)器控制電路，檢測(cè)控制電路中電流給定值。并通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)電路中轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)。通過(guò)扭矩測(cè)試儀和多功能檢測(cè)儀測(cè)試和記錄電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的扭矩及電流變化情況。測(cè)得排種器在工作時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)的輸入功率和輸出功率，通過(guò)轉(zhuǎn)速、扭矩、電壓和電流值計(jì)算電機(jī)的輸入和輸出功率，結(jié)果如表2所示。排種盤轉(zhuǎn)速為10、15、20、25r 和30 r·min-1時(shí)效率分別為82.4%、82.9%、84.4%、85.9%和83.8%。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

電機(jī)工作效率隨排種器轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，這是由于低轉(zhuǎn)速過(guò)程中排種器排種盤與充種框間摩擦為靜止摩擦和滑動(dòng)摩擦交變，摩擦阻力變化幅度較大導(dǎo)致排種器轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，因此無(wú)刷電機(jī)工作時(shí)存在極點(diǎn)變換和驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)損耗；當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速增加，工作趨于平穩(wěn)，電機(jī)工作效率達(dá)到最大值；隨著轉(zhuǎn)速的增減，工作過(guò)程中存在溫度升高等問(wèn)題，造成電機(jī)熱功耗增加，效率降低；如圖所示，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為25 r·min-1時(shí)，電機(jī)工作效率達(dá)到最大85.9%。

4 結(jié)論

基于TRIZ 理論體系開展電驅(qū)動(dòng)排種器高效電機(jī)設(shè)計(jì)，利用功能模型、矛盾矩陣、物場(chǎng)分析等TRIZ理論建立電驅(qū)動(dòng)排種器高效電機(jī)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)、完善和優(yōu)化，通過(guò)對(duì)發(fā)明問(wèn)題的初始形勢(shì)分析和功能分析，完成了組建模型和功能模型的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用技術(shù)矛盾分析等多種工具尋求多種創(chuàng)新方向，通過(guò)改變電機(jī)結(jié)構(gòu)以及材料等方法，解決實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題，得到了最符合TRIZ 創(chuàng)新原理體系的設(shè)計(jì)方案，最優(yōu)高效電機(jī)設(shè)計(jì)方案彌補(bǔ)了現(xiàn)有電機(jī)補(bǔ)能完全匹配電動(dòng)排種器工作性能的缺點(diǎn)，能夠滿足電驅(qū)動(dòng)排種器的運(yùn)行性能要求，表明TRIZ 理論在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要作用與指導(dǎo)意義。試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)工作效率隨排種器轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為25 r·min-1時(shí)，電機(jī)工作效率達(dá)到最大85.9%，提升4%左右。