關于電機電樞參數和空載電流對電機力矩影響的研究

李天永

摘要：對于雨刮電機而言，輸出力矩大小是其主要性能之一，力矩過小會導致電機刮不動出現堵轉進而燒電機，而力矩設計過大會造成資源的浪費。本文主要通過對電機電樞部件的參數調整和空載電流的驗證研究，來提高后雨刮電機的輸出力矩，進而滿足產品使用要求。

關鍵詞：電樞部件;繞組導線;匝數;輸出力矩

中圖分類號：U461 文獻標識碼：A

1 背景

某后雨刮產品退回的“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，多次檢查結果一致，并且裝車刮試也正常，故障現象并未復現。

經與主車廠確認情況得知，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工作2 min左右，但是有部分電機在半干半濕狀態下工作幾個循環就不工作了。

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，最終導致電機堵轉不能帶動刮臂正常工作。2關于后刮電機出力不足原因的研究

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

2.1 電機輸出力矩和電機溫度的關系

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，最終會逐漸穩定;電流大小是電機發熱的主要因素，電流越大發熱越快，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。

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。測試結果為當電流小于1.5 A的電機，在半干半濕狀態下（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0.5V一級來測量電機的力矩。

測試結果：隨輸入電壓的不斷增大，電機輸出力矩也隨之增大，但是在一定區域段之內是穩定變化不大的，故而排除主車廠在評定時車身狀態不一致的問題（關閉發動機，蓄電池輸入到電機的電壓在12.5 V左右，起動發動機后電壓在14.0 V左右）。

2.4 電機輸出力矩和電樞匝數以及電流的關系

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。具體結果為：電流在1.5A以上的電機比-1.5A以下的電機輸出力矩要小0.3 N.m;電樞由27匝調整至29匝，電機輸出力矩提高0.6N·m以上。

2.5 電機輸出力矩和電樞繞線線徑的關系

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。

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

3 關于后刮電機出力理論計算

3.1 電機力矩計算公式

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

（1）

其中T為電機力矩，L為刮臂長度，F為刮臂壓力，μ max為刮片膠條最大干摩擦系數（1.6），侶為刮臂接頭摩擦系數（1.15），fT為刮臂載荷公差系數（1.12），RAW為正常工作下轉子繞組的熱態電阻，RAK為正常工作下轉子繞組的冷態電阻，RAW/RAK=1.25（RAVWRAK會隨著溫度變化而有所變化，濕刮時通常取125，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μ取0.4（經驗值），得出了電機力矩為0.69 N·m;電機在半干半濕狀態下工作時，系數μ取1.6（經驗值），得出了電機力矩為2.90 N·m。

理論上，當電機的輸出軸力矩> 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衰減，就會出現電機不工作的情況，因此要給予一定的安全裕度。

3.2 電機轉矩公式

M=Cmφla

（2）

公式中M為電磁轉矩，Cm為電機結構常數，φ為磁極磁通，la為電樞電流。額定負載時電磁轉矩M=Me+MO。其中Me為電機輸出轉矩，MO為空載轉矩，即是電機本身的阻轉矩，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。

在電機結構和磁鋼性能不變的情況下，電機的機械摩擦損耗和空載轉矩成正比，與電機輸出轉矩成反比，也就是說機械摩擦損耗越小越好，空載電流越小越好。根據以上理論分析和驗證，相關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，PO為空載損耗，Ra為電阻，la為工作電流，Un為工作電壓。當電機裝配完成后，空載損耗即為不變損耗，不隨負載電流變化，當負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;負載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機械負載上;但當負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發熱，電機溫度也會隨之升高，到最后會達到一個熱平衡狀態，即電機的溫升。由于電機的空載轉速，堵轉力矩和最大效率會隨著電機溫度的升高而有所降低，當部分電機輸出力矩由于衰減而小于2.90 N·m時，就會出現堵轉情況。一旦電機堵轉，電源輸入的功率將全部轉化為熱能，電機溫度就會急速上升。達到一定溫度時，電機內部的塑料件會出現變形以及電樞繞線會燒蝕，最終導致電機燒，致使電機不工作。

根據前面的理論分析和驗證，相關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 關于電機出力的改進驗證及效果

4.1 改進方案的確定

結合實際生產情況，在盡量不更改零件的工藝過程以及生產方法的基礎上，只對電樞部件的繞線參數進行調整，來解決后雨刮電機零公里不工作的情況。并根據前面的驗證結果，確定最優改進方案如下：對電樞部件參數進行調整，線徑由φ0.42更改為φ0.45，匝數由27匝加大至29匝;對電機空載電流進行加嚴控制，由小于等于1.8 A更改為小于等于1.5A。

4.2 改進效果

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

5 結束語

單純的增加電樞繞組匝數，可以降低空載電流，同時降低轉速，小幅度增加電機力矩。相反單純減少電樞繞組匝數，可以增大空載電流，同時增加電機轉速，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，減小內部損耗，可以提高電機的輸出力矩，提高電機的傳動效率。關于電流控制方面的要求和操作方法，已經廣泛使用在了現在的后雨刮電機生產中，對于后雨刮電機整體的性能提升有這很大的改善作用。