（电机与电器专业论文）汽车电机低温特性的研究及改善.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究下作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地力外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：创薹徨一日期：蟛肜， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 耽 攀| 多烈 期： 绪论 绪论 1 微电机在汽车工业上的应用情况 微电机在生活中的应用日趋广泛，已渗透到生活的方方面面，如汽车，家电，视听产品，个人 护理，电动工具，多媒体等而其中以微型永磁直流电机( p m d c ) 用得最多。p m d c 具有结构简单，体 积小，用铜量少，效率高等特点。有资料报道，5 0 0 w 以下的微犁直流电机中，永磁机占9 2 ，而1 0 w 以下的占9 9 。 汽车工业是永磁电机的最大用户，汽车电机也是微犁电机应用最多的一个电机族。在本公 司汽车电机的量占到总量的5 0 以上。 汽车用电机的要求是质量轻，效率高，控制性能好，可靠性高。现在人们对汽车电机的性能 要求也越来越严，特别是汽车的微环境中，对电机噪声等的敏感性也在提高。p m d c i k 好能满足这 些要求，且价格低廉。电机是现代化汽车的关键部件，可l l 说，离开了电机就谈不上汽车的现代 化。一辆超豪华轿车e ，各种不同用途的电机7 0 余台，包括d o o r l o c k 电机，w i n d o w _ l i f t 电机，m i r f o ra d j u s t o r 电机等，其中绝大多数是低压p m d c 。 2 微电机高低温特性的研究现状 众所周知，电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。国民经济的发展， 科学技术的进步和人民生活水平的提高，都对电机的性能提出r 许多新的更高的要求。新材料 的发展以及电子电力技术的发展，为满足这些要求提供了可能。与此同时，随着计算机硬件和软 件技术的迅猛发展，以及电磁场数值计算，优化设计和仿真技术等现代化设计方法的不断完善， 在永磁电机的设计理论，计算方法，结构工艺和控制技术等方面都取得了突破性的进展1 。 永磁电机在设计，制造和应用上，着重进行下列问题的研究分析：1 ) 磁路结构和设计计算。 建立新的设计方法，提高设计计算的准确性。2 ) 控制问题。电子技术在永磁电机的应用，使对电 机的控制不必进行磁场控制而只进行电枢控制。3 ) 成本问题，即优化结构，降低成本。 电机的振动和噪声一亢是电机界的重要课题，其中由电磁力激发的振动和噪声是研究的重 点“。对它的研究已不仪仪局限于电磁场方面，而是电机理论将与其他学科结合起来，其中最 显著的就是在研究电机的振动方面，将电磁场理论与振动力学相结合“，即机电分析动力学。这 种结合的结果就是大大提高r 研究的准确性，使所建立的新型振动模犁能与实测结果有很高的 吻合程度。 转于是各种电机的核心部件，转子轴系和电机的电磁场构成个机电耦台系统，它有复杂的 振动现象。机电耦合系统动力学足比较复杂的，它涉及力掌( 一般力学，机械振动) 与电学( 电机 理论，电磁场理论) 。机电分析动力学是研究机电耦台问题很仃效的工具，它从能量的观点出发， 作为统一的方法，用于建立一般力学与电路理论，连续介质力学与电磁场理论相耦合的微分方程 组。 东商大学工程硕士学位论文 电磁谐波力段其引起的振动白大量的文献资料，但主要成果局限于线性的范围。新的研究 发现了各种非线性电磁力，进而把非线性振动和电机理论有祝结合起来，提出了新的研究课题。 新的研究也发现某些电磁力会引发复杂的振动现象。 在电机的温度研究方面，主要是研究电机的温升和温升限度”“，电机的发热丰u 玲却过程。以 降低电机温丹为目标，钯电机理论与温度场理论以及空气动力学理沦相结合，对电机的温度产生 ，内部的温度分布气流状况，冷却方式等部进行了研究。良好的设计一方面要合理地减少电机 的损耗，另一方面要努力改善冷却条件，使热量有效地散发出去。 在温度控制上，也从对其进行外部控制上发展了新方法，如新犁热敏电阻的应用等，以控制 电机产生过热。 在改善齿槽定位力矩方面，针对永磁直流微电机的特点，许多文献提mr 。些实用性比较强 的改善方法”。，并且更趋向于进行定量计算。由于有限元法和电磁场数值计算方法的应用， 使定量计算的结果更加准确。 在电机的振动与噪声等故障的检测和估计上，新的方法也不断被研究开发出朱”“”，例如神 经元网络法的应用”“等。一些新犁的非接触式和非破坏性的测量方法的出现，减少了对测量对 象的干扰，提高了准确性以及在不同工况下测量的能力，为理论研究提供可靠数据。 在工厂实际应用中，除了基础理论研究外，更把研究重点放在r 应用领域上，例如在解决电 枫的噪声上，陈了对磁铁形状优化，充磁方法改善，芯片形状没计等电磁学方面的研究外，也加强 了对材料特性的研究和制造- l 艺的改善，如碳刷特性的改善，换向器n z e z e 艺的改善等：也注意 研究两配合部件之间的相互作用情况，以降低机械振动和噪声：在对基础领域的成果进行具体应 用时，也对其参数进行优化研究和可性行研究。 现有的备种有关电机的文献中，都是以常温照一条件作为前提条件来研究的，对高低温下( 特别是低温下) 的电机的表现研究甚少，对电机高低温行为的研究还末见报告。 3 本课题的研究目的和意义 汽车电机应用环境一般比较苛刻。汽车电机的实际使用温度并不是在常温下，丽是高低温 下，如电机经常堵转所引起的高温升；汽车在高温气候条件下使用：电机被包裹在导热不良的塑 料件中而产生的热积累：电机工作在有高温的部件，如发动机旁等：或者是在低温下如严寒气候 f 使用。因此汽车电机要经受住高低温变化的考验，一般足零下4 0 。到+ 1 2 0 。c 。 在客户的要求中，对电机的高低温表现星有规定的。即使这种要求并没骨体现在客户的电 枕规格中，但在实际应用中客户却较为关注电机的高低温表现，并且经常宵此类的技诉，如低温 起动，低温噪声，高低温性能变化，耐热冲击性能，耐高低温存储性，温升控制保护等。这类投诉 住总的投诉巾占r 相当= 的比重。 由于以上原因，在汽车电机的设计中不仪要考虑电机的常竭表现，也要考虑电机的高低温表 现，以满足客户的要求。这种没计考虑不仅要表现在材料的适用上，如耐高低温材料等：也表现 在电机的设计的改善i ，如芯片形状，磁场分布，尺q 配合等：还表现在控制方法的选用上，n p t c 控制温升等。 2 绪论 一般认为，电机本身是个耗能装置，即使工作在低温环境中，发热也会导致电机整体温度的 升高，因而低温影响似乎不是问题。然而事实表明，高低温对p n ) c 的影响有时是显著的。 首先高低温时电机的机械性能就与常温时明显不同。 其次，电机在高低温( 特别是低温) 初期的表现( 缺陷) 仃时会对电机的性能产生重大影响，严 重时还会导致电机的快速失效。 冉其次，有些缺陷在常温下不存在，丽在高低温时就表现出来。例如高低温下的电机失效 肜式可能与常温时不同，常温下为碳精磨损，而在低温下为轴衬磨损：而有些电机在高温下是塑 料件变形而引起结构上的改变导致菲正常失效：又如低温下发生的换向困难现象，表现为火花明 显比常温时大“，可能导致e m i 变差：义如高温可能导敦换向器精度变差，导致换向恶化：在作控 制用的电机中，高低温下的性能明显变化会导致响应行为的改变：又如低温失磁会完全改变电机 的机械特性：又如高温会改变压敏电阻的e i o ，从而影响电机的e m i ”“等等。 除了电机的电磁方面的特性随温度而变化以外，电机的低温行为也涉及到结构工艺方面，如 材料的选用，零件的设计等。 本课题重点对低温下的电机的表现进行研究。研究方法是直接应用电机理论和其他相关学 科的理论，对电机在低温下的特性变化进行研究，并提出相应的政苦方法：研究目的是改善电机的 低温表现，提高本公司的产品品质，增强产品竞争力。其研究成果将有现实的和理论上的意义。 3 东南人学工程硕士学位论文 第一章永磁徼电机低温起动阻力矩的变化与改善 1 概述： 起动电压是指在一定负载下电机能够从静止到完全趁动运转( 无论转速大小) 所需的最小电匿 这是汽车电机的一个重要性能指标。起动电压分为空载起动电压和负载起动电压。 大量的测试表明，空载起动电压在不同温度下是不同的。温度越低，空载起动电压愈大。下表 卜l 是某型号电机在低渴和常温时所测得的空载起动电压数据： + 2 5 。c一4 0 。c 起动电压( v )起动电流( a ) 起动电压( v )起动电流( a ) 正转 反转 正转反转正转 反转 正转反转 2 32 3 70 0 70 0 72 5 528 30 0 80 0 9 m i n 2 5 12 ，6o 0 8o 0 88 ，19 0o 2 4o 2 5 n a x 2 4 2 ，4 6 o 0 70 0 75 ，0 555 4o 1 5o 1 6 a v g 在电机静止的情况f ，其转矩平衡方程式为 t l t e 。= t l + t 0 电磁转矩 负载转矩 恒定阻力矩 在空载时 = 0 号 即电磁转矩全部用来克服恒定阻力矩。 在低温时，电磁转矩t 。是增大的。这也可以从电机在小同涅度下的制动力矩( s a t l 】一t o f q u e ) 大小表现出来( 凶为电机的制动力矩基本上等于电磁转矩) 。区【此在同样的外j 电压时，电机常温 可启动而低温不能启动，说明低温下的t 。比常温时大。 表卜2 低温和常温制动力矩比较 4 第一辛永磁微电机低温起动阻力矩的变化与改善 s t a l l c u r r e n t at o r g u e zc mc u r r e n t at o r q u e gc m 0 7 8 21 8 807 3 7 1 7 7 一4 0 0 c 2 0 0 c 0 6 6 5 1 5 30 6 5 31 4 7 0 5 6 3 1 2 50 5 7 72 4 + 2 5 0 c 2 空载机械阻力矩及温度影响的分析： 2 1 空载机械阻力矩的形成： 空载起动时电磁转矩所需要克服的足空载静阻力矩t 。 对电机的结构进行分析可知，空载静阻力矩t 0 由机械和电磁两方面构成：机械静摩擦力矩t 。和 齿槽定位转矩t c ，即t 0 = t 。+ t ，。 由前面分析知，低温下空载静阻力矩发生了变化。在某3 0 0 号电机上分别测试这种变化的大小 数据如下表。 摩擦力矩t i ( g c m )总阻力矩t 。( g c m ) + 2 5 。c 3 o1 6 3 4 0 。c 4 12 3 1 其中l 的试验方法是：将永磁体不充磁，然后测量。 由表的数据可知：1 ) 低温下的总静阻力矩t 。比常温下大得多。2 ) 低温下t 。也比常温下大。3 ) 在 总静阻力矩中，t c 比t 。要大得多，即总静阻力矩主要由齿槽定位转矩t 。引起的。4 ) 低温下t o 的增加 主要是齿槽定位转矩t 。的增加。 机械静摩擦力矩t 。也是主要由两个方面的原因引起：一是轴与轴衬之间的静摩擦力产申的静摩 擦力矩k 。，这与轴和轴衬的接触状况有关：另一个是碳刷与换向器之间的静摩擦力产生的摩擦力 矩t 。这与碳刷和换向器的接触状况有关。 碳刷同换向器之间的摩擦力是由于碳刷对换向器表面有个接触压力而引起的。 图1 1 碳刷对换向器的压力引起摩擦力 5 东南大学工程硕士学位论文 由摩擦理论可知，接触压力越大，摩擦力也越大。试验中测试丁2 0 个碳刷压力在不同温度下 的数值，其结果如下表： + 2 5 0 c 时一4 0 。c 时 碳刷压力 m a x 2 1 42 l _ 6 ( g f ) m i n 1 9 3 1 9 1 a v g 2 0 42 0 5 由表数据可知，有限的温度变化对碳刷弹力的影响是_ i e j 的。 由于试验条件有限，无法测量碳刷与换向器之间的摩擦系数的变化。但由十摩擦系数是由两 接触表面的物理状况决定的( 材质，光洁度接触状态) ，而在有限的温度变化下，这些变化很小。可 以设想：零下4 0 0 c 和常温下的摩擦系数是大致相同的。可阻说，本试验中温度变化时碳刷与换向器 之间的摩擦力矩t 。基本上是不变的。 因此，研究t 。的变化主要是研究t m n 的变化。 对于使用相同材质的轴和轴承的不同型号的电机来说，轴与轴衬之日j 的静摩擦力矩t 一是大 致相同的：但是总静阻力矩t 0 可能相差很大。下表是常温下对两种电机所测得的数据的比较。 1 0 0 # 电机2 0 0 # 电机 t m ( g c m ) 2 22 5 t o ( g - c m ) 71 2 由表可知，对某些电机来说，t 。在t 。中所占的比重是较大的。因此研究改善t t n 对改善t 。也有实 际意义。 2 2 轴与轴衬之间的静摩擦力矩t 。的变化情况 t 。是由于轴与轴衬内表面相接触而产生的摩擦力矩 t m 一吉n k d f 1 - ：1 这里：n 是轴与轴衬的作用力，k 是轴与轴衬的摩擦系 数，d 。h a n 是轴直径 “”少7 一 、 ，, ，f 。- - 。- 。；j j | ! ，j ? 夕 2 2 1 轴对轴衬的作用力n 随温度的变化 图卜2 静摩擦力钜的形成 n 由两部份组成：电枢自身的重量g 和磁铁对电枢产生的磁吸力f 。 n = g f 重量g 不随温度而改变，而f 则与气隙大小和磁场强度有关。式巾g , f f l f 的方向致则为正号，反之 则取负号。随着温度降低，磁场越强，而气隙基本不变。所以在低温下n 有可能变得很_ 人。 6 第一章永磁微电机低温起动阻力矩的变化与改善 2 2 2 摩擦系数k 随温度的变化： 如果轴与轴衬之日j 有润滑油的存在，轴与轴衬并不直接接触，因此，k 主要与润滑油有关。如 果润滑油粘度变大，则k 变大。 如果轴与轴衬之恻无油膜存在，这时由于金属接触面之间产生r 作用力，使两金属之间产生 干摩擦现象，这时k 就变得很大。也就是说无油膜时的k i ：1 5 有油时的k 大得多，有油时的k 则随着油 的粘度增加而增大。随着温度的降低，润滑油的粘度都变大。所蹦在低温下k 都增大。 2 2 3 不同运动状态时的摩擦系数k 两摩擦面不发生宏观相对滑动( 即静态) 时的k 比有滑动( 动态) 时的k 大”1 。有润滑油膜时大 几倍无润滑油膜时大一千倍。 2 2 4 轴直径d 。h 。f t 随温度的变化： 金属有热胀冷缩的特性，因此随温度下降轴直径台下降的趋势。但在实际测量中发现这种变 化很小基本上不变。 2 2 5 轴与轴衬之间的静摩擦力矩l 。随温度的变化： 由轴对轴衬的作用力n 和摩擦系数k 随温度的变化情况可知：随温度下降，一般轴与轴衬之间 的静摩擦力矩k 。r - 是增大。实际测量结果证明n 童一点。 试验的方法是：将2 0 r 电机不充磁，不装碳刷，使用铜轴衬，轴衬初始孔径为2 0 0 4 2 0 0 5 m m 润滑油用b 油，然后测量。测量结果如下表16 ： 轴与轴衬的静摩擦力矩t 。，。( g c m ) 十2 5 。c一4 0 0 c m a x 2 73 7 m if 1 2 42 8 h v g 2 53 5 由于把永磁体去掉，因此测得的t 。m 是与磁力变化无关时的情况，并不能真正代表实际的t m r 变化。但目前还无法在有磁力的情况下能把齿槽转矩减为零再来测量h m 。 2 3 空载机械阻力矩t 。改善 在下面的改善试验中所测量的都是总静阻力矩t 。但是由于所用改善方法只涉及到的机械结 构方面，所以这种改善只是对空载机械阻力矩t 。的改善。 2 3 1 更换不同的润滑油： 不同的轴衬润滑油所用的基硎j i 由不同，其中用以改善润滑油性能的添加剖也小一样”“，这样 就造成轴衬的润滑性不一样，以及对低温表现有卣接影响的粘温特性和凝点等也不一样。如果润 滑油的润滑性能好( 要么是所用基础油好，要么是有油性添加剂) ，则在轴和轴衬之间会形成有效的 润滑膜( 吸附膜) ，大大降低轴与轴衬之间的摩擦系数，从而有效地降低摩擦力，减小摩擦阻力矩。 如果润滑油的粘温特性好( 即粘度随温度的变化小) ，则在低温下润滑油的粘度小，摩擦系数就小， 对轴产生的牯附力矩就小，这都有利于降低低温f 的静力阻力矩。 7 东南大学上程硕士学位论文 试验中用a 油代替b 油。两油的特性对比如下表卜7 。 牌号 牯度v i s c o s i t y ( c s t ) 粘度指数 闪点凝固点 比重( g m 1 ) f l a s h g f a d e 4 0 。c1 0 0 。cv i s c o s i t ym d e x p o u rp o i n t s p e c i f i cg r a v i t y p o i n t a t t q 3 07 4 2 0 0 1 8 0 。c 一5 0 。c 0 8 2 7 b 油6 9 91 091 4 72 4 5 。c一5 4 。c0 8 5 8 由表数据可知，a 油与b 油相比，前者比后者有更好的牯温特性和更低的粘度 试验方法：取用同样型号的同- - j = t ：电机，用铁基轴衬，轴衬初始孔径为2 0 0 5 、2 0 0 6 m m ，每 种润滑油备做2 0 r 电机，取2 0 r 电机的总静阻力矩t 。的平均值。试验结果如f 表18 。 总静阻力矩t o ( g - c m ) + 2 5 。c 时一4 0 0 c 时 用a 油1 1 21 2 8 用b 油 1 1 5 13 9 从试验结果可以看出，在常温下两种润滑油对总静阻力矩t 。的影响都一样：但在低温下a 油比b 油的总静阻力矩t 。更小。这也说明a 油比b 油的低温起动性更好。虽然改善的程度不是很大，但是 对t 。本来就小或弱磁的电机来说，这种改善是很有意义的。 2 3 2 改变轴衬的内孔形状 一般轴衬的内 l 是圆柱形，称为直身轴衬。现改轴衬内孔为双弧线形，如图 图】3 直身轴村图1 - 4 双弧线形轴衬 由摩擦学可知”：摩擦力的大小与两摩擦面之间的接触而积成正比。直身轴衬在轴向的孔径 大小是一样的，如果轴是与轴衬正常接触，轴利内孔整个长度方向都与轴相接触：而弧形轴衬在轴 向方向卜的孔径不一样，即中问小两边大，只有巾间最小孔径处的区域才与轴相接触。很明显，弧 形轴衬比直身轴承与轴的接触面积小得多，在其它条件( 材质，润滑油，轴衬总宽等) 相同时，弧形轴 衬的摩擦力就比直身轴衬小：同样，弧肜轴村中轴所粘附的润滑油也要少。 第一章永磁微电机低温起动阻力矩的变化与改善 弧形轴衬与直身轴衬相比还宵一个优点，就是能减小由于电机两端的轴衬不对中而引起的摩 擦力。如图卜5 所示。 心 愚 图1 - 5 轴衬不对中时铁枝与杯士的接触情况 从图中可以看出：直身轴衬对电机两端的杯士的对中性的要求更高。一旦不对中程度过大， 轴在与直身轴衬接触处就受到弯曲力，引起很大的摩擦。特别是在低温下( 轴衬内7 l 变小) 更易产 生，这对弯枝较大的细小轴的长电机更具意义 试验方法：取用同样型号的同一批电机，用铁基轴衬，润滑油m b l l 自，轴村初始孔径为2 0 0 4 、2 0 0 5 m m ，每一种轴衬各做1 0 只电机，取j 0 r 电机的总静阻力矩t o 的平均值。 试验结果如表卜9 所示： 总静阻力矩t 。 ( gc m ) + 2 5 0 c 时一4 0 0 c 时 用肓身轴衬 1 1 21 3 7 用弧形轴衬 1 0 81 2 4 从试验结果可以看出：在常温下直身轴衬的总静阻力矩t ol l 弧形轴衬的t 0 稍稍大一些，但在 低温下前者比后者的总静阻力矩r 更大。 当然，弧形轴衬的弧面弯曲程度不可过大。若弧形弯曲程度过大，会使轴衬与轴颈的实 际接触面积减少，在润滑不良的情况下，就会加速轴衬的疲劳与磨损：弧形轴衬的弧面弯曲程 度与电机两端的轴衬同心度及轴的弯枝大小有关。此外，弧形内j l 容易造成润滑油从雨端 流失。 3 低温下齿槽定位力矩的变化与改善 3 1 概述： 齿槽定位力矩足齿槽式永磁电机固囱的现象，是p m d c 的性能的一个重要参数。在此粪电机中 ，齿槽定位力矩是因为转子宵一种沿着某特定方向使其齿与定子( 永磁体) 对齐的趋势，由此趋势会 q 东南大学工程硕士学位论文 产生一种振荡转矩。齿槽转矩的产生来自于转子齿与定子永磁体之间的切向力，是转子齿槽与永 磁体定于相互作用的结果。即使转子线圈中没有电流，齿槽转矩也会存在。 齿槽转矩产生的根本原因是：由于永磁体( 或其它的磁源) 的存在，使气隙中储存有磁能量。 当开槽的转子转动时，由于气隙的变化，导致气隙储能的变化，从而引起转矩的产生。 定位转矩由永磁体与肯槽芯片之间的相互作用所吲起，它是一种脉动转矩，与转子与磁铁的 相对位置有关，是位置参数e ( 角度) 的函数。在实测中测试了一个三瓣电机的定位转矩t o 和0 曲线 图( 6 0 。内) 如下。这是一个近似正弦波。 图1 - 6 二二瓣电机的齿槽定位力矩与位置角度的关系 3 2 齿槽定位力矩的定量描述： 由于永磁体和铁心中静磁能的变化相对于气隙可近似忽略，齿槽转矩可表示为“j 1 一w t ( = 2 0 一w 。”a p 0 这里：0 一一转子齿转过的角度 a w 。i p 一一气隙中的储能的变化 ( 1 - 3 ) 齿槽转矩的存在使转子所受到的电磁力产生的脉动，从而引起转子力的波动，导致转子振动，进而 产生噪声。 丈献 1 7 导出r 齿槽定位转矩的计算公式 t c p l a 凡v b r 11 2 ( + ) “。 l m k ( 1 4 ) 0 0e o 。b 第一章永磁微电机低温起动阻力矩的变化与改善 其中 这里 e c 阶，= ：三i ：= 季l 爿c 一，i d p l a 一一一铁心长度 k 一一一气隙长度 “1 r 。， k 永磁体厚度 永磁体磁导率 平均气隙半径 一槽开口系数= 槽口宽齿距 文献 1 5 给出了齿槽定位转矩的另一个计算公式 这里 ) ：y 觚i n ( 厅0 + 甲。) 晟 | 一 、 n = l a 。一一傅利叶级数的系数 一一一相应的初相角 h 一一一电机的轴向长度 3 3 温度对齿槽定位转矩的影响 ( 1 5 ) 3 3 1 温度对磁力的影响： 温度对磁力的影响主要与永磁体的热稳定性有关。 热稳定性是指永磁体由所处环境温度的改变而引起磁性能变化的程度，又称温度稳定性。当永 磁体的环境温度从t 。升到t - 时( 图1 - 7 ) ，磁密从b 0 降到b ：当温度从t 回到“时，磁密同升到b n ，而不 是& 。“后温度在t o 和t - 间变化，则磁密在& 和b 。蚓变化。 可逆损失和小可逆损失 东南大学工程硕士学位论文 从图卜7 中可以看出，磁性能的损失可以分为两部分： 1 ) 可逆损失。这部分是不可避免的。各种永磁材卡斗的剩余磁感应强度随温度可逆变化的程 度可用温度系数啦。以表示单位为 b l b7 0 妇2 _ 。1 0 0 ( 1 6 ) b o f f l f 0 1 同样，还用a 。以表示永磁体材料的内禀矫顽力随温度可逆变化的程度，单位也是k 1 月j h 0 蕊r2 = i 。1 0 0 ( 1 7 ) 日0 m t o ) 、 2 ) 不可逆损失。温度恢复后磁性能不能恢复到原有值的部分，称为不可逆损失。通常以其 损失率i l ( ) 表示 b 0 一b o 1 l = 1 0 0 ( 1 8 ) bo 永磁体在工作温度下的剩余磁感应强度的计算公式为： 吼l = b ”o ( 1 一) 11 一( f l 儿l西 i o o1 0 0 3 3 2 温度对极弧系数的影响 公式( 1 _ 4 ) 也表明了极弧系数对t o 也仃影响。许多 研究表明“，极弧系数对t o 有一个最佳值存在，在此最佳 值下t 。最小，大于或小于此值t o 都会变大。根据资料，p m d c 的t o 在1 3 0 9 1 3 1 8 0 极弧内随极弧的增大而变大。本厂的 实际使用极弧正在此范围内，如图1 8 。 本厂的许多充磁方式中，出于某些特定的原因，有 时故意在充磁时使永磁体的特定区域( 大部分是永磁体 的圆周方向的边界区域) 充磁不饱和。例女l l s l 充磁方式 其典型的磁密分布波形如图1 - 9 ： 图1 9s 1 充磁的磁密分布波形 ( 卜9 ) 1 t 。声- ， ，。i 、 i 一 j 、? ；辽夕 、j j 图1 8 实际使用的磁铁的极弧 1 2 第一章水磁微电机低温起动阻力矩的变化与改善 从图中可以看出：永磁体中间饱和度最高，往边界方向则饱和度越来越小，也就是说存在不 饱和区域。在低温下，不饱和区的b ，就会增大，从而相对地增加计算极弧宽度。 3 3 3 低温对齿槽定位力矩的影响 由公式( 卜4 ) 可知，齿槽定位力矩与b ，或l l l 自关。b 。或l 。越大即永磁体性能越强越厚，均使得气 隙与磁极下的储能越多，齿槽定位力矩的幅值势必越大。极限情况下，b ，= 0 或l = o 时不存在永磁体 作用，也就是不存在齿槽定位力矩。 本厂所用磁铁基本上是铁氧体磁铁铁氧体的b 。温度系数为一( 0 1 8 、0 ，2 0 ) k1 即是负温度系 数，也就是说温度越低，铁氧体的b ，越大。实测中测试r 其变化大小，数据如表l l o 。 因此理论上温度越低，同一电机的齿槽定位力矩越大。 3 4 低温齿槽转矩t 。的改善 低温下齿槽转矩与常温时的齿槽转矩的产生根源是一样的。因此，常温改善齿槽转矩的方 法对低温的改善肯定是有效的。但是由于温度的影响，可以直观地想象到同一种方法在常温和 低温下的改善程度可能不一样。而且在实际测量中，纯粹的齿槽转矩是无法测到的，所测值实际 也包含了机械阻力矩。而由前面的分析知机械阻力矩与电磁场作用力也有关联，所以下面所研 究的对齿槽转矩的改善应该更确切地说是对总静阻力矩的改善。所以，仍仃必要研究那些常温 下所用的改善方法在低温下的表现情况。 3 4 1 芯片斜槽： 芯片斜槽是用得较多的一种改善常温t c 的方法。关十斜槽对齿槽力矩的改善，人们从理论 上已有证明和解释，研究得比较透彻“。 试验方法：取用同样型号的同一批电机( 试验中采用丁一款芯片为5 瓣，对极的电机：充磁 方法为s l i 如果斜槽则斜槽角度为1 0 度) ，用铁基轴衬，轴衬初始孔径为2 0 0 5 12 0 0 6 m m 。每一种 芯片各做l o 只电机，取l o 只电机的总静阻力矩t 。的平均值。试验结果如下： ? 。一一：。一：。：一一：一：。：一：一一：j j 一i ：j ： c o g g i n g o f s k e w e da t + 2 5 d e g c ：； j ： i ： 15rr一； ；： i ： 6 01 2 01 8 02 4 03 0 03 6 0 a n g l e l d e g m e c o g g i n g o f s k e w a t l o w t e l x p , 1 3 一瞧f。l。 帖 o ezejjbje 东南大学工程硕士学位论文 图1 1 0 斜槽不斜槽的c o g g i n g 曲线 t ov st e m p 2 4 ，、2 2 e2 0 蓦1 8 一 ；1 6 1 4 1 2 - 4 03 0- 2 0- 1 001 02 03 0 t e m p e r a t u r e ( d e g c ) 图1 - 1 1 斜槽不斜槽的静阻力矩随温度变化情况的比较 总静阻力矩t 0( g c m ) + 2 5 。c 时一4 0 。c 时 不斜槽 1 6 ，72 3 0 斜槽 1 3 5 1 7 2 从表中可以看出：( 1 ) 两种电机的低温t 。比常温t 。都要大。( 2 ) 在高低温时，斜槽对静阻力矩 t 0 都有改善。( 3 ) 芯片斜槽时：随温度的降低，t 0 增加的的程度更小。 从本实验结果看，低温下斜槽对静力矩的改善效果更为明显。凶此如果小计及性能上的变 化，斜槽仍是改善低温阻力矩的一个好的选择。 斜槽对低温静阻力矩的更大改善来源于对静阻力矩中的两个力矩都有改善。对低温齿槽，j 矩t 。的改善作用有如常温。而对低温下静机械阻力矩t 的改善却比常温更为显著。如前所述，静 机械力矩是由摩擦力引起。根据摩擦学原理，摩擦力与接触压j j 和摩擦系数成正比。在p m d c ， 4 第一章水碰微电机低温起动阻力矩的变化与改善 由于齿槽的存在，使得电枢两边的气隙不均匀，引起径向磁吸力f 。增大轴与轴衬的接触压力，从 而增大摩擦力。而斜槽的存在可以减小径向磁吸力的影响。分析如下： 一个电枢的铁芯是由许多片芯片组成。每个芯片都独自产生一个f ( 如图卜1 2 ) ，总的f r 就是这些芯片的f r 累积而成。设芯片的总数为f l 。 图1 1 2 单个芯片所受的径向磁吸力图1 1 3 整个铁芯所受的径向磁吸力 ( 1 ) 不斜槽 最后总的合力 f n o n 一。k 。= l l xf r ( 2 ) 斜槽 以电枢的铁芯中间的芯片为平面，建立坐标如图卜1 3 则中间的芯片的磁吸力f r 正好在瑚上 而铁芯两端的芯片的磁吸力方向正好以瑚为对称，位于瑚两边。如图卜1 3 所示。 显然最后总的合力f 。t 。位于辟自上。 设斜槽角度为a 。则每相邻两芯片相差a n 度。 则：距离中间芯片第i 片( x 轴正向) 的芯片与中间芯片的角度相差a ， a = 1 a n( i = 0 ，l ，n 2 ) ( 1 1 0 ) 其力f i = f r 在y 轴上的分力为f 。， f ，= e x c o s a i = f c o s ( i a n ) 则：总的合力 v s k 。= 2 z v i i y = 2 x ( f o ，+ e ，+ + 名，：) = 2 e ( c o s a o + c o s a l + + c o s a m ) ( 卜1 2 ) 由于 所以 即 c o s a i 1 e 。 气隙一 铁壳一 磁铁气隙、 充磁头气隙一 磁铁一 铁壳一 一 充磁头 。磁铁气隙 。 这种充磁方法属径向充磁。内充法充磁中，充磁头的形状可眦视需要作特别没计，但一般 是圆柱形，与磁铁的表面同心。由十励磁绕组在里面，因而充磁能量受到限制，这样磁铁就有 可能没有被充饱和，或者磁铁充磁后的饱和程度不高。由于铁壳充当支磁路，磁铁两边( 圆周方 向) 充磁不充分。 2 ) s i d e _ c o l1 充磁： 此种充磁方法中充磁头和充磁磁路的变化较多，常见的宵s l ，s 2 等方式，其磁头和磁路如 图所示。 图i 一2 2s 1 充磁和磁路图1 2 3s 2 充磁和磁路 在s 系列充磁方法中 励磁绕组气隙一 铁壳 ，e 饩黔一栽燃故隙卜绕组 1 9 东南大学工程硕士学位论文 这类充磁方式也属于径向充磁。充磁后形成的磁势波由充磁头和励磁绕组铁心的形状共同 决定的。因此，理论上讲可以通过对内外磁头的形状的不同组合而获得不同的充磁效果。另外， 由于主磁路是励磁绕组铁心，其横截面可以设计的很大因而磁路不存在饱和的问题，磁铁可以 充得饱和程度较高：而且通过控制外磁头的极弧，可以获得不同的极弧系数。同样由于铁壳充当 支磁路，磁铁两边( 圆周方向) 充磁不充分。 试验方法：取用同样型号的同一批电机，用铁基轴衬，轴衬初始孔径为2 0 0 5 。2 ，0 0 6 m m ，充磁 电压9 0 0 v ，每一种充磁方式各做i o r 电机，取1 0 只电机的总静阻力矩l 的平均值 试验结果如下： 图1 2 4 不同充磁方式的c o g g i n g l j t l 线 总静阻力矩t 。( g - c m ) + 2 5 0 c- 4 0 。c 2 0 第一毕永磁徽电机低温起动阻力矩的变化与改善 内充9 31 3 7 s i8 71 2 8 s 27 ，81 1 ，6 5 言3 宝1 1 ； -o 7 t o v st e m p - 4 0一3 0- 2 01 001 02 03 0 t e m p e r a t ur e ( d e g c 国! ：2 5 丕回充磁壶式的挂阻直矩鲢温度变也埴赳的比撞 从表中的数据可知：( 1 ) 不同的充磁方式总静阻力矩t 。值不同，依次是：内充法 s 1 s 2 ( 2 ) 随温度的降低，这三种充磁方式的t 。增加的的程度基本一样。 3 4 5 改变充磁电压： 充磁电压的大小反映了充磁能量的多少。充磁电压越高，磁化的能量就越大，永磁体的剩 磁b ，就越高，即永磁体的磁力越大。根据永磁体的充磁曲线可知，因为永磁体存在饱和现象， 当充磁电压大到一定程度后，永磁体剩磁的增加就变得很困难。因此，永磁体一旦被充磁饱和 ，再提高充磁电压就效果不佳：同时对某些充磁方式来说( 如内充法) ，充磁能量还存在限制的 可能。在实际生产中，为了获得尽可能高的磁力，尽可能提高永磁体的利用率，一般都尽量提 高充磁电压，以获得稳定的磁势波形。 理论上讲，由于有充磁饱和现象，则在不同的充磁电压下获得的磁势波形是不一样的。例如 ，对不等厚磁铁采用内充法充磁，在厚度较小处磁铁的饱和程度就大，厚度较大处磁铁的饱和程 度就小。如果再提高充磁电压，则厚度较小处的剩磁增加就较小，而厚度较大处的剩磁增加就较 大，这样整个磁势波形就发生了改变。同样，当温度降低时，由于永磁体各处的饱和程度不同，剩 磁b r 的增加就不同，磁势波形就会发生变化，齿槽定位转矩也会发生变化。 试验方法：取用同样型号的同一批电机，用铁基轴衬，轴衬初始孔径为2 0 0 5 。2 o o b m m ，充 磁方式s 1 ，每一种充磁电压各做1 0 只电机，取1 0 只电机的总静阻力矩t 。的平均值试验结果如下： 删咽d h 寸h 带d h 晴胃重l 洲岬 言0 8 童：曼 i阪 至 叫 l i l l l ， ，nj ￥”1蟛1f l g 7 j f ￥! i ， 20 2 东南人学工程硕士学位论文 图1 2 6 小同充磁电压的c o g g i n g 曲线 总静阻力矩t o( g c m ) + 2 5 。c一4 0 。c 1 0 0 0 v 充磁 8 61 0 9 6 0 0 v 充磁8 09 1 图1 2 7 不同充磁电压的静阻力矩随温度变化情况的比较 从表中的数据可知：( 1 ) 不同的充磁电压下总静阻力矩t 0 值不同，电压越大t o 也越大：( 2 ) 随温度的降低，充磁电压越大时t 0 增加的的程度越大。 分析：两种充磁电压时，随温度的降低t 。增加的的程度不同，是因为随温度的降低，它们的 磁力增加的的程度不同。 试验中测量了两种情况下的磁力，如下表卜1 6 磁力( g a u s s ) + 2 5 0 c4 0 0 c 6 0 0 v 充磁8 8 59 3 2 1 0 0 0 v 充磁 8 9 09 6 0 显然1 0 0 0 v 充磁l b 6 0 0 v 充磁在4 0 。c 时的磁力增加得多，凶此t 。电就增加得大。同时，由表敬 2 2 第一幸永磁徽电机低温起动阻力矩的变化与改善 据可知，此试验电机在常温n 6 0 0 v 充磁与1 0 0 0 v 允磁的磁力几乎相同，即b o o r 时永磁体已基本充 磁饱和1 0 0 0 v 即是过饱和充磁。因此过饱和充磁会使低温静阻力矩变得更人。 本章小结 本章分析了汽车徽电机在低温下的启动力矩( 即恒定阻力矩) 过大的现象。 恒定阻力矩从构成上看有两个成份：恒定机械阻力矩和齿槽定位转矩。通常以齿槽定位转 矩占主要成份，但是结构异常的情况下( 如轴衬不对中，轴衬孔太小等) ，恒定机械阻力矩的比重 就会加大，甚至起主要作用。这在微犁电机及弱磁电机中更会如此。 齿槽定位转矩在低温变大主要是由于永磁体的磁力随温度降低而变大所引起的。恒定机械 阻力矩的增大是由于润滑油的粘度在低温下变大。以及轴与轴衬的摩擦力增大等原因所引起的 恒定阻力矩的改善也是从改善它的两个成份方面着手。改善机械阻力矩可以通过改用粘度 特性更好的润滑油和改善轴衬结构实现；改善齿槽力矩可用常温下的改善齿槽定位转矩的方法 实现。 对各种齿槽定位转矩改善方式的比较，发现在低温下的齿槽定位转矩的改善方法中，各方法 的改善效果是不同的。通过改变磁场的一些方式( 如充磁方式，磁铁不等厚度设计等) 的改善效 果不如改变芯片形状的方式( 如斜槽改变槽宽) 的效果好。这对选择改善低温齿槽定位转矩的 方法有指导意义。 2 3 尔南大学工程硕士学位论文 第二章电机低温尖啸的研究与改善 1 概述 汽车电机一般要求测试其低温性能。在许多低温( 零下4 0 。c ) 测试中，电机在低温放置一段 时间后，如果空载运行，电机就会发出尖啸声。这种现象在常温和高温时基本上不出现。这说明 在低温下电机的某些方面发生r 变化。 根据声学理论”：声音起源于物体的振动，是一种机械波，是物体的机械振动通过弹性媒介( 如空气) 向远处传播的结果。声音与振动频率有关，例如正常人能感受到的频率范围是2 0 。2 0 0 0 0 h z 。研究表明。固体振动所产生的声压的大小( 就是测量到的噪声大小) 与固体振动的速度成正比 。对滑动轴承来说，转子轴的振动被限制在轴承内 l 的范围内，轴的振动引起轴衬振动和铁壳的 振动，其振动的频率与振动速度成正比。 2 电机尖啸时的现象 1 ) 振动和噪声 电机尖啸时可感觉到剧烈振动。下面图表是尖啸电机的振动和噪声的测量结果。由测量结 果可知，电机低温尖啸时的振动量和噪声值比常温时要大得多。 + 2 5 。c 时一4 0 0 c 时 电机噪声( d b a ) 5 4 58 1 6 电机振动量( m s 2 ) 2 7 75 4 9 ”“ w 。箸：嚣跚：嘴k 嚣z 意：。， 艇而爆蚶 + 一。 。1 一 九一 图2 - i 电机在+ 2 5 。c 时空载运转的噪声频谱罔 2 4 第二章电机低温尖啸的研究与改善 图2 2 电机在+ 2 5 0 c 时空载运转的振动频谱图 瑚b ( a ”l 0 up 8 】 a u t o s p e c t m m ( s i _ en a l l n v l m a r k l w o r k i n gi n p u t ：i n p u t ：= f t a n a 啦e r ( f u l l r a n g e ) l 批 6 0 。n ， f 一 r i ， 盯v u扩 飞 m v o 心 04 k8 k 1 2 k1 6 k2 0 k2 4 k 【h3 田b ( a y 2 0o up a la u t o s p e c r u 叫$ i g r w c c k i n g ：i n p u tl n p u t：f f t a n a l y z e rc z o o m ) 虮 l 舳一l r 。够白| 矗。 ：02 0 0 4 0 0 6 0 08 0 0仆12 k14 k16 k 【h z l 图23 电机在一4 0 。c 时空载运转的噪声频谱图 2 5 东南大学工程硕士学位论文 m j s 哉 a u t o s p e c t r u m ( s i g n a l1 - n v ) - m a r k1 w o r k i n g ：i n p u t ：i n p u t ：f f ta n a l y z e r ( f u l lr a n g e ) 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 i 。f0 j | l i 一 02 k4 k6 k8 ki u k1 2 k 【h z 【m ，s 彀a u t o s p e c t n j m ( s i g n a l1 一n v ) 一m a r k1 。 v o r k i n g ：i n p u ti n p u t ：f f ta n a l y z e r ( z o o m l 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 i l 1 0 一。v l 八 0 叫 ；2 j o4 j o6 j o8 0 01 i12 k1 j k16 k r h z 图2 - 4 电机在一4 0 。c 时空载运转的振动频谱图 2 ) 电流高 在空载运行时苫发生尖啸，则可监测到此时的电流非常高，转速也明显下降。例如某犁号 的n f l 4 3 g 电机，在零下4 0 。c 下测试其空载性能，数据如下： 表2 2 电机在零下4 0 0 c 的空载性能 空载电流( a )空载转速( r p m ) 不尖啸电机( 平均) o 1 0 57 7 5 0 尖啸电机( 平均) o 3 2 66 1 7 0 说明尖啸时电机转子上产生r 一个非常大的阻力矩，相当于电机在负载下运行。 3 ) 径向力可使尖啸消失 电机尖啸时如果在轴l 施加一个小的径向力，则可使尖啸消失。 2 6 第_ 幸电机低温尖啸的研究与改善 伤 图2 5 在轴施加一个径向力 4 ) 换向火花大 尖啸时电机的换向火花非常大。菪运行时间稍长( 十几秒钟) ，就会使换向器产生严重的烧 5 ) 尖啸时间 在运行几秒钟后，有些尖啸电机的尖啸消失：而有些电机的尖啸依然强烈。 6 ) 轴与轴衬之间没有厚油膜 在低温尖啸情况下测试