关于电机电枢参数和空载电流对电机力矩影响的研究

李天永

摘要：对于雨刮电机而言，输出力矩大小是其主要性能之一，力矩过小会导致电机刮不动出现堵转进而烧电机，而力矩设计过大会造成资源的浪费。本文主要通过对电机电枢部件的参数调整和空载电流的验证研究，来提高后雨刮电机的输出力矩，进而满足产品使用要求。

关键词：电枢部件;绕组导线;匝数;输出力矩

中图分类号：U461 文献标识码：A

1 背景

某后雨刮产品退回的“零公里”中，电机不工作约占故障件的36.7%。对退回件进行通电检查，电机工作正常，多次检查结果一致，并且装车刮试也正常，故障现象并未复现。

经与主车厂确认情况得知，整车进入淋雨线后，雨刮开始工作大约10 min，随后从淋雨线出来，进入检测工位大概2 min左右，检查无异常后关闭雨刮器。在此期间后雨刮电机一直工作，先开始湿刮10 min，随后在半干半湿状态工作2 min左右，但是有部分电机在半干半湿状态下工作几个循环就不工作了。

分析故障原因为电机在半干半湿情况下工作，工作阻力过大，电机温度逐渐升高，输出力矩随温度的升高而减小，最终导致电机堵转不能带动刮臂正常工作。2關于后刮电机出力不足原因的研究

按照主机厂生产情况，确定验证方法为连续湿刮10 min，然后停水干刮，观察其运行状态。

2.1 电机输出力矩和电机温度的关系

测试方法：取5台后雨刮电机，保证空载电流一样，测试常温下的电机力矩;将电机空载磨合10 min，测量电机壳体尾部温度并测试电机力矩;将电机空载磨合20 min，测量电机壳体尾部温度并测试电机力矩。

验证结果：随电机温度的升高，电机输出力矩会逐渐衰减，最终会逐渐稳定;电流大小是电机发热的主要因素，电流越大发热越快，力矩衰减也就越明显。因此改进时可以将控制电机的电流大小作为一项指标。

2.2 不同电流下的电机干刮情况

由于机械损耗是电机空载损耗的重要组成部分，因此对于不同电流下的电机进行干刮验证。测试结果为当电流小于1.5 A的电机，在半干半湿状态下（阻力最大时）刮试4 min以上没有任何问题;电流在1.5 A以上的电机，在半干半湿状态下工作很难超过3 min。以1.5 A为分界线干刮时间有很明显的变动。

2.3 电机输出力矩和电压的关系

测试方法：取3台后雨刮电机保证空载电流一样，从11.0 V开始每0.5V一级来测量电机的力矩。

测试结果：随输入电压的不断增大，电机输出力矩也随之增大，但是在一定区域段之内是稳定变化不大的，故而排除主车厂在评定时车身状态不一致的问题（关闭发动机，蓄电池输入到电机的电压在12.5 V左右，起动发动机后电压在14.0 V左右）。

2.4 电机输出力矩和电枢匝数以及电流的关系

测试方法：取用6台后雨刮电机（电枢0.45线，27匝），测试力矩;将电枢更换为0.45线29匝电枢，用同样的方法测试力矩。具体结果为：电流在1.5A以上的电机比-1.5A以下的电机输出力矩要小0.3 N.m;电枢由27匝调整至29匝，电机输出力矩提高0.6N·m以上。

2.5 电机输出力矩和电枢绕线线径的关系

测试方法：取6台后刮电机（电枢0.42线，27匝），测试力矩;将电枢更换为0.45线27匝电枢，用同样的方法测试力矩。

测试结果：将电枢由0.42线27匝更换为0.45线27匝时，电机堵转力矩提高了0.70 N·m;空载电流有略微提高。

3 关于后刮电机出力理论计算

3.1 电机力矩计算公式

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

（1）

其中T为电机力矩，L为刮臂长度，F为刮臂压力，μ max为刮片胶条最大干摩擦系数（1.6），侣为刮臂接头摩擦系数（1.15），fT为刮臂载荷公差系数（1.12），RAW为正常工作下转子绕组的热态电阻，RAK为正常工作下转子绕组的冷态电阻，RAW/RAK=1.25（RAVWRAK会随着温度变化而有所变化，湿刮时通常取125，干刮至平衡时，测得RAW为3.7 Ω，RAK为2.8 Ω，RAW/RAK=1.32）.

SA01后雨刮电机计算，刮臂压力为4.2 N，刮臂长度为255 mm，根据上述公式，可算出电机输出力矩如下：电机正常工作（湿刮）时，系数μ取0.4（经验值），得出了电机力矩为0.69 N·m;电机在半干半湿状态下工作时，系数μ取1.6（经验值），得出了电机力矩为2.90 N·m。

理论上，当电机的输出轴力矩> 2.90 N·m时，就可以满足使用要求，但由于温度升高后电机力矩会出现衰减，就会出现电机不工作的情况，因此要给予一定的安全裕度。

3.2 电机转矩公式

M=Cmφla

（2）

公式中M为电磁转矩，Cm为电机结构常数，φ为磁极磁通，la为电枢电流。额定负载时电磁转矩M=Me+MO。其中Me为电机输出转矩，MO为空载转矩，即是电机本身的阻转矩，它是由电机本身的机械摩擦损耗和电枢铁芯中的涡流及磁滞损耗引起的。

在电机结构和磁钢性能不变的情况下，电机的机械摩擦损耗和空载转矩成正比，与电机输出转矩成反比，也就是说机械摩擦损耗越小越好，空载电流越小越好。根据以上理论分析和验证，相关人员可以从增大电机本身输出力矩、降低工作电流（即降低电机的空载损耗）着手，来提高电机的整体性能。

3.3 效率特性

电机效率公式如下。

其中P1为输入功率，∑P为功率损耗，PO为空载损耗，Ra为电阻，la为工作电流，Un为工作电压。当电机装配完成后，空载损耗即为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上;负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上;但当负载电流增大到一定程度时，铜损快速增大，此时效率又变小。

在输入电压不变及不考虑磨损的情况下，理论上电机只要能带动刮臂工作，就可以一直工作。但电机工作过程中持续发热，电机温度也会随之升高，到最后会达到一个热平衡状态，即电机的温升。由于电机的空载转速，堵转力矩和最大效率会随着电机温度的升高而有所降低，当部分电机输出力矩由于衰减而小于2.90 N·m时，就会出现堵转情况。一旦电机堵转，电源输入的功率将全部转化为热能，电机温度就会急速上升。达到一定温度时，电机内部的塑料件会出现变形以及电枢绕线会烧蚀，最终导致电机烧，致使电机不工作。

根据前面的理论分析和验证，相关人员可以从增大电机本身输出力矩、降低工作电流以及降低电机的空载损耗着手，来提高电机的整体性能和效率。

4 关于电机出力的改进验证及效果

4.1 改进方案的确定

结合实际生产情况，在尽量不更改零件的工艺过程以及生产方法的基础上，只对电枢部件的绕线参数进行调整，来解决后雨刮电机零公里不工作的情况。并根据前面的验证结果，确定最优改进方案如下：对电枢部件参数进行调整，线径由φ0.42更改为φ0.45，匝数由27匝加大至29匝;对电机空载电流进行加严控制，由小于等于1.8 A更改为小于等于1.5A。

4.2 改进效果

随机抽选退回零公里故障件电机5台，测试堵转力矩和干刮时间。根据上述改进方案，更换新电枢并调整电流，测试堵转力矩和干刮时间，结果如表1所示。

5 结束语

单纯的增加电枢绕组匝数，可以降低空载电流，同时降低转速，小幅度增加电机力矩。相反单纯减少电枢绕组匝数，可以增大空载电流，同时增加电机转速，电机力矩会减小。单纯的增大电枢绕组线径，可以明显增大电机力矩，但同时会使空载电流增加，电机温度上升快，温升高;相反单纯减小电枢绕组线径，电机力矩会减小，但是空载电流会变小，电机温度上升慢，温升低。通过控制电机空载电流，减小内部损耗，可以提高电机的输出力矩，提高电机的传动效率。关于电流控制方面的要求和操作方法，已经广泛使用在了现在的后雨刮电机生产中，对于后雨刮电机整体的性能提升有这很大的改善作用。