基于TRIZ 理论的电驱动排种器高效电机设计

杨柳，衣淑娟

（黑龙江八一农垦大学，大庆 163319）

TRIZ 理论为发明问题的解决理论，于1946 年由苏联科学家创设，科学家通过成千上万的专利研究发现[1]，无论人们对何种学科进行发明创造时，都遵循一定的科学方法和科学原则，继而总结创造了TRIZ 理论，形成了一个综合理论体系，帮助人们更高效快速解决科学和技术的问题[2-3]。在科学研究中为学者提供一种新型解决问题的方法，其核心思想为遵循客观发展规律解决科学矛盾、难点等问题，在解决问题过程中用最少、最简单的方法实现最大经济效益。

1 TRIZ 理论研究现状

1.1 TRIZ 理论的国外研究现状

随着TRIZ 理论体系的发展，多个国家的学者将TRIZ 理论用于机械、化学、生物学等领域当中，其中也有不少企业也陆续开始应用TRIZ 理论进行产品更新设计，在解决问题过程中，应用TRIZ 理论能高效快速的发现问题、提出问题并解决问题，大大提高了企业研发周期，节约研究成本，提升企业收益[4-5]。智利Federico Santa Maria 大学利用TRIZ 理论构建一种建模体系，应用TRIZ 理论中多种工具，在城市火灾模型构建广泛应用[6]。印度尼西亚大学利用TRIZ理论提高电动车总线功能，为残疾人设施做出贡献。马来西亚大学通过TRIZ 理论矛盾矩阵的方法，减轻汽车前罩的重量，同时也有利于减少燃料在发动机中形成的气体排放[7]。

1.2 TRIZ 理论的国内研究现状

近几年TRIZ 理论在科学研究中TRIZ 理论的应用逐渐增加，国内学者在电子技术、企业开发、产品创新、教育教学、建筑、农业、创业等几十个方面均有TRIZ 理论的应用。

2014 年，浙江农林大学在蔬菜苗嫁接机设计上应用TRIZ 理论中的即使矛盾，矛盾矩阵和物场模型等方法，对蔬菜苗嫁接机的关键部件进行创新设计。2015 年，哈尔滨理工大学应用TRIZ 理论创新设计一款红菇娘果去皮机，对其结构进行创新设计，得到最佳方案[8]。2016 年，浙江理工大学将TRIZ 理论引入到人体假肢装置的优化设计当中，利用创新发明原理、物理矛盾分析等七种原则，得到最终优化方案[9]。2017 年，河北工业大学多名学者利用TRIZ 理论体系解决包装设计、力学特性分析等多个方面问题。2018年，沈阳建筑大学应用TRIZ 理论创新设计路边石清洗机，有效清洗路边石中粉尘、细菌和污泥等，提升城市形象的同时解决影响居民健康的一大隐患[10]。2019 年，山东青岛科技大学在高校创新教育培养体系构建与实践方向引入TRIZ 理论体系，改革人才培养模式，收获显著成效。2020 年，开滦集团在矿山数据转换装置创新设计中应用TRIZ 理论，有效的分析该装置差异使用状况，优化数据转化功能[11]。

TRIZ 理论体系在国内外几十个领域中均有应用，对于企业和科研学者，TRIZ 理论是一种高效、便捷的理论体系选择，给学者提供多种思路，寻找最优解决方案，获得最终理想解。

2 设计与方法

2.1 电动排种器高效电机设计

在精准农业生产中，为配合实际生产应用中的高速播种，将传统动力源由地轮提供改为电机直接驱动排种器，利用排种盘外侧锯齿形与电机传动齿轮直接啮合，既可以消除地轮打滑对播种质量的影响，又可以减轻整机重量。在高速播种环节中，电驱动更容易实现播种环节全程信息化跟踪和监测。

无刷直流电机通过位置传感器检测到转子磁极的位置，利用电子换相线路去驱动位置开关的导通或关断，依次使电枢绕组馈电，从而在定子电枢上发出跃进式的旋转磁场，使得转子永磁转子旋转。无刷直流电机中较常用的是三相绕组两相导通的方式，位置检测器常采用霍尔元件位置传感器[12-13]。

2.1.1 功能分析

在利用TRIZ 理论建立该电机技术系统时，理解系统功能，找到系统问题，对系统中主要功能或者辅助功能进行功能定义、功能分类和功能管理一系列步骤实现系统优化[14]。

传统播种机排种器的的动力源为地轮，地轮通过链轮的传动带动排种器进行工作。电动排种器去掉复杂的传动系统，通过电机直接带动排种器工作。根据电动排种器的实际工作情况，建立电动排种器工作系统的组件模型如表1 所示。

表1 系统的组件模型Table 1 System component models

在整理过程中，明确关联，辨别功能分类[15]，确定基本功能和辅助功能后，明确逐个功能间的逻辑练习，排列整理重要功能，绘制系统功能模型图如图1所示。最终根据功能模型的分析，整理电动排种器系统功能模型提出技术方案如下：

图1 系统的功能模型Fig.1 Functional models of the system

设计无损电机，减少由于电机内部损耗而减小播种机的工作效率；对电机内部结构以及内部参数进行改变，减少原有组成所产生的摩擦损耗、风损、杂散损耗等；在控制系统方面，需进行简化设计，避免农业生产者对控制系统的理解不足而影响生产，进而影响推广；设计新的机械传动方式，减少机械结构复杂性，降低成本；设计电动排种器，去掉传动链轮，避免土壤对排种器产生的有害作用，提高作业率；使电动排种器成为一体结构，减少整机结构的复杂性。

2.1.2 矛盾

根据对电动排种器工作系统的整体分析，找到可能存在的技术矛盾，其技术矛盾表述为：如果增加电机为动力源（原动力源仍为地轮），那么系统自动化增加，但是耗电量增加；如果不改变机械结构（动力源仍为地轮），那么耗电量减少，但是人工操作环节增多。

TRIZ 理论提出运用39 个通用工程参数描述技术矛盾和40 条解决技术矛盾的发明创新原理，利用这两个表格，解决系统中的问题[16]。将现实生产生活中形形色色的矛盾问题转化为标准化技术矛盾参数，对应参数表，确定技术矛盾参数为No.31 物体产生的有害因素，恶化的参数为No.22 能量损失[17]。按照技术矛盾的工程参数编号No.31 和No.22，对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理可能的解集是：M31-22=[21，35，2，22]；其中：No.21 紧急行动；No.35 参数变化；No.2 分离；No.22 变有害为有利[11-12]。

根据以上查表与分析可知，选定发明原理，结合系统相关性专业知识，可得到如下解：设计高效控制系统，减小电机反应时间，减少损耗；减小排钟盘直径，增加形孔数，在相同的施播量时，降低电机转速，减少工作强度，降低损耗；将电机内部易产生高温的绕组用新型导体材料分割，减少由于相互触碰产生的升温情况；改变电机内部组成转子铁芯、转子磁铁、套管、定子铁轭、定子线圈、定子槽、轴、轮毂等元件的材料以及参数。

2.1.3 物场分析

在问题模型建立以后，TRIZ 理论中的物场分析针对基本问题，找到系统特征和规律，分析并改进系统功能。在解决问题过程中，通过问题分析和描述，简历系统与技术之间的功能模型，对应找到一般解和标准解[18]。在物场分析中，一般必须两个物体和一个场，物体一般包括材料、工具、零件、人和环境，其中场指的是两个物体之间产生作用力的一种能量，包含机械场、声场、化学场、电场和磁场等等分类。

问题描述：播种机在实际作业生产中存在很多外界不可控因素，例如地块地形复杂程度，雨水量较多等，会造成电机损耗增加，系统消耗增大，建立物场模型如图2 所示。

图2 物-场模型Fig.2 Object field model

利用物场分析最终得到标准解法，又叫通用解法，运用物-场模型将待解决的问题转化成标准解，形成最终方案[19]。通过对物场分析并运用标准解法，选用增加一个物质S3 来解决该物场模型中效应不足的问题，提出技术解决方案为：增加机车速度实时采集系统，保证在由于土壤等环境因素导致的打滑等现象出现时，电机能及时调节排种器，避免重播漏播现象出现。其组合后的气吸式电驱动排种器结构如图3 所示，驱动电机通过驱动齿轮带动排种器的排种盘完成排种工作，结构下排种盘的驱动力完全来自于驱动电机，因此不会产生由于地面驱动轮打滑等因素造成的漏播和播种不均现象。

图3 气吸式电驱动排种器结构示意图Fig.3 Structural schematic diagram of air-suction electric drive metering device

2.2 最终确定方案

通过运用物理矛盾分析求解与物场矛盾分析求解原理等TRIZ 工具进行创新改进设计，综合全部技术方案，同时考虑到排种器驱动时需要电机具有较高的响应能力，最终确定电动排种器配套驱动电机为无刷直流电动机，其内部由转子铁芯、转子磁铁、套管、定子铁芯、定子线圈、定子槽衬里、轴和轴承组成，其结构如图4 所示。

图4 无刷直流电动机结构Fig.4 Structure of brushless DC motor

3 试验与结果分析

3.1 电机效率试验

3.1.1 试验设备

电机效率检测采用扭矩功率试验仪和多功能测试仪，如图5、图6 所示。

图5 扭矩试验仪图Fig.5 Torque tester

图6 多功能测试仪Fig.6 Multi-function tester

图7 无刷电机驱动器Fig.7 Brushless motor driver

图8 TLE9879QXA40 控制芯片针脚分配图Fig.8 TLE9879QXA40 control chip pin allocation diagram

3.1.2 试验准备

有刷和无刷两种电机的控制原理上都是采用调压的方式进行转速的控制，但由于无刷直流采用了电子换向，与有刷电机调整电压电流通过整流子及电刷地转换，改变电极产生的磁场强弱达到改变转速的控制方式不同，无刷马达通过驱动器进行数字控制才能实现电机转速控制。因此试验前需要在前文设计的驱动器基础上对调速方式进行设计。需要在供电电源的电压不变，改变电调的控制信号，通过微处理器再改变大功率MOS 管的开关速率，来实现转速的改变。

研究采用BLDCM 系统闭环控制设计的驱动电机，通过转速、电流双闭环系统通过控制转速外环使电机转速跟踪上给定转速，通过控制电流内环电流控制提高系统动态性能。控制系统图如图9 所示。而系统中对电机的控制方式采用PWM（Pulse width modulation）斩波控制方式进行内外环电流控制，设计的控制电路图如图10 所示。由于电机与排种器连接具有一定符合，因此，采用H on-L pwm 型调制方式，其波形图如图11 所示。该方式下，在改变电极过程中同时包含斩波调速电平和高电平，使电机变速的过程中扭矩变化较小，保证驱动力输出的稳定。

图9 BLDCM 系统闭环控制Fig.9 BLDCM system closed loop control

图10 PWM 斩波控制电路Fig.10 PWM chopper control circuit

图11 H on-L pwm 型调制方式波形图Fig.11 Waveform of H ON-L PWM modulation mode

3.2 试验结果

将设计的无刷电机动端轴与扭矩测试仪连接，同时将多功能测试仪检测端子接入驱动器控制电路，检测控制电路中电流给定值。并通过转速调节器和电流调节器调节电机转速，通过闭环控制系统电路中转子位置检测进行转速检测。通过扭矩测试仪和多功能检测仪测试和记录电机在不同转速下的扭矩及电流变化情况。测得排种器在工作时，不同转速下电机的输入功率和输出功率，通过转速、扭矩、电压和电流值计算电机的输入和输出功率，结果如表2所示。排种盘转速为10、15、20、25r 和30 r·min-1时效率分别为82.4%、82.9%、84.4%、85.9%和83.8%。

表2 试验结果Table 2 Test results

电机工作效率随排种器转速的增加先增大后减小，这是由于低转速过程中排种器排种盘与充种框间摩擦为静止摩擦和滑动摩擦交变，摩擦阻力变化幅度较大导致排种器转速不稳，因此无刷电机工作时存在极点变换和驱动电流调节损耗；当排种器转速增加，工作趋于平稳，电机工作效率达到最大值；随着转速的增减，工作过程中存在温度升高等问题，造成电机热功耗增加，效率降低；如图所示，当排种器转速为25 r·min-1时，电机工作效率达到最大85.9%。

4 结论

基于TRIZ 理论体系开展电驱动排种器高效电机设计，利用功能模型、矛盾矩阵、物场分析等TRIZ理论建立电驱动排种器高效电机系统，对系统进行了改进、完善和优化，通过对发明问题的初始形势分析和功能分析，完成了组建模型和功能模型的设计，并运用技术矛盾分析等多种工具寻求多种创新方向，通过改变电机结构以及材料等方法，解决实际出现的问题，得到了最符合TRIZ 创新原理体系的设计方案，最优高效电机设计方案弥补了现有电机补能完全匹配电动排种器工作性能的缺点，能够满足电驱动排种器的运行性能要求，表明TRIZ 理论在产品创新设计过程中的重要作用与指导意义。试验结果表明，电机工作效率随排种器转速的增加先增大后减小，当排种器转速为25 r·min-1时，电机工作效率达到最大85.9%，提升4%左右。