汽車座椅翻轉(zhuǎn)用永磁直流電動機設(shè)計

張英勛

（哈爾濱泰富電氣有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

汽車座椅翻轉(zhuǎn)用永磁直流電動機設(shè)計

張英勛

（哈爾濱泰富電氣有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

介紹了一種永磁直流汽車電動機的結(jié)構(gòu)形式、工作原理、設(shè)計特點及其技術(shù)關(guān)鍵點，闡述了其在汽車座椅中的應(yīng)用。

永磁直流電動機；減速箱；輸出齒輪組件；霍爾控制電路；電磁兼容電路

1 前言

近年來隨著對汽車舒適性要求的不斷提高，汽車電機在汽車上安裝的數(shù)量也越來越多，其中在汽車座椅系統(tǒng)中汽車電機也得到了廣泛的應(yīng)用。

為了充分利用空間，在廂式車中采用座椅翻轉(zhuǎn)電動機將座椅整體翻轉(zhuǎn)到汽車地板下的儲存間內(nèi)，這樣可以節(jié)省空間裝載其他的物品，如需要坐人時，就把座椅翻轉(zhuǎn)出來使用，靈活性強。這樣的電機要有很大的轉(zhuǎn)矩且轉(zhuǎn)速較低，并且位置控制精確，才能驅(qū)動座椅完成上述動作。因此，汽車座椅翻轉(zhuǎn)用電動機作為汽車座椅的關(guān)鍵驅(qū)動部件具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2 電機結(jié)構(gòu)和工作原理

汽車座椅翻轉(zhuǎn)用電動機為永磁直流有刷電動機，電機由定子、轉(zhuǎn)子、減速箱三大部分組成。

（1）定子由機殼、一對瓦型磁鋼、磁鋼支架、機殼軸承組成。機殼支撐定子磁鋼，同時又起導(dǎo)磁、防護和散熱作用；瓦型磁鋼為永磁材料,用來產(chǎn)生勵磁磁場；磁鋼支架起固定磁鋼作用；機殼軸承與機殼軸承室緊配承載轉(zhuǎn)子軸。

（2）轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子軸、換向器、轉(zhuǎn)子繞組、刷架組件、太陽輪組成。轉(zhuǎn)子鐵心采用硅鋼片疊壓而成，作為電動機磁路的一部分；轉(zhuǎn)子軸用來支撐轉(zhuǎn)子，傳遞轉(zhuǎn)矩；換向器保證輸出電流方向不變；轉(zhuǎn)子繞組繞制于鐵心上，其作用是感應(yīng)電動勢，通過電流而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；刷架組件可以支撐轉(zhuǎn)子，通過止口和機殼的配合關(guān)系，使轉(zhuǎn)子組件裝在定子內(nèi)，并穩(wěn)定可靠地工作，是保證定、轉(zhuǎn)子之間同軸度、氣隙勻度和軸向間隙的關(guān)鍵零件之一，同時其上面安裝有電子元件；太陽輪作為行星減速機構(gòu)的中心輪安裝在轉(zhuǎn)子軸上。

（3）減速箱采用四級行星齒輪減速機構(gòu)，由一級行星齒輪、行星盤、二級行星齒輪、行星盤、三級行星齒輪、行星盤、四級行星齒輪、行星盤，內(nèi)齒輪及齒輪殼體、端蓋、輸出齒輪組成，行星盤承載定位行星輪，各級行星輪與內(nèi)齒輪嚙合逐級減速，齒輪殼體用作固定支撐，端蓋組件支撐輸出齒輪組件，輸出齒輪與座椅上的樞軸齒輪嚙合，帶動座椅翻轉(zhuǎn)。

基本工作原理：電機定子上固定有永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生電磁力，定轉(zhuǎn)子相互作用使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子連接減速箱，逐級減速，輸出而獲得較大轉(zhuǎn)矩。

電機整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 永磁直流有刷電動機結(jié)構(gòu)圖

3 設(shè)計特點及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)計特點

汽車座椅翻轉(zhuǎn)用電動機有很多突出的優(yōu)點，具體如下。

（1）電機定子采用永磁體磁鋼，這樣可以取消勵磁系統(tǒng)的損耗，提高效率；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，運行可靠。

（2）定子磁鋼采用涂膠和塑料支架支撐雙重固定的方法，采用支架既可以防止電機受沖擊時磁鋼脫落又能保證安裝磁鋼時的安裝尺寸。

（3）電機一端采用含油圓柱滾子軸承，另一端采用含油球軸承，含油球軸承可以對轉(zhuǎn)子裝配后不同軸現(xiàn)象進行調(diào)節(jié)，降低了電機噪音。

（4）由于翻轉(zhuǎn)電機的綜合空間有限，減速箱采用行星齒輪減速機構(gòu)，行星齒輪傳動是浮動結(jié)構(gòu)，屬于精密傳動。減速箱采用四級行星齒輪減速機構(gòu)，可保證很大的減速比。為了防止內(nèi)齒輪打滑，在內(nèi)齒輪與殼體之間采用凸凹槽配合，強度大大增加。齒輪箱由于前兩級行星齒輪承載的轉(zhuǎn)矩較低，采用耐磨性好的塑料齒輪，既降低成本又能降低噪音，同時齒輪箱采用特殊油脂潤滑，來降低多級齒輪運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音。

（5）該電機可采用全自動流水線生產(chǎn)，包括采用超聲波清洗設(shè)備對鐵心的清洗，全自動涂敷機對鐵心表面絕緣涂敷，全自動設(shè)備進行換向器的壓接，全自動繞線機進行轉(zhuǎn)子繞阻的繞制，全自動點焊機對換向器掛鉤的點焊，全自動精粗車機對換向器表面的粗車、精車、清理，二工位平衡機對轉(zhuǎn)子的校平衡，轉(zhuǎn)子綜合測試儀對轉(zhuǎn)子的綜合測試，定子組裝及總裝配在流水線上作業(yè)，成品在磁粉測功裝置、汽車電機綜合測試儀、響度測試系統(tǒng)及聲級計上進行性能檢測。以上方法效率非常高，很適于大批量生產(chǎn)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

本汽車座椅翻轉(zhuǎn)用電機除具有以上一些特點外，同時還具有如下的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）在輸出齒輪組件裝配環(huán)節(jié)上，在輸出軸上套有特種材質(zhì)波紋滑環(huán)，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩大大超過電機額定轉(zhuǎn)矩并低于堵動轉(zhuǎn)矩時，輸出軸和輸出齒輪間產(chǎn)生打滑來卸掉過大的輸出轉(zhuǎn)矩，起到保護電機減速箱里的齒輪和電機本體作用，輸出齒輪組件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 輸出齒輪組件結(jié)構(gòu)圖

（2）該電機設(shè)有霍爾元件位置計數(shù)系統(tǒng)，霍爾元件計數(shù)是運動位置的控制需要。霍爾控制電路管腳1連接電源(VCC)，利用與電機轉(zhuǎn)子軸上連接的信號磁鋼產(chǎn)生磁場，信號磁鋼被徑向充磁為N、S兩極，在外表面產(chǎn)生一個接近正弦波的磁通量。當(dāng)信號磁鋼隨電機旋轉(zhuǎn)時，會在霍爾元件管腳3（OUT）與管腳2（GND）之間產(chǎn)生脈沖信號，電機每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖信號，輸入到控制處理電路，作為座椅動作位置控制信號。電路原理圖如圖 3 所示。

圖3 霍爾控制電路原理圖

（3）霍爾元件很容易受到靜電或浪涌電壓的傷害而失去工作能力，因此在霍爾元件計數(shù)電路中，并聯(lián)ESD壓敏電阻予以保護。壓敏電阻的電壓與電流不遵守歐姆定律，而成特殊的非線性關(guān)系。在常規(guī)狀態(tài)下，當(dāng)兩端所加電壓低于標(biāo)準(zhǔn)額定電壓時，壓敏電阻阻值接近于∞，內(nèi)部幾乎無電流通過；當(dāng)兩端電壓高于標(biāo)準(zhǔn)額定電壓時，壓敏電阻將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大，能瞬間將高壓靜電和高壓脈沖對地泄漏掉，從而保護霍爾元件；當(dāng)兩端所加電壓低于標(biāo)準(zhǔn)額定電壓時，壓敏電阻又恢復(fù)高阻狀態(tài)。

（4）對翻轉(zhuǎn)電機進行EMC（電磁兼容檢測系統(tǒng)）測試時，將有幾百k到幾G的高頻信號輸入，同樣作為直流有刷電機，也會有高頻信號（如換向器火花）干擾外界。為了使電機和外界在相互干擾下能同時正常工作（即兼容），須增加LC的抑制電路。在電機主回路中，串并聯(lián)LC電路，在沒有高頻信號干擾時，電磁兼容檢測系統(tǒng)（EMC）電路中，電感元件L呈現(xiàn)低阻抗（近似短路），而電容元件C呈現(xiàn)高阻抗（近似開路）；而當(dāng)有高頻干擾信號時，則電感元件L會呈現(xiàn)高阻抗（近似開路），而電容元件C則呈現(xiàn)低阻抗（近似短路），所以，高頻干擾信號難以通過電感元件L，而被電容元件C“短路”。電路原理圖如圖 4 所示。

圖4 電磁兼容電路原理圖

LC回路設(shè)計計算

按照標(biāo)準(zhǔn)進行測試時，工作電壓為12.5V,對電機施加一定負載，工作電流設(shè)為2.5A，按此計算出電機的阻抗為：

Zm=U/I=12.5÷2.5=5(Ω)

有高頻信號干擾時，以1G（1024M）為例計算此時LC電路中電感元件阻抗。

Zm=ωL=2πfL=2×3.14×1024×106×17× 10-6=109.3(kΩ)

式中：L=17μH（要求值）

主回路中為2L電感元件串聯(lián)，

則2ZL=2×109.3=218.6(kΩ)

LC電路中電容元件的阻抗：

ZC=1/ωC=1/2πfC=1÷(2×3.14×1024×106×684×10-9)=0.000227(Ω)

由以上計算可見，當(dāng)有高頻干擾信號時，主回路電感元件將呈現(xiàn)極大的電阻218.6kΩ＞＞5Ω，使高頻干擾信號很難通過；而在并聯(lián)的電容元件上，又呈現(xiàn)極小的容抗0.000227Ω＜＜5Ω，高頻信號被短路，從而保護了電機。

4 結(jié)束語

由上可見，汽車座椅翻轉(zhuǎn)用電動機在汽車上可得到充分的應(yīng)用，整體結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，可大批量生產(chǎn)，具有很好的市場前景。

（編輯：鐘 媛）

Design of permanent-magnet D.C. motor used for turning down car seat

Zhang Yingxun
( Harbin Tech.full Electric Co.,Ltd.,Harbin150060, China )

It introduced the structure, working principle, design features and technical key points of a kind of permanent- magnet D.C. motor used for car. It also expounded the application of this motor in car seat.

permanent-magnet D.C. motor; decelerating box; out gear assembly; Hall control circuit; electromagnetism compatible circuit

U463.83+6

B

1672-4852（2014）01-0061-03

2013-08-29.

張英勛（1979-），男，工程師, 項目負責(zé)人.