基于TRIZ理論的適配功率電機創新設計

關玉明，李 曾，郤云鵬，李 朝，趙 越

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300130）

基于TRIZ理論的適配功率電機創新設計

關玉明，李 曾，郤云鵬，李 朝，趙 越

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300130）

為了獲得最適合創新發明原理的適配功率電機設計方案，本文以TRIZ理論產品結構設計策略為創新工具，對電動汽車用永磁直流電機的布局結構和功能原理進行系統分析與判定，并運用TRIZ理論的相關原理和方法進行求解，開發出功能和結構上更優的產品——適配功率電機.最后本文通過搭建適配功率電機試驗平臺，對適配功率電機樣機進行試驗，證明通過TRIZ理論設計的適配功率電機是可行的，凸顯出TRIZ理論在產品創新設計過程中非常重要的指導意義.

TRIZ理論；適配功率電機；結構設計；樣機試驗

0 引言

Altshuller G S等創新方法研究者自1946年開始，對世界各國大量高水平的發明專利進行分析研究，提出了具有完整科學體系的發明問題解決理論，即TRIZ理論體系.TRIZ理論體系包括功能分析、根原因分析、9個通用工程參數、40條發明原理、沖突矩陣以及76個標準解決辦法等[1].實踐證明，通過運用TRIZ理論，能夠幫助我們系統地分析問題，快速發現問題本質，準確地定位問題探索方向，而且能夠幫助我們突破思維障礙，打破思維定勢，以新的視覺分析問題，以邏輯性和非邏輯性的系統思維對創新產品進行規律性預測，幫助我們創造富有競爭力的創新產品[2].

城市公交車、物流車等城市重載低速車輛80%以上的行駛路況為鋪裝整齊的城市柏油馬路.其行駛特點為啟停頻繁，最高速度較低，長時間低速運行以及長時間重載運行[3].和普通電動汽車的驅動系統相比，這類重載低速電動汽車的驅動性能主要有以下特點：

1）起動階段輸出高扭矩，且具有較硬的機械特性；

2）基速以下采用大轉矩以適應快速起動、加速和頻繁啟停的要求，基速以上采用小轉矩、恒功率和寬調速范圍以適應高車速的要求；

3）整個運行范圍內的效率優化；

4）電機及控制系統適合大批量生產、維修保養方便、結構簡單堅固[4].

文獻 [5]比較了傳統的電動汽車用驅動電機，從轉矩-轉速特性、效率、調速等方面對電機性能進行對比，選出適用于電動汽車的電機，沒有對電動汽車用電機進行技術上改進；文獻 [6]通過電機控制方法實現電動汽車用電機根據工況輸出不同的動力，然而并沒有從根本上改變電機的最大輸出能力.通過對城市重載電動汽車驅動電機的研究分析發現，現在重載型電動汽車常用的驅動電機并不能完全滿足上述所列的驅動性能，其中比較重要的一點是驅動電機的動力性能不能滿足要求.為了滿足城市重載低速電動汽車的動力性能需求，解決現存電動汽車用電機的缺陷，本文以TRIZ理論的理論基礎、問題分析工具以及問題解決工具為指導，對現有的城市重載電動汽車用電機進行了結構上的創新設計與功能上的優化研究，成功設計出適用于城市重載電動汽車的適配功率電機.

1 TRIZ理論在適配功率電機創新設計中的應用

1.1 利用TRIZ理論創新設計流程

城市重載電動汽車適配功率電機結構優化設計的流程如圖1所示.設計過程主要包括現狀調查、問題確定、TRIZ理論求解、圖紙繪制和樣機性能測試5部分.現狀調查階段指對現有的電動汽車用電機進行系統調查與分析；問題確定階段指在對系統掌握的基礎上，對現有電動汽車用電機的缺陷進行分析和確定；TRIZ理論求解階段指運用所選TRIZ相關原理對問題進行求解，并對解出的創新結構方案進行評估；圖紙繪制階段指對優化結構方案進行繪制并加工制造樣機；樣機性能測試階段指用電機性能測試平臺對樣機進行性能參數測試，驗證TRIZ理論的系統性和正確性.其中TRIZ理論求解階段的具體求解流程如圖2所示[7].

圖1 電機結構創新設計流程圖Fig.1 Motor design flow chart

圖2 TRIZ沖突解決理論求解流程圖Fig.2 TRIZ conflict-resolving theory solution flow chart

圖3 直流電機系統結構原理圖Fig.3 Structure principle diagram of DC motor system

1.2 對現有電動汽車用直流電機的系統分析

1.2.1 功能分析

現有電動汽車用直流電機的系統結構原理如圖3所示，系統的結構原理說明：有刷直流電機的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉子上安裝有轉子繞組和換向器.直流電源的電能通過電刷和換向器進入轉子繞組，產生電樞電流，電樞電流產生的磁場與主磁場相互作用產生電磁轉矩，使電機旋轉帶動負載[8].

根據直流電機系統結構原理圖建立系統的功能模型，如圖4所示.

圖4 電機的功能模型Fig.4 Motor function model

根據功能模型的分析，電機系統功能模型中存在著以下不足和有害功能：

1）電刷和換向器接觸，直流電通過電刷傳導到換向器上，通過換向器和電刷相對滑動實現轉子繞組中電流的換向，同時造成電刷和換向器的磨損；

2）通電轉子繞組在定子磁極產生的磁場中受力，帶動轉子和主軸旋轉.由于轉子繞組中通過電樞電流，工況下轉子繞組產生熱量，造成能量損失，使得電機的效率降低；

3）現有的電動汽車用電機工作時，接通的轉子繞組元件的匝數固定不變，電機輸出額定轉矩和額定功率不變.這種單一的性能不能滿足城市重載類電動汽車多工況變功率的行駛需求.

1.2.2 根原因分析

根據已建立系統的功能模型中存在的問題，建立該電機系統的因果鏈，分析問題產生的根本原因，因果鏈如圖5所示.

圖5 因果鏈Fig.5 Causal chain

通過該電機系統的因果鏈分析可以得出造成該電動汽車用電機維護困難、電機效率低的根原因如表1所示.

表1 電機系統的根原因列表Tab.1 Root causes list of motor system

1.3 應用TRIZ理論對系統問題求解

通過對整體系統分析，最終確定系統的根本原因，并對其進行歸納，最終得出系統中存在的缺陷：電機效率低；電機維修不方便.針對系統中的缺陷，應用TRIZ理論對問題進行創新性改進.

1.3.1 應用技術沖突解決原理

1.3.1.1 沖突描述

通過上述分析總結，該電動汽車用電機的沖突如表2所示.

表2 電機系統的沖突列表Tab.2 Conflicts list of motor system

1.3.1.2 沖突標準化

根據沖突列表，依據TRIZ沖突解決理論的39個通用工程參數將該電機系統的沖突轉換成TRIZ標準沖突，如表3所示.

1.3.1.3 沖突矩陣求解

由表3中TRIZ標準沖突，查閱TRIZ沖突矩陣，查得對應的發明原理如表4所示[9].

由表4可得，沖突1可由No.10預操作，No.26復制，No.34拋棄與修復這3條原理進行求解；沖突2可由No.1分割，No.10預操作，No.11預補償，No.35參數化這4條原理進行求解[10].依據選定發明原理，得到如下解：

方案1：依據No.10預操作原理，電刷和換向器之間增加潤滑劑.

方案2：依據No.26復制原理，復制1組轉子繞組，將匝數不同的2組轉子繞組分別與2組一體式換向器相連，從而使得轉子繞組接入方式多樣（如圖6所示），最終實現電機的雙額定功率輸出.

方案3：依據No.1分割原理，將換向器分割為換向器接觸器和換向器轉接器，換向器轉接器可拆卸、維修方便.

方案4：依據No.11預補償原理，增加電刷的長度并在電刷末端增加彈簧，當電刷磨損時通過彈簧的作用使電刷自動補償，使得電刷和換向器接觸時間長，減少電機維修次數.

1.3.2 應用物理沖突解決原理

1）沖突描述：為了將電能在電刷與換向器之間進行傳遞，電刷與換向器需要接觸，但為了消除兩者之間的摩擦磨損，電刷與換向器不應該接觸.

2）利用分離原理解決物理沖突.根據物理沖突的分析可知，選用空間分離原理.根據空間分離原理對應的發明原理1、2、3、4、7、13、17、24、26、30以及具體產品機構的可行性，選用其中的原理1、24，并得到解決方案如下：

方案1：應用No.1分割原理，將換向器分割成易組裝、可拆卸的換向轉接器與換向接觸器兩部分，二者通過凸緣與凹槽相連接（如圖7所示），被分割的換向轉接器置于機殼外部，與一體式電刷軸向接觸，當換向轉接器磨損時易于拆卸，使得維修和更換更加方便.

方案2：應用No.24中介物原理，在相互接觸的電刷與換向器之間增加傳遞介質，實現在電刷與換向器不直接接觸的情況下仍然能夠傳遞電能.

1.4 電機結構創新方案整理與評價

電機結構創新設計方案匯總如表5所示.

通過運用技術沖突解決原理和物理沖突解決原理等TRIZ工具進行結構創新，設計了換向接觸器和換向轉接器，通過改變電機轉子繞組元件的接通匝數實現電機雙功率輸出.具體結構創新設計方案如下：

1）將換向器分割為換向接觸器和換向轉接器，通過一體式電刷傳遞電流，使得電機拆卸、維修方便；

2）通過改變電機轉子繞組元件的接通匝數引入2組轉子繞組，2組導電片、換向片分別與一體式2組電刷連接，傳遞電能，實現低速，大轉矩大功率；降低功率，實現高速運行.

表3 電機沖突標準化列表Tab.3 Motor standard conflict list

表4 沖突矩陣簡表Tab.4 Simple table of conflict matrix

圖6 轉子繞組的兩組接入方式示意圖Fig.6 Schematic diagram of rotor winding access method

圖7 換向器的分割示意圖Fig.7 Commutator segment diagram

表5 方案匯總表Tab.5 Scheme summary table

所得城市重載電動汽車適配功率電機的內部結構如圖8所示.

圖8 改進后電機內部結構圖Fig.8 Improved internal structure of motor

2 樣機展示

根據所得城市重載電動汽車適配功率電機結構創新設計方案，加工制作樣機如圖9所示.

采用電機測試平臺對樣機的可行性以及性能進行檢驗.其中電機測試平臺的主要組成部分之一為測功機，測功機是電機制造和產品研發過程中重要的性能測試和檢測設備，用于模擬和控制被測電機的負載，以測量電機的轉矩、轉速、電流、電壓、功率、效率等參數[11].樣機性能測試平臺如圖10所示，經過檢測，電機的整體性能達到了預期的標準，能夠滿足城市重載電動汽車的行駛要求.同時也驗證了基于TRIZ理論所得的電機結構創新設計方案的有效性和正確性.

圖9 改進后電機樣機實物圖Fig.9 Improved motor prototype

圖10 改進后電機樣機性能測試平臺Fig.10 Performance test platform of improved motor prototype

3 結論

利用沖突解決理論等TRIZ理論對現有的電動汽車用直流電機的結構進行了創新和改進，從理論上得到了最符合TRIZ創新原理的結構設計方案，該最優電機結構設計方案成功地彌補了現有電機存在的結構和性能缺陷，能夠滿足城市重載電動汽車的電機運行性能.這驗證了本文提出的基于TRIZ理論對城市重載電動汽車適配功率電機進行結構設計課題的可行性，表明TRIZ理論在產品創新設計過程中的重要作用與指導意義.

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[責任編輯 田 豐 夏紅梅]

Innovative design of power adaptive motor based on TRIZ theory

GUAN Yuming，LI Zeng，XI Yunpeng，LI Zhao，ZHAO Yue
（School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

In order to obtain the design scheme of power adaptive motor which is the most suitable for innovation principle,This paper takes the product structure design strategy of TRIZ theory as innovation tool,this theory makes a systematic analysis and judgement for the layout structure and functional principles of permanent magnet DC motor for electric vehicle,and solve the defects by useing the principles and methods of TRIZ theory,developing a product with better function and structure--power adaptive motor.Finally,the power adaptive motor prototype is tested by building the power adaptive motor test platform,which proves that the power adaptive motor designed by TRIZ theory is feasible,and highlights TRIZ theory has a very important guiding significance in the product innovation design process.

TRIZ theory;power adaptive motor;structure design;prototype test

TM351

A

1007-2373（2017）01-0048-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.008

2016-12-07

國家自然科學基金（51605135）

關玉明（1957-），男，教授.