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1、基于 TRIZ 理论的适配功率电机创新设计 关玉明 李曾 郤云鹏 李朝 赵越 河北工业大学机械工程学院 摘 要： 为了获得最适合创新发明原理的适配功率电机设计方案, 本文以 TRIZ 理论产品结构设计策略为创新工具, 对电动汽车用永磁直流电机的布局结构和功能原理进行系统分析与判定, 并运用 TRIZ 理论的相关原理和方法进行求解, 开发出功能和结构上更优的产品适配功率电机.最后本文通过搭建适配功率电机试验平台, 对适配功率电机样机进行试验, 证明通过 TRIZ 理论设计的适配功率电机是可行的, 凸显出 TRIZ 理论在产品创新设计过程中非常重要的指导意义.关键词： TRIZ 理论; 适配功率电
2、机; 结构设计; 样机试验; 作者简介：关玉明 (1957-) , 男, 教授.收稿日期：2016-12-07基金：国家自然科学基金 (51605135) Innovative design of power adaptive motor based on TRIZ theoryGUAN Yuming LI Zeng XI Yunpeng LI Zhao ZHAO Yue School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology; Abstract： In order to obtain the design scheme
3、 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 moto
4、r 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
5、 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.Keyword： TRIZ theory; power adaptive motor; structure design; prototype test; Received： 2016-12-070 引言Altshuller G S 等创新方法研究者自
6、1946 年开始, 对世界各国大量高水平的发明专利进行分析研究, 提出了具有完整科学体系的发明问题解决理论, 即TRIZ 理论体系.TRIZ 理论体系包括功能分析、根原因分析、9 个通用工程参数、40 条发明原理、冲突矩阵以及 76 个标准解决办法等1.实践证明, 通过运用TRIZ 理论, 能够帮助我们系统地分析问题, 快速发现问题本质, 准确地定位问题探索方向, 而且能够帮助我们突破思维障碍, 打破思维定势, 以新的视觉分析问题, 以逻辑性和非逻辑性的系统思维对创新产品进行规律性预测, 帮助我们创造富有竞争力的创新产品2.城市公交车、物流车等城市重载低速车辆 80%以上的行驶路况为铺装整齐的
7、城市柏油马路.其行驶特点为启停频繁, 最高速度较低, 长时间低速运行以及长时间重载运行3.和普通电动汽车的驱动系统相比, 这类重载低速电动汽车的驱动性能主要有以下特点:1) 起动阶段输出高扭矩, 且具有较硬的机械特性;2) 基速以下采用大转矩以适应快速起动、加速和频繁启停的要求, 基速以上采用小转矩、恒功率和宽调速范围以适应高车速的要求;3) 整个运行范围内的效率优化;4) 电机及控制系统适合大批量生产、维修保养方便、结构简单坚固4.文献5比较了传统的电动汽车用驱动电机, 从转矩-转速特性、效率、调速等方面对电机性能进行对比, 选出适用于电动汽车的电机, 没有对电动汽车用电机进行技术上改进;文
8、献6通过电机控制方法实现电动汽车用电机根据工况输出不同的动力, 然而并没有从根本上改变电机的最大输出能力.通过对城市重载电动汽车驱动电机的研究分析发现, 现在重载型电动汽车常用的驱动电机并不能完全满足上述所列的驱动性能, 其中比较重要的一点是驱动电机的动力性能不能满足要求.为了满足城市重载低速电动汽车的动力性能需求, 解决现存电动汽车用电机的缺陷, 本文以 TRIZ 理论的理论基础、问题分析工具以及问题解决工具为指导, 对现有的城市重载电动汽车用电机进行了结构上的创新设计与功能上的优化研究, 成功设计出适用于城市重载电动汽车的适配功率电机.1 TRIZ 理论在适配功率电机创新设计中的应用1.1
9、 利用 TRIZ 理论创新设计流程城市重载电动汽车适配功率电机结构优化设计的流程如图 1 所示.设计过程主要包括现状调查、问题确定、TRIZ 理论求解、图纸绘制和样机性能测试 5 部分.现状调查阶段指对现有的电动汽车用电机进行系统调查与分析;问题确定阶段指在对系统掌握的基础上, 对现有电动汽车用电机的缺陷进行分析和确定;TRI求解阶段指运用所选 TRIZ 相关原理对问题进行求解, 并对解出的创新结构方案进行评估;图纸绘制阶段指对优化结构方案进行绘制并加工制造样机;样机性能测试阶段指用电机性能测试平台对样机进行性能参数测试, 验证 TRIZ 理论的系统性和正确性.其中 TRIZ 理论求解阶段的具
10、体求解流程如图 2 所示7.图 2 TRIZ 冲突解决理论求解流程图 Fig.2 TRIZ conflict-resolving theory solution flow chart 下载原图图 1 电机结构创新设计流程图 Fig.1 Motor design flow chart 下载原图图 3 直流电机系统结构原理图 Fig.3 Structure principle diagram of DC motor system 下载原图1.2 对现有电动汽车用直流电机的系统分析1.2.1 功能分析现有电动汽车用直流电机的系统结构原理如图 3 所示, 系统的结构原理说明:有刷直流电机的定子上安装有
11、固定的主磁极和电刷, 转子上安装有转子绕组和换向器.直流电源的电能通过电刷和换向器进入转子绕组, 产生电枢电流, 电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩, 使电机旋转带动负载8.根据直流电机系统结构原理图建立系统的功能模型, 如图 4 所示.图 4 电机的功能模型 Fig.4 Motor function model 下载原图根据功能模型的分析, 电机系统功能模型中存在着以下不足和有害功能:1) 电刷和换向器接触, 直流电通过电刷传导到换向器上, 通过换向器和电刷相对滑动实现转子绕组中电流的换向, 同时造成电刷和换向器的磨损;2) 通电转子绕组在定子磁极产生的磁场中受力, 带动转子和主
12、轴旋转.由于转子绕组中通过电枢电流, 工况下转子绕组产生热量, 造成能量损失, 使得电机的效率降低;3) 现有的电动汽车用电机工作时, 接通的转子绕组元件的匝数固定不变, 电机输出额定转矩和额定功率不变.这种单一的性能不能满足城市重载类电动汽车多工况变功率的行驶需求.1.2.2 根原因分析根据已建立系统的功能模型中存在的问题, 建立该电机系统的因果链, 分析问题产生的根本原因, 因果链如图 5 所示.图 5 因果链 Fig.5 Causal chain 下载原图通过该电机系统的因果链分析可以得出造成该电动汽车用电机维护困难、电机效率低的根原因如表 1 所示.1.3 应用 TRIZ 理论对系统问
13、题求解通过对整体系统分析, 最终确定系统的根本原因, 并对其进行归纳, 最终得出系统中存在的缺陷:电机效率低;电机维修不方便.针对系统中的缺陷, 应用TRIZ 理论对问题进行创新性改进.表 1 电机系统的根原因列表 Tab.1 Root causes list of motor system 下载原表 1.3.1 应用技术冲突解决原理1.3.1. 1 冲突描述通过上述分析总结, 该电动汽车用电机的冲突如表 2 所示.1.3.1. 2 冲突标准化根据冲突列表, 依据 TRIZ 冲突解决理论的 39 个通用工程参数将该电机系统的冲突转换成 TRIZ 标准冲突, 如表 3 所示.表 2 电机系统的冲
14、突列表 Tab.2 Conflicts list of motor system 下载原表 1.3.1. 3 冲突矩阵求解由表 3 中 TRIZ 标准冲突, 查阅 TRIZ 冲突矩阵, 查得对应的发明原理如表 4 所示9.由表 4 可得, 冲突 1 可由 No.10 预操作, No.26 复制, No.34 抛弃与修复这 3 条原理进行求解;冲突 2 可由 No.1 分割, No.10 预操作, No.11 预补偿, No.35 参数化这 4 条原理进行求解10.依据选定发明原理, 得到如下解:方案 1:依据 No.10 预操作原理, 电刷和换向器之间增加润滑剂.方案 2:依据 No.26 复
15、制原理, 复制 1 组转子绕组, 将匝数不同的 2 组转子绕组分别与 2 组一体式换向器相连, 从而使得转子绕组接入方式多样 (如图 6 所示) , 最终实现电机的双额定功率输出.方案 3:依据 No.1 分割原理, 将换向器分割为换向器接触器和换向器转接器, 换向器转接器可拆卸、维修方便.方案 4:依据 No.11 预补偿原理, 增加电刷的长度并在电刷末端增加弹簧, 当电刷磨损时通过弹簧的作用使电刷自动补偿, 使得电刷和换向器接触时间长, 减少电机维修次数.1.3.2 应用物理冲突解决原理1) 冲突描述:为了将电能在电刷与换向器之间进行传递, 电刷与换向器需要接触, 但为了消除两者之间的摩擦
16、磨损, 电刷与换向器不应该接触.2) 利用分离原理解决物理冲突.根据物理冲突的分析可知, 选用空间分离原理.根据空间分离原理对应的发明原理 1、2、3、4、7、13、17、24、26、30 以及具体产品机构的可行性, 选用其中的原理 1、24, 并得到解决方案如下:方案 1:应用 No.1 分割原理, 将换向器分割成易组装、可拆卸的换向转接器与换向接触器两部分, 二者通过凸缘与凹槽相连接 (如图 7 所示) , 被分割的换向转接器置于机壳外部, 与一体式电刷轴向接触, 当换向转接器磨损时易于拆卸, 使得维修和更换更加方便.方案 2:应用 No.24 中介物原理, 在相互接触的电刷与换向器之间增加传递介质, 实现在电刷与换向器不直接接触的情况下仍然能够传递电能.1.4 电机结构创新方案整理与评价电机结构创新设计方案汇总如表 5 所示.通过运用技术冲突解决原理和物理冲突解决原理等 TRIZ 工具进行结构创新, 设计了换向接触器和换向转接器, 通过改变电
