《汽车电动雨刮器总成_cad_系统_雨刮电机设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车电动雨刮器总成_cad_系统_雨刮电机设计（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、收稿日期: 1997- 01- 20汽车电动雨刮器总成( CAD) 系统 ) 雨刮电机设计窦晓霞(北京联合大学机械工程学院, 北京 100020) 摘 要 汽车电动雨刮器是用以清扫风挡玻璃上的雨水、 霜雪和尘埃等物质的重要安全装置。本系统软件开发的目的在于使 CAD 技术逐步成为汽车电器产品的研制开 发、 优化设计及其制造的重要手段, 与采用传统的手工设计方法相比, 周期短、 效率高、方便可靠。本系统考虑到产品不同的开发研究条件, 面向有一定设计经验的工程技术人员, 论述了汽车雨刮器总成( CAD) 系统的结构、 功能, 介绍了雨刮电机的设计特点及 该电机计算机辅助设计软件, 现已成功地用于产
2、品设计中。 关键词 CAD 系统; 电动机; 特点; 设计 分类号 U 4611851 系统简介汽车电动雨刮器总成 CAD 系统软件是在北京航空航天大学开发的 PEDS 系统( Paramenter Engineering Design System) 基础上研制的, PEDS 系统具有工程绘图、 曲面设计和三维实体造型、立体图形编辑、 视图自动生成等功能, 并具有方便的二次开发工具, 是良好的 CAD支撑软件。汽车电动雨刮器总成 CAD 系统软件除利用 AutoCAD 绘制技术图样部分外, 完全与 PEDS系统集成在一起, 包括电机电磁设计、 蜗轮蜗杆传动副设计、 刮水器运动分析及产品技术图
3、样设 计四部分。按照用户使用方便的原则, 采用人机对话、 交互式设计方式。其中设计菜单由汉字显示, 对话区有提示信息, 设计人员只需按设计原则输入相应的参数, 按软件设定的步骤执行, 即可设计出所需产品。当设计人员对工作结果不满意时可重新设计, 直至满意为止。所有复杂的设 计、 计算、 图样绘制和运动模拟等工作全部由计算机自动完成。本 CAD 系统的软件结构是一个树形结构, 其功能选单结构见图 1。2 雨刮电机设计特点211 技术指标在国际汽车电器行业中雨刮电机一般采用永磁直流电机结构, 对该电机最基本的技术要求1997 年 9 月 第 11卷第 3期总 29 期北京联合大学学报 Journa
4、l of Beijing Union UniversitySep. 1997 Vol. 11 No. 3 Sum No. 29雨刮总成蜗轮蜗杆中心距模数依据中心距依据强度齿厚计算返回电磁设计绘制电枢50 系列电枢40 系列电枢新系列设计电磁计算输入数据返回雨刮器BJ4115 零件图输入数据BJ130 零件图返回 打印结果动态模拟手动生成BJ130 动态生成BJ4115 动态生成动态初始输入数据动态模拟 存储动态调出动态 动态结果绘制轨迹图 1 功能选单结构是: 应输出足够的转矩, 能带动负载在标准规定的转速下稳定可靠地运行, 同时它的电压和电流与电源相适应。为了满足上述性能要求, 电机的设计需
5、以一定的技 术指标为依据, 就是说, 要求所设计的电动机在额定电压下, 带额定负载转矩时,能满足一定的转速和电流指标。一般雨 刮电机的主要技术指标规定为: 额定电压( 标称电压) UN; 额定电流 IN; 额定转速nN; 额定转矩 TN( 或额定功率 PN) 。有时考虑便于生产过程的控制及负载等因素, 还规定了电机空载运行时的电 流、 转速及电机制动时等有关数值。1) 设计雨刮电机时要考虑到其电压应与所用电源相适应。由于汽车蓄电池电压有一正常的波动范围, 上述额定电压 只是标称电压, 设计时要考虑到高于或低于该电压时, 电动机都能带动负载正常运行, 或参照采用相关标准中规定的电压值 进行设计。
6、2) 当与电动雨刮器相匹配的负载确定时, 雨刮电机的额定转矩和额定转速就根据该负载来确定; 若不是针对某一种负载时, 则由某一类型或某一定范围的负载确定。雨刮电机是通过减速装置驱动连杆机构来带动负载工作的, 因此实际负载转矩应按照系统的速比折算到电动机轴上。转速也应按速比折算。具体负载和传动系统的改进, 均会影响对电动机性能指标的要求。指标中 TN、 nN、 PN三者有确定的关系, 只 要规定二项即可, 给定 TN和 nN, 或给定 PN和 nN是一样的, 电动机的输出功率 PN也是负载要求的。3) 在较多情况下, 对电流只有一般性的限制, 电机的效率指标可按总的经济合理性来规定。 在有些情况
7、下, 受整车体积及电源容量限制, 又要求运行寿命长, 而对雨刮电机的电流或效率提出严格要求。设计雨刮电动机时, 除了要满足主要的技术指标外, 还应满足共同的和特殊的要求, 如温升、 噪声、 寿命等。总而言之, 汽车对配套电机提出了比在普通常规使用条件下更高的要求, 希望电动机在有足够的输出转矩或功率的情况下, 输入的电流尽量小, 也就是效率尽量高, 而电机的体积尽可能小, 重量尽可能轻。 212 电磁设计特点永磁式汽车雨刮电动机由永久磁钢建立电机中的气隙磁场与电枢绕组中电流相互作用, 从20北京联合大学学报1997 年 9 月而实现机电能量转换, 与励磁电机相比具有体积小、 重量轻、 效率高的
8、优点。汽车用永磁直流电 动机设计, 一般优先考虑采用价格低廉的铁氧体永磁材料, 只有当铁氧体不能满足要求时, 才考虑用稀土类永磁材料, 雨刮电机的设计也不例外。21211 雨刮电机磁路的特点图 2 磁路结构雨刮电机的磁路由定子机壳、 磁钢、 气隙和电枢铁心构成。磁钢 多为瓦形铁氧体永磁材料, 它结构简单易加工, 装配方便, 成本低廉。图 2所示为典型的磁路结构。铁氧体永磁材料磁性能的特点是磁密低而矫顽力高。因此, 设计时可以由适当增大每极下永磁体的面积 来弥补磁钢剩磁 Br较低的不足。一般使磁钢的轴向长度( lm) 比电枢铁心长度( lt2) 长一些。这样做只是充分利用了与转子绕组端部对应的定
9、子空间, 并不引起电机体积的增大, 由于铁氧体材料便宜也不会因此而增加电机成本, 但却对增大电机的气隙磁通有一定的作用。 同时, 由于磁钢轴向长度略大于电枢铁心的长度, 即使电枢铁心的轴向位置在允许公差范围内有窜动, 对进入电枢的每极磁通不会有明显的变化, 电机的特性也不致 受到影响。另外, 铁氧体永磁材料具有较高的矫顽力 Hc, 因而能耐更大的外磁场的去磁冲击, 有利于电机性能的稳定。 铁氧体永磁材料的最大缺点是温度对磁性的影响较明显。在线性面, 磁密具有负的温度系数, 为 At= ( - 0119) / e 。对 Hc, 温度系数在( 0135% 015%) / e 左右, 随型号不同而不
10、同。因 此, 设计铁氧体永磁雨刮电机时应该注意避免低温情况下发生不可逆去磁。铁氧体永磁材料的去磁曲线由一段斜率等于回复导磁率的直线和另一段急剧下垂的直线组成, 二条直线的交点为 去磁曲线的拐点。如果某种原因使磁路的工作点超过拐点, 则去磁磁势消除后就不能回复到原来的磁状态, 即产生了不可逆去磁。而拐点的位置受温度的影响, 所以要考虑到各种可能的温度 情况, 注意避免产生不可逆去磁。21212 雨刮电机电磁计算特点 永磁式汽车雨刮电动机的设计实质上是采用理论分析和经验结合的方法。理想的设计方法是建立性能指标要求与要确定的数据之间的方程组, 然后求解, 但由于永磁电动机内部关系极为 复杂, 不可能
11、建立一套完整的方程组, 并求出唯一的解, 这就决定了电机设计工作的试探性和不确定性。在进行设计时首先依据性能指标的要求, 利用主要尺寸与主要性能关系式或经验公式 确定一些尺寸或数据, 然后进行电机性能的计算, 在计算过程中以及全部计算完成后, 对所得结果进行分析, 判断是否满足给定的指标要求。若不满足, 则需对原方案进行反复调整计算, 直到 满足要求为止。另一方面, 即使在电机的体积、 重量和选用材料不相上下的条件下, 也可以设计出许多满足技术指标要求的方案, 这是设计的不确定性。理论上应有一个最佳方案, 问题是各有优缺点的情况下, 怎样来确定哪一个方案最佳, 是一个相当复杂的问题。往往从不同
12、的观点出发 或具体条件的不同, 所确定的最佳方案也不同。3 雨刮电机计算机辅助设计由永磁式雨刮电机的设计特点可见, 设计工作是一个逐步渐进、 反复计算择优的过程, 也是21第 11 卷第 3 期窦晓霞: 汽车电动雨刮器总成( CAD)系统一个复杂而繁琐的工作。为了得到较佳方案, 人们必须对大量的方案进行比较, 手工运算不仅花 费大量的时间和精力, 还会因人为因素引起设计误差。另一方面, 汽车工业的现状是车型多, 用途范围比较大, 要求电机工业能为之提供完善的配套服务。因此, 电机的设计有必要运用计算机辅助设计, 这不仅利用计算机的快速运算代替大量的手工计算, 而且利用计算机的强大记忆功能、 准
13、确迅速的逻辑判断功能, 完成设计方案的比较、 调整工作, 从而使电机设计建立在更加科学 的基础上, 实现设计工作的高速化、 自动化, 尽快研制生产出市场需要的产品。在汽车电动雨刮器总成 CAD 系统软件的编制中, 电机的电磁设计程序, 面向有一定设计经验的电机设计人员, 它即考虑了企业的现状, 又兼顾产品的发展趋势, 具备多种功能, 适应多种情 况, 方便设计, 可以较好地完成雨刮器永磁直流电机的设计。现将该程序的设计思想及主要特点作一介绍。311 采用人机对话、 交互式设计方式在程序中, 设计人员通过对/ 用户0菜单进行相应操作, 按对话区的提示输入相应信息, 程序 可自行判别进入相应计算或
14、图样绘制。因为电机设计是反复的设计过程, 当设计人员对设计结果不满意时可重新设计, 直到满意为止。人机对话方式, 便于充分发挥设计者的主观能动性, 提高产品的设计质量。312 数据的传输 将设计所需的诸多数据制成表格, 存入不同的文件中, 利用读数据程序将数据读入数组中,这样利于数据的管理和对数据进行操作。313 曲线拟合 程序内部已具有常用磁性材料的磁化曲线、 损耗曲线等有关曲线的分段拟合公式, 设计时需由设计人员按对话区提示输入代表磁钢、 电枢铁心、 定子机壳等部件材料的字符串变量值, 程序可自动按不同的材料进行处理。若采用程序中没有包括的材料, 则可按提示, 输入该材料曲线的数据及代表材
15、料名称的字符串, 程序自动进行分段拟合处理供设计计算时调用。为采用新型材 料进行电机设计创造了条件, 符合产品发展需求。314 系列设计根据实际的设计情况, 软件可用于新、 旧系列产品的设计及改型设计。有时为节省开发费 用, 利用已有系列电机的电枢冲片对原有电机进行改型设计也可获得满意效果。本软件提供了40 系列电枢、 50 系列电枢和新系列设计三种情况可供选择。已有系列电枢冲片技术图样, 可在需要时调出。若为新系列设计, 设计人员通过人机对话方式, 并输入有关信息, 根据需要选择冲片槽形和尺寸, 并输出电枢冲片技术图样, 这样就可以按照命令自动编出线切割程序, 为样机试 件能立刻进行切割加工
16、作好了准备, 从而可大大缩短电机的研制周期。315 电磁设计流程程序在开始要求设计人员输入必要的设计信息, 按对话区提示选取主要计算变量, 并由此按 一般规律决定其它设计变量。计算机对数据处理后, 得到最初设计方案, 将设计结果及电机设计中的各种特性曲线以表格或曲线形式逐页显示, 并存入数据文件中, 以便由设计人员考虑分析,进行调整设计。电磁设计流程如图 3 所示。22北京联合大学学报1997 年 9 月开 始输入技术要求参数 UN, IN, nN, PN输入电机设计尺寸参数 AD, BD, AD, K D, Z, Ks 根据输入的参数计算出 De2, Di2, DM i, DM e满意否?N 人工输入还是新设计D(design)I( input) 输入电枢外径尺寸根据输入的尺寸计算相应的 参数 AD, BD, AD, K等Y进行磁路计算 生成空载特性曲线、 去磁曲线两曲线的交点得磁钢的工作点根据求得的工作点进行电路 的计算, 选择导线的规格计算电机的损耗和效率列出不同电流值下电机的工作 特性表, 绘制工作特性曲线校核技术指标满意否?Y输出结果
