邱 棟， 江 海

（博世汽車(chē)部件（蘇州） 有限公司底盤(pán)控制系統(tǒng)工程部， 江蘇 蘇州 215024）

1 背景介紹

隨著汽車(chē)技術(shù)自動(dòng)化、 電氣化、 智能化的普及程度越來(lái)越高， 電機(jī)在汽車(chē)工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。 永磁直流電機(jī)因其設(shè)計(jì)成熟、 控制簡(jiǎn)易， 而且成本相對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)存在巨大的優(yōu)勢(shì)， 因而在汽車(chē)各個(gè)控制系統(tǒng)中均有大量使用。

底盤(pán)控制系統(tǒng)的ESP液壓泵電機(jī)目前仍以永磁直流電機(jī)作為主流電機(jī)。 隨著智能駕駛的逐步提高， 對(duì)于ESP液壓泵電機(jī)的使用壽命要求也越來(lái)越高。 早期ESP液壓泵電機(jī)的工作壽命只需幾十個(gè)小時(shí)即可滿足要求， 而目前電機(jī)的工作壽命需要幾百小時(shí)甚至上千個(gè)小時(shí)才能滿足要求。 永磁直流電機(jī)的壽命往往取決于碳刷的長(zhǎng)度， 因而汽車(chē)科技的發(fā)展對(duì)電機(jī)碳刷磨損的研究提出了新的應(yīng)用需求。

本文以ESP 液壓泵系統(tǒng)中使用的永磁直流電機(jī)作為研究對(duì)象， 通過(guò)設(shè)置不同的試驗(yàn)條件研究碳刷的磨損情況。 在不改變系統(tǒng)使用條件的情況下， 通過(guò)優(yōu)化電機(jī)的PWM的控制頻率來(lái)降低電機(jī)的有效電流RMS值， 從而將碳刷磨損控制在合理的范圍內(nèi)。 該研究成果不僅可以預(yù)測(cè)現(xiàn)有電機(jī)的使用壽命， 而且為下一代電機(jī)的碳刷設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

2 磨損機(jī)理分析

摩擦學(xué)的機(jī)理非常復(fù)雜， 因而影響電機(jī)碳刷磨損的因素也非常繁多。 一般來(lái)講， 可以將碳刷的摩擦分為3種類(lèi)型： 無(wú)電流作用下的純機(jī)械磨損、 電流作用下的機(jī)械磨損、 純電氣磨損。

1） 無(wú)電流作用下的純機(jī)械磨損與碳刷和換向器材料，接觸面的形狀及粗糙度， 接觸面的壓力， 以及轉(zhuǎn)速、 溫度、濕度等因素密切相關(guān)。

2） 電流作用下的機(jī)械磨損除了和影響純機(jī)械磨損的因素相關(guān)之外， 另外一個(gè)重要的因素就是電流的存在會(huì)導(dǎo)致接觸面局部溫度快速升高。 試驗(yàn)研究表明： 在ESP液壓泵極限工作情況下， 碳刷的溫度可達(dá)240℃， 從而會(huì)急劇加速機(jī)械磨損的程度。

3） 由于換向器的存在， 在電流換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花甚至環(huán)火現(xiàn)象。 這種現(xiàn)象會(huì)逐步腐蝕碳刷和換向器的表面， 從而造成碳刷的磨損， 這類(lèi)磨損稱之為電氣磨損。 在電機(jī)設(shè)計(jì)定型的情況下， 可以近似認(rèn)為電氣磨損隨著電流的增大而增大。

按照參考文獻(xiàn)[2]的研究數(shù)據(jù)， 碳刷的總工作時(shí)長(zhǎng)在140～700h范圍內(nèi)， 純機(jī)械磨損占總磨損的比例在10%～15%左右， 電流作用下的磨損占比在50%～65%左右， 而電氣磨損占比在20%～40%左右。

3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

作者在平時(shí)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 不同的電機(jī)控制方式和控制頻率會(huì)對(duì)電機(jī)的測(cè)試壽命 （碳刷磨損） 存在非常顯著的影響。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， 不同的控制方式和控制頻率實(shí)際上影響了電機(jī)的有效RMS值， 從而影響了碳刷磨損。

為了簡(jiǎn)化研究變量和模型， 在本文中將第2章中的碳刷磨損簡(jiǎn)單分為兩類(lèi)： ①純機(jī)械磨損， 此類(lèi)磨損和電流值大小無(wú)關(guān)； ②由于電流存在而產(chǎn)生的磨損， 包括電氣磨損。

首先設(shè)計(jì)了不同負(fù)載和不同控制頻率下的DOE試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 電機(jī)PWM控制頻率Hz

DOE試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖1～圖2所示。 可以看出， 在不同負(fù)載壓力的條件下， 隨著電機(jī)控制頻率的增加， 電流值顯著下降 （從紅色區(qū)域到藍(lán)色區(qū)域）。 進(jìn)一步抽取一固定負(fù)載條件下僅控制頻率變化的曲線繪制成右邊的對(duì)數(shù)圖像，可以看出在1000Hz以內(nèi)， 電流值隨著控制頻率的增加近似成直線下降趨勢(shì)； 當(dāng)控制頻率大于1000Hz后， 雖然控制頻率大幅增加， 但是電流值幾乎不再發(fā)生變化。

圖1 在不同負(fù)載壓力的條件下，電機(jī)控制頻率與電流值的關(guān)系

圖2 DOE試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

進(jìn)一步分析表明， 如圖3～圖5所示， 當(dāng)控制頻率較低時(shí)， 電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大， 因而電機(jī)的峰值電流也會(huì)較大，從而導(dǎo)致RMS電流值較大。 而當(dāng)控制頻率較高時(shí)， 電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)， 電流波動(dòng)很小， RMS電流值也就較小。

圖3 控制頻率25Hz

圖4 控制頻率200Hz

圖5 控制頻率800Hz

由圖3～圖5分析結(jié)果可以清晰地理解電機(jī)PWM控制頻率是如何影響電機(jī)的RMS電流的。 為了進(jìn)一步研究電流值如何影響碳刷的磨損， 作者收集了過(guò)往大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制成碳刷磨損和電流值的關(guān)系圖， 如圖6所示。

圖6 碳刷磨損和電流值的關(guān)系圖

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的電機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)均在300～700h之間， 碳刷設(shè)計(jì)相同且電機(jī)工作條件 （轉(zhuǎn)速、 負(fù)載等） 類(lèi)似， 主要區(qū)別就是PWM控制頻率不同。 圖6中碳刷磨損值表示為每100h碳刷的磨損長(zhǎng)度。 由圖可見(jiàn)， 碳刷磨損隨著電流的增加而增加。 在電流為0時(shí)， 這部分碳刷磨損就是純機(jī)械磨損， 它是一個(gè)固定值 （圖中綠色部分）， 不隨電流的增加而增加。另一部分 （淺紅色） 為電流相關(guān)的磨損， 它隨著電流的增大而成指數(shù)增大。

作者的研究結(jié)果和參考文獻(xiàn)[2]不同的是， 純機(jī)械磨損占比和電流值關(guān)系非常大。 當(dāng)有效電流為10A時(shí)， 純機(jī)械磨損占總磨損的50%左右； 而當(dāng)電流為30A時(shí)， 電流相關(guān)的磨損大幅增加， 純機(jī)械磨損僅占總磨損的13%左右， 這與參考文獻(xiàn)[2]中的結(jié)果是一致的。 這可能是由于文獻(xiàn)[2]中研究的電機(jī)的設(shè)計(jì)和工作條件與作者研究的不同而造成的。

4 結(jié)論

本文通過(guò)不同條件下直流電機(jī)的碳刷磨損研究， 發(fā)現(xiàn)了碳刷磨損量和電流以及PWM控制頻率之間的關(guān)系， 具體結(jié)論如下。

1） 電機(jī)的PWM控制頻率對(duì)有效電流值會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。 控制頻率在1000Hz以內(nèi)， 電流值隨著控制頻率的增加近似成直線下降趨勢(shì)； 當(dāng)控制頻率大于1000Hz后， 雖然控制頻率大幅增加， 但是電流值幾乎不再發(fā)生變化。

2） 碳刷磨損隨著電流的增加而增加。 碳刷的磨損包含兩部分： 純機(jī)械磨損是一個(gè)固定值， 不隨電流的增加而增加。 電流相關(guān)的磨損 （因電流而導(dǎo)致的機(jī)械磨損和電氣磨損）， 隨著電流的增大而成指數(shù)增大。

本文中的碳刷磨損和控制頻率模型具有實(shí)際應(yīng)用意義。根據(jù)碳刷磨損模型， 可以預(yù)測(cè)現(xiàn)有設(shè)計(jì)在不同工況下的碳刷磨損情況， 從而可以避免電機(jī)的過(guò)度使用。 同時(shí)該模型也為新的電機(jī)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)， 可以用來(lái)指導(dǎo)電機(jī)碳刷的設(shè)計(jì)及選型。 由于電流值對(duì)電子元器件的發(fā)熱有顯著影響， 根據(jù)控制頻率對(duì)電流的影響， 可以選擇合適的控制頻率來(lái)降低電機(jī)的電流值。 在平衡控制頻率和電流值的情況下， 選擇合適的電子元器件， 可以有效降低電機(jī)控制器（ECU） 的成本。