汽车座椅翻转用永磁直流电动机设计

张英勋

（哈尔滨泰富电气有限公司，黑龙江 哈尔滨 150060）

汽车座椅翻转用永磁直流电动机设计

张英勋

（哈尔滨泰富电气有限公司，黑龙江 哈尔滨 150060）

介绍了一种永磁直流汽车电动机的结构形式、工作原理、设计特点及其技术关键点，阐述了其在汽车座椅中的应用。

永磁直流电动机；减速箱；输出齿轮组件；霍尔控制电路；电磁兼容电路

1 前言

近年来随着对汽车舒适性要求的不断提高，汽车电机在汽车上安装的数量也越来越多，其中在汽车座椅系统中汽车电机也得到了广泛的应用。

为了充分利用空间，在厢式车中采用座椅翻转电动机将座椅整体翻转到汽车地板下的储存间内，这样可以节省空间装载其他的物品，如需要坐人时，就把座椅翻转出来使用，灵活性强。这样的电机要有很大的转矩且转速较低，并且位置控制精确，才能驱动座椅完成上述动作。因此，汽车座椅翻转用电动机作为汽车座椅的关键驱动部件具有非常广阔的应用前景。

2 电机结构和工作原理

汽车座椅翻转用电动机为永磁直流有刷电动机，电机由定子、转子、减速箱三大部分组成。

（1）定子由机壳、一对瓦型磁钢、磁钢支架、机壳轴承组成。机壳支撑定子磁钢，同时又起导磁、防护和散热作用；瓦型磁钢为永磁材料,用来产生励磁磁场；磁钢支架起固定磁钢作用；机壳轴承与机壳轴承室紧配承载转子轴。

（2）转子由转子铁心、转子轴、换向器、转子绕组、刷架组件、太阳轮组成。转子铁心采用硅钢片叠压而成，作为电动机磁路的一部分；转子轴用来支撑转子，传递转矩；换向器保证输出电流方向不变；转子绕组绕制于铁心上，其作用是感应电动势，通过电流而产生电磁转矩；刷架组件可以支撑转子，通过止口和机壳的配合关系，使转子组件装在定子内，并稳定可靠地工作，是保证定、转子之间同轴度、气隙匀度和轴向间隙的关键零件之一，同时其上面安装有电子元件；太阳轮作为行星减速机构的中心轮安装在转子轴上。

（3）减速箱采用四级行星齿轮减速机构，由一级行星齿轮、行星盘、二级行星齿轮、行星盘、三级行星齿轮、行星盘、四级行星齿轮、行星盘，内齿轮及齿轮壳体、端盖、输出齿轮组成，行星盘承载定位行星轮，各级行星轮与内齿轮啮合逐级减速，齿轮壳体用作固定支撑，端盖组件支撑输出齿轮组件，输出齿轮与座椅上的枢轴齿轮啮合，带动座椅翻转。

基本工作原理：电机定子上固定有永磁体，电流通过转子上的线圈产生电磁力，定转子相互作用使转子产生旋转，转子连接减速箱，逐级减速，输出而获得较大转矩。

电机整体结构如图 1 所示。

图1 永磁直流有刷电动机结构图

3 设计特点及关键技术

3.1 设计特点

汽车座椅翻转用电动机有很多突出的优点，具体如下。

（1）电机定子采用永磁体磁钢，这样可以取消励磁系统的损耗，提高效率；结构简单，体积小，重量轻，运行可靠。

（2）定子磁钢采用涂胶和塑料支架支撑双重固定的方法，采用支架既可以防止电机受冲击时磁钢脱落又能保证安装磁钢时的安装尺寸。

（3）电机一端采用含油圆柱滚子轴承，另一端采用含油球轴承，含油球轴承可以对转子装配后不同轴现象进行调节，降低了电机噪音。

（4）由于翻转电机的综合空间有限，减速箱采用行星齿轮减速机构，行星齿轮传动是浮动结构，属于精密传动。减速箱采用四级行星齿轮减速机构，可保证很大的减速比。为了防止内齿轮打滑，在内齿轮与壳体之间采用凸凹槽配合，强度大大增加。齿轮箱由于前两级行星齿轮承载的转矩较低，采用耐磨性好的塑料齿轮，既降低成本又能降低噪音，同时齿轮箱采用特殊油脂润滑，来降低多级齿轮运转产生的噪音。

（5）该电机可采用全自动流水线生产，包括采用超声波清洗设备对铁心的清洗，全自动涂敷机对铁心表面绝缘涂敷，全自动设备进行换向器的压接，全自动绕线机进行转子绕阻的绕制，全自动点焊机对换向器挂钩的点焊，全自动精粗车机对换向器表面的粗车、精车、清理，二工位平衡机对转子的校平衡，转子综合测试仪对转子的综合测试，定子组装及总装配在流水线上作业，成品在磁粉测功装置、汽车电机综合测试仪、响度测试系统及声级计上进行性能检测。以上方法效率非常高，很适于大批量生产。

3.2 关键技术

本汽车座椅翻转用电机除具有以上一些特点外，同时还具有如下的关键技术。

（1）在输出齿轮组件装配环节上，在输出轴上套有特种材质波纹滑环，当输出转矩大大超过电机额定转矩并低于堵动转矩时，输出轴和输出齿轮间产生打滑来卸掉过大的输出转矩，起到保护电机减速箱里的齿轮和电机本体作用，输出齿轮组件结构如图 2 所示。

图2 输出齿轮组件结构图

（2）该电机设有霍尔元件位置计数系统，霍尔元件计数是运动位置的控制需要。霍尔控制电路管脚1连接电源(VCC)，利用与电机转子轴上连接的信号磁钢产生磁场，信号磁钢被径向充磁为N、S两极，在外表面产生一个接近正弦波的磁通量。当信号磁钢随电机旋转时，会在霍尔元件管脚3（OUT）与管脚2（GND）之间产生脉冲信号，电机每旋转一周产生的脉冲信号，输入到控制处理电路，作为座椅动作位置控制信号。电路原理图如图 3 所示。

图3 霍尔控制电路原理图

（3）霍尔元件很容易受到静电或浪涌电压的伤害而失去工作能力，因此在霍尔元件计数电路中，并联ESD压敏电阻予以保护。压敏电阻的电压与电流不遵守欧姆定律，而成特殊的非线性关系。在常规状态下，当两端所加电压低于标准额定电压时，压敏电阻阻值接近于∞，内部几乎无电流通过；当两端电压高于标准额定电压时，压敏电阻将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大，能瞬间将高压静电和高压脉冲对地泄漏掉，从而保护霍尔元件；当两端所加电压低于标准额定电压时，压敏电阻又恢复高阻状态。

（4）对翻转电机进行EMC（电磁兼容检测系统）测试时，将有几百k到几G的高频信号输入，同样作为直流有刷电机，也会有高频信号（如换向器火花）干扰外界。为了使电机和外界在相互干扰下能同时正常工作（即兼容），须增加LC的抑制电路。在电机主回路中，串并联LC电路，在没有高频信号干扰时，电磁兼容检测系统（EMC）电路中，电感元件L呈现低阻抗（近似短路），而电容元件C呈现高阻抗（近似开路）；而当有高频干扰信号时，则电感元件L会呈现高阻抗（近似开路），而电容元件C则呈现低阻抗（近似短路），所以，高频干扰信号难以通过电感元件L，而被电容元件C“短路”。电路原理图如图 4 所示。

图4 电磁兼容电路原理图

LC回路设计计算

按照标准进行测试时，工作电压为12.5V,对电机施加一定负载，工作电流设为2.5A，按此计算出电机的阻抗为：

Zm=U/I=12.5÷2.5=5(Ω)

有高频信号干扰时，以1G（1024M）为例计算此时LC电路中电感元件阻抗。

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

式中：L=17μH（要求值）

主回路中为2L电感元件串联，

则2ZL=2×109.3=218.6(kΩ)

LC电路中电容元件的阻抗：

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

由以上计算可见，当有高频干扰信号时，主回路电感元件将呈现极大的电阻218.6kΩ＞＞5Ω，使高频干扰信号很难通过；而在并联的电容元件上，又呈现极小的容抗0.000227Ω＜＜5Ω，高频信号被短路，从而保护了电机。

4 结束语

由上可见，汽车座椅翻转用电动机在汽车上可得到充分的应用，整体结构简单，可靠性高，可大批量生产，具有很好的市场前景。

（编辑：钟 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.

张英勋（1979-），男，工程师, 项目负责人.