汽车天窗驱动电机原理及设计

[摘 要]汽车天窗起源于20世纪初，它在国外已经有了100多年的历史，已成为汽车文化一个重要组成部分。1932年以后德国伟巴斯特公司为内藏式电动车窗设计生产了第一代产品，从此将后加装天窗推向了世界汽车历史的舞台。现在车窗种类繁多，但其基本结构都是由电动机、驱动齿轮、滑动螺杆、（前）后加装顶盖支架等4部分构成。其独特的顶部设计不仅可以防止由于恶劣天气湿度对车窗清晰度的影响，减少交通事故的发生，还可以作为交通事故的紧急逃生口。本文设计则是为伟巴斯特宝马项目专属设计的一款内藏式天窗动力电机。

[关键词]车窗电机结构及原理设计 定子 转子 电刷板 齿轮箱等4部分结构 设计及生产 及未来车窗电机发展方向

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）34-0043-02

1 汽车天窗驱动电机结构及原理设计

一般汽车在行驶时若车内无新鲜空气补充，就会使空气中二氧化碳量增加、氧气量降低引起其大脑缺氧，产生疲劳困倦的感觉。虽然有时候驾乘者会通过侧窗进行换气，但是侧窗打开后，吹到人们身上的漩涡气流会让架乘着感觉风很大，又由于其上部的不通风，车内也会产生巨大的噪音，引起其耳鸣分散其注意力，最终导致无法安全行车的后果。特别是驾乘者在高速行驶时风带着灰尘等杂质直接冲撞到司机身上，更容易降低驾驶者的舒适感和注意力，引起事故。因此现在汽车多采取车内加装天窗的设计，既改善司机驾驶的安全性，又能通过天窗玻璃的自然采光给车室内营造出光明浪漫的气氛。

驱动车窗的工作是一项间断性工作，作为核心部件的驱动电机在其传动机构运行过程中起着非常重要的作用。其通过电机的转速及电流变化自由的驱动车窗玻璃沿滑槽前后移动、倾斜启闭。伴随着ECU科技的迅速发展，实现车窗远程精准停留功能也成为易事。本设计的驱动电机就是配合天窗ECU设计的一款直流永磁带传感的有刷电机。

它是一种机械能与电能相互转换的强驱动装置，其在整个运行过程中实现了电能产生、变换、传输、分配、使用、控制等循环作用。根据载流转子与主磁场定子互相作用产生电磁扭矩带动转子不停旋转最终产生机械运动的工作原理。将本设计电机分为定子、转子、电刷板、齿轮驱动等四大组立部分。

整个电机像人体一样各尽其责互相配合，精准完成天窗各部分驱动要求。首先定子作为“身躯”起着主磁场和支撑转子的作用。其次转子作为“心脏”起着切割磁力线产生感应电动势实现电能与机械能之间转换的作用，而带有ECU的电刷板作为“大脑”起着连接转子与外部电路的作用，最后齿轮箱作为“大手”起着调试控制天窗的运行及定位的作用。由于本设计为直流永磁带传感的有刷电机，其工作原理便是所谓的弗莱明左手定则原理。

即在磁场B[T]中，向垂直于磁场的导体L[m]中通上电流为I[A]的电时， 则通电导线在磁场中产生力F[N]的公式为：

F= B*L*I

若磁场中铁芯半径为R[M]，则在磁场中扭矩T[Nm]公式为：

T=2 *R*F=2 *R*B*L* I

若卷线匝数为Z[n]，则在磁场中整体产生扭矩T[Nm]的公式为：

T=2* Z*R*B*L* I

通过力与扭矩公式换算后，最终结论得出设计的卷圈匝数Z、磁场B、导体长度L。

电机旋转设计直接影响天窗应用模式，因此第一阶段先假设直流电机的转子不应用原动机拖动，而是把电刷A、B接在电压为U的直流电源上，让电刷A为正电位，B为负电位，则在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。那么根据弗莱明左手定则判断出载流导体ab边受的电磁力的方向是向左，cd边所受的电磁力方向则是向右，又由于磁场是均匀的，导体中又流过相同的电流，所以ab边和cd边所受电磁力的大小也是相等的，此时线圈在受到相同的电磁力作用时会按逆时针方向进行转动。第二阶段是当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流和电磁力都等于零，但是由于惯性的作用线圈会继续转动。第三阶段是当线圈转过半周后，虽然ab与cd的位置调换了，但是由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了（从d流向c），在S极下的ab边中的电流方向也变了（从b流向a），此时电磁力F的方向仍然不会改变，所以线圈仍然受力按逆时针方向转动。可见若N、S极范围内的导体中的电流方向不变，那么线圈两个边的受力方向也不变，这样线圈就可以按照受力方向不停的旋转下去。

2 汽车天窗电动机定子结构及原理设计

正如上述功能描述一样，定子作为电机的“身躯”起着主磁场和支撑转子的作用。一般定子结构分为永磁式和励磁式两种，永磁式是永磁体与电枢导磁体形成闭合磁路的形式。励磁式则是在磁极上绕线圈后，在线圈通电形成电磁铁的形式。虽然励磁式的定子有寿命长，在“空载”条件下噪音小的优点，但是车窗的应用环境很难预测，在寒冷、大风等阻力环境中经常遇上持久负载，易导致励磁电机电气原件烧毁引起“短路”等故障，因此天窗电机一般都选择永磁式定子。

而永磁式定子若磁性弱或磁路未饱和时，经常会引起电流增大、温度升高、噪音及振动等不良现象。因此在成本允许条件下，选择铁氧体永磁材料时，首先考虑高磁通密度（Br）和矫顽力（Hc）的磁性材料。其次由于该电机额定转速为40-50RPM，配合电枢铁芯长度定子设计长48mmX宽34.2mm且Br大于420mT的对称磁瓦结构是非常合适的。定子一般由机壳、永磁石、叶型弹簧等三部分组成，机壳根据客户放置电机的空间，应用直径为38mm扁圆筒结构。为了保证主磁体磁场稳定、装配位置误差小的功能，设计选择了比胶粘式更稳定的叶型弹簧支撑式结构。以上永磁设计大大改善电机噪音及振动的风险。永磁材料由于材质坚硬很难进行机械加工，因而一般来说永磁式电动机的制造成本比电磁式高。而电磁式比永磁式多了一项激磁损耗。因此许多工业在生产线性高精度产品时都多应用永磁式电机。

3 汽车天窗电动机转子结构及原理设计

转子作为电机的“心脏”起着切割磁力线产生感应电动势实现电能与机械能之间转换的作用。其主要结构由轴、铁芯、卷线、换向器、绝缘套筒、轴承及锥垫等七大部分组成。轴作为驱动转子旋转核心部件，其材质应用了 SAE/AISI 1144钢。铁芯应用了斜槽设计，即由厚度为1.0mm SPCC-SD硅钢片上下16片依次错开叠加槽位而成的，该设计即保证了电动机转动均匀平稳，又提高了电机输出功率，是现在高端电机常用的设计。换向器通过焊接方式连接转子铁芯铜线与换向器及碳刷电源正负极导通达到电机换向的作用。轴承作为连接齿轮箱和机壳桥梁，起着支撑和运动协调作用。由于本设计电机要配合天窗中的ECU按指令停留在任意位置处，因此在电枢转子处特别增加了4瓣感应磁环的设计。

转子设计重点在于铁芯的卷线，它决定了电机电流方向及转速、扭矩等功能参数，不同的卷线会影响到客户不同的应用效果。因此为了避免卷线时换向器与铁芯之间的误差，在设计及卷线时必须首先确认换向器与铁芯的角度问题，只有明确角度基准电机特性才可以稳定。本设计换向器角度为0°+/-1.5°，因此根据客户的应用条件考虑后，将铁芯槽数及换向器片数统一设计为8槽，铜线种类选择日立1 KMK-20E耐绝缘高等级的铜线，线径选择为4.75mm，其中每槽内匝数为24匝。

电机系列品种规格繁多，其质量水平及工艺差异对此类产品的影响起着至关重要的作用。从工程的角度本公司为保证工程质量，使用双飞叉高端日式卷线机，该工艺即保证了电枢两侧铜线快速的进入铁芯槽中，又能降低转子的两侧不平衡量。同时为了有效的防止铜线与轴之间、铜线与铁芯之间绝缘损伤、匝间短路和绝缘不良，断线，脱钩，反嵌，圈数差，绝缘击穿等故障的发生，选择绝缘涂层和绝缘套筒双重保护的设计。

4 汽车天窗电动机电刷板结构及原理设计

电刷板是电机机械固定部分和转动部分之间传递能量或信号的装置。其工作过程是将外部恒定电流通过电刷输入加载到转动转子上，配合换向器改变电流方向维持马达持续旋转的过程。同时它还有将大轴上的静电荷经过电刷引入大地静电的保护作用。

本设计的电刷板是由M型碳刷架及端盖、弹簧及碳刷、连接板及接地片、电容及扼流线圈等四部分组成。各部分作用如下，M型碳刷架及端盖部分有固定机械和转动的作用。弹簧及碳刷组立品有改变电流方向与换向器配合对电机起换向的作用。而连接板及接地片则起着电刷板输入外部电流的桥梁及静电保护的导体作用。电容及扼流线圈部分有减少直流电机损耗，提高使用寿命、电机运转稳定性以及降低直流电机的噪声和电磁干扰得作用。只有各部分同时有效而且配合偏差减少时，电机才能更顺畅有效的换向，同时还可以有效地减少电机刺耳的电刷噪音。

电机转动的时候，将电能通过碳刷及换向器输送给线圈，其碳刷越长则电机使用寿命就越长。因此本设计根据使用空间选择长为12±1mm SAE/AISI 1144材质的碳化物质。由于碳刷作用在换向器表面的压入力大小直接影响马达噪音及寿命，因此本设计通过不断的实验和验证将压入力设计在1.4+/-0.3N范围内，以便调整马达在合适的噪音水平中。最好选择弹簧支撑的材质为SPCC-SD。

因为转子滚动时，电刷始终与换向器进行摩擦，而且在换向的瞬间还会产生电火花灼蚀，所以电刷是直流电机里的易损件。因此伴随着设计经验的增多，在选择材质和部品配合时一定要多考虑产品的使用寿命、尽量通过合理的电路设计降低电机噪声和电磁干扰等不良影响，提高电机的品质能力。

5 汽车天窗电动机齿轮箱结构及原理设计

当汽车行驶速度过快时有可能造成天窗吹落，或是由于风阻产生

汽车的耗油量增大，降低车速等不良现象。因此天窗核心动力电机部分的加速或减速通常选择变速齿轮箱实现。本齿轮箱力方向变更过程便是通过大齿咬合电枢蜗杆来实现垂直转换成水平方向的过程。其减速的过程则是通过大齿旋转带动小齿配合天窗机械结构输出来控制整个产品前后、开闭的移动的过程。一般电机在同等功率条件下，转速越快的齿轮，轴所受的力矩就越小。因此为了减少力矩又能快速降低转速，选择了大齿轮与电枢蜗杆配合结构。由于大小齿轮的齿数比就是马达转速的传速比，为满足该电机转速要求，设计了转速比2：1的齿轮咬合结构。但要特别注意若设J为减速机的效率，设一级齿轮啮合的效率中心值为95%，那么2级减速的J=95%*95% ，3级减速的J=95%*95%*95% ，以此类推。齿轮减速等级越多减速效率越小。

一般天窗电机特点是低转速大扭矩的，转速极高的小电动机能够为天窗提供足够的动力，但它们不能提供足够的力矩，因此齿轮箱减速系统设计就非常重要了。因此在齿轮设计时，一定要注意参数的选择，若重合度过小、齿廓修形不当或没有修形都会影响齿轮箱结构不合理，又由于装配过程中不可避免地存在着齿距、齿形等误差，因此电机运转时会产生多次规律的啮合冲击，最终会导致电机发生与齿轮啮合频率相对应的噪声。为了避免在生产中由于加工工艺产生的过多误差，所以在齿轮加工时，也要多注意基节误差、齿形误差、齿侧间隙、表面粗糙度等因素的影响，有效提高产品噪音及振动的稳定性。本公司选择振动传感器测试设备， 100%控制及检测电机噪音及振动，避免不良流出保证高品质产品。现在竞争激烈的制造业中，高质量的品质产品会给企业增加很强的竞争能力。

汽车天窗早已成为汽车文化的重要组成部分。它安装于车顶即能够有效的增强新鲜空气相互流通，又能为车主带来安全、舒适的驾乘体验。伴随着科技的不断发展，它也逐步从外滑式、内藏式等简单设计转变为内藏外翻式、全景式、窗帘式等豪华设计。同时伴随着各城市车辆需求量每年的快速增长及人们对驾乘舒适性要求的不断提高，天窗市场将给电动机厂家带来广阔的发展空间。