行业 | 扭矩电机助力内燃机减排

文/SONCEBOZ（瑞士公司Sonceboz Automotive SA/业务开发经理杨懿、事业部总监Arthur Raffard、事业部总监Mathieu Rust）

扭矩电机*能够快速地响应，精确地控制阀片位置，并进行诊断。在下文中，SONCEBOZ概述了扭矩电机的现状和进一步发展潜力，尤其是柴油和汽油发动机的进一步减排。

左起：业务开发经理杨懿、事业部总监Arthur Raffar、 ‍事业部总监Mathieu Rust

扭矩电机的优势

废气再循环（EGR）、节气门（AIT）和可变几何涡轮增压系统（VTG）是符合发动机排放和燃油消耗限制要求的关键技术。SONCEBOZ公司的紧凑型无刷电机是专门为快速响应而开发的，能够动态可靠地对发动机执行器进行位置控制，从而减少车辆排放。集成在发动机控制单元中的标准H桥控制着这些装置，提供快速可靠的角度运动。紧凑性、耐用性和可靠性能够确保扭矩电机从乘用车到重型商用车，在各种发动机应用中的最佳集成，尤其是在极端环境下。扭矩电机通过替换气动或有刷电机控制的相关机构，让车辆的许多部件实现电气化，如图1所示。

图1 电控废气循环阀（©SONCEBOZ）

扭矩电机特别适用于对可靠性要求极高的严苛环境，例如：在耐久性和可靠性方面，由于部件数量、电刷磨损或散热等原因，扭矩电机比有刷执行器更有优势。无刷扭矩电机的使用里程可以轻松地达到500 000 km以上，而由于转子和定子之间持续的物理和电气接触，有刷电机可能在更短的里程中就已经出现磨损损坏。

尤其是SONCEBOZ的无刷直流（BLDC）扭矩电机，由于其技术和设计，具有卓越的耐用性（超过7000万次转动测试）、鲁棒性和良好的抗振性。这些是实现近乎0 ppm的质量基础。正是直驱磁技术和简洁的机械设计造就了SONCEBOZ扭矩电机的可靠性。

因此，越来越多的制造商正在转向无刷扭矩电机，特别是对于响应时间较短的应用。如今，就总体拥有成本而言，扭矩电机比有刷执行器具有更大的优势，因为通常必须在一定的工作时间后对有刷执行器进行更换。这对于极为重视总拥有成本（TCO）的商用车辆而言尤其重要。与气动系统相比，扭矩电机也有优势。使用扭矩电机后则不需要气动系统，从而节省部件成本，节约空间及车辆内的能源消耗。与气动应用相比，扭矩电机具有明显的优势，即仅在必要时使用动力，换句话说，不必有任何持续的先导压力。

与气动系统相比，定位精度是扭矩电机的另一大优势。在气动系统中，由于磁滞和损耗，几乎不可能实现精确定位。而电机能以极大的动力实现并保持精确的位置。SONCEBOZ扭矩电机比大部分气动系统更快，可以在30～50 ms内实现位置变化。因此，SONCEBOZ扭矩电机可用于可变气门升程，如图2所示。

图2 扭矩电机，用于可变气门（©SONCEBOZ）

附加功能

此技术是基于MMT（移动磁技术）开发的磁路技术，如图3所示。MMT是位于法国贝桑松的研发中心，也是SONCEBOZ的姊妹公司。MMT一直在不断扩大和改进其无刷电机技术组合，包括目前已经是成熟解决方案的扭矩电机。SONCEBOZ拥有完整的产品系列，提供不同尺寸的电机，转子直径从36～51mm不等，并根据不同的应用采用不同等级的磁铁。此单相电机中还集成了一个位置传感器，可通过车辆控制单元非常精确地调节位置。该位置传感器能够通过不同的通信协议（如PWM、SENT或模拟信号）提供转子位置。

图3 磁路功能布局（©SONCEBOZ）

在恶劣振动环境下，完整的定子注塑工艺在机械耐久性方面具有真正的技术优势，且在散热方面也非常有效，使电机能够承受160°C的环境温度并输出连续扭矩。SONCEBOZ所有的扭矩电机产品都采用了这一注塑工艺。高防水性是SONCEBOZ扭矩电机系列的另一特点。由于定子外壳和盖壳之间的激光焊接，电机内部的部件（传感器PCB、磁铁和电气连接）不受灰尘和腐蚀性液体的影响。

SONCEBOZ扭矩电机的电机核心基于四个相邻的铁芯，这些铁芯与一个四极的圆盘形磁铁同步工作，其相邻间隙极小，以优化较小空间中的磁通密度。这种配置造就了紧凑型的电机设计，与市场上任何其它直驱执行器相比，该产品在扭矩密度方面是最有效的。

基于霍尔专用集成电路（ASIC）元件的位置传感器，其设计与电机磁路集成得非常好，因此该产品的元件数量非常有限。这是向客户提供紧凑性和可靠性产品的最佳方式。

带有简单比例积分微分（PID）控制器的车辆控制单元，可通过H桥驱动电机。并可根据应用的特点进行调整以控制电机的动态性和稳定性。

SONCEBOZ多年来实施的各种安全功能中包括可选回位弹簧，在非受控位置具有高应用风险时可使用此弹簧。这样可以确保已知的故障保护位置，即使在断电或信号中断的情况下也是如此。由于扭矩电机为直接驱动，换句话说，不包含任何传动装置和齿槽且摩擦扭矩极低，因而能够更有效地测量回位弹簧，从而为整个阀门系统（包括挡点）提供更紧凑的设计。该回位弹簧安装在电机外壳内，是一种非常安全的解决方案。经过润滑的弹簧不受外部辐射和灰尘影响，能够在产品寿命期间提供最大回位扭矩，而不会有任何由于摩擦、颗粒、腐蚀或其它影响因素造成的退化风险。

特殊的弹性机械挡点也可与弹簧功能结合使用。其目的不仅是定义一个有用的行程，还要在电机到达端部档点时减弱冲击力，从而避免损坏内部零件。同样，这有助于提高产品的可靠性。

SONCEBOZ的瑞士生产设施基于全自动装配线，确保高质量水平和生产率。即便如此，精益制造为客户提供了定制产品的可能性。客户可以根据夹式或激光焊接的封盖、带或不带印刷电路板（PCB）的传感器、唇形密封或不是唇形密封及许多其它细节来选择变体，以完全满足特定应用的需要。在处理机械接口时，客户可以再次选择使用后螺母进行螺栓紧固，或者使用模制耳环进行螺钉紧固。根据应用情况，客户可直接将杠杆或耦合元件焊接到轴上，或使用预装配的客户专用接口。

通过增加扭矩密度，SONCEBOZ现在能够生产范围广泛的扭矩电机。根据所用部件的等级，每种尺寸都有不同的扭矩等级。如今，扭矩电机的产品组合涵盖了0.45～2.30 Nm的峰值扭矩，如表1所示。

表1 各个扭矩电机的峰值扭矩（©SONCEBOZ）

减排

适用于高温环境的扭矩电机，也可在涡轮几何结构可变的涡轮增压器导叶执行器系统中使用。电机直接安装在涡轮增压器壳体上，以控制导向叶片，从而控制废气流量，如图4所示。除了已知的优点外，由于集成位置反馈，电机还可以快速调整阀片，定位时间小于100 ms。对于制造商而言，这意味着通过改进增压控制，可以显著减少涡轮滞后。同时，设计涡轮增压器时可以考虑额外的扭矩范围，最终废气中的有害物质更少，燃油消耗也更低。

图4 几何可变涡轮增压器中的电动导叶控制

（©SONCEBOZ）

在废气再循环系统中，扭矩电机控制废气再循环阀或活门，从而能够快速准确地控制废气再循环流量，实现低排放燃烧。因此，该系统支持且符合最新的排放标准，如中国6a和6b、印度BS6、加拿大Tier V、美国EPA和后EPA 10。采用机电系统驱动进气侧的进气活门是减少排放的另一种方案。这种机电系统实现了比上述再循环系统更高的废气再循环率，与12~24 V的车载电压兼容，驱动时间小于100 ms，非常耐用，耐高温，有助于避免烟尘积聚。任何标准控制单元都可提供单相电源。图5所示的SONCEBOZ扭矩电机已成功投放市场15年之久。如今，欧洲、美国和亚洲的大多数发动机制造商都将其视为最可靠的电动执行器之一。

图5 用于排放控制的扭矩电机示例

（©SONCEBOZ）

前景展望

无刷扭矩电机技术的进一步发展还没有结束，特别是在亚洲市场。亚洲市场已经意识到了这一技术趋势，并要求更新电机版本，例如使用优化的磁路或者客户特定的机械接口。SONCEBOZ能够依靠MMT在这方面的研究和基础研究潜力来开发新的解决方案以满足要求。因此，这项技术很独特，在市场上几乎无可匹敌。SONCEBOZ在商用车辆上看到了更多的可能性，例如液化天然气发动机进气模块、废气背压阀或空气增压模块。

对于承受度、往复运动、耐久性、紧凑设计或快速反应时间等要求较高的复杂应用，SONCEBOZ扭矩电机是最佳选择。新型混合动力汽车和电动汽车也将提供无数新的应用机会。新一代的扭矩电机将脱颖而出，其扭矩密度增加，精度和诊断能力不断提高，且客户专用外壳也更加紧凑。

* Sonceboz Automotive SA专利

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