正交试验法在直流微电机设计中的应用
刘妍华，刘阿宁，李博(航天科技集团公司四院401所，西安710025)
摘要：针对多冈素、有误差、周期长的试验，正交试验法是一种行之有效的试验安排方法。将正交试验法应用于微电机的设计改进，不仅可以减少试验次数，缩短试验刷期，而且大大节约了试验经费，提高了电机设计质量。通过实例说明了正交试验法在微电机设计中的应用：
关键词：正交试验法；微电机；设计
0 引 言
试验是人们探索和认识事物可观规律的一种基本手段和方法，但试验安排是否合理得当，效果大不相同。如何以尽可能少的试验次数涵盖尽可能多的试验参数及水平，获得足够有效的数据，并分析得出比较可靠的结论，就是试验设计所需要解决的问题，而正交试验法正是这样一种行之有效的试验设计方法。对于多因素、有误差、周期长的试验而言，正交试验法可以合理安排试验，以较少的试验次数达到试验目的。针对产品设计的三次设计思想，即系统设计、参数设计和容差设计，正交试验方法被应用于产品研制设计阶段对参数的合理选择，为产品设计质量的提高提供了一套理论和方法。
空心杯直流永磁电动机的设计涵盖了电磁设计、机械尺寸等六个方面76个参数，同时根据实际工艺水平现状的不同，每个重要参数又有很多可供选择的水平，所以电动机的设计确认及质量改进是一种典型的多因素、多水平过程 完成电动机初步设计后，将正交试验法应用于某几个重要参数的水平选择中，不仪减少l『试验次数，缩短了试验周期，而且提高了产品设计质量，大大缩短了人力财力支出。
1正交试验设计的基本方法对于多因素、多水平、周期长的试验，希望解决以下几个问题：
①每个因素取什么水平?②各个因素按什么样的水平搭配起来可使最终得到的技术指标较好?
为降低试验成本，合理安排试验，以较少的试验次数达到试验目的，可通过正交试验法来设计安排试验。正交试验设计的基本步骤如下：
1)分析问题，明确试验目的；2)确定因子水平表；3)选正交表，进行表头设计；4)制定试验计划表；5)进行试验，测定试验结果；6)对试验结果进行统计分析，得出因子的主次关系和较优水平组合。
对于解决实际问题来说，正交试验主要是掌握正交表的运用方法。正交表是一种规格化的表格，各种各样常用的正交表都已被构造出来了。正交表中的列代表因子数，每列的数字代表水平符号；行代表试验次数，每一行中的水平组合代表一种试验条件。以四因子三水平的试验为例，应用19（3°)正交表，如下表所示：
表中，A、B、c、D代表四个因素，每个因素分别有 l,2,3三种水平，从表中可以看出：
1)在任意一列，每个因素的各个水平出现的次数相等。如上表中，A．B．C．D四个因子的1．2、3三个水平在对应列中均出现了三次； 2)对任意一列的任一水平，其他列自列的1．2．3水平与该列该水平在同一-一行相遇的次数相同。如表中，针对A因子的1水平，它与B、c、D因子的1、2．3水平分别相遇的次数均为1次，同样，对于A因子的2水平，它与B．C．D因子的1、2．3水平分别相遇的次数也均为1次。
上述两个性质被称为正交表的整齐可比性性质，也就是正交表的正交性性质、正是基于这些性质，才有可能使试验次数减少。凡是正交表均具备这两个性质，在一张正交表中，行与行或列与列之间交换，不会改变正交表的这两个性质，也不会影响试验的最终结果。
设计时，根据自己的需要确定因子及水平数，并选定正交表，正交表中行的数值即代表了不同的因子水平组合方式，可按照这样的组合方式安排试验，并对试验结果进行数理统计，最后根据统计结果选择所需的****因子水平组合，确定设计参数。
2正交试验在电动机设计改进中的应用举例36SYK空心杯电枢永磁直流伺服电动机要求输出力矩大、转速高、性能要求较高，在研制生产时存在着很大的难度：针对该产品在c组检验中出现的高温筛选试验空载电流过大、合格率较低的问题，经分析后认为主要原因是电枢杯与机壳相蹭所致电动机基本结构如图1所示。
如图1所示，当机壳内径过小、电枢杯外径过大时，因热胀冷缩现象的存在，在高温情况下易出现电枢杯与机壳相蹭，而导致空载电流过大。但如果一味增加机壳内径值，则会导致电动机气隙磁通降低，从而造成电动机整体性能降低，并且受工艺条件的限制，电枢杯的外径值也不能一再降低。故此，应通过确定合适的机壳内径及电枢杯外径值。
在此，仅以此为例简单介绍正交试验在电动机设计改进中的应用：
将机壳内径及电枢杯外径作为两个可控因素，通过理论计算后对每个可控因素确定了三个可允许的水平值，进行正交试验设计：因子水平表如表2所示．
选用新工艺封固的电枢杯，按可控因素的不同水平值，每一水平值装配10台电动机进行试验，并对试验结果进行监测，统计高温试验合格电动机频数。因为机壳内径与电枢杯外径两个可控因素彼此独立，无关联关系，可参考Lψ(3)正交表格式安排试验设计。
从正交试验结果可以看出，当可控因素A(机壳内径)水平值为2(28 5 mm)和3(29 0 mm)、可控因素B(电枢杯外径)水平值为1(27 0 mm)和2(27．2 mm)时，电动机高温筛选合格率可达到100％。结合生产工艺的可实施性综合考虑，最终确定机壳内径为28 5 mm、电枢杯外径为27．2 mm。
该试验结论已应用到了36sYK电动机后续产品的生产中，并取得了一定效果。
3结论
以上示例仅仅是对正交试验应用方法的简单示意，凶为示例中可控因素只有两个，所以正交试验的优点并没有得到充分体现。如针对四因素、_二水平的试验项目来说，全部试验项目为3=81次，但是，用正交试验法安排试验时，利用L(3)正交表，仅需完成9次试验即可达到满意的试验效果，大大减少了试验次数。
正交试验法的应用是非常灵活方便的，在实际应用中，如首批试验未能出现****组合，还应该作补充试验加以验证。如验证结果与实际有明显的差异，则表明问题较复杂，还应该以试验中的****结果、次好结果为基本依据，并找出试验误差较大的原因所在，加以克服：正交试验还包括拟水平设计、拟因子设计、直和法、分割法设计等许多方法，总之正交试验法作为一种简单易、、行之有效的试验方法，随着对正交试验法的学习与掌握，它在电动机设计中的应用会愈来愈广泛。 |
