楊柳，衣淑娟

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

TRIZ 理論為發(fā)明問題的解決理論，于1946 年由蘇聯(lián)科學(xué)家創(chuàng)設(shè)，科學(xué)家通過成千上萬的專利研究發(fā)現(xiàn)[1]，無論人們對何種學(xué)科進行發(fā)明創(chuàng)造時，都遵循一定的科學(xué)方法和科學(xué)原則，繼而總結(jié)創(chuàng)造了TRIZ 理論，形成了一個綜合理論體系，幫助人們更高效快速解決科學(xué)和技術(shù)的問題[2-3]。在科學(xué)研究中為學(xué)者提供一種新型解決問題的方法，其核心思想為遵循客觀發(fā)展規(guī)律解決科學(xué)矛盾、難點等問題，在解決問題過程中用最少、最簡單的方法實現(xiàn)最大經(jīng)濟效益。

1 TRIZ 理論研究現(xiàn)狀

1.1 TRIZ 理論的國外研究現(xiàn)狀

隨著TRIZ 理論體系的發(fā)展，多個國家的學(xué)者將TRIZ 理論用于機械、化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域當(dāng)中，其中也有不少企業(yè)也陸續(xù)開始應(yīng)用TRIZ 理論進行產(chǎn)品更新設(shè)計，在解決問題過程中，應(yīng)用TRIZ 理論能高效快速的發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題，大大提高了企業(yè)研發(fā)周期，節(jié)約研究成本，提升企業(yè)收益[4-5]。智利Federico Santa Maria 大學(xué)利用TRIZ 理論構(gòu)建一種建模體系，應(yīng)用TRIZ 理論中多種工具，在城市火災(zāi)模型構(gòu)建廣泛應(yīng)用[6]。印度尼西亞大學(xué)利用TRIZ理論提高電動車總線功能，為殘疾人設(shè)施做出貢獻。馬來西亞大學(xué)通過TRIZ 理論矛盾矩陣的方法，減輕汽車前罩的重量，同時也有利于減少燃料在發(fā)動機中形成的氣體排放[7]。

1.2 TRIZ 理論的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近幾年TRIZ 理論在科學(xué)研究中TRIZ 理論的應(yīng)用逐漸增加，國內(nèi)學(xué)者在電子技術(shù)、企業(yè)開發(fā)、產(chǎn)品創(chuàng)新、教育教學(xué)、建筑、農(nóng)業(yè)、創(chuàng)業(yè)等幾十個方面均有TRIZ 理論的應(yīng)用。

2014 年，浙江農(nóng)林大學(xué)在蔬菜苗嫁接機設(shè)計上應(yīng)用TRIZ 理論中的即使矛盾，矛盾矩陣和物場模型等方法，對蔬菜苗嫁接機的關(guān)鍵部件進行創(chuàng)新設(shè)計。2015 年，哈爾濱理工大學(xué)應(yīng)用TRIZ 理論創(chuàng)新設(shè)計一款紅菇娘果去皮機，對其結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，得到最佳方案[8]。2016 年，浙江理工大學(xué)將TRIZ 理論引入到人體假肢裝置的優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中，利用創(chuàng)新發(fā)明原理、物理矛盾分析等七種原則，得到最終優(yōu)化方案[9]。2017 年，河北工業(yè)大學(xué)多名學(xué)者利用TRIZ 理論體系解決包裝設(shè)計、力學(xué)特性分析等多個方面問題。2018年，沈陽建筑大學(xué)應(yīng)用TRIZ 理論創(chuàng)新設(shè)計路邊石清洗機，有效清洗路邊石中粉塵、細菌和污泥等，提升城市形象的同時解決影響居民健康的一大隱患[10]。2019 年，山東青島科技大學(xué)在高校創(chuàng)新教育培養(yǎng)體系構(gòu)建與實踐方向引入TRIZ 理論體系，改革人才培養(yǎng)模式，收獲顯著成效。2020 年，開灤集團在礦山數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置創(chuàng)新設(shè)計中應(yīng)用TRIZ 理論，有效的分析該裝置差異使用狀況，優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化功能[11]。

TRIZ 理論體系在國內(nèi)外幾十個領(lǐng)域中均有應(yīng)用，對于企業(yè)和科研學(xué)者，TRIZ 理論是一種高效、便捷的理論體系選擇，給學(xué)者提供多種思路，尋找最優(yōu)解決方案，獲得最終理想解。

2 設(shè)計與方法

2.1 電動排種器高效電機設(shè)計

在精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為配合實際生產(chǎn)應(yīng)用中的高速播種，將傳統(tǒng)動力源由地輪提供改為電機直接驅(qū)動排種器，利用排種盤外側(cè)鋸齒形與電機傳動齒輪直接嚙合，既可以消除地輪打滑對播種質(zhì)量的影響，又可以減輕整機重量。在高速播種環(huán)節(jié)中，電驅(qū)動更容易實現(xiàn)播種環(huán)節(jié)全程信息化跟蹤和監(jiān)測。

無刷直流電機通過位置傳感器檢測到轉(zhuǎn)子磁極的位置，利用電子換相線路去驅(qū)動位置開關(guān)的導(dǎo)通或關(guān)斷，依次使電樞繞組饋電，從而在定子電樞上發(fā)出躍進式的旋轉(zhuǎn)磁場，使得轉(zhuǎn)子永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。無刷直流電機中較常用的是三相繞組兩相導(dǎo)通的方式，位置檢測器常采用霍爾元件位置傳感器[12-13]。

2.1.1 功能分析

在利用TRIZ 理論建立該電機技術(shù)系統(tǒng)時，理解系統(tǒng)功能，找到系統(tǒng)問題，對系統(tǒng)中主要功能或者輔助功能進行功能定義、功能分類和功能管理一系列步驟實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化[14]。

傳統(tǒng)播種機排種器的的動力源為地輪，地輪通過鏈輪的傳動帶動排種器進行工作。電動排種器去掉復(fù)雜的傳動系統(tǒng)，通過電機直接帶動排種器工作。根據(jù)電動排種器的實際工作情況，建立電動排種器工作系統(tǒng)的組件模型如表1 所示。

表1 系統(tǒng)的組件模型Table 1 System component models

在整理過程中，明確關(guān)聯(lián)，辨別功能分類[15]，確定基本功能和輔助功能后，明確逐個功能間的邏輯練習(xí)，排列整理重要功能，繪制系統(tǒng)功能模型圖如圖1所示。最終根據(jù)功能模型的分析，整理電動排種器系統(tǒng)功能模型提出技術(shù)方案如下：

圖1 系統(tǒng)的功能模型Fig.1 Functional models of the system

設(shè)計無損電機，減少由于電機內(nèi)部損耗而減小播種機的工作效率；對電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部參數(shù)進行改變，減少原有組成所產(chǎn)生的摩擦損耗、風(fēng)損、雜散損耗等；在控制系統(tǒng)方面，需進行簡化設(shè)計，避免農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者對控制系統(tǒng)的理解不足而影響生產(chǎn)，進而影響推廣；設(shè)計新的機械傳動方式，減少機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低成本；設(shè)計電動排種器，去掉傳動鏈輪，避免土壤對排種器產(chǎn)生的有害作用，提高作業(yè)率；使電動排種器成為一體結(jié)構(gòu)，減少整機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

2.1.2 矛盾

根據(jù)對電動排種器工作系統(tǒng)的整體分析，找到可能存在的技術(shù)矛盾，其技術(shù)矛盾表述為：如果增加電機為動力源（原動力源仍為地輪），那么系統(tǒng)自動化增加，但是耗電量增加；如果不改變機械結(jié)構(gòu)（動力源仍為地輪），那么耗電量減少，但是人工操作環(huán)節(jié)增多。

TRIZ 理論提出運用39 個通用工程參數(shù)描述技術(shù)矛盾和40 條解決技術(shù)矛盾的發(fā)明創(chuàng)新原理，利用這兩個表格，解決系統(tǒng)中的問題[16]。將現(xiàn)實生產(chǎn)生活中形形色色的矛盾問題轉(zhuǎn)化為標準化技術(shù)矛盾參數(shù)，對應(yīng)參數(shù)表，確定技術(shù)矛盾參數(shù)為No.31 物體產(chǎn)生的有害因素，惡化的參數(shù)為No.22 能量損失[17]。按照技術(shù)矛盾的工程參數(shù)編號No.31 和No.22，對應(yīng)查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創(chuàng)新原理可能的解集是：M31-22=[21，35，2，22]；其中：No.21 緊急行動；No.35 參數(shù)變化；No.2 分離；No.22 變有害為有利[11-12]。

根據(jù)以上查表與分析可知，選定發(fā)明原理，結(jié)合系統(tǒng)相關(guān)性專業(yè)知識，可得到如下解：設(shè)計高效控制系統(tǒng)，減小電機反應(yīng)時間，減少損耗；減小排鐘盤直徑，增加形孔數(shù)，在相同的施播量時，降低電機轉(zhuǎn)速，減少工作強度，降低損耗；將電機內(nèi)部易產(chǎn)生高溫的繞組用新型導(dǎo)體材料分割，減少由于相互觸碰產(chǎn)生的升溫情況；改變電機內(nèi)部組成轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子磁鐵、套管、定子鐵軛、定子線圈、定子槽、軸、輪轂等元件的材料以及參數(shù)。

2.1.3 物場分析

在問題模型建立以后，TRIZ 理論中的物場分析針對基本問題，找到系統(tǒng)特征和規(guī)律，分析并改進系統(tǒng)功能。在解決問題過程中，通過問題分析和描述，簡歷系統(tǒng)與技術(shù)之間的功能模型，對應(yīng)找到一般解和標準解[18]。在物場分析中，一般必須兩個物體和一個場，物體一般包括材料、工具、零件、人和環(huán)境，其中場指的是兩個物體之間產(chǎn)生作用力的一種能量，包含機械場、聲場、化學(xué)場、電場和磁場等等分類。

問題描述：播種機在實際作業(yè)生產(chǎn)中存在很多外界不可控因素，例如地塊地形復(fù)雜程度，雨水量較多等，會造成電機損耗增加，系統(tǒng)消耗增大，建立物場模型如圖2 所示。

圖2 物-場模型Fig.2 Object field model

利用物場分析最終得到標準解法，又叫通用解法，運用物-場模型將待解決的問題轉(zhuǎn)化成標準解，形成最終方案[19]。通過對物場分析并運用標準解法，選用增加一個物質(zhì)S3 來解決該物場模型中效應(yīng)不足的問題，提出技術(shù)解決方案為：增加機車速度實時采集系統(tǒng)，保證在由于土壤等環(huán)境因素導(dǎo)致的打滑等現(xiàn)象出現(xiàn)時，電機能及時調(diào)節(jié)排種器，避免重播漏播現(xiàn)象出現(xiàn)。其組合后的氣吸式電驅(qū)動排種器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，驅(qū)動電機通過驅(qū)動齒輪帶動排種器的排種盤完成排種工作，結(jié)構(gòu)下排種盤的驅(qū)動力完全來自于驅(qū)動電機，因此不會產(chǎn)生由于地面驅(qū)動輪打滑等因素造成的漏播和播種不均現(xiàn)象。

圖3 氣吸式電驅(qū)動排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural schematic diagram of air-suction electric drive metering device

2.2 最終確定方案

通過運用物理矛盾分析求解與物場矛盾分析求解原理等TRIZ 工具進行創(chuàng)新改進設(shè)計，綜合全部技術(shù)方案，同時考慮到排種器驅(qū)動時需要電機具有較高的響應(yīng)能力，最終確定電動排種器配套驅(qū)動電機為無刷直流電動機，其內(nèi)部由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子磁鐵、套管、定子鐵芯、定子線圈、定子槽襯里、軸和軸承組成，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 無刷直流電動機結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of brushless DC motor

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 電機效率試驗

3.1.1 試驗設(shè)備

電機效率檢測采用扭矩功率試驗儀和多功能測試儀，如圖5、圖6 所示。

圖5 扭矩試驗儀圖Fig.5 Torque tester

圖6 多功能測試儀Fig.6 Multi-function tester

圖7 無刷電機驅(qū)動器Fig.7 Brushless motor driver

圖8 TLE9879QXA40 控制芯片針腳分配圖Fig.8 TLE9879QXA40 control chip pin allocation diagram

3.1.2 試驗準備

有刷和無刷兩種電機的控制原理上都是采用調(diào)壓的方式進行轉(zhuǎn)速的控制，但由于無刷直流采用了電子換向，與有刷電機調(diào)整電壓電流通過整流子及電刷地轉(zhuǎn)換，改變電極產(chǎn)生的磁場強弱達到改變轉(zhuǎn)速的控制方式不同，無刷馬達通過驅(qū)動器進行數(shù)字控制才能實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制。因此試驗前需要在前文設(shè)計的驅(qū)動器基礎(chǔ)上對調(diào)速方式進行設(shè)計。需要在供電電源的電壓不變，改變電調(diào)的控制信號，通過微處理器再改變大功率MOS 管的開關(guān)速率，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。

研究采用BLDCM 系統(tǒng)閉環(huán)控制設(shè)計的驅(qū)動電機，通過轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)通過控制轉(zhuǎn)速外環(huán)使電機轉(zhuǎn)速跟蹤上給定轉(zhuǎn)速，通過控制電流內(nèi)環(huán)電流控制提高系統(tǒng)動態(tài)性能。控制系統(tǒng)圖如圖9 所示。而系統(tǒng)中對電機的控制方式采用PWM（Pulse width modulation）斬波控制方式進行內(nèi)外環(huán)電流控制，設(shè)計的控制電路圖如圖10 所示。由于電機與排種器連接具有一定符合，因此，采用H on-L pwm 型調(diào)制方式，其波形圖如圖11 所示。該方式下，在改變電極過程中同時包含斬波調(diào)速電平和高電平，使電機變速的過程中扭矩變化較小，保證驅(qū)動力輸出的穩(wěn)定。

圖9 BLDCM 系統(tǒng)閉環(huán)控制Fig.9 BLDCM system closed loop control

圖10 PWM 斬波控制電路Fig.10 PWM chopper control circuit

圖11 H on-L pwm 型調(diào)制方式波形圖Fig.11 Waveform of H ON-L PWM modulation mode

3.2 試驗結(jié)果

將設(shè)計的無刷電機動端軸與扭矩測試儀連接，同時將多功能測試儀檢測端子接入驅(qū)動器控制電路，檢測控制電路中電流給定值。并通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)電路中轉(zhuǎn)子位置檢測進行轉(zhuǎn)速檢測。通過扭矩測試儀和多功能檢測儀測試和記錄電機在不同轉(zhuǎn)速下的扭矩及電流變化情況。測得排種器在工作時，不同轉(zhuǎn)速下電機的輸入功率和輸出功率，通過轉(zhuǎn)速、扭矩、電壓和電流值計算電機的輸入和輸出功率，結(jié)果如表2所示。排種盤轉(zhuǎn)速為10、15、20、25r 和30 r·min-1時效率分別為82.4%、82.9%、84.4%、85.9%和83.8%。

表2 試驗結(jié)果Table 2 Test results

電機工作效率隨排種器轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，這是由于低轉(zhuǎn)速過程中排種器排種盤與充種框間摩擦為靜止摩擦和滑動摩擦交變，摩擦阻力變化幅度較大導(dǎo)致排種器轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，因此無刷電機工作時存在極點變換和驅(qū)動電流調(diào)節(jié)損耗；當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速增加，工作趨于平穩(wěn)，電機工作效率達到最大值；隨著轉(zhuǎn)速的增減，工作過程中存在溫度升高等問題，造成電機熱功耗增加，效率降低；如圖所示，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為25 r·min-1時，電機工作效率達到最大85.9%。

4 結(jié)論

基于TRIZ 理論體系開展電驅(qū)動排種器高效電機設(shè)計，利用功能模型、矛盾矩陣、物場分析等TRIZ理論建立電驅(qū)動排種器高效電機系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行了改進、完善和優(yōu)化，通過對發(fā)明問題的初始形勢分析和功能分析，完成了組建模型和功能模型的設(shè)計，并運用技術(shù)矛盾分析等多種工具尋求多種創(chuàng)新方向，通過改變電機結(jié)構(gòu)以及材料等方法，解決實際出現(xiàn)的問題，得到了最符合TRIZ 創(chuàng)新原理體系的設(shè)計方案，最優(yōu)高效電機設(shè)計方案彌補了現(xiàn)有電機補能完全匹配電動排種器工作性能的缺點，能夠滿足電驅(qū)動排種器的運行性能要求，表明TRIZ 理論在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程中的重要作用與指導(dǎo)意義。試驗結(jié)果表明，電機工作效率隨排種器轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為25 r·min-1時，電機工作效率達到最大85.9%，提升4%左右。