正交試驗法在直流微電機設計中的應用
劉妍華，劉阿寧，李博(航天科技集團公司四院401所，西安710025)
摘要：針對多岡素、有誤差、周期長的試驗，正交試驗法是一種行之有效的試驗安排方法。將正交試驗法應用于微電機的設計改進，不僅可以減少試驗次數，縮短試驗刷期，而且大大節約了試驗經費，提高了電機設計質量。通過實例說明了正交試驗法在微電機設計中的應用：
關鍵詞：正交試驗法；微電機；設計
0 引 言
試驗是人們探索和認識事物可觀規律的一種基本手段和方法，但試驗安排是否合理得當，效果大不相同。如何以盡可能少的試驗次數涵蓋盡可能多的試驗參數及水平，獲得足夠有效的數據，并分析得出比較可靠的結論，就是試驗設計所需要解決的問題，而正交試驗法正是這樣一種行之有效的試驗設計方法。對于多因素、有誤差、周期長的試驗而言，正交試驗法可以合理安排試驗，以較少的試驗次數達到試驗目的。針對產品設計的三次設計思想，即系統設計、參數設計和容差設計，正交試驗方法被應用于產品研制設計階段對參數的合理選擇，為產品設計質量的提高提供了一套理論和方法。
空心杯直流永磁電動機的設計涵蓋了電磁設計、機械尺寸等六個方面76個參數，同時根據實際工藝水平現狀的不同，每個重要參數又有很多可供選擇的水平，所以電動機的設計確認及質量改進是一種典型的多因素、多水平過程 完成電動機初步設計后，將正交試驗法應用于某幾個重要參數的水平選擇中，不儀減少l『試驗次數，縮短了試驗周期，而且提高了產品設計質量，大大縮短了人力財力支出。
1正交試驗設計的基本方法對于多因素、多水平、周期長的試驗，希望解決以下幾個問題：
①每個因素取什么水平?②各個因素按什么樣的水平搭配起來可使最終得到的技術指標較好?
為降低試驗成本，合理安排試驗，以較少的試驗次數達到試驗目的，可通過正交試驗法來設計安排試驗。正交試驗設計的基本步驟如下：
1)分析問題，明確試驗目的；2)確定因子水平表；3)選正交表，進行表頭設計；4)制定試驗計劃表；5)進行試驗，測定試驗結果；6)對試驗結果進行統計分析，得出因子的主次關系和較優水平組合。
對于解決實際問題來說，正交試驗主要是掌握正交表的運用方法。正交表是一種規格化的表格，各種各樣常用的正交表都已被構造出來了。正交表中的列代表因子數，每列的數字代表水平符號；行代表試驗次數，每一行中的水平組合代表一種試驗條件。以四因子三水平的試驗為例，應用19（3°)正交表，如下表所示：
表中，A、B、c、D代表四個因素，每個因素分別有 l,2,3三種水平，從表中可以看出：
1)在任意一列，每個因素的各個水平出現的次數相等。如上表中，A．B．C．D四個因子的1．2、3三個水平在對應列中均出現了三次； 2)對任意一列的任一水平，其他列自列的1．2．3水平與該列該水平在同一-一行相遇的次數相同。如表中，針對A因子的1水平，它與B、c、D因子的1、2．3水平分別相遇的次數均為1次，同樣，對于A因子的2水平，它與B．C．D因子的1、2．3水平分別相遇的次數也均為1次。
上述兩個性質被稱為正交表的整齊可比性性質，也就是正交表的正交性性質、正是基于這些性質，才有可能使試驗次數減少。凡是正交表均具備這兩個性質，在一張正交表中，行與行或列與列之間交換，不會改變正交表的這兩個性質，也不會影響試驗的最終結果。
設計時，根據自己的需要確定因子及水平數，并選定正交表，正交表中行的數值即代表了不同的因子水平組合方式，可按照這樣的組合方式安排試驗，并對試驗結果進行數理統計，最后根據統計結果選擇所需的****因子水平組合，確定設計參數。
2正交試驗在電動機設計改進中的應用舉例36SYK空心杯電樞永磁直流伺服電動機要求輸出力矩大、轉速高、性能要求較高，在研制生產時存在著很大的難度：針對該產品在c組檢驗中出現的高溫篩選試驗空載電流過大、合格率較低的問題，經分析后認為主要原因是電樞杯與機殼相蹭所致電動機基本結構如圖1所示。
如圖1所示，當機殼內徑過小、電樞杯外徑過大時，因熱脹冷縮現象的存在，在高溫情況下易出現電樞杯與機殼相蹭，而導致空載電流過大。但如果一味增加機殼內徑值，則會導致電動機氣隙磁通降低，從而造成電動機整體性能降低，并且受工藝條件的限制，電樞杯的外徑值也不能一再降低。故此，應通過確定合適的機殼內徑及電樞杯外徑值。
在此，僅以此為例簡單介紹正交試驗在電動機設計改進中的應用：
將機殼內徑及電樞杯外徑作為兩個可控因素，通過理論計算后對每個可控因素確定了三個可允許的水平值，進行正交試驗設計：因子水平表如表2所示．
選用新工藝封固的電樞杯，按可控因素的不同水平值，每一水平值裝配10臺電動機進行試驗，并對試驗結果進行監測，統計高溫試驗合格電動機頻數。因為機殼內徑與電樞杯外徑兩個可控因素彼此獨立，無關聯關系，可參考Lψ(3)正交表格式安排試驗設計。
從正交試驗結果可以看出，當可控因素A(機殼內徑)水平值為2(28 5 mm)和3(29 0 mm)、可控因素B(電樞杯外徑)水平值為1(27 0 mm)和2(27．2 mm)時，電動機高溫篩選合格率可達到100％。結合生產工藝的可實施性綜合考慮，最終確定機殼內徑為28 5 mm、電樞杯外徑為27．2 mm。
該試驗結論已應用到了36sYK電動機后續產品的生產中，并取得了一定效果。
3結論
以上示例僅僅是對正交試驗應用方法的簡單示意，兇為示例中可控因素只有兩個，所以正交試驗的優點并沒有得到充分體現。如針對四因素、_二水平的試驗項目來說，全部試驗項目為3=81次，但是，用正交試驗法安排試驗時，利用L(3)正交表，僅需完成9次試驗即可達到滿意的試驗效果，大大減少了試驗次數。
正交試驗法的應用是非常靈活方便的，在實際應用中，如首批試驗未能出現****組合，還應該作補充試驗加以驗證。如驗證結果與實際有明顯的差異，則表明問題較復雜，還應該以試驗中的****結果、次好結果為基本依據，并找出試驗誤差較大的原因所在，加以克服：正交試驗還包括擬水平設計、擬因子設計、直和法、分割法設計等許多方法，總之正交試驗法作為一種簡單易、、行之有效的試驗方法，隨著對正交試驗法的學習與掌握，它在電動機設計中的應用會愈來愈廣泛。 |
