汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)過(guò)熱失效問(wèn)題分析及優(yōu)化

蔡祥熙

(北京汽車股份有限公司 汽車研究院，北京 101300)

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)過(guò)熱失效問(wèn)題分析及優(yōu)化

蔡祥熙

(北京汽車股份有限公司 汽車研究院，北京 101300)

介紹了汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)電機(jī)過(guò)熱對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的影響，分析了造成電機(jī)過(guò)熱的各種因素，根據(jù)各不同因素提出相應(yīng)整改方案，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行效果驗(yàn)證.主要基于某款車型在市場(chǎng)上出現(xiàn)的EPS電機(jī)過(guò)熱燒蝕的問(wèn)題，利用EPS調(diào)試系統(tǒng)監(jiān)控控制器以及電機(jī)最高工作電流，發(fā)現(xiàn)控制器及電機(jī)最高工作電流超出最高設(shè)計(jì)值；通過(guò)將熱電偶埋入電機(jī)碳刷內(nèi)部跟蹤測(cè)量電機(jī)工作溫度峰值，發(fā)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部溫度高于碳刷架耐受溫度.同時(shí)對(duì)比測(cè)量電機(jī)碳刷架材料耐熱溫度，發(fā)現(xiàn)本電機(jī)碳刷架耐熱溫度遠(yuǎn)低于行業(yè)內(nèi)部分品牌電機(jī)，最后通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了以上多種導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱燒蝕的原因，并逐一制定改進(jìn)措施，最終解決電機(jī)過(guò)熱燒蝕問(wèn)題，驗(yàn)證效果良好.

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；直流電機(jī)；碳刷；碳刷架；過(guò)熱保護(hù)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)英文全稱Electronic Power Steering，簡(jiǎn)稱EPS.EPS是根據(jù)作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和整車車速信號(hào)，通過(guò)EPS控制器使EPS電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，并獲得最佳轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng).EPS由電動(dòng)助力單元直接提供助力，電動(dòng)助力單元主要包括電機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)[1].電機(jī)一般采用直流有刷電機(jī)或直流無(wú)刷電機(jī)，電機(jī)工作制類型采用S2工作制(短時(shí)工作制)，具體見GB 755-2008，短時(shí)工作制電機(jī)要求在額定負(fù)載下按給定時(shí)間運(yùn)行，電機(jī)在該時(shí)間內(nèi)不足以達(dá)到熱穩(wěn)定，隨之停機(jī)和斷能，停機(jī)或斷能時(shí)間足以使電機(jī)再次冷卻到與冷卻介質(zhì)溫度之差在2 K以內(nèi).根據(jù)以上要求，如果S2工作制電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作必然導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱從而導(dǎo)致電機(jī)失效，如此說(shuō)來(lái)電機(jī)工作負(fù)荷和工作時(shí)間的控制以及電機(jī)工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)是防止電機(jī)過(guò)熱過(guò)載失效的重要手段，在既定電機(jī)規(guī)格和工作環(huán)境下，通過(guò)技術(shù)手段提高電機(jī)工作效率，降低電機(jī)發(fā)熱量，提升電機(jī)耐熱性能也是防止電機(jī)過(guò)熱過(guò)載失效的有效途徑[2]. EPS電機(jī)工作載荷和工作時(shí)間由EPS控制器根據(jù)車輛駕駛需求和控制策略來(lái)控制[3]，其中控制策略主要指使控制器根據(jù)電機(jī)內(nèi)部器件和控制器發(fā)熱元器件實(shí)時(shí)溫度對(duì)系統(tǒng)工作電流進(jìn)行限制，從而減少電機(jī)和控制器發(fā)熱量，防止系統(tǒng)過(guò)熱的一種過(guò)熱保護(hù)策略.

EPS電機(jī)和EPS控制器溫度過(guò)高，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生影響如下：

1)控制器溫度過(guò)高可能導(dǎo)致控制器部分溫敏電子元器件性能漂移，如：分流電阻、MOSFET等，從而導(dǎo)致控制器性能漂移或者失效.

2)控制器溫度過(guò)高可能導(dǎo)致控制器部分耐熱性能差的電子元器件過(guò)熱燒壞，從而導(dǎo)致控制器總成失效，進(jìn)而導(dǎo)致EPS系統(tǒng)失效.

3)電機(jī)溫度過(guò)高可能導(dǎo)致電機(jī)性能下降，無(wú)法按照設(shè)計(jì)要求提供正常轉(zhuǎn)向助力.

4)電機(jī)溫度過(guò)高可能導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部耐熱性能差的零件過(guò)熱燒蝕，如：碳刷架、繞組等，從而導(dǎo)致電機(jī)總成失效，無(wú)法給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力.

本文基于對(duì)某款車型EPS電機(jī)過(guò)熱失效案例，通過(guò)失效樣件的拆解分析以及臺(tái)架試驗(yàn)等手段，找出EPS電機(jī)過(guò)熱失效的多種原因.根據(jù)各失效原因制定對(duì)應(yīng)整改措施，并通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)整改措施可有效改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)過(guò)熱問(wèn)題.

1 問(wèn)題描述

某款車型在上市后在市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向無(wú)助力問(wèn)題，初步判斷認(rèn)為是EPS電機(jī)故障，經(jīng)過(guò)對(duì)故障電機(jī)樣件進(jìn)行拆解分析發(fā)現(xiàn)，電機(jī)內(nèi)部碳刷架存在過(guò)熱燒蝕現(xiàn)象.通過(guò)模擬故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量電機(jī)碳刷和碳刷架溫度，測(cè)量到電機(jī)碳刷架最高溫度可達(dá)300 ℃，超出碳刷架材料熔點(diǎn)270℃.

2 故障原因分析

根據(jù)對(duì)故障電機(jī)樣件的拆解分析和故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，以及根據(jù)電機(jī)發(fā)熱理論，確認(rèn)故障可能原因有以下幾點(diǎn).

2.1 EPS過(guò)熱保護(hù)策略過(guò)松

為防止EPS系統(tǒng)過(guò)熱，特別是電機(jī)過(guò)熱，EPS控制策略里帶有系統(tǒng)過(guò)熱保護(hù)策略，該策略通過(guò)監(jiān)測(cè)或計(jì)算控制器和電機(jī)的溫度，對(duì)EPS系統(tǒng)工作電流進(jìn)行控制，在溫度過(guò)高時(shí)對(duì)EPS工作電流進(jìn)行限制，在滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本功能需求的情況下，降低EPS控制器和電機(jī)發(fā)熱量，防止溫度過(guò)高，部分汽車企業(yè)要求EPS系統(tǒng)在進(jìn)入過(guò)熱保護(hù)前滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)全行程工作30個(gè)循環(huán)即可，轉(zhuǎn)向器由左極限轉(zhuǎn)到右極限再由右極限轉(zhuǎn)到左極限為一個(gè)循環(huán)，或者在最大電流情況下連續(xù)工作5 s即可.本故障車型EPS控制器過(guò)熱保護(hù)策略太松，在該控制策略下電機(jī)最長(zhǎng)可在最大電流65 A下連續(xù)工作90 s，大電流工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可導(dǎo)致電機(jī)短時(shí)間內(nèi)溫度急劇上升而損壞，另外，進(jìn)入過(guò)熱保護(hù)后電流下降速度過(guò)慢，并且電流最小只下降到35 A，而35 A電流情況下電機(jī)發(fā)熱量仍然大于電機(jī)散熱量，依然無(wú)法使電機(jī)達(dá)到熱平衡，導(dǎo)致電機(jī)溫度持續(xù)上升.

2.2 電機(jī)碳刷架材料耐溫性能不足

電機(jī)碳刷架主要用于安裝電機(jī)碳刷和導(dǎo)電環(huán)，該碳刷架材料為PPS，其耐溫性能不足，最高耐溫270 ℃，而且PPS屬于熱熔型材料，溫度超過(guò)270 ℃熔點(diǎn)后材料會(huì)熔化，熔化后的材料將堵住碳刷活動(dòng)通道，導(dǎo)致碳刷無(wú)法與換向器正常接觸，從而使電機(jī)失效.

2.3 控制器分流電阻高溫性能漂移

控制器PCB板上分流電阻負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)控制器輸出給電機(jī)的工作電流，控制器內(nèi)部溫度升高后分流電阻產(chǎn)生性能漂移，測(cè)量電流值低于實(shí)際電流值，導(dǎo)致電機(jī)實(shí)際工作電流大于設(shè)計(jì)值，而且溫度越高性能漂移越嚴(yán)重，導(dǎo)致電機(jī)最大工作電流超出設(shè)計(jì)值，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)打到極限位置情況下，即EPS電機(jī)理論工作電流達(dá)到65 A時(shí)，實(shí)際電流達(dá)到最高71.5 A，根據(jù)焦耳定律

Q=I2R,

(1)

大電流進(jìn)一步加大電機(jī)發(fā)熱量.

根據(jù)以上分析，確定導(dǎo)致EPS電機(jī)過(guò)熱失效的原因有電機(jī)本身耐熱問(wèn)題，也有控制器控制策略和電子元器件性能問(wèn)題.

3 優(yōu)化方案制定

根據(jù)以上故障原因分析，制定相應(yīng)整改措施.

3.1 優(yōu)化控制器過(guò)熱保護(hù)策略

通過(guò)優(yōu)化控制器過(guò)熱保護(hù)策略，縮短電機(jī)大電流工作時(shí)間，同時(shí),降低電機(jī)在過(guò)熱保護(hù)策略介入后的工作電流，可有效降低電機(jī)最高工作溫度.優(yōu)化前過(guò)熱保護(hù)策略控制曲線如圖1所示，電機(jī)在最大電流65 A下最長(zhǎng)可連續(xù)工作90 s，過(guò)熱保護(hù)策略介入后電機(jī)工作電流最小下降到35 A.優(yōu)化后過(guò)熱保護(hù)策略控制曲線如圖2所示.

圖1 優(yōu)化前過(guò)熱保護(hù)策略

圖2 優(yōu)化后過(guò)熱保護(hù)策略

由圖2可知,優(yōu)化后電機(jī)在55 A電流以上連續(xù)工作超過(guò)2 s即開始下降，此策略主要為防止轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在極限位置時(shí)，EPS電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)，此工況下電機(jī)工作電流達(dá)到最大，但是效率為0，所有功率全部轉(zhuǎn)換成熱量，導(dǎo)致電機(jī)溫度快速上升.在防止電機(jī)過(guò)熱同時(shí)滿足駕駛需求的情況下，電機(jī)在55 A以上電流連續(xù)工作超過(guò)2 s時(shí)，先將電流下降至30 A，在30 A工作電流情況下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本性能不受影響，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)向力不超過(guò)40 N，滿足人機(jī)要求，如果30 A電流持續(xù)工作超過(guò)152 s，電流繼續(xù)下降至17 A，在17 A電流下，電機(jī)發(fā)熱量等于電機(jī)散熱量，電機(jī)達(dá)到熱平衡，溫度不再上升，在17 A工作電流下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能不受影響，但是轉(zhuǎn)向性能明顯下降，車輛轉(zhuǎn)向困難，進(jìn)一步提醒用戶避免超負(fù)荷使用轉(zhuǎn)向系統(tǒng).

3.2 增加控制器溫度補(bǔ)償控制

通過(guò)增加控制器溫度補(bǔ)償控制策略，對(duì)控制器分流電阻檢測(cè)電流進(jìn)行修正，

I實(shí)際=I測(cè)量×ξ.

(2)

防止控制器內(nèi)部溫度過(guò)高時(shí)，因?yàn)榉至麟娮栊阅芷茖?dǎo)致電機(jī)實(shí)際工作電流大于理論工作電流，進(jìn)而造成電機(jī)過(guò)熱.控制器溫度越高溫度補(bǔ)償系數(shù)ξ越低，對(duì)分流電阻檢測(cè)電流的修正量就越大，正好彌補(bǔ)控制器分流電阻溫度越高性能漂移越嚴(yán)重的問(wèn)題.控制器溫度補(bǔ)償策略如圖3所示.

圖3 溫度補(bǔ)償系數(shù)與控制器溫度的關(guān)系

3.3 優(yōu)化電機(jī)碳刷形狀

電機(jī)碳刷一端連接導(dǎo)電環(huán)，一端與電機(jī)電樞接觸，主要用于連通電機(jī)導(dǎo)電環(huán)和電機(jī)電樞上的繞線，從而向電機(jī)繞線提供電源，該電機(jī)現(xiàn)用碳刷為梯形碳刷，碳刷與電樞有一個(gè)接觸點(diǎn)，更改后碳刷為月牙形碳刷，碳刷與電樞的接觸點(diǎn)增加至兩個(gè)，從而降低單個(gè)接觸點(diǎn)通過(guò)的電流，根據(jù)焦耳定律，電流下降，發(fā)熱量也下降.優(yōu)化前后碳刷結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 優(yōu)化前后碳刷結(jié)構(gòu)

3.4 更改電機(jī)碳刷架材料

電機(jī)碳刷架材料PPS，最高耐熱溫度270 ℃，將碳刷架材料更改為酚醛樹脂，最高耐熱溫度達(dá)400 ℃以上，而且酚醛樹脂為熱固性材料，即使溫度超過(guò)400 ℃后也不會(huì)熔化，而是產(chǎn)生輕微形變和碳化，可有效避免碳刷架熔化后堵住碳刷的故障.

4 效果驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分別對(duì)以上4項(xiàng)改進(jìn)措施進(jìn)行優(yōu)化效果驗(yàn)證.

4.1 優(yōu)化控制器控制策略

控制器控制策略優(yōu)化包括過(guò)熱保護(hù)策略優(yōu)化和增加溫度補(bǔ)償控制策略，試驗(yàn)對(duì)比更改前后控制器控制策略在相同工況下電機(jī)最高溫度，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 控制策略優(yōu)化前后溫度對(duì)比

從溫度對(duì)比試驗(yàn)可以看出，控制器過(guò)熱保護(hù)策略優(yōu)化后，電機(jī)溫度可下降30 ℃左右.

4.2 電機(jī)碳刷形狀優(yōu)化

在同一工況下，利用相同電機(jī)對(duì)比更改碳刷形狀前后電機(jī)溫度，對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖6所示.

圖6 碳刷形狀優(yōu)化前后溫度對(duì)比

從溫度對(duì)比試驗(yàn)可以看出，通過(guò)更改電機(jī)碳刷形狀，電機(jī)溫度可下降50 ℃左右.

4.3 碳刷架材料變更

電機(jī)碳刷架熔化是此前電機(jī)過(guò)熱失效的最主要原因和最直接的表現(xiàn)，當(dāng)碳刷架材料為PPS時(shí)，電機(jī)最高工作溫度達(dá)到270 ℃時(shí)，碳刷架熔化，電機(jī)失效.碳刷架材料更改為酚醛樹脂后，耐熱性能大幅提升， 對(duì)電機(jī)進(jìn)行高溫測(cè)試試驗(yàn)，電機(jī)最高工作溫度達(dá)到370 ℃，碳刷架未熔化，電機(jī)未失效.

4.4 總體效果驗(yàn)證

將以上所有改進(jìn)措施同時(shí)體現(xiàn)后，在相同工況下，電機(jī)最高工作溫度可以降低80 ℃左右，如圖7所示.

圖7 新老方案電機(jī)溫度對(duì)比

所有改進(jìn)措施同時(shí)體現(xiàn)后，電機(jī)發(fā)熱大幅下降，最高工作溫度只到150 ℃左右，相反電機(jī)耐熱性能提升100 ℃左右，達(dá)到370 ℃左右，所以認(rèn)為EPS電機(jī)抵抗過(guò)熱失效風(fēng)險(xiǎn)能力大幅提升.

5 結(jié) 論

本文根據(jù)EPS系統(tǒng)過(guò)熱失效現(xiàn)象，從系統(tǒng)發(fā)熱和耐熱兩個(gè)角度找到多種導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱，主要是指電機(jī)過(guò)熱失效原因，并制定相應(yīng)整改措施，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證方案可行，可有效解決電機(jī)過(guò)熱失效問(wèn)題.通過(guò)本次對(duì)電機(jī)過(guò)熱失效問(wèn)題原因分析，方案定制，試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，得出以下結(jié)論：

1)EPS電機(jī)為短時(shí)工作制電機(jī)，長(zhǎng)時(shí)間大電流工作一定會(huì)造成電機(jī)過(guò)熱失效，所以控制器對(duì)電機(jī)的過(guò)熱保護(hù)顯得尤為重要，控制器過(guò)熱保護(hù)策略對(duì)電機(jī)工作電流和工作時(shí)間的限制，是防止電機(jī)大量發(fā)熱的主要途徑.

2)在降低電機(jī)發(fā)熱量的同時(shí)，提升電機(jī)耐熱性能也很重要，對(duì)電機(jī)發(fā)熱量較大的部位，需合理采用耐溫性能較高的材料，避免形成耐熱性能短板，降低總成耐熱性能.

通過(guò)本文的分析研究，為后續(xù)此類問(wèn)題的解決提供了寶貴的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在以后電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)控制器過(guò)熱保護(hù)策略的合理設(shè)計(jì)和充分驗(yàn)證，以及電機(jī)耐熱材料的選用，有效防止電機(jī)過(guò)熱失效問(wèn)題.在解決EPS系統(tǒng)過(guò)熱問(wèn)題的同時(shí)，須通過(guò)了臺(tái)架耐久試驗(yàn)，多種路況(盤山公路，城市道路等)實(shí)車駕駛試驗(yàn)，進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能驗(yàn)證，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)滿足整車使用要求.

[1] 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2010.

[2] 程福秀，林金銘.現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[3] 李玉琴，鄧 飛，顏 堯，等．汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配性能分析[J]．汽車工程，2009，31(2)：180-184.

Analysis of Motor Overheat Failure for Automobile ElectricPower Steering System

CAI Xiang-xi

(Beijing Automobile Co., Ltd.R&D center,Beijing,101300,China)

The influence of the motor overheat from the electric power steering system (EPS) is introduced on the performance of the system. The causes of the overheating are analyzed, the corresponding measurements are put forward and the effect of the rectification is verified by the contrast tests. Based on the ablation problem from the motor overheating in its EPS of a car, the highest operating current of both the controller and the motor is found to exceed the maximum design limit by means of the EPS debugging system. In order to measure the peak value of its working temperature, a thermocouple is embedded in the carbon brush of the motor, and the internal temperature of the motor is found to be higher than the tolerance temperature of the brush rack. The heat-resistance temperature of the rack in this motor is much lower than that of the motors with other brands. The reasons for the motor overheating are confirmed by some experiments, the improvement measures are made one by one, and the problems of both the overheating and the ablation are solved eventually.

electric power steering system; DC Motor; carbon brush; carbon brush rack; overheat protect

1009-4687(2017)02-0022-05

2017-3-14

蔡祥熙(1986-)，男，工程師，研究方向?yàn)槠囖D(zhuǎn)向技術(shù).

TM331+.3

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