電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)的故障診斷及處理

馬子超

摘 要： 永磁同步電機(jī)是當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其憑借著高功率、高效率等優(yōu)勢(shì)具有廣闊的使用前景。作為交通工具，汽車(chē)的安全性指標(biāo)十分重要，而電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)主要?jiǎng)恿?，其可靠性十分重要。而故障診斷系統(tǒng)質(zhì)量能夠?yàn)殡姍C(jī)安全可靠運(yùn)行提供保障。基于此，本文就電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)故障診斷和處理展開(kāi)研究，首先介紹了永磁同步電機(jī)故障診斷技術(shù)，其次對(duì)其故障診斷和處理進(jìn)行了深入分析，以期能夠使電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車(chē);永磁同步電機(jī);故障診斷;故障處理

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM921 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.182

近年來(lái)，環(huán)境污染和能源緊缺現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，世界各國(guó)越發(fā)重視這一問(wèn)題。為踐行節(jié)能環(huán)保理念，電動(dòng)汽車(chē)被各國(guó)政府所重視，其已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。作為電動(dòng)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿?，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全性對(duì)于車(chē)輛本身的可靠性以及安全性具有重要影響，其對(duì)電動(dòng)企業(yè)的發(fā)展也產(chǎn)生著制約作用。一旦電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)受到影響，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的事故。因此，在發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，必須要完善電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)，進(jìn)而保證電動(dòng)汽車(chē)能夠安全運(yùn)行。

1 永磁同步電機(jī)故障診斷技術(shù)

電機(jī)故障檢測(cè)研究中，其在感應(yīng)電機(jī)、大電機(jī)故障方面的研究比較多，在永磁同步電機(jī)故障診斷的研究比較少。對(duì)于永磁同步電機(jī)故障的診斷可以采用信號(hào)處理和人工智能等方面進(jìn)行檢車(chē)。采用信號(hào)處理法，例如針對(duì)永磁同步電機(jī)定子融租匝間短路故障，可以采用高頻諧波注入法對(duì)電機(jī)進(jìn)行在線檢測(cè)，該檢測(cè)方法是在電機(jī)中注入高頻三相電壓，其會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)高頻正序電流以及逆序旋轉(zhuǎn)高頻負(fù)序電流，之后對(duì)比電機(jī)故障和正常狀態(tài)下的高頻負(fù)序電流，通過(guò)二者差值對(duì)該故障進(jìn)行檢測(cè)，效果比較好[1]。采用人工智能法，例如對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)故障檢測(cè)，通過(guò)故障樹(shù)分析法對(duì)故障進(jìn)行分析，其在故障診斷上會(huì)建立專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)以及推理機(jī)。再比如，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行檢測(cè)，將負(fù)序電流和多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)預(yù)測(cè)電機(jī)電流，得到預(yù)測(cè)電流與實(shí)際電流之差，進(jìn)而判斷電機(jī)故障。

2 電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)故障診斷和處理

永磁同步電機(jī)的常見(jiàn)故障就是雜件短路，其產(chǎn)生原因多，一般是由于電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于高溫潮濕狀態(tài)中，或是啟動(dòng)過(guò)程中匝間絕緣過(guò)電壓等等都會(huì)導(dǎo)致永磁同步電機(jī)發(fā)生故障。為了檢測(cè)電機(jī)故障，先要了解系統(tǒng)運(yùn)行情況后再制定診斷方法。

2.1 退磁故障

永磁電機(jī)相較于交流感應(yīng)電機(jī)而言，其劣勢(shì)在于永磁體失磁。電驅(qū)繞組導(dǎo)致的磁場(chǎng)或是渦流導(dǎo)致的溫度上升會(huì)導(dǎo)致永磁體失磁，進(jìn)而對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。汽車(chē)散熱條件有限，電機(jī)工作環(huán)境溫度比較高，但是釹鐵硼永磁材料內(nèi)部溫度比較低，溫度不夠穩(wěn)定，不可逆損失以及溫度系數(shù)較高，導(dǎo)致高溫狀態(tài)下的磁損更為嚴(yán)重，進(jìn)而引發(fā)不可逆的失磁現(xiàn)象[2]。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)功率密度高，極易發(fā)熱，導(dǎo)致溫度過(guò)高，產(chǎn)生失磁故障。故障狀態(tài)中，電流突增，產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，永磁體工作點(diǎn)會(huì)逐漸專(zhuān)業(yè)到退磁曲線膝點(diǎn)部位，導(dǎo)致不可逆的失磁現(xiàn)象。永磁體失磁引發(fā)電機(jī)無(wú)功電流擴(kuò)大，效率也會(huì)降低，過(guò)熱且轉(zhuǎn)矩性能下降，對(duì)整車(chē)性能產(chǎn)生不良影響，甚至?xí)?dǎo)致電機(jī)報(bào)廢。

2.2 偏心故障

永磁同步電機(jī)故障產(chǎn)生的原因比較多，但是基本是由電氣和機(jī)械耦合導(dǎo)致的。電位驅(qū)動(dòng)力汽車(chē)電機(jī)不是獨(dú)立安裝的，其不僅在車(chē)身外固定，還與發(fā)動(dòng)機(jī)、變速?gòu)?qiáng)等裝置耦合。因此，一旦彼此之間出現(xiàn)偏差，或是運(yùn)行時(shí)受到震動(dòng)都會(huì)熬制電機(jī)偏心。此外，車(chē)子爬坡時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大電流也會(huì)導(dǎo)致繞組變形，進(jìn)而引發(fā)鐵芯震動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子偏心。氣隙磁場(chǎng)反映了轉(zhuǎn)子偏心故障，因此在定子上安裝檢測(cè)線圈，能夠診斷這些故障。轉(zhuǎn)子偏心故障存在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)以及混合三種偏心類(lèi)型。導(dǎo)致靜態(tài)偏心的原因就是定轉(zhuǎn)子定位不準(zhǔn)，或是鐵芯呈現(xiàn)橢圓狀。動(dòng)態(tài)偏心是由于軸承損壞、機(jī)械共振導(dǎo)致的[3]。靜態(tài)偏心使定子和轉(zhuǎn)子間氣隙產(chǎn)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)逐漸向定子方向偏移，該氣隙偏心在某位置上固定，不會(huì)隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)二出現(xiàn)變化。動(dòng)態(tài)偏心中，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心無(wú)偏移現(xiàn)象，因此，轉(zhuǎn)子會(huì)隨著氣隙偏心二逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)。這兩種故障能夠同時(shí)存在。對(duì)此，可以將探測(cè)線圈放入氣隙中，一了解電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而明確氣隙的磁場(chǎng)變化。

2.3 匝間短路故障

匝間短路故障就是負(fù)序電流的體現(xiàn)，電機(jī)匝間短路故障中，三相繞組會(huì)出現(xiàn)由短路電流構(gòu)成的脈振磁場(chǎng)所感應(yīng)到的逆向旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，引發(fā)的負(fù)序電流會(huì)導(dǎo)致三項(xiàng)電流不平衡。負(fù)序電流形成的原因比較多，導(dǎo)致其檢測(cè)困難，有些方法的誤差比較大，需要予以補(bǔ)償。在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，負(fù)序電流檢測(cè)方法比較簡(jiǎn)單，先時(shí)提取故障信號(hào)，逆變器會(huì)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，三相電壓不會(huì)有明顯的不平衡，也不會(huì)導(dǎo)致控制單元負(fù)擔(dān)過(guò)重[4]。

2.4 定子故障

電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)工況復(fù)雜，暫態(tài)下工作并不穩(wěn)定，傳統(tǒng)匝間短路的檢測(cè)方法主要用于穩(wěn)定狀態(tài)下的運(yùn)行電流分析，實(shí)際上，電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩常常改變。汽車(chē)運(yùn)行震動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氣隙發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)定子電流變化，進(jìn)而使傳統(tǒng)檢測(cè)法無(wú)法在電動(dòng)汽車(chē)中應(yīng)用[5]。此外，電機(jī)系統(tǒng)中的控制單元和傳感運(yùn)行速度十分有限，在成本基礎(chǔ)上，其會(huì)對(duì)故障診斷工作產(chǎn)生影響。

結(jié)束語(yǔ)：通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)故障和診斷技術(shù)的分析，為電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展提供了參考。由于電動(dòng)汽車(chē)工況復(fù)雜，對(duì)此，需要采用在線和離線結(jié)合的方法診斷電機(jī)匝間短路故障，并利用探測(cè)線圈法對(duì)電機(jī)偏心故障進(jìn)行診斷。針對(duì)退磁故障，在矢量控制法下，對(duì)交軸電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而針對(duì)該故障。該方法比較適合應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)故障檢測(cè)中。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉天華，王京，楊歡，等.基于矢量控制的電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)系統(tǒng)研究[J].輕工機(jī)械，2018，36（002）：48-55.

[2] 陳安，王晗.電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器FOC-DTC混合控制系統(tǒng)[J].湘潭大學(xué)自科學(xué)報(bào)，2018，v.40;No.144（01）：123-126.

[3] 陸海斌，錢(qián)勝，柴召亮.電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)電器，2019，369（05）：19-22.

[4] 姚學(xué)松，陶文勇.某款電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)噪聲分析[J].電子產(chǎn)品世界，2019，026（012）：74-77.

[5] 李紅梅，陳濤，姚宏洋.電動(dòng)汽車(chē)PMSM退磁故障機(jī)理、診斷及發(fā)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013.