電動汽車用驅(qū)動電機(jī)隨機(jī)振動測試方法優(yōu)化研究

羅媚　黃建忠　韋錦波　劉吉念　陸新華

【摘? 要】主要介紹驅(qū)動電機(jī)隨機(jī)振動測試的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、方法、現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種具備可行性的測試優(yōu)化方案，以便更加有效地驗(yàn)證驅(qū)動電機(jī)的機(jī)械負(fù)荷適應(yīng)性，提前識別整車上出現(xiàn)的低壓線束接插件退針、旋變故障等問題，為驅(qū)動電機(jī)隨機(jī)振動臺架測試人員提供參考依據(jù)，同時(shí)也對驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)未來隨機(jī)振動發(fā)展的方向進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】驅(qū)動電機(jī)；電機(jī)控制器；隨機(jī)振動；測試

中圖分類號：U469.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）08-0023-02

Research on Optimization of Random Vibration Test Method for Electric Vehicle Drive Motor

LUO Mei，HUANG Jian-zhong，WEI Jin-bo，LIU Ji-nian，LU Xin-hua

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Guangxi Laboratory of New Energy Automobile，

Guangxi Key Laboratory of Automobile Four New Features，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】In this papar，the test standard，method，current situation，advantages and disadvantages of random vibration test of drive motor are introduced. A feasible test optimization scheme is proposed in order to more effectively verify the mechanical load adaptability of the drive motor，and to identify in advance the problems such as pin withdrawal and resolver faults of the low-voltage wiring harness connectors that appear on the vehicle. Provide a reference for random vibration bench testers. The future development direction of random vibration of drive motor system is prospected.

【Key words】drive motor；motor controller；random vibration；testing

隨著電動汽車作為一種交通工具，以清潔無污染、能量利用效率高、能源多樣化等優(yōu)點(diǎn)受到了各大汽車制造公司的重視[1]。同時(shí)，國家政策的傾斜導(dǎo)致新能源汽車得到了高速的發(fā)展，市場需求日益漸增，其安全性和環(huán)境適應(yīng)性也同步受到廣泛的關(guān)注。驅(qū)動電機(jī)作為新能源汽車“三電”核心部件之一，其安全性和環(huán)境適應(yīng)性是設(shè)計(jì)考量的重點(diǎn)。

電動汽車驅(qū)動電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境更加嚴(yán)苛，體現(xiàn)在多樣化的道路使用環(huán)境和多變化的使用工況，要求電機(jī)機(jī)械壽命更加可靠。電動汽車的驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)總成不僅會在行駛過程中產(chǎn)生自振動，還會受到路面顛簸產(chǎn)生的激振，導(dǎo)致驅(qū)動電機(jī)因振動累積作用從而產(chǎn)生機(jī)械疲勞傷害。為了使驅(qū)動電機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)達(dá)到想要的可靠性，一般需要對電機(jī)進(jìn)行耐振動的機(jī)械壽命測試，同時(shí)旋變故障等也是驅(qū)動電機(jī)容易出現(xiàn)的故障部分可通過振動識別。雖然GB/T 18488.2—2015[2]對驅(qū)動電機(jī)的隨機(jī)振動有定義具體的試驗(yàn)方法，但如何在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段可以更加有效地對產(chǎn)品的耐振動性能進(jìn)行驗(yàn)證，是本文研究的重點(diǎn)。

1? 驅(qū)動電機(jī)隨機(jī)振動測試的現(xiàn)狀

1.1? 隨機(jī)振動試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)由驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器組成，國內(nèi)廠家驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器分別依據(jù)GB/T 18488.2—2015里面的9.4.3條款，進(jìn)行隨機(jī)振動試驗(yàn)時(shí)，按照GB/T 18488.1—2015[3]第1部分：技術(shù)條件中5.6.4.2.1的要求設(shè)置嚴(yán)酷度等級，并依據(jù)GB/T 28046.3—2011[4]第3部分：機(jī)械負(fù)荷中根據(jù)驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器的安裝部位進(jìn)行選擇隨機(jī)振動的嚴(yán)酷度限值及試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)也對測試方法做了整體的規(guī)定[5]。合資或者外資廠家執(zhí)行的振動試驗(yàn)，還會涉及如：國際電工委員會IEC 60068-2-6—2007、IEC 60068-2-64—2008標(biāo)準(zhǔn)，以及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 16750-3—2007、ISO 19453-3—2018等振動試驗(yàn)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，無論是國內(nèi)還是國外，隨機(jī)振動均有標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行了總體的規(guī)定。

1.2? 隨機(jī)振動測試現(xiàn)狀

GB/T 18488.1—2015里面規(guī)定驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器通常在不通電狀態(tài)下經(jīng)受試驗(yàn)，且由于驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器往往分屬不同的供應(yīng)商進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，而進(jìn)行隨機(jī)振動時(shí)是各自對自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，這種情況下的驗(yàn)證與整車實(shí)際工況存在較大差異。整車上驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器是一個(gè)連接好的系統(tǒng)，并在運(yùn)行過程中接收到自振動和路面顛簸激振，目前測試并沒有考核到產(chǎn)品運(yùn)行過程中的耐振動能力以及驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器連接線束的耐振動能力。

本文在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上研究對其臺架搭建的方式、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)后的檢查等如何進(jìn)行優(yōu)化，旨在更加有效地考核驅(qū)動電機(jī)的耐振動能力，因此在臺架上需盡可能地模擬整車的實(shí)際工況來進(jìn)行驗(yàn)證。

2? 驅(qū)動電機(jī)隨機(jī)振動測試的優(yōu)化方法

2.1? 隨機(jī)振動目前測試方案

驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化前的臺架安裝方式如圖1所示，驅(qū)動電機(jī)或者電機(jī)控制器均是單獨(dú)固定在臺架上，處于不通電的靜置狀態(tài)。隨機(jī)振動試驗(yàn)完成后，檢查零部件是否損壞以及緊固件是否松脫，恢復(fù)常態(tài)后，將驅(qū)動電機(jī)控制器直流母線電壓設(shè)定為額定電壓，驅(qū)動電機(jī)工作于持續(xù)轉(zhuǎn)矩、持續(xù)功率條件下，檢查系統(tǒng)能否正常工作。優(yōu)點(diǎn)是臺架搭建簡便，工裝制作簡單，容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是驅(qū)動電機(jī)沒有運(yùn)行且不考核驅(qū)動電機(jī)與電機(jī)控制器系統(tǒng)相關(guān)連接的線束。試驗(yàn)后沒有考核整機(jī)的氣密，以確認(rèn)是否會發(fā)現(xiàn)整車上出現(xiàn)過運(yùn)行一段時(shí)間后驅(qū)動電機(jī)進(jìn)水塵的問題，與整車的運(yùn)行模式有較大的差異，驗(yàn)證不夠全面[6]。通常情況驅(qū)動電機(jī)在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段進(jìn)行隨機(jī)振動臺架測試時(shí)往往沒有問題，但后續(xù)整車路試耐久過程中出現(xiàn)旋變故障、接插件退針等問題。若需要整改，對于產(chǎn)品的開發(fā)費(fèi)用和開發(fā)時(shí)間都是一種浪費(fèi)，故從臺架上對隨機(jī)振動的測試方法進(jìn)行優(yōu)化非常有必要。

2.2? 隨機(jī)振動測試優(yōu)化方法

2.2.1? 物料準(zhǔn)備

物料需要準(zhǔn)備：驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器、電機(jī)控制器上位機(jī)、三相線束、低壓信號線束、直流母線電源線束、固定工裝、振動設(shè)備等。

2.2.2? 臺架搭建的優(yōu)化

驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化后的臺架安裝方式如圖2所示。搭建驅(qū)動電機(jī)的振動臺架時(shí)，驅(qū)動電機(jī)的三相線與電機(jī)控制器擰緊固定，電機(jī)控制器母線電源線與母線電源以及低壓信號線束等按照整車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)連接固定。X軸和Y軸方向的隨機(jī)振動可按照圖2方式搭建，Z軸方向，由于三相線長度的限制，三相線無法直接按照該模式固定，需要加長三相線，與整車有一定的差異。對于驅(qū)動電機(jī)供應(yīng)商來說，臺架涉及工裝增多，需要增加工裝費(fèi)用，且需要準(zhǔn)備監(jiān)控電機(jī)控制器CAN通信的上位機(jī)，增加了臺架搭建難度。該方法雖然與整車的理想狀態(tài)還是有一定的差異，但是已經(jīng)在GB/T 18488.2—2015的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化。

2.2.3? 試驗(yàn)方法的優(yōu)化

驅(qū)動電機(jī)隨機(jī)振動過程由原來的不通電靜置改成給電機(jī)控制器和驅(qū)動電機(jī)通入額定的直流母線電壓，驅(qū)動電機(jī)在額定母線電壓下，以1000r/min轉(zhuǎn)速，0轉(zhuǎn)矩空載運(yùn)行。由于成本的限制，目前沒有供應(yīng)商或者第三方檢測機(jī)構(gòu)開發(fā)可以使驅(qū)動電機(jī)帶載運(yùn)行的振動臺架，這是目前比較遺憾的地方。在隨機(jī)振動的同時(shí)，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控旋變信號和CAN通信是否正常，在臺架的搭建上進(jìn)行了整體的優(yōu)化。

另一方面，振動試驗(yàn)測試條件，驅(qū)動電機(jī)應(yīng)能經(jīng)受X、Y、Z這3個(gè)方向的測試，根據(jù)不同安裝部位，現(xiàn)行國標(biāo)參考GB/T 28046.3—2011嚴(yán)酷度及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，大部分驅(qū)動電機(jī)的具體測試條件如表1、表2所示。表1所示的正弦振動測試條件，主要確認(rèn)有沒有共振后方便進(jìn)行隨機(jī)振動；表2所示的隨機(jī)振動的具體測試條件，列舉了最普遍性的兩種安裝位置，雖然有明確的標(biāo)準(zhǔn)，但存在一些準(zhǔn)確性和適用性方面的不足，有待修訂改進(jìn)。這樣在開發(fā)階段做設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)可以考慮在實(shí)際道路上用整車采集電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械振動路譜，試驗(yàn)實(shí)際采集的車子路譜來做測試，可能更加符合實(shí)際工況。

2.2.4? 試驗(yàn)后檢查優(yōu)化

隨機(jī)振動完成后除了原來的常規(guī)檢查外，還需要檢查三相線屏蔽環(huán)及三相線外表皮的拉扯位移情況，檢查驅(qū)動電機(jī)搭鐵線及低壓線束有無開裂損傷。電機(jī)振動后對滑動軸承的潤滑產(chǎn)生了很大的影響，絕緣縫隙會隨著振動力而擴(kuò)大，使外界的粉塵和水分可以入侵，故隨機(jī)振動完成后需檢查驅(qū)動電機(jī)防護(hù)等級是否降低，若條件允許，可進(jìn)行防塵和防水的測試，考核機(jī)械負(fù)荷后驅(qū)動電機(jī)的密封性能，以達(dá)到更加有效的檢查。

2.2.5? 示例

以某款車型的驅(qū)動電機(jī)為例，按照以上優(yōu)化方法進(jìn)行隨機(jī)振動測試。使用故障復(fù)現(xiàn)的方式，測試過程中，若出現(xiàn)低壓線束接插件退針、電機(jī)旋變故障的問題，監(jiān)控的上位機(jī)是可以發(fā)現(xiàn)的。如圖3所示，若出現(xiàn)異常，監(jiān)控的電壓會出現(xiàn)波動。在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，研究加長時(shí)間振動后，三相線外表皮拉扯位移現(xiàn)象是可以模擬出的。因此，按照優(yōu)化的方法進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)的隨機(jī)振動測試，若產(chǎn)品本身存在問題的話，通過該方式的隨機(jī)振動是可以識別出來的，降低了后期更改的風(fēng)險(xiǎn)。

3? 驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)隨機(jī)振動測試方法的展望

本文前面部分主要介紹了驅(qū)動電機(jī)隨機(jī)振動測試方法的優(yōu)化，但是對于整車來說，需要的是驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)，即包括了驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器及相關(guān)線束。在QC/T 893—2011《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)故障分類和判斷》[7]中，規(guī)定了電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)故障的故障模式、確認(rèn)定義和故障類型。振動試驗(yàn)完成后對驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的主要影響有以下方面。

1）本體結(jié)構(gòu)方面，可能會引起繞組串動、短路、絕緣破損等故障。

2）制造性能方面，可能會引起電機(jī)控制器的連接部件松動、焊點(diǎn)脫落、印刷版針腳松動接觸不良等故障。

3）電氣符合性能方面，振動可能引起繞組線圈的斷裂，從而影響驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。

前文提到的驅(qū)動電機(jī)隨機(jī)振動主要還是針對電機(jī)，沒有考慮振動對電機(jī)控制器的影響，如要識別標(biāo)準(zhǔn)里面提到的這些故障，需要把驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)整體振動試驗(yàn)進(jìn)行考核，模擬整車運(yùn)行過程對驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的影響。后續(xù)隨著發(fā)展以及各種成本允許的情況下，可以考慮搭建使電機(jī)進(jìn)行帶載運(yùn)行的振動臺架，把振動和帶載臺架結(jié)合一起，加上采集的實(shí)際振動路譜，且考慮加上環(huán)境因素的加速老化因子等，真正起到模擬整車運(yùn)行的機(jī)械振動壽命考核。

4? 結(jié)論

本文提出的驅(qū)動電機(jī)隨機(jī)振動測試優(yōu)化方法，盡可能模擬整車的振動對驅(qū)動電機(jī)的影響，可對整車上出現(xiàn)的電機(jī)旋變故障、三相線蛻皮、針腳回縮等問題進(jìn)行驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，可以更加有效地對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，確定其是否滿足整車要求。標(biāo)準(zhǔn)本身提供的載荷譜，從嚴(yán)苛程度來說，是稍微欠缺的，也提到了后期可以考慮在該方法的基礎(chǔ)上，對GB/T 28046.3—2011中的載荷譜進(jìn)行優(yōu)化，比如采集實(shí)際道路的振動載荷譜等。同時(shí)，本文對驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)后面發(fā)展的方向進(jìn)行展望，為驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)開發(fā)和測試人員提供一些參考的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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[7] QC/T 893—2011，電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)故障分類和判斷[S].

（編輯? 凌? 波）

作者簡介

羅媚（1985—），女，工程師，研究方向?yàn)樾履茉慈娏慵南嚓P(guān)ADV測試。