新能源汽車用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子表磁檢測(cè)方法及應(yīng)用

李全 趙慧超 王斯博 袁超 焦帥 王強(qiáng)

摘要：為解決轉(zhuǎn)子異常裝配導(dǎo)致的整機(jī)性能下降的問題，分析了轉(zhuǎn)子總成裝配過程中可能存在的磁鋼漏插及缺角故障模式，其中漏插模式可以通過表磁檢測(cè)防錯(cuò)，而缺角模式在業(yè)內(nèi)無法通過表磁檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)識(shí)別，為此，提出了一種通過整機(jī)反電動(dòng)勢(shì)及振動(dòng)特征階次分析防錯(cuò)識(shí)別方法，該方法能夠識(shí)別電機(jī)較高特征階次振動(dòng)幅值超出標(biāo)準(zhǔn)值的大小，在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中關(guān)注整機(jī)下線振動(dòng)信號(hào)采集進(jìn)行異常判斷，經(jīng)驗(yàn)證，該方法可以有效識(shí)別磁鋼漏插及缺角故障模式。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子總成 表磁檢測(cè) 反電勢(shì) 階次分析

中圖分類號(hào)：U466?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230239

Rotor Surface Magnetic Detection Method & Application of Permanent Magnet Synchronous Motor for New Energy Vehicles

Li Quan1， Zhao Huichao1， Wang Sibo1， Yuan Chao2， Jiao Shuai2， Wang Qiang2

（1.Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013; 2.FAW New Energy Powertrain Division， Changchun 130013）

Abstract： To solve the problem of performance degradation caused by abnormal rotor assembly， this paper analyzed the possible magnetic steel leakage and missing angle fault modes during the assembly process of the rotor assembly. The leakage mode can be prevented through surface magnetic detection， while the missing angle mode cannot be detected and recognized by surface magnetic detection equipment in the industry. Therefore， the paper proposed a method for error prevention and recognition through the analysis of the back electromotive force and vibration characteristic order of the motor， the method can identify the amplitude of higher characteristic order vibration of the motor that exceeding the standard value. In the actual production and manufacturing process， attention is paid to the collection of offline vibration signals of the motor for abnormal operation judgment. After practical verification， this method can effectively identify magnetic steel leakage and missing angle fault modes.

Key words： Rotor assembly， Surface magnetic detection， Back emf， Order analysis

作者簡介：李全（1991—），男，工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)殡婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)。

參考文獻(xiàn)引用格式：

李全， 趙慧超， 王斯博， 等. 新能源汽車用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子表磁檢測(cè)方法及應(yīng)用[J]. 汽車工藝與材料， 2024（4）： 22-27.

LI Q， ZHAO H C， WANG S B， et al. Rotor Surface Magnetic Detection Method & Application of Permanent Magnet Synchronous Motor for New Energy Vehicles[J]. Automobile Technology & Material， 2024（4）： 22-27.

1 前言

在新能源車用電機(jī)領(lǐng)域，相比于異步感應(yīng)電機(jī)，永磁同步電機(jī)功率密度和效率更高，在相同功率等級(jí)下，永磁同步電機(jī)體積和質(zhì)量更小、可靠性更高，在噪聲及振動(dòng)方面性能更好。由于中國稀土資源儲(chǔ)備豐富，采用永磁同步電機(jī)是當(dāng)前的主流選擇。

永磁同步電機(jī)直接采用永磁體勵(lì)磁在電機(jī)氣隙內(nèi)建立磁場(chǎng)，通過脈沖寬度調(diào)制（Pulse-Width Modulation，PWM）控制技術(shù)[1]將電池直流電壓轉(zhuǎn)化為電機(jī)所需的幅值、頻率可調(diào)的三相對(duì)稱交流電壓，使定子內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，兩者相互作用，從而實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)在不同控制模式下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。永磁體建立的磁場(chǎng)在實(shí)際生產(chǎn)過程中主要受磁鋼狀態(tài)的影響，如磁鋼缺角或磁鋼漏插等，當(dāng)前的檢測(cè)方法主要對(duì)轉(zhuǎn)子表面磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，通過表磁檢測(cè)設(shè)備快速檢測(cè)出轉(zhuǎn)子總成表面電磁感應(yīng)特性，同時(shí)，通過反電動(dòng)勢(shì)測(cè)試以及電性能測(cè)試反向驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果，修正生產(chǎn)制造下線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

2 轉(zhuǎn)子表磁檢測(cè)技術(shù)

影響氣隙磁場(chǎng)磁通量的主要因素有永磁體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布、磁路磁阻和永磁體端部漏磁通[2]。

永磁體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布將影響表磁檢測(cè)結(jié)果，磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布受插入磁鋼狀態(tài)的影響，當(dāng)前主要通過表磁檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別。

2.1 檢測(cè)方法

高斯計(jì)是利用霍爾原理檢測(cè)磁性材料或物體上的一個(gè)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，讀數(shù)單位為Gs或mT[3]。

如圖1所示，高斯計(jì)探頭定位在距離轉(zhuǎn)子1 mm處，處于首層磁鋼高度（軸向方向）的中點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，高斯計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量該層磁鋼中心點(diǎn)電磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每0.01°記錄一個(gè)表磁數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈得到36 000個(gè)表磁數(shù)據(jù)，利用曲線圖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。探頭移動(dòng)到下一層磁鋼，重復(fù)上述工作，直到獲得所有層磁鋼中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，計(jì)算出每個(gè)磁極的峰值和所占角度、磁極面積、層與層之間的角度差，作為轉(zhuǎn)子總成表磁下線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

轉(zhuǎn)子總成磁性能可以通過反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)判定。三相對(duì)稱繞組電機(jī)兩相線間繞組對(duì)應(yīng)2/3圓周的轉(zhuǎn)子永磁體，因轉(zhuǎn)子的線間反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)值是一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子感生電壓有效值，故轉(zhuǎn)子的反電動(dòng)勢(shì)測(cè)試只能測(cè)量出轉(zhuǎn)子的平均磁性能，而某一片永磁體所對(duì)應(yīng)的磁性能或局部磁性能的差異無法有效評(píng)估[2]。由于單片永磁體差異會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度偏移，在高轉(zhuǎn)速下易出現(xiàn)振動(dòng)噪聲，需要通過總成臺(tái)架外特性測(cè)試以及振動(dòng)噪聲試驗(yàn)進(jìn)行閉環(huán)驗(yàn)證處理。

2.2 表磁檢測(cè)參數(shù)設(shè)定

表磁檢測(cè)設(shè)備相關(guān)參數(shù)與設(shè)備精度強(qiáng)相關(guān)，因此，表磁檢測(cè)設(shè)備按照滿足設(shè)備能達(dá)到的最高精度要求進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定，監(jiān)控產(chǎn)品的表磁峰值和表磁面積，根據(jù)設(shè)備采樣反饋的表磁檢測(cè)圖像（圖2），可以得到表磁角度、面積和峰值點(diǎn)。

其中，表磁峰值是指每一個(gè)磁極頂點(diǎn)的磁感值，正峰代表N極，負(fù)峰代表S極。表磁角度是指每一個(gè)磁極頂點(diǎn)相對(duì)于本磁極起始零點(diǎn)的角度。表磁面積是指每一個(gè)磁極的磁感波形與角度坐標(biāo)所圍成的面積，其物理意義為磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)角度的積分。

在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，為防止異常樣件流出，制定表磁檢測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)設(shè)定流程，如圖3所示。

3 試驗(yàn)樣件安排

由于在生產(chǎn)過程中存在鐵芯漏插磁鋼、磁鋼缺角等問題，為防止不合格產(chǎn)品流出，需要增加防錯(cuò)措施，通過表磁檢測(cè)設(shè)備監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)，如磁極峰值、磁極角度、磁極面積、層間角度，設(shè)計(jì)3組特殊狀態(tài)轉(zhuǎn)子總成（簡稱NG樣機(jī)）進(jìn)行表磁檢測(cè)結(jié)果對(duì)照，修正關(guān)鍵參數(shù)限值。

由于該轉(zhuǎn)子總成采用永磁體雙V構(gòu)型，包含大、小2種磁鋼，根據(jù)此種結(jié)構(gòu)制作NG樣機(jī)，樣機(jī)狀態(tài)為：

a. 狀態(tài)1：缺1極大磁鋼和1極小磁鋼；

b. 狀態(tài)2：缺1片大磁鋼和1片小磁鋼；

c. 狀態(tài)3：磁鋼缺角。

轉(zhuǎn)子總成采用4層鐵芯附磁鋼總成進(jìn)行堆疊，表磁測(cè)量位置如圖4所示。

由于上、下兩端的鐵芯附磁鋼總成端部產(chǎn)生漏磁通，不僅形成徑向磁場(chǎng)，同時(shí)形成徑向到端面磁場(chǎng)，中間的鐵芯附磁鋼總成磁力線主要沿徑向分布形成徑向磁場(chǎng)，因此，兩端的鐵芯附磁鋼總成表磁特性強(qiáng)于中間的鐵芯附磁鋼總成，考慮以上特性和3種NG樣機(jī)狀態(tài)，設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案如下：

a. 狀態(tài)1：花鍵側(cè)第1層某極缺少1個(gè)大磁鋼，某極缺少1個(gè)小磁鋼，某極缺少1對(duì)大磁鋼，某極缺少1對(duì)小磁鋼，花鍵側(cè)第3層某極缺少1個(gè)小磁鋼，某極缺少1個(gè)大磁鋼，某極缺少1對(duì)大磁鋼，某極缺少1對(duì)小磁鋼，布置方案如圖5～圖7所示。

以上布置形式是在最小樣本數(shù)量下，將不同NG狀態(tài)通過錯(cuò)極及層間間隔，將相互之間的不利影響降到最低，同時(shí)能夠識(shí)別更多異常狀態(tài)表磁特性。

考慮到第1層和第4層的頂端效應(yīng)（第1層和第4層的表磁峰值大于第2層和第3層），第1層平鍵一側(cè)設(shè)置為缺大磁鋼，相對(duì)側(cè)設(shè)置為缺小磁鋼，每間隔1極設(shè)置為缺1對(duì)大磁鋼和1對(duì)小磁鋼，第3層平鍵一側(cè)設(shè)置為缺大磁鋼，相對(duì)側(cè)設(shè)置為缺小磁鋼，每間隔1極分別設(shè)置為缺1對(duì)大磁鋼和1對(duì)小磁鋼。

b. 狀態(tài)2：花鍵側(cè)第1層缺少某極磁鋼，花鍵側(cè)第3層缺少某極磁鋼，布置方案如圖8～圖10所示。

c. 狀態(tài)3：花鍵側(cè)第1層某極1個(gè)大磁鋼缺角，某極1個(gè)小磁鋼缺角，某極1對(duì)大磁鋼缺角，某極1對(duì)小磁鋼缺角，花鍵側(cè)第3層某極1個(gè)大磁鋼缺角，某極1個(gè)小磁鋼缺角，某極1對(duì)大磁鋼缺角，某極1對(duì)小磁鋼缺角，布置方案如圖11～圖13所示。

按照以上布置形式，制作NG樣機(jī)，保證磁鋼及鐵芯為同一批次材料，實(shí)際樣機(jī)狀態(tài)如圖14所示。

4 試驗(yàn)樣件分析

電機(jī)輸出特性由磁場(chǎng)強(qiáng)弱決定，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度是決定電機(jī)輸出的關(guān)鍵參數(shù)，其中，表磁特性是反映轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)弱的關(guān)鍵過程控制點(diǎn)。

在滿足整機(jī)產(chǎn)品輸出特性要求的條件下，對(duì)照相應(yīng)轉(zhuǎn)子總成表磁數(shù)據(jù)設(shè)定關(guān)鍵檢測(cè)數(shù)據(jù)（表磁峰值、面積、角度）。

抽取10臺(tái)份外特性合格整機(jī)的下線數(shù)據(jù)，且合格數(shù)據(jù)曲線重合度較好，其轉(zhuǎn)子表磁數(shù)據(jù)作為初始設(shè)定值，表1、表2分別為表磁峰值和表磁面積設(shè)定值，上下限為±5%。

為識(shí)別插磁鋼工序存在的漏插等風(fēng)險(xiǎn)，制作3種NG樣機(jī)，表磁實(shí)測(cè)表明，NG1樣件和NG2樣件漏插磁鋼性能與設(shè)定值差距明顯，其中磁鋼缺角斷裂NG3樣件靈敏度較低。如圖15、圖16所示，NG3樣件基本接近設(shè)定值。因此，通過檢測(cè)設(shè)備可以識(shí)別磁鋼漏插狀態(tài)樣件，但磁鋼斷裂狀態(tài)需要進(jìn)一步進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)分析驗(yàn)證。

5 整機(jī)試驗(yàn)分析

采用表磁檢測(cè)設(shè)備監(jiān)控磁鋼斷裂樣機(jī)的表磁峰值、表磁面積無法精準(zhǔn)識(shí)別斷裂風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要考慮采用整機(jī)試驗(yàn)分析進(jìn)行防錯(cuò)驗(yàn)證。

整機(jī)分析過程方案為：整機(jī)關(guān)鍵零部件不變，僅換裝電機(jī)轉(zhuǎn)子總成，分別進(jìn)行反電勢(shì)分析試驗(yàn)、性能外特性測(cè)試試驗(yàn)和振動(dòng)信號(hào)特征階次分析試驗(yàn)。

根據(jù)電磁定律，當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)，附近的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向符合法拉第定律和楞次定律，與線圈兩端的原電壓相反，該電壓即為反電動(dòng)勢(shì)。只要永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)，必然會(huì)有線圈切割磁力線產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，其有效值的計(jì)算如下：

E=4.44fKwNLφ?????????????????????????? （1）

式中：E為感生電動(dòng)勢(shì)，f為頻率，Kw為繞組系數(shù)，NL為每相定子繞組的匝數(shù)，φ為磁通量。

試驗(yàn)工況采用電機(jī)總成側(cè)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min進(jìn)行測(cè)功機(jī)反拖，試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。

由圖17可知，對(duì)比相間反電勢(shì)峰峰值電壓Vpp的絕對(duì)值，各相間峰峰值相差小于2.2 V，對(duì)比效果不明顯，其中，正常轉(zhuǎn)子U-W、W-V及U-V相間反電勢(shì)Vpp值不平衡度為0.1%，斷裂轉(zhuǎn)子相間反電勢(shì)Vpp值不平衡度為1.8%，因此，由于斷裂轉(zhuǎn)子磁鋼斷裂和缺角導(dǎo)致磁不對(duì)稱，其相間反電勢(shì)不平衡度更大，可以作為磁鋼斷裂的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，針對(duì)整機(jī)進(jìn)行性能外特性試驗(yàn)分析，其電壓為410 V，測(cè)試工況如表3所示，通過測(cè)功機(jī)發(fā)送指令采集實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和真實(shí)扭矩。其轉(zhuǎn)速和扭矩要求見表3，測(cè)試條件為：冷卻液溫度為10～30 ℃，流量為8 L/min，測(cè)試前先進(jìn)行母線電壓350 V，15 N·m@3 000 r/min的潤滑工況，時(shí)間為30 s。

根據(jù)以上工況進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，對(duì)比分析其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩性能，如圖18所示，正常轉(zhuǎn)子與斷裂轉(zhuǎn)子的性能外特性無明顯差異，因此，無法通過性能外特性進(jìn)行識(shí)別，且當(dāng)前方案在性能設(shè)計(jì)上有一定余量。

最后依據(jù)電機(jī)特定工況要求，分析樣機(jī)振動(dòng)特征階次，通過振動(dòng)傳感器在電驅(qū)指定位置埋點(diǎn)采集信號(hào)，埋點(diǎn)位置如圖19所示，通過在埋點(diǎn)位置布置壓電加速度傳感器采集信號(hào)。

該車用永磁同步電機(jī)采用8極48槽結(jié)構(gòu)方案，轉(zhuǎn)子磁鋼斷裂會(huì)使電機(jī)在8階、16階、24階以及48階等特殊階次振動(dòng)幅值較高，本文采用振動(dòng)采集設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，分析可知，工況轉(zhuǎn)速為500～11 000 r/min時(shí)，其正常轉(zhuǎn)子和斷裂轉(zhuǎn)子樣機(jī)的特征階次差距不明顯，工況為11 000～15 500 r/min，對(duì)比正常轉(zhuǎn)子和斷裂轉(zhuǎn)子樣機(jī)特征階次發(fā)現(xiàn)，在高階次4倍頻率如120～180階次時(shí)，特征階次邊頻存在幅值較高風(fēng)險(xiǎn)，且邊頻較高幅值呈現(xiàn)1階次，如圖20所示，主要原因?yàn)閯?dòng)不平衡和磁不對(duì)稱，由于正常轉(zhuǎn)子和斷裂轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡指標(biāo)一致，因此，主要原因?yàn)榇挪粚?duì)稱，可以將此過程監(jiān)控作為磁鋼斷裂的探測(cè)手段。

6 結(jié)束語

本文提出了一種轉(zhuǎn)子總成磁性能檢測(cè)方法，通過表磁設(shè)備對(duì)表磁峰值、表磁面積進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，可以有效排除漏插磁鋼故障，同時(shí)，針對(duì)表磁設(shè)備無法探測(cè)永磁體斷裂的問題，通過對(duì)比分析整機(jī)測(cè)試反電動(dòng)勢(shì)不平衡度和振動(dòng)信號(hào)特征階次可以有效識(shí)別，防止出現(xiàn)異常流出。

本文方法可以在生產(chǎn)制造過程中實(shí)際應(yīng)用防錯(cuò)，在整機(jī)生產(chǎn)線下線測(cè)試（End of Line，EOL）中需要重點(diǎn)關(guān)注振動(dòng)信號(hào)采集中電機(jī)特征階次異常項(xiàng)，并進(jìn)行失效模式分析。

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