電動汽車用永磁同步電機的故障診斷及處理

馬子超

摘 要： 永磁同步電機是當前電動汽車驅動系統(tǒng)的重要組成部分，其憑借著高功率、高效率等優(yōu)勢具有廣闊的使用前景。作為交通工具，汽車的安全性指標十分重要，而電機是電動汽車主要動力，其可靠性十分重要。而故障診斷系統(tǒng)質量能夠為電機安全可靠運行提供保障。基于此，本文就電動汽車用永磁同步電機故障診斷和處理展開研究，首先介紹了永磁同步電機故障診斷技術，其次對其故障診斷和處理進行了深入分析，以期能夠使電動汽車穩(wěn)定運行。

關鍵詞： 電動汽車;永磁同步電機;故障診斷;故障處理

【中圖分類號】TM921 ? ? 【文獻標識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.182

近年來，環(huán)境污染和能源緊缺現(xiàn)象越發(fā)嚴重，世界各國越發(fā)重視這一問題。為踐行節(jié)能環(huán)保理念，電動汽車被各國政府所重視，其已經(jīng)成為汽車行業(yè)未來的發(fā)展方向。作為電動汽車的主要動力，電機驅動系統(tǒng)安全性對于車輛本身的可靠性以及安全性具有重要影響，其對電動企業(yè)的發(fā)展也產(chǎn)生著制約作用。一旦電機驅動系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會導致電動汽車受到影響，甚至會導致嚴重的事故。因此，在發(fā)展電動汽車時，必須要完善電機驅動系統(tǒng)故障診斷技術，進而保證電動汽車能夠安全運行。

1 永磁同步電機故障診斷技術

電機故障檢測研究中，其在感應電機、大電機故障方面的研究比較多，在永磁同步電機故障診斷的研究比較少。對于永磁同步電機故障的診斷可以采用信號處理和人工智能等方面進行檢車。采用信號處理法，例如針對永磁同步電機定子融租匝間短路故障，可以采用高頻諧波注入法對電機進行在線檢測，該檢測方法是在電機中注入高頻三相電壓，其會在定子繞組中產(chǎn)生正向旋轉高頻正序電流以及逆序旋轉高頻負序電流，之后對比電機故障和正常狀態(tài)下的高頻負序電流，通過二者差值對該故障進行檢測，效果比較好[1]。采用人工智能法，例如對推進系統(tǒng)故障檢測，通過故障樹分析法對故障進行分析，其在故障診斷上會建立專家數(shù)據(jù)庫以及推理機。再比如，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡對電機故障進行檢測，將負序電流和多層神經(jīng)網(wǎng)絡結合起來預測電機電流，得到預測電流與實際電流之差，進而判斷電機故障。

2 電動汽車用永磁同步電機故障診斷和處理

永磁同步電機的常見故障就是雜件短路，其產(chǎn)生原因多，一般是由于電機長時間處于高溫潮濕狀態(tài)中，或是啟動過程中匝間絕緣過電壓等等都會導致永磁同步電機發(fā)生故障。為了檢測電機故障，先要了解系統(tǒng)運行情況后再制定診斷方法。

2.1 退磁故障

永磁電機相較于交流感應電機而言，其劣勢在于永磁體失磁。電驅繞組導致的磁場或是渦流導致的溫度上升會導致永磁體失磁，進而對電機性能產(chǎn)生嚴重影響。汽車散熱條件有限，電機工作環(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，導致高溫狀態(tài)下的磁損更為嚴重，進而引發(fā)不可逆的失磁現(xiàn)象[2]。電驅動系統(tǒng)中的永磁同步電機功率密度高，極易發(fā)熱，導致溫度過高，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，永磁體工作點會逐漸專業(yè)到退磁曲線膝點部位，導致不可逆的失磁現(xiàn)象。永磁體失磁引發(fā)電機無功電流擴大，效率也會降低，過熱且轉矩性能下降，對整車性能產(chǎn)生不良影響，甚至會導致電機報廢。

2.2 偏心故障

永磁同步電機故障產(chǎn)生的原因比較多，但是基本是由電氣和機械耦合導致的。電位驅動力汽車電機不是獨立安裝的，其不僅在車身外固定，還與發(fā)動機、變速強等裝置耦合。因此，一旦彼此之間出現(xiàn)偏差，或是運行時受到震動都會熬制電機偏心。此外，車子爬坡時，電機輸出轉矩大電流也會導致繞組變形，進而引發(fā)鐵芯震動，導致轉子偏心。氣隙磁場反映了轉子偏心故障，因此在定子上安裝檢測線圈，能夠診斷這些故障。轉子偏心故障存在動態(tài)、靜態(tài)以及混合三種偏心類型。導致靜態(tài)偏心的原因就是定轉子定位不準，或是鐵芯呈現(xiàn)橢圓狀。動態(tài)偏心是由于軸承損壞、機械共振導致的[3]。靜態(tài)偏心使定子和轉子間氣隙產(chǎn)生變化，轉子會逐漸向定子方向偏移，該氣隙偏心在某位置上固定，不會隨著轉子旋轉二出現(xiàn)變化。動態(tài)偏心中，轉子旋轉中心無偏移現(xiàn)象，因此，轉子會隨著氣隙偏心二逐漸轉動。這兩種故障能夠同時存在。對此，可以將探測線圈放入氣隙中，一了解電動勢，進而明確氣隙的磁場變化。

2.3 匝間短路故障

匝間短路故障就是負序電流的體現(xiàn)，電機匝間短路故障中，三相繞組會出現(xiàn)由短路電流構成的脈振磁場所感應到的逆向旋轉磁動勢，引發(fā)的負序電流會導致三項電流不平衡。負序電流形成的原因比較多，導致其檢測困難，有些方法的誤差比較大，需要予以補償。在電動汽車驅動系統(tǒng)中，負序電流檢測方法比較簡單，先時提取故障信號，逆變器會向驅動電機供電，三相電壓不會有明顯的不平衡，也不會導致控制單元負擔過重[4]。

2.4 定子故障

電動汽車的電機工況復雜，暫態(tài)下工作并不穩(wěn)定，傳統(tǒng)匝間短路的檢測方法主要用于穩(wěn)定狀態(tài)下的運行電流分析，實際上，電機轉速以及轉矩常常改變。汽車運行震動會導致氣隙發(fā)生變化，進而引發(fā)定子電流變化，進而使傳統(tǒng)檢測法無法在電動汽車中應用[5]。此外，電機系統(tǒng)中的控制單元和傳感運行速度十分有限，在成本基礎上，其會對故障診斷工作產(chǎn)生影響。

結束語：通過對電動汽車永磁同步電機故障和診斷技術的分析，為電動汽車的發(fā)展提供了參考。由于電動汽車工況復雜，對此，需要采用在線和離線結合的方法診斷電機匝間短路故障，并利用探測線圈法對電機偏心故障進行診斷。針對退磁故障，在矢量控制法下，對交軸電壓和電機轉速進行檢測，進而針對該故障。該方法比較適合應用在電動汽車故障檢測中。

參考文獻

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

[2] 陳安，王晗.電動汽車永磁同步電機無傳感器FOC-DTC混合控制系統(tǒng)[J].湘潭大學自科學報，2018，v.40;No.144（01）：123-126.

[3] 陸海斌，錢勝，柴召亮.電動汽車用永磁同步電機優(yōu)化設計[J].汽車電器，2019，369（05）：19-22.

[4] 姚學松，陶文勇.某款電動汽車驅動用永磁同步電機噪聲分析[J].電子產(chǎn)品世界，2019，026（012）：74-77.

[5] 李紅梅，陳濤，姚宏洋.電動汽車PMSM退磁故障機理、診斷及發(fā)展[J].電工技術學報，2013.