純電動清掃車上裝電機故障樹開發 ①

王一旻， 宋 珂， 曹 靜

(同濟大學,上海 201804)

0 引 言

電機作為純電動汽車行駛系統的重要組成部分，直接影響純電動汽車的動力性能以及耐久性。同時電機也被廣泛應用于純電動商用車的上裝系統，驅動不同的系統作業，實現不同的功能。當前階段，電機的構造越來越復雜，對電機的故障檢測也越來越困難。電機的負載處于高度動態的變化過程之中，因此電機系統經常產生故障。從故障的表現形式和成因來看，故障的表現形式多并且產生故障的原因比較復雜。行走電機是純電動汽車行駛系統的唯一動力源，電機的故障會導致整個行駛系統無法正常運轉。不同種類的上裝電機驅動不同工作系統完成純電動汽車正常行駛外的其他功能。輕微的電機故障會影響純電動汽車的動力性，影響車輛的正常作業。嚴重的故障會導致汽車整個動力系統無法正常工作，甚至引發一系列的安全問題。本文主要針對純電動清掃車上裝電機故障的形式以及成因展開研究，利用故障樹分析法進行分析，建立故障樹。幫助在故障發生之前做出準確的估計，了解故障發生的薄弱環節，找出故障發生的原因和對應的解決辦法。對純電動清掃車上裝電機故障的分析與檢測可以有效地防止故障的惡化，降低維護成本，提高車輛作業的可靠性。

1 純電動清掃車上裝電機系統

純電動汽車的行駛系統主要包括變速器、行走電機、功率轉換器和動力電池組[1]。如圖1所示。純電動商用車除了具有電動化的行駛系統來保證車輛正常行駛外，還需要上裝電機來實現不同形式的作業功能。本文以純電動清掃車為例研究其故障樹的開發方法。

圖1 純電動汽車結構

純電動清掃車在正常行駛的過程中同時實現對路面的清掃、除塵以及灑水作業。除了零排放無污染的優點之外，由于純電動清掃車的行駛和作業都依靠電機驅動，因此傳動效率高，作業過程中噪聲小舒適性高。純電動清掃車的結構主要包括底盤、垃圾箱、水箱、風機、掃刷和吸嘴，如圖2所示。其中掃刷主要有盤刷和滾刷兩種形式。在純電動清掃車低速行駛的過程中，掃刷將垃圾掃入氣嘴處，氣嘴將垃圾吸入垃圾箱。垃圾箱與風機連通，風機源源不斷抽走垃圾箱內的空氣使其內部產生負壓，保證垃圾可以及時被吸入垃圾箱。同時水箱通過噴嘴在清掃的過程中不斷向路面灑水，避免揚起大面積的灰塵[2]。

圖2 純電動清掃車結構

純電動清掃車的能量來源是動力電池組。動力電池輸出的電能一部分帶動行走電機工作，保證車輛行駛系統的正常工作。另一部分輸入到上裝電機系統，上裝電機帶動掃刷和風機等部件，實現純電動清掃車的作業功能。根據電機的數量，上裝電機系統的布置主要有兩種形式[3]：上裝電機系統與行駛系統共用一個驅動電機(圖3)；上裝電機系統與行駛系統使用不同的驅動電機(圖4)。對于第一種動力系統結構，一個電機共同驅動作業和行駛系統，控制簡單能耗低。但是這種結構形式由于行駛系統的傳動機構與作業系統的傳動機構受相同的電機驅動，使得掃刷和吸嘴等部件的轉速會跟隨車速變化，嚴重降低了清掃效率。同時復雜的傳動機構使得這種形式的動力系統結構可靠性低。對于第二種動力系統結構，行駛與作業系統受不同的電機驅動，二者可以獨立地工作，因此傳動系統的布置也相對簡單。同時不同的電機可以同時工作在高效區，控制效果好，清掃的效率高。因此對于不同用途的純電動商用車行駛系統與上裝電機系統獨立布置的形式也得到了更廣泛的應用。本文所討論的純電動清掃車即采用這種系統方案。

圖3 上裝電機系統與行駛系統共用一個

圖4 上裝電機系統與行駛系統使用不同

2 上裝電機種類與構造

純電動商用車上裝電機類型較多，主要有永磁同步電機、異步電機和開關磁阻電機等[4]。永磁同步電機不需勵磁繞組，永磁體在三相交流電產生的變化磁場中運動產生電流。異步電機也叫感應電機，通過勵磁繞組在氣隙旋轉磁場中運動產生感應電流。開關磁阻電機的轉子上沒有任何形式的繞組，其定子和轉子磁極都是凸的，結構簡單。在純電動車的上裝系統中，根據作業的形式及特點可以針對性地選擇不同類型的上裝電機。

上裝電機是上裝系統的動力源，帶動一系列的部件運轉以實現特定的作業功能。以純電動清掃車為例，純電動清掃車的工況和行駛環境比較復雜，需要滿足正常行駛工況與作業工況的要求。此外，純電動清掃車需要經常在潮濕、灰塵多、振動劇烈的條件下作業，長期運行工況惡劣。這些復雜的工況使得上裝電機的工作狀態需要經常變化，以滿足車輛正常作業的需求功率。上裝電機作為作業系統的唯一動力源，需要具備高功率密度，寬閾的高效區，耐沖擊振動，使用壽命長和噪音低等特點。

永磁同步電機是一種不用勵磁繞組的電機，通過三相交流電與永磁體磁場相互作用而旋轉。永磁同步電機的高效區寬且峰值效率高，調速范圍廣，以及電機的轉矩密度高[5]。同時電機尺寸小，重量輕，因此是純電動商用車上裝電機的不錯選擇。圖5以永磁同步電機為例介紹上裝電機的基本構造。永磁同步電機主要由定子鐵芯，定子繞組，轉子和轉軸等部件構成。

3 上裝電機故障類型及原因

電機故障的原因非常復雜，通常不同的分類標準如故障表現形式、故障成因、故障發生位置和故障造成的后果會有不同的分類結果。所以對故障進行分類之前，要明確故障制定的標準和依據，普遍使用的分類標準是依據故障的嚴重程度[7]。本文根據電機不同的故障形式表現出來的損壞程度進行上裝電機故障的分類，如圖6所示。

圖5 電機的基本構造[6]

圖6 上裝電機故障模式分類

損壞型故障的主要表現形式有電機不轉、電機發熱冒煙和換向器燒蝕[8]。導致電機不轉的原因有過載堵轉、電刷接觸不良、連接端子斷路和焊接點不牢靠導致過熱等。此時的處理辦法包括檢查線路、保險絲、過載保護器，減少負載，檢查電刷、電線和連接件。導致電機異常發熱的原因主要有定子繞組過熱導致絕緣失效、單相接地、長期振動摩擦導致匝間線圈破損和嚴重超載等。此時的處理辦法包括檢查冷卻裝置、檢查線圈絕緣情況、減負至規定條件。導致換向器燒蝕的原因有使用時間長、過載電流太大和電機進水等。處理辦法有定期檢查，更換電刷、降低負載電流至規定值以下、恢復電刷與轉換器的接觸。由于上裝電機長期工作在惡劣的環境下，振動、超負荷、潮濕高溫的使用條件可能導致線圈的絕緣損壞，瞬間過大的電壓或電流也可能引起損壞型故障。當出現損壞型故障時，電機已無法正常工作，應該立即停機檢查。

退化型故障的主要表現形式有永磁體退磁、定子繞組絕緣老化、花鍵軸或花鍵套過早磨損以及電機的異常磨損[9]。導致永磁體退磁的主要原因有渦流引起永磁體溫升過高、磁鋼選用不當、長期工作在潮濕高溫環境下。此時的處理辦法有使用沖壓式的硅鋼片、檢查磁鋼材料和在額定工作條件下工作。導致定子繞組絕緣老化的原因主要有散熱不良、頻繁啟動停止、過載堵轉。此時的處理辦法有檢查散熱，按照規定使用?；ㄦI或電機磨損的主要原因有電機軸或套未經調質處理、電機軸彎曲變形、長期過載啟動及運行。處理辦法有檢測軸或套的硬度、采用立式安裝法、按正常啟動及運行工作條件操作。引起退化故障的原因主要是散熱和過載問題。當出現退化型故障時，應該找出故障發生的具體位置，有針對性地解決。

功能型故障主要包括驅動力不足、轉速或者位置傳感器失效、零件不牢固和冷卻裝置失效[9]。驅動力不足的主要原因有控制算法錯誤和設計參數不合理。此時應該檢查控制算法和設計參數。轉速或者位置傳感器失效的原因有電纜線接觸不良和光敏器件損壞。此時應重新連接纜線更換光敏元件。零件松脫是由于上裝電機長期工作在振動的條件下導致的，需要定期檢查電機固定裝置的緊固性。冷卻裝置的失效是由于密封性不好導致的漏水漏電，應該定期檢查?？偟膩碚f，出現功能型故障最主要的原因是軟件算法不合理和編碼器故障，出現功能型故障時應最先從這兩個方面檢查。

松脫型故障主要包括傳感器接插件、定子鐵芯、軸承引發的松動，此時重新檢查各部件的緊固性，重新安裝即可。由于上裝電機長期工作在振動狀態，需要定期檢查和保養各連接件以避免松脫型故障的產生。

失調型故障表現為實際電壓、電流值達不到軟件設計的預期值，由此引起了控制失調。主要原因是軟件和控制算法的設計不合理，參數設置不當。當軟件發生失調時應該重新調試軟件算法。

阻漏型故障的主要表現是冷卻裝置的漏水漏電。由于上裝電機長期工作在潮濕高溫的環境中，如果冷卻裝置的密封性不好，極易引起阻漏型故障。當出現此類問題時應該檢查冷卻裝置的密封性。

其它故障主要指的是噪聲問題。軸承損壞、電機與齒輪箱不同軸、電機的電控未調好都會引發噪聲問題。可以從檢測電機軸承、調整裝配、調整電控這幾個手段出發來解決噪聲問題。

4 故障樹分析法

在安全工程領域，故障樹分析是用來了解系統失效原因的最常見方法[10]。利用故障樹可以幫助人們分析系統中最不愿意出現的事件的概率，找到最好的降低風險的方式。在進行故障樹分析時，需要了解研究對象的失效原理和失效形式。明確了各種失效形式之后，將所有可能出現的故障形式繪制成一個樹狀的圖表，來表明所有可能發生的故障。這種故障診斷的方法是一種樹形結構，各種故障的類型以及原因一目了然，因此稱之為故障樹分析法。

4.1 故障樹構建流程

本文根據故障樹分析法的原理總結了故障樹的構建流程，如圖7所示。

圖7 故障樹構建流程

4.2 故障樹常用符號

故障樹常見符號如表1所示[11]。

表1 故障樹常見符號

5 上裝電機故障樹建立

通過第二節對電機結構的介紹和第三節對于電機各種故障類型以及故障原因的介紹，明確了電機故障樹應包含的基本內容。上裝電機是純電動商用車作業系統的唯一動力源，如果汽車在作業的過程中發生由于電機故障而引發的問題，會導致作業系統的失效。同時上裝電機的工作狀態復雜，經常在惡劣的條件和環境下工作，因此構建一個直觀的故障樹對于故障判別和診斷具有重要意義。

因為要建立針對上裝電機的故障樹，如第四節的分析，頂事件應該是電機故障。第二節介紹了電機主要由定子鐵芯、定子繞組、轉子、軸承和機座等一系列部件組成，當電機發生故障時，可能是其中的任意一個部件的故障引起的，因此將這些事件作為底事件，剖析每個部件產生故障的原因。

由于上裝電機的故障主要產生于定子、轉子和軸承，其它部件產生故障的概率相對來說比較小[12]，因此本文把電機故障主要分為定子故障、轉子故障、軸上故障和其它故障。然后逐層剖析，當電機出現了故障，可能是由于定子、轉子和軸承等引發的故障，然后對每一個部件產生故障的原因以及表現形式進行分析，忽略一些小概率因素，建立了電機故障樹。當電機發生故障時，根據故障類型逐一對應并結合過往的經驗，查明故障原因，及時做出判斷和制定維護措施，這對于提高電機的使用性能和安全性具有重要意義。本文針對上裝電機，建立的故障樹如圖8所示。

由圖8可以看出，在眾多故障形式及原因里面，定子故障和軸上故障占有很高的比例，可見定子和軸承的性能、結構和質量對于電機性能來說具有重要意義。因此在電機的設計過程中，應主要考慮這兩部分的性能，這對于提高上裝電機的性能和安全性至關重要。

6 結 語

上裝電機是純電動商用車作業系統唯一的動力源，電機的故障會導致車輛作業系統故障而影響正常作業功能的實現。因此研究純電動商用車上裝電機的故障及產生原因，了解延緩故障的維護措施對于其耐久性和安全性有重要意義。在安全工程和故障分析領域，故障樹分析法目前被廣泛使用。本文研究了純電動清掃車上裝電機常見故障及其產生原因，結合故障樹分析法的理論，對上裝電機故障樹進行了總結繪制。本文提出的方法和結論，對于了解純電動清掃車上裝電機的故障形式和成因具有參考價值，為后續電機的故障診斷和研究提供了思路。

圖8 上裝電機故障樹