任壽萱
(凱工電氣 (蘇州)有限公司,江蘇 蘇州 215153)
電動(dòng)汽車具有低污染、低能耗的特性,是未來交通的主要載體。電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源,是新能源電動(dòng)汽車的核心部件之一,是車輛行駛中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu),其驅(qū)動(dòng)特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)。永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),具有十分優(yōu)良的低速性能,可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制,易于實(shí)現(xiàn)高性能轉(zhuǎn)矩控制,拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍,適應(yīng)了電動(dòng)汽車高性能驅(qū)動(dòng)的要求。新能源汽車采用永磁電機(jī)已成為基本趨勢(shì),是電動(dòng)汽車選用的主要電機(jī)種類。
電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的永磁同步電機(jī),可分為交流永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM)、直流無刷永磁電動(dòng)機(jī) (BLDCM)和新型永磁電動(dòng)機(jī) (混合式永磁電動(dòng)機(jī) (HSM)、續(xù)流增磁永磁電機(jī)等)3大類。其中交流永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM),具有高功率密度、高效率、高轉(zhuǎn)矩電流比、低噪聲、低維護(hù)成本、高可靠性和較好的動(dòng)態(tài)性能等特點(diǎn),技術(shù)上趨于成熟,性價(jià)比高,是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)中最具發(fā)展?jié)撡|(zhì)的電機(jī)之一。
作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),永磁同步電動(dòng)機(jī)不僅運(yùn)行工況復(fù)雜,更受到安裝空間的限制,散熱條件差,電機(jī)功率密度值較大,致使電機(jī)磁鋼處于較高溫度環(huán)境下工作,易導(dǎo)致電機(jī)磁鋼出現(xiàn)退磁故障,影響永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能,可能導(dǎo)致永磁同步電機(jī)故障而停機(jī)。
電機(jī)在車輛行駛過程中正常工作,是保證整車安全可靠運(yùn)行的重要因素,開展交流永磁同步電機(jī)的故障診斷檢測(cè)研究,對(duì)于提高整車運(yùn)行的可靠性,意義重大。電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)是按照國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)來制造,檢驗(yàn)合格后出廠的,但是隨著使用年限的增加,永磁同步電機(jī)的零部件也會(huì)出現(xiàn)老化、疲勞、損耗、磨損、失效等問題,增加了發(fā)生行車事故的風(fēng)險(xiǎn),所以為了汽車的安全運(yùn)行,對(duì)電機(jī)存在的隱性安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究分析、檢測(cè)和預(yù)防,是保障汽車安全運(yùn)行的有效手段。
永磁同步電機(jī)使用的釹鐵硼永磁材料,其溫度系數(shù)較高,高溫下磁損嚴(yán)重。當(dāng)永磁同步電機(jī)因設(shè)計(jì)或使用的原因,在運(yùn)行過程中可能會(huì)產(chǎn)生磁鋼退磁,必然會(huì)使永磁同步電機(jī)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)降低,輸出轉(zhuǎn)矩下降,出力不足,甚至電機(jī)燒毀報(bào)廢,不能正常驅(qū)動(dòng)汽車行駛,甚至發(fā)生交通事故。
因此,有必要對(duì)永磁同步電機(jī)永磁體的退磁故障,從退磁機(jī)理中尋找原因,避免退磁故障帶來危害和損失。
永磁同步電機(jī)永磁體退磁可分為以下2類:一類是全部退磁 (均勻退磁),是指磁鋼中所有磁極均勻退磁,并且退磁到達(dá)一定的程度;另一類是部分退磁 (局部退磁),是指磁鋼中某個(gè)磁極發(fā)生了退磁。
永磁體發(fā)生退磁故障時(shí),由于磁路的對(duì)稱性,定子電流產(chǎn)生的退磁磁動(dòng)勢(shì)作用在全部永磁體上,退磁故障通常表現(xiàn)為全部磁極退磁。
1.2.1 釹鐵硼磁鋼的主要磁參數(shù)
釹鐵硼磁鋼的主要成分是Nd2Fe14B,是當(dāng)前磁性能最強(qiáng)的永磁材料。最大磁能積可達(dá)398 kJ/m3,理論值為527 kJ/m3,剩磁最高可達(dá)1.47 T,矯頑力最高可超過1 000 kA/m,內(nèi)稟矯頑力最高可超過2 388 kA/m,目前最高工作溫度可達(dá)200℃。
釹鐵硼永磁材料的居里溫度偏低,為310~410℃,溫度穩(wěn)定性較差,剩磁溫度系數(shù)為-(0.095~0.15)% /K,矯頑力溫度系數(shù)為-(0.4~0.7)/K,目前實(shí)際使用的最高工作溫度為150℃。
1.2.2 釹鐵硼永磁材料產(chǎn)生不可逆退磁的條件
1.2.2.1 釹鐵硼永磁材料的退磁曲線
釹鐵硼永磁材料的退磁曲線如圖1所示。
圖1 釹鐵硼永磁材料的退磁曲線
1.2.2.2 釹鐵硼永磁材料的溫度特性
釹鐵硼永磁材料的溫度特性如圖2所示。
圖2 N33SH釹鐵硼永磁材料的溫度特性
1.2.2.3 磁鋼產(chǎn)生不可逆退磁的條件
由圖1和圖2可以清楚地看到,在常溫下釹鐵硼永磁體的退磁曲線為直線,無論外加多大退磁磁勢(shì),永磁體都不會(huì)產(chǎn)生不可逆退磁。
釹鐵硼永磁體在高溫下不能保持其退磁曲線為直線,在下部會(huì)發(fā)生彎曲,雖然在高溫下,釹鐵硼永磁體退磁曲線下部發(fā)生彎曲,但如果外加的退磁磁勢(shì)較小,釹鐵硼永磁體的工作點(diǎn)仍在退磁曲線的拐點(diǎn)bk以上,也不會(huì)產(chǎn)生不可逆退磁。
釹鐵硼永磁材料要產(chǎn)生不可逆退磁,基于以下兩個(gè)條件。
1)永磁材料處在一定的高溫下,在該溫度下,材料的退磁曲線由常溫下的直線在拐點(diǎn)處變?yōu)榍€,退磁曲線發(fā)生彎曲。退磁曲線開始彎曲的那一點(diǎn)稱為拐點(diǎn),用bk表示。
2)永磁體在該溫度下受到了較大的退磁磁勢(shì)的作用,使永磁體工作點(diǎn)低于拐點(diǎn)bk。此時(shí),當(dāng)外加磁勢(shì)取消后,永磁體工作點(diǎn)將沿著與退磁曲線平行的回復(fù)線移動(dòng)。
只有在以上兩個(gè)條件同時(shí)滿足的情況下,永磁體才能產(chǎn)生不可逆退磁。因此高溫和大電流尤其在大轉(zhuǎn)矩情況下的電樞反應(yīng)產(chǎn)生的較大退磁磁動(dòng)勢(shì)是永磁體產(chǎn)生不可逆退磁的最主要的原因。
1.3.1 磁鋼在高溫下工作的失磁
以下因素使電機(jī)溫升增加:①永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),在齒諧波的作用下,永磁體表面會(huì)產(chǎn)生渦流損耗。②電機(jī)安裝空間狹小,電機(jī)散熱條件差。③電機(jī)頻繁起制動(dòng)時(shí)電流大,電能消耗增大,根據(jù)電動(dòng)機(jī)的熱量公式Q=I2Rt,電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比。④汽車的全天候行駛,特別盛夏季節(jié)時(shí),道路上溫度很高,如果沒有良好的通風(fēng)降溫措施,電機(jī)周圍環(huán)境溫度將急劇增加。
上述因素共同作用,使安裝于電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部的磁鋼處于高溫下工作,其退磁曲線的下部發(fā)生彎曲,易發(fā)生不可逆退磁。
1.3.2 較大退磁磁動(dòng)勢(shì)的生成
較大退磁磁動(dòng)勢(shì)的生成,是大電流 (包括定子故障產(chǎn)生的短路電流和過負(fù)載電流等)引起的電樞反應(yīng),尤其是大轉(zhuǎn)矩情況的電樞反應(yīng)。汽車在道路上運(yùn)行工況復(fù)雜,在起動(dòng)、突然制停和反轉(zhuǎn),定子繞組的匝間短路,在過載和瞬時(shí)超負(fù)載運(yùn)行等都能造成大于額定電流數(shù)倍的大電流,生成較大退磁磁動(dòng)勢(shì)。
當(dāng)永磁體運(yùn)行點(diǎn)溫度進(jìn)一步升高,一旦超過永磁體的工作溫度,永磁體就有發(fā)生退磁故障的可能。當(dāng)永磁體發(fā)生失磁時(shí),為滿足負(fù)載運(yùn)行的要求,需增加定子電流,而定子電流的增加,會(huì)形成較大的退磁磁勢(shì),同時(shí)進(jìn)一步使電機(jī)的溫度升高,永磁體進(jìn)一步失磁,如此形成一個(gè)惡性循環(huán),永磁體的工作點(diǎn)向退磁曲線的拐點(diǎn)以下移動(dòng),產(chǎn)生不可逆退磁。
1.3.3 釹鐵硼永磁材料化學(xué)穩(wěn)定性差
釹鐵硼永磁材料化學(xué)穩(wěn)定性差,成分中含有大量的釹和鐵,易氧化不耐腐蝕。如永磁體外表防腐蝕層處理不好,產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕和氧化,氧化后的永磁體變得松脆,永磁電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)使永磁體剝落,造成永磁體部分失磁。同時(shí)釹鐵硼永磁材料脆而易碎,其生產(chǎn)、運(yùn)輸及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也易發(fā)生永磁體部分失磁。
1.3.4 磁鋼溫度時(shí)效的退磁
溫度的變化會(huì)引起磁鋼磁性能的變化,當(dāng)永磁同步電機(jī)長(zhǎng)期使用后,釹鐵硼永磁材料在高溫下磁性能會(huì)有損失。在升到一定溫度時(shí),材料磁性能將沿曲線逐漸降低,而當(dāng)溫度恢復(fù)后,磁鋼剩磁會(huì)沿回復(fù)曲線恢復(fù),但并不能回到原有值,而是發(fā)生了一部分不可逆的磁損。
對(duì)永磁材料而言, 是有使用壽命的,隨時(shí)間的磁損與所經(jīng)歷時(shí)間的對(duì)數(shù)基本上成線性關(guān)系。永磁電機(jī)使用一定的年限之后, 日積月累也會(huì)造成磁鋼退磁。
1.3.5 磁鋼的振動(dòng)失磁
磁鋼在運(yùn)輸或安裝時(shí),如受到劇烈振動(dòng),有可能其內(nèi)部磁疇發(fā)生變化,磁疇的磁矩方向發(fā)生變化后,磁鋼磁性能會(huì)變差,就會(huì)造成磁鋼退磁。
綜上所述,釹鐵硼永磁電機(jī)磁鋼退磁,常常是以上多種退磁原因共同作用的結(jié)果。盡管在永磁體設(shè)計(jì)、制造、安裝以及電機(jī)運(yùn)行過程中,采取了許多預(yù)防局部非均勻退磁和均勻退磁的技術(shù)措施,但永磁體的退磁故障仍然難以避免。
隨著車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的不斷深入,需要有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行規(guī)范和引導(dǎo)。國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局2015年2月24日發(fā)布了2個(gè)2015版的電動(dòng)汽車電機(jī)及其控制器的國家標(biāo)準(zhǔn),即GB/T 18488.1-2015《電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器技術(shù)條件》和GB/T 18488.2-2015《電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器試驗(yàn)方法》,2015年9月1日正式實(shí)施。
這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是適用于各類電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的通用標(biāo)準(zhǔn),但由于內(nèi)容涉及到電動(dòng)汽車用的各類電機(jī),因范圍廣,規(guī)定比較原則,對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)的一些有針對(duì)性的特殊要求,如永磁同步電機(jī)的磁鋼退磁等,在這2個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)中都沒有體現(xiàn)并作出特別的規(guī)定。
工信部于2011年和2017年發(fā)布執(zhí)行了2個(gè)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),即QC/T 893-2011《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障分類和判斷》和QC/T 1069-2017《電動(dòng)汽車用永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)》,這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于永磁同步電機(jī)磁鋼嚴(yán)重退磁作了特別的規(guī)定,對(duì)國標(biāo)進(jìn)行了補(bǔ)充。
2011年12月20日,工信部發(fā)布了QC/T 893-2011《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障分類和判斷》的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),于2012年7月1日正式實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障的確認(rèn)原則、故障模式和故障分類。適用于各類電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)。
其中涉及到退磁的條文如下。
1)5故障分類 根據(jù)故障的危害程度,可分為致命故障、嚴(yán)重故障、一般故障和輕微故障四級(jí)。
2)附錄A (規(guī)范性附錄) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障模式,A.2退化型故障模式中將永久磁體退磁列入退化型故障模式。
3)附錄B (規(guī)范性附錄) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障模式及分類舉例,表B.1致命故障中序號(hào)25,永磁體性能衰退,規(guī)定當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)400 h可靠性試驗(yàn)后,電機(jī)失磁過高,造成最大轉(zhuǎn)矩或最大功率性能低于技術(shù)條件規(guī)定指標(biāo)的5%的情況時(shí),即可判斷為致命故障。表B.2嚴(yán)重故障中序號(hào)1,永磁體性能衰退,電機(jī)性能低于技術(shù)條件規(guī)定的指標(biāo),造成整車動(dòng)力性能下降,即可判斷為嚴(yán)重故障。
2017年1月9日,工信部頒布了QC/T 1069-2017《電動(dòng)汽車用永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)》的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),于2017年7月1日正式實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了電動(dòng)汽車用永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志與標(biāo)識(shí)。適用于電動(dòng)汽車用永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中涉及到退磁的條文如下。
1)3術(shù)語和定義的3.7條文定義永磁體退磁為永磁體產(chǎn)生不可逆退磁的現(xiàn)象。
2)4技術(shù)要求的4.11條文永磁體老化中規(guī)定在老化試驗(yàn)后,因永磁體老化造成的驅(qū)動(dòng)電機(jī)反電勢(shì)下降比例應(yīng)不大于產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定值,供需雙方可商定采用其他評(píng)判方法。
3)5檢驗(yàn)方法的5.11條文永磁體老化退磁中規(guī)定,將經(jīng)過GB/T 29307規(guī)定的可靠性試驗(yàn)后的驅(qū)動(dòng)電機(jī),按照5.3的方法復(fù)測(cè)反電勢(shì),計(jì)算可靠性試驗(yàn)前后的反電勢(shì)下降比例?;虬凑展┬桦p方可商定的方法表征和測(cè)試。
4)表A1檢驗(yàn)分類 (續(xù))的檢驗(yàn)項(xiàng)目安全性驅(qū)動(dòng)電機(jī)永磁體老化規(guī)定型式檢驗(yàn)的檢驗(yàn)項(xiàng)目。
這兩個(gè)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)磁鋼嚴(yán)重退磁的定義、檢測(cè)和故障危害程度作了詳細(xì)明確規(guī)定,為電機(jī)磁鋼退磁的檢測(cè)和判定,提供了依據(jù)。
對(duì)于單片磁鋼,磁鋼進(jìn)廠后,檢測(cè)單片磁鋼的磁性能,符合要求即可入庫待安裝使用。檢測(cè)可使用以下幾種儀器。
1)特斯拉計(jì) 特斯拉計(jì)又稱高斯計(jì),是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的,可以方便地測(cè)試氣隙中的磁場(chǎng)、磁體的表面磁場(chǎng)和距磁體一定距離處的磁場(chǎng)。測(cè)試時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)霍爾探頭,使之與磁場(chǎng)方向垂直。特斯拉計(jì)測(cè)試的磁場(chǎng)是霍爾片上的平均磁場(chǎng),接近于點(diǎn)測(cè)試,可以測(cè)出磁場(chǎng)的不均勻性。
2)磁通表 磁通表又稱韋伯計(jì),它是應(yīng)用電磁感應(yīng)定律測(cè)量磁通量的直讀儀表。當(dāng)測(cè)試線圈從磁場(chǎng)中抽出時(shí),磁通表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。線圈內(nèi)被測(cè)磁通或磁通密度可用儀表說明書中給定的公式計(jì)算。用抽拉線圈方法可以測(cè)得線圈面積內(nèi)平均磁通密度或磁場(chǎng)值。
3)直流磁特性測(cè)試儀 直流磁特性測(cè)試儀能夠同時(shí)測(cè)試材料的Br、Hc和 (BH)max值。其工作原理是用電子磁通計(jì)測(cè)出在外磁場(chǎng)作用下磁化強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化,同時(shí)用另一電子磁通計(jì)或霍爾探頭測(cè)出空隙中磁場(chǎng)的變化,將信號(hào)分別輸入X-Y記錄儀的x端和y端。由此自動(dòng)記錄材料的退磁曲線和磁滯回線。
由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁鋼是安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上,必需將電機(jī)拆卸,取出轉(zhuǎn)子,拆下單片磁鋼,對(duì)其進(jìn)行磁性能檢測(cè)。整機(jī)拆卸過程繁雜,需用專用工裝工具。
永磁同步電機(jī)磁鋼退磁的檢測(cè),有用測(cè)量空載反電勢(shì)或電機(jī)工作電流的變化來推測(cè)電機(jī)磁鋼的退磁及其程度,但是需要指出是,即使磁鋼沒有退磁,電機(jī)的其它故障,如繞組匝間短路、斷相等,也會(huì)引起電機(jī)空載反電勢(shì)和工作電流產(chǎn)生變化;再者如不拆卸電機(jī),檢測(cè)時(shí)必須要安裝拖動(dòng)電機(jī),在沒有機(jī)臺(tái)設(shè)備的情況下,檢測(cè)較為困難復(fù)雜。
因此,本文提出一種在不拆卸永磁同步電機(jī)的情況下來檢測(cè)電機(jī)磁鋼退磁的方法,其原理是通過測(cè)量永磁同步電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩,根據(jù)齒槽轉(zhuǎn)矩值的變化,來判斷電機(jī)磁鋼是否退磁以及退磁的程度,檢測(cè)方便簡(jiǎn)捷易行。
3.2.1 永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩
3.2.1.1 永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩
2009年1月1日實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2900.25-2008電工術(shù)語 旋轉(zhuǎn)電機(jī)。在標(biāo)準(zhǔn)第411-48-45條,對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩作了定義:無供電的永磁電機(jī)由于其轉(zhuǎn)子和定子有自行調(diào)整至磁阻最小位置的趨勢(shì)而產(chǎn)生的周期性轉(zhuǎn)矩。
由此定義可知,齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)一種固有的現(xiàn)象。是在電樞繞組開路時(shí),是永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和開槽電樞鐵心相互作用下產(chǎn)生的,它的大小和其他因素?zé)o關(guān),是一定值。齒槽轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置改變呈現(xiàn)周期性變化,周期大小由永磁電機(jī)的磁極數(shù)與槽數(shù)決定,可以表示為以轉(zhuǎn)子極數(shù)和定子槽數(shù)的最小公倍數(shù),是基本周期的頻譜函數(shù)。
從本質(zhì)上而言,它是永磁體磁場(chǎng)與齒槽間作用力的切向分量引起的,是永磁體與電樞齒槽相互作用的結(jié)果,又因?yàn)樗偸窃噲D將定子齒槽和永磁磁極對(duì)齊在某一位置,故又將其稱定位轉(zhuǎn)矩。
齒槽轉(zhuǎn)矩與定子電流無關(guān),是定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置的函數(shù),很大程度上取決于電機(jī)齒槽的結(jié)構(gòu)和尺寸。它的存在會(huì)引起永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度波動(dòng),使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,如何有效削弱及抑制齒槽轉(zhuǎn)矩,是近年來永磁電機(jī)研究的熱點(diǎn)問題之一。
3.2.1.2 齒槽轉(zhuǎn)矩和磁鋼磁性能的關(guān)系
永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩解析表達(dá)式如式 (1)所示:
式中:Tcog(α,NS)——齒槽轉(zhuǎn)炬,Nm;La——定子鐵心的軸向長(zhǎng)度,mm;μ0——真空磁導(dǎo)率;NS——電樞所斜的槽數(shù)(槽數(shù));θs1——用弧度表示的電樞齒距,rad;R1——電樞外半徑,mm;R2——定子軛內(nèi)半徑,mm;P——極對(duì)數(shù);Z——電樞槽數(shù);n——為使nz/2p為整數(shù)的整數(shù);Gn——傅里葉展開的系數(shù);Brnz/2p——永磁體的剩磁,T;α——某一指定齒中心線和某一指定永磁磁極中心線之間的夾角,rad。
由式 (1)可見,永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩是由電機(jī)的電磁參數(shù)、極槽配合、定子及其槽形、轉(zhuǎn)子磁極等參數(shù)決定的,不受外界輸入的影響。電機(jī)制造完畢后,這些參數(shù)和結(jié)構(gòu)均已固定,所以該電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩是一定值。
電機(jī)投入運(yùn)行后,如磁鋼發(fā)生了退磁故障,磁鋼的剩磁降低,但電機(jī)內(nèi)部的其他參數(shù)是固定不變的,所以齒槽轉(zhuǎn)矩值必將隨磁鋼剩磁的降低而下降,并且齒槽轉(zhuǎn)矩值下降的程度直接反映出磁鋼退磁的程度。將此概念引入到磁鋼退磁的檢驗(yàn)方法之中,把被檢電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)定值,和該電機(jī)出廠前的齒槽轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行對(duì)比分析,即可迅速地判斷電機(jī)磁鋼是否已退磁和其退磁的程度。
3.2.1.3 齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法
齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法多樣,測(cè)試條件相差也大。
使用傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法和使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)測(cè)量方法,這兩種檢測(cè)永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法,雖然測(cè)量精度較高,但需在永磁同步電機(jī)上同軸安裝聯(lián)軸器、磁粉制動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)矩傳感器,工作量大,安裝過程復(fù)雜,因此一般使用在要求測(cè)量精度高的場(chǎng)合。而在測(cè)量要求精度不高的場(chǎng)合,一般使用杠桿測(cè)力儀的靜態(tài)測(cè)量方法。測(cè)量值實(shí)際為摩擦轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩的和,考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩一般較大,測(cè)量值可基本等同視為齒槽轉(zhuǎn)矩值。測(cè)量方法如圖3所示。
圖3 杠桿測(cè)力儀的靜態(tài)測(cè)量示意圖
被測(cè)電動(dòng)機(jī)放置于平臺(tái),將測(cè)力杠桿套進(jìn)電機(jī)輸出軸,手動(dòng)拉動(dòng)測(cè)力計(jì),拉到杠桿滑動(dòng)前瞬間的力的顯示值Fmax,乘以測(cè)力杠桿的力臂長(zhǎng)度L,就是齒槽轉(zhuǎn)矩的單峰幅值。
為保證測(cè)量精度,需注意以下幾點(diǎn)。
1)杠桿水平位置向上拉的瞬間,開始測(cè)量 (杠桿質(zhì)量盡量輕)。
2)測(cè)力計(jì)向上拉時(shí),要盡量保持力F與力臂L相互垂直。
3)向上拉時(shí)速度要緩慢并保持平穩(wěn)。
使用杠桿測(cè)力儀的靜態(tài)測(cè)量方法檢測(cè)永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩,是一種非常簡(jiǎn)單、直觀、相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的測(cè)量方法,雖然測(cè)量精度不是很高,但檢測(cè)方法簡(jiǎn)單實(shí)用,檢測(cè)工作量小,電機(jī)從電動(dòng)汽車上拆下后,將杠桿測(cè)力儀安裝在電機(jī)輸出軸上,在杠桿測(cè)力儀掛上測(cè)力機(jī),即可進(jìn)行檢測(cè)。這種檢測(cè)方法,電機(jī)不需要上測(cè)試臺(tái)架,可就地進(jìn)行檢測(cè),快捷、方便、易行,是一種值得推薦的永磁同步電機(jī)磁鋼退磁檢測(cè)的方法。
3.2.2 杠桿測(cè)力儀的檢測(cè)工藝過程
檢測(cè)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩工藝過程如下。
1)提取永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩峰值的原始數(shù)據(jù) (可由電機(jī)制造商提供,或電機(jī)采購入庫時(shí)自行用杠桿測(cè)力儀實(shí)測(cè))。
2)從電動(dòng)汽車上拆下電機(jī),將處于冷狀態(tài)的電機(jī)水平放置于鑄鐵平板上,用螺栓固定。
3)將測(cè)力杠桿安裝套筒端用平鍵固定在電機(jī)輸出軸上,測(cè)力桿處于水平位置。
4)把表盤測(cè)力儀 (或數(shù)顯測(cè)力儀)掛鉤裝在測(cè)力桿頂端孔內(nèi),如電機(jī)與制動(dòng)器一體,則須釋放制動(dòng)器 (測(cè)試全部結(jié)束后,取消電機(jī)制動(dòng)器的釋放)。手握測(cè)力儀頂端,垂直向上緩慢勻速提升,帶動(dòng)杠桿和電機(jī)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。讀取測(cè)力儀的周期的峰值數(shù)據(jù) (公斤力)并記錄。將測(cè)得的峰值乘以杠桿力臂即為齒槽轉(zhuǎn)矩峰值 (公斤米)。取下測(cè)力儀。
5)將電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°,按上述步驟再測(cè)一次。取得電機(jī)此位置齒槽轉(zhuǎn)矩峰值。將電機(jī)再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°,按上述步驟再測(cè)一次,取得電機(jī)此位置齒槽轉(zhuǎn)矩峰值。最后取電機(jī)3點(diǎn)不同位置齒槽轉(zhuǎn)矩峰值的平均值,作為該電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值。
6)將測(cè)得齒槽轉(zhuǎn)矩峰值與原始齒槽轉(zhuǎn)矩峰值對(duì)比,判定磁鋼是否退磁及其退磁程度并作出結(jié)論。
7)填寫測(cè)試記錄并存檔,將電機(jī)原位裝回。
磁鋼是電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)的重要零件,道路行駛工況復(fù)雜,電機(jī)運(yùn)行過程中受到各種因素的影響后,易引起的磁鋼不可逆退磁,磁性能下降,引起電機(jī)過流或過熱,導(dǎo)致電機(jī)無法正常運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電機(jī),發(fā)生安全事故。
本文介紹了電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)的永磁體材料及其磁性能,分析了釹鐵硼永磁體不可逆退磁的形成條件和機(jī)理,介紹了評(píng)判永磁體退磁的標(biāo)準(zhǔn),提出了在不拆卸永磁同步電機(jī)的情況下,使用杠桿測(cè)力儀的靜態(tài)測(cè)量方法,檢測(cè)永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩,并將測(cè)的數(shù)據(jù)與該電機(jī)出廠時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù),進(jìn)行對(duì)比分析,來判定永磁同步電機(jī)永磁體是否失磁及其程度。這種檢測(cè)方法,為電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)的磁鋼失磁的檢測(cè),提供了一種簡(jiǎn)單易行快捷方便的測(cè)試方法,以保障電動(dòng)汽車的安全行駛。