摘要：通過分析新能源汽車電機(jī)的常見故障類型，結(jié)合現(xiàn)代故障診斷技術(shù)如信號(hào)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和模型推理等，提出一套系統(tǒng)的維修策略，包括預(yù)防性維護(hù)、修復(fù)性維護(hù)和更換策略，并通過具體案例分析驗(yàn)證維修策略的有效性。研究結(jié)果表明，科學(xué)的故障分析與合理的維修策略能夠顯著提高新能源汽車電機(jī)的可靠性和使用壽命，為新能源汽車的維護(hù)和管理提供了理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；電機(jī)故障；故障分析；維修策略；診斷技術(shù)

中圖分類號(hào)：U469.7" " " 收稿日期：2025-02-12" " " DOI：1019999/jcnki1004-0226202504029

Faults Analysis and Maintenance Strategies Innovation of Electric Motors in New Energy Vehicles

Yu Jingbin

School of Automotive Engineering，Shanxi Vocational University of Engineering Science and Technology，Jinzhong 030619，China

Abstract：By analyzing the common types of faults in new energy vehicle motors and combining modern fault diagnosis techniques such as signal processing， machine learning， and model inference， a systematic maintenance strategy is proposed， including preventive maintenance， corrective maintenance， and replacement strategies. The effectiveness of the maintenance strategy is verified through specific case analysis. The research results indicate that scientific fault analysis and reasonable maintenance strategies can significantly improve the reliability and service life of new energy vehicle motors， providing theoretical support and practical guidance for the maintenance and management of new energy vehicles.

Key words：New energy vehicles;Motor faults;Maintenance strategies;Diagnosis technology

1 新能源汽車電機(jī)常見故障類型

新能源汽車電機(jī)常見故障類型主要包括以下幾類：a.啟動(dòng)故障，可能由電池電量不足、啟動(dòng)電路故障、電機(jī)本身機(jī)械卡死等原因?qū)е?，使電機(jī)無法正常啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；b.過熱故障，多因電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行、散熱系統(tǒng)失效、電機(jī)內(nèi)部短路等，引發(fā)電機(jī)溫度過高，影響其性能和壽命；c.振動(dòng)與噪音故障，常由電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、軸承磨損、安裝不牢固等因素造成，不僅影響駕乘體驗(yàn)，還可能預(yù)示著潛在的嚴(yán)重故障；d.電氣故障，像繞組短路、斷路、絕緣損壞等，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電流異常，影響電機(jī)的正常工作狀態(tài)。表1為發(fā)動(dòng)機(jī)部分故障示例。

2 新能源汽車電機(jī)故障分析技術(shù)

2.1 故障診斷前準(zhǔn)備

在進(jìn)行新能源汽車電機(jī)故障診斷前，充分的準(zhǔn)備工作至關(guān)重要，包括對(duì)車輛電氣系統(tǒng)原理的深入理解，特別是對(duì)電機(jī)控制策略、散熱系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)及其相互作用的掌握[1]。技術(shù)人員需熟悉電機(jī)及其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和常見故障模式，以便快速定位問題，同時(shí)需準(zhǔn)備必要的診斷工具，如數(shù)字萬(wàn)用表、示波器、絕緣電阻測(cè)試儀、振動(dòng)分析儀等，以及專用的故障診斷軟件，是確保診斷過程順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。查閱車輛維修手冊(cè)，了解電機(jī)及其相關(guān)部件的技術(shù)規(guī)格、維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和故障代碼表，對(duì)于準(zhǔn)確判斷故障類型具有重要意義。

2.2 故障診斷流程

故障診斷流程應(yīng)遵循系統(tǒng)化、邏輯化的原則，確保每一步驟都緊密關(guān)聯(lián)且有效推進(jìn)。a.收集故障現(xiàn)象描述，包括車輛無法啟動(dòng)、動(dòng)力下降、過熱、異常噪音等，以及故障發(fā)生時(shí)的環(huán)境條件（如天氣、路況）；b.檢查電源電路，確認(rèn)電池電壓、電流輸出是否正常，以及啟動(dòng)電路、保險(xiǎn)絲、繼電器等關(guān)鍵部件的狀態(tài)；c.使用診斷工具連接車輛OBD接口，讀取故障碼和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，分析電機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器信號(hào)、執(zhí)行器狀態(tài)等信息，與此同時(shí)進(jìn)行物理檢查，觀察電機(jī)外觀是否有損壞、變形、散熱風(fēng)扇、連接線束等是否正常；d.綜合以上信息，初步判斷故障類型及可能原因，制定進(jìn)一步的檢測(cè)或維修計(jì)劃。

2.3 常見故障診斷方法

2.3.1 基于信號(hào)處理的故障診斷方法

基于信號(hào)處理的故障診斷方法，利用電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各類信號(hào)進(jìn)行分析[2]。電機(jī)電流信號(hào)蘊(yùn)含豐富故障信息，對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，分析其頻譜特性。正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)電流頻譜在特定頻率范圍內(nèi)分布，如基頻處幅值較大，諧波頻率處幅值較小，若電機(jī)出現(xiàn)故障，如轉(zhuǎn)子斷條，會(huì)在特定頻率處出現(xiàn)附加邊頻帶，邊頻帶頻率與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，公式為：

2.3.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障診斷方法

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障診斷方法依賴大量的故障樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，收集新能源汽車電機(jī)在不同故障狀態(tài)下的多維度數(shù)據(jù)，包括溫度、電流、電壓、振動(dòng)等參數(shù)[3]。將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，一般按7∶3的比例劃分。采用深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型進(jìn)行故障分類，CNN模型通過卷積層、池化層和全連接層的組合，自動(dòng)提取數(shù)據(jù)特征。在構(gòu)建模型時(shí)，確定合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如LeNet-5模型，其包含2個(gè)卷積層、2個(gè)池化層和3個(gè)全連接層。在訓(xùn)練過程中，選擇交叉熵?fù)p失函數(shù)：

2.3.3 基于模型推理的故障診斷方法

基于模型推理的故障診斷方法依據(jù)電機(jī)的物理模型和運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行故障判斷。建立電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，以直流電機(jī)為例，其電壓平衡方程為：

在實(shí)際運(yùn)行中，實(shí)時(shí)采集電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，代入模型計(jì)算理論值，并與實(shí)際測(cè)量值對(duì)比。若反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差超過10%，依據(jù)模型推理可能存在電機(jī)繞組短路或磁路故障。通過不斷更新模型參數(shù)，結(jié)合電機(jī)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障記錄，優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)故障的精準(zhǔn)診斷。

3 新能源汽車電機(jī)維修策略創(chuàng)新

3.1 預(yù)防性維護(hù)

預(yù)防性維護(hù)以可靠性為核心，圍繞電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)展開，提前察覺潛在故障風(fēng)險(xiǎn)[4]。

a.實(shí)施定期的溫度監(jiān)測(cè)，依據(jù)熱學(xué)原理，電機(jī)工作時(shí)因繞組電阻損耗、鐵芯磁滯及渦流損耗等產(chǎn)生熱量，需維持合理溫度范圍。通過在電機(jī)關(guān)鍵部位，如繞組、軸承處部署溫度傳感器，實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)。以永磁同步電機(jī)為例，正常運(yùn)行時(shí)繞組溫度宜控制在100～120 ℃，若連續(xù)3次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超125 ℃，應(yīng)檢查散熱系統(tǒng)，比如冷卻水路流量應(yīng)保持在5～8 L/min，散熱器熱交換效率不得低于85%。

b.開展振動(dòng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論，電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、軸承磨損等會(huì)引發(fā)異常振動(dòng)。利用振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)加速度、位移等參數(shù)，正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)烈度應(yīng)小于7.1 mm/s。運(yùn)用頻譜分析技術(shù)，若在特定頻率出現(xiàn)異常峰值，預(yù)示相應(yīng)部件可能出現(xiàn)故障。

c.進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，按照電氣絕緣標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)繞組與外殼間絕緣電阻應(yīng)不低于10 mΩ。采用絕緣電阻測(cè)試儀每月測(cè)量一次，若阻值低于標(biāo)準(zhǔn)，可能是絕緣老化或受潮，需進(jìn)行干燥處理或更換絕緣材料。

3.2 修復(fù)性維護(hù)

修復(fù)性維護(hù)針對(duì)已確診故障的電機(jī)展開，依據(jù)故障類型精準(zhǔn)施策。對(duì)于繞組短路故障，若短路點(diǎn)在端部，可先標(biāo)記故障位置，使用專用工具清理短路處絕緣層，再用合適的絕緣漆重新浸漬并烘干處理，確保絕緣電阻恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)值以上。

若短路發(fā)生在繞組內(nèi)部，需拆除故障繞組，重新繞制。繞制時(shí)嚴(yán)格遵循原繞組匝數(shù)、線徑、節(jié)距等參數(shù)，例如某型號(hào)電機(jī)繞組匝數(shù)為500匝，線徑0.8 mm，節(jié)距1～8。繞制完成后，進(jìn)行繞組電阻測(cè)量，與原設(shè)計(jì)值偏差應(yīng)控制在±5%以內(nèi)。針對(duì)軸承磨損故障，依據(jù)摩擦學(xué)原理，選用適配型號(hào)軸承更換。

更換時(shí)，確保軸承與軸頸、端蓋的配合精度，過盈量控制在0.02～0.05 mm。采用專業(yè)安裝工具，避免敲擊損傷軸承。安裝后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載和負(fù)載試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)振動(dòng)和溫度，空載振動(dòng)加速度應(yīng)小于1.5 m/s2，負(fù)載運(yùn)行時(shí)溫度升幅不應(yīng)超過50 ℃。

對(duì)于電機(jī)過熱故障，若因散熱系統(tǒng)堵塞，應(yīng)清理冷卻通道，確保冷卻液流量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。若散熱風(fēng)扇故障，更換風(fēng)扇并調(diào)整轉(zhuǎn)速，使風(fēng)量滿足電機(jī)散熱需求，一般風(fēng)量需達(dá)到300～500 m3/h。

3.3 更換策略

更換策略在電機(jī)故障嚴(yán)重或性能劣化難以修復(fù)時(shí)采用[5]。a.基于成本效益模型，當(dāng)電機(jī)修復(fù)成本超過新電機(jī)購(gòu)置成本70%時(shí)，考慮更換電機(jī)，例如某款電機(jī)修復(fù)費(fèi)用預(yù)估8 000元，新電機(jī)采購(gòu)價(jià)10 000元，此時(shí)更換更為經(jīng)濟(jì)。b.從性能角度，若電機(jī)因長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致鐵芯嚴(yán)重磁化、氣隙不均勻度超過10%，或轉(zhuǎn)子嚴(yán)重變形致使電機(jī)振動(dòng)烈度持續(xù)大于11.2 mm/s，即便修復(fù)也難保證性能，應(yīng)更換電機(jī)。

更換電機(jī)時(shí)，嚴(yán)格匹配電機(jī)型號(hào)、規(guī)格，確保額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定電壓等參數(shù)與原電機(jī)一致。如原電機(jī)額定功率150 kW，額定轉(zhuǎn)速120 00 r/min，額定電壓380 V，新電機(jī)需與之相同。更換后，對(duì)電機(jī)與車輛控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，依據(jù)電機(jī)控制理論，調(diào)整控制器參數(shù)，如電流環(huán)比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)等，使電機(jī)與整車動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同工作，提升車輛行駛穩(wěn)定性和安全性，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，車輛百公里加速時(shí)間波動(dòng)應(yīng)小于5%，續(xù)航里程變化不超過3%。

4 新能源汽車電機(jī)故障維修案例分析

4.1 故障現(xiàn)象描述

某新能源汽車在行駛過程中，駕乘人員明顯感知車輛動(dòng)力逐漸下降，且伴隨電機(jī)艙傳出異常噪音。儀表盤顯示電機(jī)溫度迅速升高，短時(shí)間內(nèi)從正常運(yùn)行溫度80 ℃升至130 ℃。與此同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)，由穩(wěn)定的8 000 r/min降至6 000 r/min左右且不穩(wěn)定。

a.車輛動(dòng)力下降，致使車輛加速性能變?nèi)?，最高車速?gòu)脑镜?20 km/h降至80 km/h；b.異常噪音呈尖銳刺耳狀，經(jīng)初步判斷可能源于電機(jī)內(nèi)部機(jī)械部件；c.電機(jī)溫度過高，已超出永磁同步電機(jī)正常運(yùn)行溫度范圍（100～120 ℃）。通過車載診斷系統(tǒng)讀取故障碼，顯示為與電機(jī)過熱及轉(zhuǎn)速異常相關(guān)的代碼。結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，技術(shù)人員初步判斷故障與電機(jī)散熱及內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)。

4.2 故障原因分析

a.對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)冷卻水路流量?jī)H為3 L/min，遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)保持的5～8 L/min 的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)排查，冷卻水管路存在堵塞情況，部分管道因長(zhǎng)期使用產(chǎn)生水垢堆積，影響冷卻液的正常循環(huán)，導(dǎo)致電機(jī)散熱效率降低，引發(fā)過熱故障。

b.對(duì)電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，利用振動(dòng)傳感器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)烈度達(dá)到10 mm/s，高于正常運(yùn)行時(shí)小于7.1mm/s 的標(biāo)準(zhǔn)，且在軸承故障特征頻率處出現(xiàn)異常峰值，表明軸承可能存在磨損。

c.檢查電機(jī)繞組與外殼間絕緣電阻，使用絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果為8 mΩ，低于電氣絕緣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不低于10 mΩ，說明絕緣性能有所下降，可能存在絕緣老化或受潮情況，這也可能影響電機(jī)正常運(yùn)行，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

4.3 維修過程與結(jié)果

在明確故障原因后，開展針對(duì)性維修。a.針對(duì)散熱系統(tǒng)堵塞，對(duì)冷卻水管路進(jìn)行清洗，清除水垢，使冷卻水路流量恢復(fù)至6 L/min，滿足設(shè)計(jì)要求。b.因軸承磨損，選用適配型號(hào)的軸承進(jìn)行更換，確保軸承與軸頸、端蓋的配合精度，將過盈量控制在0.03 mm。采用專業(yè)安裝工具進(jìn)行安裝，避免敲擊損傷軸承。c.對(duì)于絕緣電阻偏低問題，對(duì)電機(jī)進(jìn)行干燥處理，處理后再次測(cè)量絕緣電阻，達(dá)到12 mΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)。維修完成后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載和負(fù)載試驗(yàn)。

空載試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)加速度為1.2 m/s2，小于1.5 m/s2 的標(biāo)準(zhǔn)；負(fù)載運(yùn)行時(shí)，溫度升幅為40 ℃，未超過50 ℃的規(guī)定。經(jīng)實(shí)際道路測(cè)試，車輛百公里加速時(shí)間為7.5 s，較維修前波動(dòng)小于5%，續(xù)航里程為400 km，變化不超過3%，車輛動(dòng)力性能恢復(fù)正常，異常噪音消失，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)均符合車輛正常運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。維修前后數(shù)據(jù)見表1。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究通過對(duì)新能源汽車電機(jī)常見故障類型的深入分析，結(jié)合現(xiàn)代故障診斷技術(shù)，提出包括預(yù)防性維護(hù)、修復(fù)性維護(hù)和更換策略在內(nèi)的系統(tǒng)維修策略。通過具體案例分析，驗(yàn)證維修策略的有效性，顯著提高電機(jī)的可靠性和使用壽命。隨著新能源汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步和智能化水平的提升，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化故障診斷算法，提高診斷精度和效率，同時(shí)探索更高效的預(yù)防性維護(hù)方法，減少故障發(fā)生，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

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作者簡(jiǎn)介：

蔚敬斌，男，1979年生，講師，研究方向?yàn)樾履茉雌囯姍C(jī)、電池、電控、能量回收系統(tǒng)性能測(cè)試等。