汽车永磁交流电动机空载反电动势异常分析.pdf

汽车论坛136汽车测试报告永磁交流电动机可应用于乘用车、商用车、轨道交通等多种领域1。在汽车永磁交流电动机中，当实际反电动势大于临界反电动势时，电动机永磁体将处于去磁工作状态2-3。汽车永磁交流电动机的空载损耗与空载电流是其在 EOL 测试过程中的两个关键技术指标，电动机的空载反电动势对这两个关键技术指标具有重要影响4。因此，在汽车永磁交流电动机空载反电动势的设计过程中，电动机空载状态损耗及其空载电流是关键考查指标，电动机的空载反电动势值无论选取得过大或过小，都会导致电动机空载状态损耗和空载状态电流异常5。1 汽车永磁交流电动机空载反电动势测试反电动势是指由反抗电流发生改变的趋势而产生的电动势。在本测试中，先让被试机在额定电压、额定频率下空载运行到机械损耗保持稳定，再调节其外加电压，使其空载电流达到最小，此时外加电压平均值即永磁同步电机的空载反电动势数值。然而，因为永磁同步电机的电流在最小电流附近波动较大，很难确定最小值，因此需要多次试验。在多次试验之后发现，在永磁同步电机空载电流的最小点处，其功率因数为 1，因此可通过观察功率因数的大小来确定永磁同步电机的空载反电动势。在汽车永磁交流电动机 EOL 测试过程中，测试设备报测试异常。利用综合测试仪对被测量汽车永磁交流电动机三相线进行空载反电动势电压的测量，结果显示 G1 和 G2 两个型号电动机的测量数据异常，部分反电动势电压值低于设计规格值下限。汽车永汽车永磁交流电动机空载反电动势异常分析方艮辉（无锡星驱动力科技有限公司 江苏 无锡 214445）摘要：空载反电动势是永磁交流电动机的关键设计参数，其异常会引起定子电流和电动机空载损耗。合理设计汽车永磁交流电动机的空载反电动势值，可以有效优化其定子电流，提升其堵转转矩及过载能力，降低定子和转子的温升，进而提高汽车永磁交流电动机的综合效率。该文对汽车永磁交流电动机空载反电动势数值进行测量，统计相关数据，并进行对比和验证，为汽车永磁交流电动机空载反电动势异常分析提供助力。关键词：汽车；永磁交流电动机；反电动势作者简介：方艮辉，无锡星驱动力科技有限公司电机研发高级工程师，研究方向为新能源汽车电机。表 1 汽车永磁交流电动机 G1 反电动势测试值单位：V反电动势测试数据合格范围 2 8 8 3 1 8U V端V W 端WU端正常数据 1296.172296.172296.172正常数据 2296.172296.172296.172异常数据 1288.378285.780285.780异常数据 2288.378285.780288.378异常数据 3288.378285.780285.780表 2 汽车永磁交流电动机 G2 反电动势测试值单位：V反电动势测试数据合格范围 2 8 8 3 1 8U V端V W 端WU端正常数据 1297.904297.904297.904正常数据 2294.440294.440 290.976异常数据 1290.976287.512287.512异常数据 2290.976287.512290.976异常数据 3290.976287.512287.512磁交流电动机 G1、G2 反电动势测试值如表 1 和表 2所示。2 汽车永磁交流电动机空载反电动势异常理论分析空载反电动势计算公式E0：汽车论坛1372023.6E0=2.22fKdp1Ksk1N10 （1）式（1）中，f为频率，其与转速的关系为f=，单位符号为“Hz”，与汽车永磁交流电动机的速度相关，由于在本案例中测试速度未变化，故频率f未改变。Kdp1为绕组系数，Ksk1为斜槽系数，N1为每相串联导体数。0为空载时永磁体提供的气隙磁通，与永磁体性能相关，属于强相关因素，关系式：式（2）中，bm0为永磁体空载工作点，一般1 的数，比如 1.28。在方案相同情况下，空载漏磁系数变化量的影响可以忽略不计。汽车永磁交流电动机的空载反电动势受空载气隙磁通和电枢绕组影响较大6，而空载气隙磁通与永磁体大小和位置、定子和转子铁心长度及其磁导率、气隙大小有关7。一般来说，空载反电动势会受到电磁设计过程中诸多因素的影响，一般需要根据实际测量值对设计值进行修正。反电动势是评价汽车永磁交流电动机电性能是否满足设计要求的关键指标，本案例分析步骤有 3个方面。第一，反电动势测试值偏低可能受人、机、法、环、测、料 6 个要素的影响，需对这 6 个要素进行分析，排查可能出现的问题。通过采用标准 OK 样机对测试设备和连接设备进行校验，结果显示电动机及其联轴器无异常，示波器波形平稳，反电动势波形基本平稳，排除测试设备及其方法异常的可能8-10。第二，对物料进行分析和验证。对表 1 和表 2的测试数据进行初步分析发现，异常数据比正常数据的值小，若测试数据与合格范围偏差较大，可能是因为磁钢贴错。本案例反电动势测试值比设计值偏小（约 3%），由于相差不大，而且影响因素较多，因此具体原因还需进一步分析。第三，排查结果显示，定子内径、转子外径和定子综合测试设备无异常，定子铁心和转子铁心无错位。汽车永磁交流电动机 G1、G2 反电动势测试数据对比分别如表 3 和表 4 所示。将表 3 和表 4 中的异常数据平均值与正常数据平均值进行对比得出，异常数据平均值较正常数据平均值下降幅度约为3%。对 3 家供应商提供的磁钢进行测量，不同供应商磁钢磁通量对比如表 5 所示。供应商 A 的磁钢磁通量为 117.2、117.5、117.3 mWb，供应商 B 的磁钢表 3 汽车永磁交流电动机 G1 反电动势测试数据对比磁钢类别反电动势测试数据合格范围 2 8 8 3 1 8 VU V端/VV W 端/VWU端/V平均值/V平均值降幅/%供应商 A正常数据 1296.172296.172296.172296.172正常数据 2296.172296.172296.172296.172供应商 B异常数据 1288.378285.780285.780286.6463.22%异常数据 2288.378285.780288.378287.5122.92%异常数据 3288.378285.780285.780286.6463.22%表 4 汽车永磁交流电动机 G2 反电动势测试数据对比磁钢类别反电动势测试数据合格范围 2 8 8 3 1 8 VU V端/VV W 端/VWU端/V平均值/V平均值降幅/%供应商 A正常数据 1297.904297.904297.904297.904正常数据 2297.904297.904297.904297.904供应商 B异常数据 1290.976287.512287.512288.6673.20%异常数据 2290.976287.512290.976289.8212.71%异常数据 3290.976287.512287.512288.6673.20%（2）汽车论坛138汽车测试报告磁通量为 114.4、114.4、114.6 mWb，供应商 C 的磁钢磁通量为 114.9、115.2、114.8 mWb。供应商 B 和C 的磁钢磁通量较供应商 A 平均下降约 2.5%。理论上，磁钢磁通量的降低在一定程度上可以引起电机气隙磁通量的降低，并且会导致空载反电动势降低。本案例的问题最终通过提高供应商的磁钢磁通量得以解决，表明磁钢磁通量的降低是造成电动机反电动势测试不合格的原因之一。对于反电动势测试不合格的问题，相关人员可以按照 4 个步骤依次进行排查。第一步，使用类比、验证的方法，排查人员操作是否存在影响。第二步，排查是否存在环境因素的影响，比如温度等。第三步，对设备和测试方法进行排查，需要具体分析和排查的方面：电动机转速是否在要求范围内、电动机转速是否均匀、示波器所显示的反电动势波形是否均匀、测试设备及其接线是否正常。第四步，检查物料是否正常：定子绕组电阻、电感及其匝间测试波形是否正常，定子绕组及其铁心长度是否正常，定子铁心和转子铁心是否对齐，转子磁钢磁通量是否满足设计要求，定子、转子铁心长度是否合格，定子内径、转子外径是否合格，定子和转子冲片材料是否合格，定子和转子槽型是否合格。3 结束语通过对汽车永磁交流电动机的空载反电动势进行研究，能够对其设计生产提供一定的理论指导。因此，对汽车永磁交流电动机空载反电动势的异常案例进行分析，主要包括 3 方面内容。第一，根据汽车永磁交流电动机的特点，对其空载反电动势设计及理论计算进行研究，简要分析空载反电动势对汽车永磁交流电动机性能的影响。第二，深入分析汽车永磁交流电动机的空载反电动势推导公式，结合实际案例，对影响空载反电动势的主要因素进行说明。第三，对汽车永磁交流电动机进行性能测试和归纳分析，测试结果验证了磁钢性能对空载反电动势的重要影响，并对磁钢测试结果与电动机空载反电动势测试结果进行比较分析，发现二者的数据比较吻合，从而验证了空载反电动势计算方法的正确性。参考文献：1 孙瑞杰,郑永,郭海成.现代永磁电机技术研究与应用开发 J .现代制造技术与装备,2 0 2 2(3):1 5 3-1 5 5.2 刘建强.基于能量的控制方法在交流电机中的应用 D .兰州:兰州交通大学,2 0 2 0.3 郭庆鼎,孙宜标,王丽梅.现代永磁电动机交流伺服系统 M .北京:国防工业出版社,2 0 0 6:4 7.4 李钟明,刘卫国.稀土永磁电机 M .北京:国防工业出版社,1 9 9 9:7 2-7 4.5 史发涛.交流电动机的模糊自适应动态面控制 D .青岛:青岛大学,2 0 1 6.6 李丽娜.基于模糊逼近的交流电动机自适应控制 J .电子技术与软件工程,2 0 1 5(2 1):1 5 1.7 樊新军.永磁交流电动机的控制系统方案研究 J .产业与科技论坛,2 0 1 3(7):6 9-7 0.8 陈世坤.电机设计 M .2 版.北京:机械工业出版社,2 0 1 3:1 9 4.9 张东宁,王思远.基于数学模型的永磁交流电动机无位置传感器矢量控制技术 J .微特电机,2 0 1 5(1 2):8 5-8 8.1 0 王秀和.永磁电机 M .北京:中国电力出版社,2 0 0 7:3 8,4 5.表 5 不同供应商磁钢磁通量对比磁钢类别磁通量/mWb平均值/mWb平均值降幅/%供应商 A117.2117.5117.3117.3供应商 B114.4114.4114.6114.4约 2.5%供应商 C114.9115.2114.4114.8约 2.2%