《新能源汽车电机及控制系统检修（第2版）》教案 第4课 驱动电机（二）

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课题驱动电机（二）——永磁同步电机检修课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）掌握永磁同步电机的结构与工作原理（2）会对永磁同步电机进行性能检测、故障诊断素质目标：（1）弘扬科学严谨、精益求精、追求卓越的工匠精神（2）养成好学上进、开拓创新的工作作风，具备良好的人文素养和职业道德（3）增强规范操作、安全操作的意识教学重难点教学重点：永磁同步电机的结构与工作原理教学难点：对永磁同步电机进行性能检测、故障诊断教学方法任务引入法、问答法、讨论法、实践操作法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：传授新知（28min）课堂讨论（10min）第2节课：实践操作（40min）课堂小结（3min）作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——永磁同步电机的故障诊断”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，收集永磁同步电机的相关资料，并进行了解【学生】提前上网观看相关资料，熟悉教材通过课前的预热，让学生了解所学课程的大概内容，激发学生的学习欲望考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况案例导入

（5min）【教师】讲述“永磁同步电机的退磁现象及其预防措施”的案例，然后提出以下问题：（1）通过什么指标评价永磁同步电机性能的好坏？（2）造成永磁同步电机退磁的原因及预防措施是什么？【学生】聆听、思考、举手回答通过与本任务相关的案例引出任务，激发学生的学习兴趣，让学生带着相关背景去探索新知识传授新知

（28min）【教师】通过大家的发言，引入新知，讲解永磁同步电机的结构、工作原理及永磁同步电机进行性能检测、故障诊断2.2.1永磁同步电机概述1．永磁同步电机的结构永磁同步电机由定子、转子、位置传感器、温度传感器、高压导线、散热风扇（风冷型）、机壳、机座等组成。1）定子定子主要由定子铁芯、定子绕组（见图）以及固定部件组成。定子铁芯和定子绕组（1）定子铁芯一般采用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。若要求永磁同步电机具有高效率或高频率，以减少定子铁芯的铁耗，则可以考虑使用0.35mm厚的低损耗冷轧无取向硅钢片。（2）定子绕组普遍采用分布式短距绕组。定子绕组多按三相四极布置，通电产生四极旋转磁场。对于定子绕组极对数较多的永磁同步电机，普遍采用分数槽绕组。需要进一步改善电动势波形时，可以考虑采用正弦绕组或其他绕组。（3）固定部件包括机座、铁芯压板、绕组支架等。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述什么是铁耗及极对数（1）铁耗：驱动电机运行时，因定子铁芯或端部铁件发热而产生的损耗。（2）极对数：磁极的对数。【学生】聆听、思考2）转子转子主要由永磁体、转子铁芯和转轴等组成。其中，永磁体通常采用铁氧化永磁材料或钕铁硼永磁材料；转子铁芯可根据磁极结构的不同，选用实心钢，或由钢板、硅钢片冲制后叠压而成。转子可分为表面式转子和内埋式转子两种。（1）表面式转子是指永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁芯的外表面上，提供磁通的方向为径向的转子。如图所示，表面式转子可分为凸装式转子和嵌入式转子两种（详见教材）。表面式转子（2）内埋式转子是指永磁体位于内部的转子。内埋式转子的动态性能和稳态性能都较好，广泛应用于要求有异步启动能力或较好动态性能的永磁同步电机中。内埋式转子也存在转子磁路不对称所产生的磁阻转矩，有助于提高永磁同步电机的过载能力和功率密度。如下图所示，内埋式转子可分为径向式转子、切向式转子、U型混合式转子和V型径向式转子四种（详见教材）。内埋式转子【知识链接】拓展知识面【教师】讲述什么是漏磁漏磁：磁源通过特定磁路泄露在空气中的磁场能量。【学生】聆听、思考3）位置传感器不同类型的位置传感器在占用空间、安装方便程度、成本及可靠性要求等方面存在差异。常用的位置传感器有旋转变压器、光电编码器、霍尔传感器等（详见教材）。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述什么是霍尔效应霍尔效应：磁场作用于载流金属导体、半导体等载体时，产生横向电位差的物理现象。【学生】聆听、思考4）温度传感器为避免因温度过高而造成组件损坏，永磁同步电机需要配置温度传感器来监控定子绕组的温度。使用较广泛的温度传感器为负温度系数（negativetemperaturecoefficient，简称NTC）传感器。2．永磁同步电机的工作原理1）运行原理永磁同步电机的定子绕组因接入三相对称交流电而产生旋转磁场。根据磁极异性相吸、同性相斥的原理，不论转子与定子的磁极起始时的相对位置如何，由于磁场力作用，转子都会和定子磁极同步旋转。在转子和定子的共同作用下，转轴产生转矩。2）控制策略为了使永磁同步电机具有更快的响应速度、更高的转速调节精度及更宽的调速范围，人们提出了多种适用于永磁同步电机的控制策略，如恒压频比开环控制、矢量控制、直接转矩控制等（详见教材）。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述磁链、调制器、转差功率相关知识（1）磁链：导电线圈或电流回路所链环的具有磁通量的空间。（2）调制器：通过数字信号处理技术，将低频数字信号（如音频、视频、数据等）调制到高频数字信号中，进行信号传输的一种设备。（3）转差功率：驱动电机运行时，因转子绕组发热导致的功率损失。转差功率通常与转子绕组的电阻值正相关。【学生】聆听、思考【知识拓展】拓展知识面【教师】讲述什么是智能控制方法为了提高永磁同步电机的控制性能和控制精度，人们在矢量控制、直接转矩控制等的基础上，建立了模糊控制、神经网络控制等智能控制方法。智能控制方法的大致思路是建立多环控制结构，通过矢量控制、直接转矩控制等进行内环电流控制、转矩控制，通过智能控制进行外环速度控制。【学生】聆听、思考2.2.2永磁同步电机的检修1．永磁同步电机的日常检查1）启动前的检查（1）调试励磁、脉冲、移相等装置。（2）检查定子回路控制开关、操纵装置及保护系统。（3）用干燥压缩气体（风压为0.196～0.29Pa）清扫永磁同步电机，并检查各线束绝缘表面是否有破损。（4）检查冷却系统，如通水管是否打开、水压是否正常、冷却器和管道有无漏水现象等，并检查定子铁芯状况。（5）检查轴承及其润滑系统，保证轴承内油质清洁。（6）清扫和检查启动设备，并检查有无他人正在使用永磁同步电机和附属设备。（7）测量永磁同步电机和电机控制器的绝缘电阻，并与上一次测试结果对照，电阻值应不低于上次测量值的50%～80%。2）运行时的检查（1）三相电压不平衡度不应大于5%。（2）检查轴承的温度。轴承的温度与其工作环境和用途有关，通常要求滚动轴承的温度不超过95℃，滑动轴承的温度不超过75℃。（3）用温度计测量定子绕组与定子铁芯的温升。通常要求定子绕组的温升不超过105K，定子铁芯的温升不超过125K。（4）测量环境温度。通常要求永磁同步电机运行时的环境温度最低为5℃，最高为40℃；长期停用的永磁同步电机应保存在温度为5～15℃的环境中。（5）测量空气相对湿度。规定空气相对湿度不应超过75%。3）停机后的检查永磁同步电机停机后，应检查定子绕组及引线的绝缘有无损伤，零部件是否松动，转子支架和机械零部件是否有开焊或裂缝等现象，固定螺栓是否松动，以及轴承状态是否正常等。2．永磁同步电机的性能检测永磁同步电机的性能检测包括负载性测试、T-n曲线测试、耐久性测试、空载测试、堵转测试、启动电流测试等。1）负载性测试负载性测试的目的是确定永磁同步电机的效率、功率因数、转速、定子电流等，确保永磁同步电机在超出最大预期工作量的情况下仍能正常运行。用伺服电机给永磁同步电机加载，从150%额定负载逐步降到25%额定负载，在此范围内至少选取6个测试点（必须包括100%额定负载点），测量其电压、电流、功率、转矩和转速等参数并进行计算。2）T-n曲线测试T-n曲线是描述永磁同步电机的转矩和转速之间关系的特性曲线，如图2-14所示。其测试方法是通过控制永磁同步电机的转速，从最低转速零到最高转速之间选取不同的转速点，测量各个转速点的转矩，再绘制出两者的关系曲线。永磁同步电机的T-n曲线3）耐久性测试耐久性是指在规定的使用和维修条件下，永磁同步电机达到某种技术指标时，实现基础功能的能力。在测试软件中，可由用户设定永磁同步电机按某个测试方案来进行耐久性测试。例如，设定永磁同步电机以120%的额定转速运行2min，测量永磁同步电机运行过程中的电压、电流、效率、转矩和转速等信息。4）空载测试空载测试是指永磁同步电机空转时，检验其运转稳定性和可靠性的试验。在125%额定电压至驱动电机转动的最低电压的范围内，绘制电压和励磁电流的关系曲线，即空载特性曲线。通过空载测试，不仅可以检查励磁装置的工作情况是否良好、定子绕组连接是否正确，还可以了解永磁同步电机的磁路饱和程度。5）堵转测试堵转测试是指让转子固定不动，使定子绕组的电压约为90%～110%额定电压，测试此时的电压、电流、输入功率等的试验，再逐渐降低定子绕组的电压进行测试，应共选取5～7个测量点。对于额定功率为100～300kW永磁同步电机，堵转测试结果可以用于评价2.5～4倍额定电流的过载性能。6）启动电流测试永磁同步电机启动时会产生瞬时的大电流，持续时间约为几十毫秒，这个过程中电流的峰值、上升时间、下降时间等都是非常重要的参数。启动电流测试的时间很短，通常采用示波器或功率分析仪进行试验。3．永磁同步电机的故障诊断对于永磁同步电机，应在熟悉永磁同步电机结构和工作原理的基础上正确进行故障诊断，并找出造成故障发生的原因。下面介绍永磁同步电机故障诊断的一般步骤。1）目视检查目视检查是故障诊断的基础。目视检查的内容是检查易于接触或能够看到的部件，以查明其是否有明显损坏或存在可能导致故障的情况。2）绝缘电阻检测为了确保永磁同步电机不存在漏电现象，保证人身安全，应对其绝缘电阻进行检测，具体检测步骤如下。（1）操作启动开关，使电源模式至OFF状态。（2）断开低压蓄电池的负极线。（3）断开OBC处的直流母线。（4）拆卸与电机控制器相连的高压连接器。（5）等待5分钟后，用数字万用表测量电机控制器的输入端与输出端之间的电压，确定其不大于5V。如果不满足要求，则继续等待若干分钟后，再次测量、确认。（6）拆卸与永磁同步电机相连的高压连接器。（7）将高压绝缘检测仪的挡位调至1000V，分别测量电机控制器侧各相线束的连接器与电机壳体之间的电阻。如果电阻不小于20MΩ，则表示绝缘正常；如果电阻小于20MΩ，则应修理或更换线束。3）常见故障排查永磁同步电机的常见故障有异响、强烈振动、转速和输出功率达不到要求等，对此可依据以下步骤依次进行排查。（1）检查永磁同步电机的固定螺栓。（2）拆卸接线盒盖板，并检查各高压连接器及其固定螺栓。（3）检查绕组是否存在绝缘故障。（4）空转检查：检查有无定子、转子相互摩擦的现象或异响。（5）拆卸并检查后端盖上旋转变压器和温度传感器的插针。（6）拆卸并检查前、后端盖。（7）拆卸并检查转子。（8）检查前、后轴承。（9）清理并检查定子。（10）拆卸并检查旋转变压器。（11）检查旋转变压器绕组电阻（包括正弦电阻、余弦电阻、励磁电阻）是否符合要求。（12）检查冷却系统。（13）如果经过以上检修工作排除了问题，则将各部件安装完好，再检测冷却回路的密封性；如果经过以上检修工作没有发现问题，但是永磁同步电机的运行还是存在异常，则更换永磁同步电机。【学生】聆听、思考、理解、记忆通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，让学生了解永磁同步电机的结构、工作原理及永磁同步电机进行性能检测、故障诊断课堂讨论（10min）【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：（1）永磁同步电机的基本结构包括哪些？（2）永磁同步电机的控制策略有哪些？（3）永磁同步电机在启动前、运行时、停机后分别有哪些日常检查项目？（4）永磁同步电机的性能检测有哪些？（5）常见的永磁同步电机故障有哪些？【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果【教师】与学生一起评价各组的发言通过课堂讨论，激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解第二节课实践操作（40min）【教师】组织学生扫码观看“永磁同步电机的故障诊断”视频，然后带领学生到实操间进行实践操作1．情景描述小王于3年前购置了一辆比亚迪e5纯电动汽车，其行驶里程已达5万公里。近日，在驾驶车辆的过程中，小王发现车辆爬坡困难，怀疑该车装配的永磁同步电机性能下降了，其输出功率达不到要求，于是来到汽车维修店，要求对永磁同步电机进行故障诊断。2．准备工作（1）工具设备：数字万用表、拆装专用工具和设备、手轮。（2）台架车辆：电机及控制系统实训台、比亚迪e5纯电动汽车。（3）辅助资料：维修手册、教材。3．操作步骤（1）目视检查永磁同步电机的外观，确认其表面无锈蚀、碰伤、划痕，涂覆层无脱落。（2）绝缘电阻检测：使用高压绝缘检测仪，测量电机控制器侧各相线束的连接器和车身搭铁处之间的电阻，确认绕组无绝缘故障。（3）确认永磁同步电机的固定螺栓连接良好。（4）组合使用棘轮扳手、直杆套筒扳手和套筒头，拆卸永磁同步电机接线盒盖板的固定螺栓，取下接线盒盖板，如下图所示。确认各高压连接器及其固定螺栓连接良好。拆卸接线盒盖板（5）绕组绝缘检查。①校正数字万用表，如下图所示。校正数字万用表②使用数字万用表的电阻挡，测量每相线束的连接器和电机壳体之间的电阻，如下图所示。数字万用表不显示数值（所测电阻超过数字万用表的量程），说明绕组无绝缘故障。测量绕组的绝缘电阻（6）使用手轮进行空转检查，确认无定子、转子相互摩擦的现象或异响。（7）组合使用棘轮扳手、直杆套筒扳手和套筒头，拆卸旋转变压器和温度传感器的插针（见下图），并确认插针无变形。拆卸旋转变压器的插针拆卸温度传感器的插针（8）组合使用棘轮扳手、直杆套筒扳手和套筒头，交错拧开永磁同步电机端盖的固定螺栓，并用橡胶锤敲松端盖与电机壳体结合的部分，取下端盖，如下图所示。拆卸端盖（9）取下转子（见下图），用垫布保护转子，并确认转子无锈蚀、磁极无刮损或裂痕、磁极之间无裂缝、永磁体与硅钢片未脱离；取下转子取下波浪缓冲垫片（见下图），确认波浪缓冲垫片无变形、破损或断裂。取下波浪缓冲垫片（10）确认轴承运转灵活、无异物、无刮损。（11）确认定子绕组无锈迹、漆包线无破损，定子铁芯硅钢片无异物、无刮损、无锈蚀，且层间绝缘纸未破损。（12）组合使用棘轮扳手、直杆套筒扳手和套筒头，拆卸旋转变压器的固定螺栓，并取下旋转变压器，如图所示。拆卸旋转变压器（13）确认旋转变压器的密封圈及连接器密封圈的外形良好，漆包线完好，且硅钢片无变形或脱落。（14）检测旋转变压器绕组电阻：常温下，将数字万用表调至电阻挡，分别测量旋转变压器的励磁电阻、余弦电阻和正弦电阻，如下图所示。测出的励磁电阻为6.77Ω，不在标准范围内（9.5