【电机产品维修维护探究：以永磁同步电机为例8600字（论文）】

电机产品维修维护研究—以永磁同步电机为例摘要永磁同步电机具有效率高、功率密度大等优点。它的动力装置在电动汽车电动驱动系统中是最有利的存在，比其他的电机更具有优势，而且还有非常广阔的用途。作为车辆，安全是一个非常重要的指标。电机是当代新能源电动汽车的主要动力源，其重点性能就是具备很高的可靠性，高效率的故障诊断系统能够保证电机在运行过程中能够安全可靠的进行，这是十分关键的。本文主要以电动汽车永磁同步电机故障诊断与维修为研究对象，重点分析电机的常见故障，总结了相应的故障排除技术和故障排除流程。电机的工作环境恶劣，运行过程中振动严重，运行温度过高不能有效散热以及与其他机械设备的安装偏差等，都是电机容易出现故障的问题。常见故障有匝间短路、转子偏心、永磁退磁等。因此，针对永磁同步电动机的常见故障及产生问题的原因进行了分析，并研究了永磁同步电动机的故障诊断方法，并由此提出了电机产品质量提升的策略。关键词：永磁同步电机；机械；电动汽车；转子目录TOC\o"1-3"\h\u3900摘要 14784Absrtact 26975目录 37489第一章引言 51751第二章电机产品维修维护的原因分析——以永磁同步电机为例 6294862.1永磁同步电机故障类别 628342.1.1电机故障 6256332.1.2电机控制器故障 742102.2电机故障分析 7225102.2.1电机过热故障现象与分析 78592.2.2电机无法转动故障现象及分析 91510第三章永磁同步电机故障排除及诊断流程 1142263.1电机过热故障诊断方法及检修 1161153.1.1定子绕组短路故障诊断及检修 11128863.1.2铁心过热故障诊断及检修 1278553.2永磁同步电机无法转动故障诊断及检修 13323173.2.1永磁同步电机无法转动故障诊断方法及检修 13109333.2.2电机控制器故障诊断及检修 1322802第四章电机产品质量提升策略 15130834.1降低损耗,提高效率 15133934.2降低振动和噪声 1517104.3提升铸铝转子质量的方式 1616840总结 1714805参考文献 19第一章引言与传统汽车相比，市场上销售的纯电动汽车具有高度集成的结构，电池包的电压幅度范围远高于行业规定的安全电压。因此，在电动汽车运行的过程中，如果发生电子电器类故障，驾驶员和乘客会因为高电压和高电流电路产生而受到生命安全与人身伤害。传统的手动维护和检测方法能适应电动汽车的高度集成，可以确保车辆的安全性。在纯电动汽车中，驱动马达是整个车辆的电源，因此，在电动汽车的诊断中，成为电动汽车故障诊断技术的关键研究项目之一。永磁同步电动机具备高工作效率效、高功率密度、低损耗等优异性能，在该阶段电动汽车的驱动系统中广泛使用。但是，由于其高度耦合性和长期工作环境的结合，故障原因伴随着多个技术水平。同时，故障现象具有特定的耦合性、随机性和不稳定性。基于以上分析，为了提高纯电动汽车的安全性和可靠性，采用纯电动汽车永磁同步电动机故障诊断为平台，列举并分析了常见的电气和机械类故障诊断功能。

第二章电机产品维修维护的原因分析——以永磁同步电机为例2.1永磁同步电机基本结构特点永磁同步电动机的特性最为突出，很容易识别出与其他电动机的区别，同时小部分的结构也与普通异步电动机相似。普通电动机的部件与永磁同步电动机的部件相似，只是电动机的转子是永磁体。其主要部件包括永磁转子、定子绕组、电机风扇、外壳等部件。异步电动机有一个非常独特的转子结构，它的质量比永磁定子的质量高得多。永磁同步电机基本结构如下图2-1所示。图2-1永磁同步电机基本结构图2.2永磁同步电机故障类别电动汽车永磁同步电机的故障主要分为电机故障和电机控制器故障。电动机是将电能转化为机械能，为车辆提供动力的关键部件。这是一种典型的机电混合动力汽车。任何系统出现故障或系统之间配合不当都会导致电机故障。因此，电机故障比其他设备的故障更复杂，电机故障诊断涉及的技术范围更广。此外，电机运行还与它的负载条件和环境因素有关，电机在不同的运行状态下，故障状态的表现是不同的，这进一步增加了电机故障诊断的难度。一般来说，电机故障可分为过热故障、机械故障、电气故障。2.2.1电机故障过热故障：当电动汽车频繁的过载，长时间大转矩输出，会使得电机的温度迅速上升从而使得温度过高长期发生此类现象会导致定子绕组间或匝间的绝缘层损坏，发生转子磁力消失故障和相间匝间短路等故障。并且还由于在恶劣的工作环境下，可能会有未知的导体异物进入电机内部，导致电机发生单相甚至多相接的故障，由于这些因素导致电机的电源电压与绕组电压不稳定，过热故障就是电源电压不稳定导致电流过大定子绕组的热量上升，同时也包括机械上的原因产生的热量导致电机过热，电机的散热系统故障也是会导致电机过热。机械故障：电动汽车中电机在开发设计的初期阶段有可能存在着设计结构或选择材料不合理，制造工艺未达标等情况，也可能电动汽车会行驶在超出预期的颠簸路段或处于一个高频率振动的工作环境中，使得电机的转子偏离平衡状态，轴承损坏弯曲，从而导致转子发生动静偏心等故障，这些故障都属于机械类故障。而机械故障方面最为常见而且最主要的有定子铁心损坏、转子铁心损坏、轴承损坏和转轴损坏，其故障原因为由振动、润滑不充分、转速过高、静载过大、过热而引起的磨损、压痕、腐蚀、电蚀和开裂等；电气方面的故障则主要是定子绕组故障与转子绕组故障，故障原因包括电动机绕组接地、短路、断路、接触不良等。电气故障：电气故障主要包括以下几类：IGBT故障、输入电源线和接地线故障、整流二极管短路、直流母线接地错误、直流侧电容短路、晶闸管短路、温度超限报警、相电流过流、过电压以及欠电压等高压电气系统故障。这些故障不会直接导致电机发生过热故障，但会影响ECU接收电机的工作信息，电机在没有ECU的控制和调整情况下工作会发生过热故障。图2-2电机过热故障图图2-3机械故障2.2.2电机控制器故障电机控制器（MCU）由变频器和控制器组成。驱动电机控制器采用三相两电平电压源逆变器。逆变器负责将动力电池输送的直流电能转化为三相交流电能，为汽车驱动电机提供动力；控制器接收驱动程序。电机等部件将信号反馈到仪器上，当制动或加速发生时，它可以控制上升和下降的频率，从而达到加速或减速的目的。电机控制器依靠内置的旋转变压器、温度传感器、电流传感器、电压传感器等提供电机的工作状态信息，并将驱动电机的运行状态信息实时发送给VCU。驱动电机系统的控制中心，又称智能功率模块，以绝缘栅双极晶体管模块（IGBT）为核心，辅以驱动集成电路和主控制集成电路，对所有输入信号进行处理，将驱动电机控制系统的运行状态信息通过网络发送给车辆控制器，并存储故障代码和数据。在电机控制器的工作环境中，由于散热设计不合理或某些电力电子元件的设计分配存在问题，导致控制器部分温度过高，工作效率降低。同时，设计阶段的额定电流整定值不满足实际要求，导致实际车辆工作状态下的实际流动电流远远大于额定值，导致过流等故障。电机控制器一旦发生故障就会导致电机无法转动，电机无法正常工作电动汽车就失去了主要动力源。2.3电机故障分析2.3.1电机过热故障现象与分析永磁同步电机发热现象：电动汽车在正常的行驶中突然加速，发动机舱盖的两边缝隙，有少许白烟冒出，接着在仪表显示灯看到电机温度异常的报警。根据以上所出现的现象可以断定是电机过热现象。引起电机过热的原因较为复杂。而发热的部位又不是单一的，其中包括：（1）定子绕组、（2）铁心、（3）机械摩擦等。而每一部分过热的原因又是多方面的，下面分别针对绕组、铁心及机械方面过热的原因，予以介绍。定子过热是永磁同步电机的常见故障，其故障原因很多，一般可以简单归结为如下三点：过载、绕组匝数不对、通风不良。定子绕组过热原因：由于绕组本身有电阻存在，当流通电流时就会发热，而这种发热与电流大小有关。正常情况下，只要电流不超过额定值，电动机的绕组就不会过热。然而若电流超过额定值就会过热。这样我们就会知道：凡是引起电流增加的原因也都是造成绕组过热的原因。引起绕组过热的原因，可从电源、电机本身及负载三方面进行分析。（1）属于电源方面的原因有：电源电压过高或过低（常见过低），熔丝熔断或刀闸接触不良等造成单相运行，使电流增加；（2）属于电动机本身的原因有：绕组断相造成单相运行；绕组发生匝间短路事故；线头接错定；转间碰擦扫腔；三相绕组星三角连接方式错误等引起电流加大；（3）属于负载方面的原因有：设备不配套，小马拉大车，负荷加大，如脱粒机、粉碎机、输送机等加工物品的喂人量过大；又如离心泵的水位升高流量加大等；再有机械本身发生故障使电动机的转速降低或摩擦力加大，或有卡滞现象等都会使电机电流变大。电动机的铁心是由相互带绝缘的硅钢片叠压而成的。电机运行时产生交变磁通在铁心中引起损耗而发热。另外它也产生电磁感应电流形成涡流而发热。具体造成铁心过热的原因为：电源电压过高磁通加大；硅钢片间绝缘受损形成匝间短路；绕组发生故障引起的过热；由于扫膛摩擦引起的过热等。主要是指轴承过热，因为它是造成机械摩擦的主要原因。轴承中的热量是由于滚珠与内外套环之间的摩擦引起的。引起过热的原因有：缺油、加油过量、油变质、有杂质、轴弯、转动轴校正不准、轴承零件磨损、电机端盖或轴承安装不当等。2.3.2电机无法转动故障现象及分析汽车在行驶过程中速度逐渐降低至车辆完全停下，同时仪表报警灯常亮还听见电机有沉闷的咔声，此时电机已经停止了工作。从故障现象和仪表报警灯上可以看出是电机无法转动故障。在正常情况下，电动机应维持额定转速运行，若转速偏低，使得转差增加，转子中感应电流增加，定子电流也增加，将使电动机明显过热。其次转速偏低将直接影响到被拖动的工作机械的正常使用，工作效率低，产品质量下降，甚至不能使用。下面对由于定子绕组匝间短路造成的电机不能启动或转速低的现象进行简单的分析。定子绕组的相间短路，将使电动机不能工作。但多数情况是：绕组中有一部分线匝短路（称为匝间短路），短路线匝不能工作。虽然电动机能启动，但输出功率下降了，电动机的转速将因匝间短路的严重程度不同相应降低。（1）绝缘受潮，对于那些长期备用的电动机，以及那些长期工作在地下坑道、水泵房等潮湿场所的电动机，容易受潮，使层间绝缘性能降低造成匝间短路。（2）绝缘老化，电动机使用时间较久或者长期过负荷，在热及电场的作用下，使绝缘逐渐老化，如分层、枯焦、皲裂、酥脆等都属于老化现象。这种劣化的绝缘材料得很低的过电压下就容易被击穿。（3）电动机长期运行时聚集灰尘过多，加上潮气的侵入，引起表面爬电而造成匝间短路。可以从测量三相空负荷电流的平衡程度及直流电阻的大小来判断。电流偏大、直流电阻偏低的相，就应该考虑属于匝间短路、确定了匝间短路故障后，还应找出匝间短路的部位。

第三章永磁同步电机故障排除及诊断流程3.1电机过热故障诊断方法及检修3.1.1定子绕组短路故障诊断及检修诊断方法：（1）外部观察法。观察接线盒、绕组端部有无烧焦，绕组过热后留下深褐色，并有臭味。（2）探温检查法。空载运行20分钟（发现异常时应马上停止），用手背摸绕组各部分是否超过正常温度。（3）通电实验法。用电流表测量，若某相电流过大，说明该相有短路处。（4）电桥检查。测量个绕组直流电阻，一般相差不应超过5%以上，如超过，则电阻小的一相有短路故障。（5）短路侦察器法。被测绕组有短路，则钢片就会产生振动。（6）万用表或兆欧表法。测任意两相绕组相间的绝缘电阻，若读数极小或为零，说明该二相绕组相间有短路。（7）电压降法。把三绕组串联后通入低压安全交流电，测的读书小的一组有短路故障。（8）电流法。电机空载运行，先测量三相电流，在调换两相测量并对比，若不随电源调换而改变，较大电流的一相绕组有短路。短路处理方法：（1）短路点在端部。可用绝缘材料将短路点隔开，也可重包绝缘线，再上漆重烘干。（2）短路在线槽内。将其软化后，找出短路点修复，重新放入线槽后，再上漆烘干。（3）对短路线匝少于1/12的每相绕组，串联匝数时切断全部短路线，将导通部分连接，形成闭合回路，供应急使用。（4）绕组短路点匝数超过1/12时，要全部拆除重绕。定子绕组接错故障诊断方法及检修：（1）滚珠法。如滚珠沿定子内圆周表面旋转滚动，说明正确，否则绕组有接错现象。（2）指南针法。如果绕组没有接错，则在一相绕组中，指南针经过相邻得极（相）组时，所指的极性应相反，在三相绕组中相邻的不同相的极（相）组也相反；如极性方向不变时，说明有一极（相）组反接；若指向不定，则相组内有反接的线圈。（3）万用表电压法。按接线图，如果两次测量电压表均无指示，或一次有读数、一次没有读数，说明绕组有接反处。（4）常见的还有干电池法、毫安表剩磁法、电动机转向法等。处理方法：（1）一个线圈或线圈组接反，则空载电流有较大的不平衡，应进厂返修。（2）引出线错误的应正确判断首尾后重新连接。（3）减压启动接错的应对照接线图或原理图，认真校对重新接线。（4）新电机下线或重接新绕组后接线错误的，应送厂返修。（5）定子绕组一相接反时，接反的一相电流特别大，可根据这个特点查找故障并进行维修。（6）把“Y”型接成“△”型或匝数不够，则空载电流大，应及时更正。通过以上定子过热故障的诊断方法及检修，基本可以排除定子过热现象的故障，定子过热故障诊断流程图如下图3-1所示。图3-1定子温度异常故障诊断流程图3.1.2铁心过热故障诊断及检修绕组发生相间短路或接地短路故障时产生的电弧，出现这样的情况就对铁心进行外部检查，把铁心表面的水和灰尘杂质都清洗掉，再对铁心进行烘干处理。检查铁心绝缘层是否老化或出现掉漆等现象，对铁心绝缘层进行补漆或更换绝缘层。如果烧坏面积不大，则可以不拆散铁芯进行修理，先用锉刀、凿子、砂轮等工具将铁芯局部烧坏的地方铲平或修平，再用小刀将硅钢片逐片剔开，在铁芯表面涂一层自干绝缘漆，再将铁芯压紧即可。如果烧坏面积很大，则应该更换铁芯或更换损坏的冲片。检查电源电压是否稳定，找出电源电压不稳定的原因，进行修复。检查电路接口、开关、接线柱是否有短路的现象，对相应的故障现象进行维修。如故障还未排除就拆开绕组铁心，对绕组进行调整更换绕组。铁心故障诊断流程图如下图3-2所示。图3-2铁心过热故障诊断流程图3.2永磁同步电机无法转动故障诊断及检修3.2.1永磁同步电机无法转动故障诊断方法及检修故障诊断流程：检查电源电压；检查电源回路开关，熔丝、接线盒处是否有断点；检查熔丝型号、熔断原因，更换熔丝；调节继电器整定值与电动机配合；改正接线；查出断点进行修复；检查绕组极性，判断绕组末端是否正确；紧固松动的接线螺丝，用万用表判断各接头是否假接，进行修复；恢复正确匝数。排除匝间故障检查绝缘层是否损坏，产生匝间短路故障，对绝缘层进行清洗烘干处理重涂油漆，故障诊断流程图如下图3-3和3-4所示。图3-3电机无法转动故障诊断流程图图3-4匝间故障诊断流程图3.2.2电机控制器故障诊断及检修控制器的检测：在进行电动汽车检测时，一般使用一些专用的检测仪，如绿盟牌LY-2型无刷电动汽车综合检测仪。不同的仪器，有不同的操作方法，使用时需仔细阅读其说明书。下面即以LY-2型无刷电动汽车综合检测仪为例，说明电动汽车电动机控制器。（1）连接控制器：①将仪器中的「控制转把（加速踏板）线」和控制器转把（加速踏板）线连接。②将仪器中的「控制器霍尔线」和控制器霍尔线连接。③将仪器中的「电动机控制器公用线」和控制器三根相线连接。④将仪器中的「控制器电源」和控制器供电电源连接（注意正负极）。⑤将充电器插孔插到「充电器插座」上（应采用与被测控制器电压相符的电动汽车充电器）。（2）控制器检测：①确认控制器与检测仪连接正确后接通充电器电源，这时观察面板中「控制器5V」灯是否点亮，若不亮可断定控制器没有5V输出电压，说明控制器损坏。若「控制器5V」灯有规律地闪烁，则可断定控制器5V输出正常，可进行下一步操作。②调节仪器面板，上的控制器转把（加速踏板）调节旋钮。顺时针慢慢旋转，这时观察检测仪面板左侧HA、黄、HB、绿、HC、蓝6个灯是否交替闪亮，若都不亮，说明控制器已经损坏；若一组灯不亮，则说明控制器上与此组灯对应的相线没有输出（仪器引出线和面板，所标颜色相对应），需要检修控制器对应部分（通常为MOS管损坏）；若三组灯交替闪烁，则要看其亮度是否随面板调节旋钮的转动有所变化，如果有变化则正常，如果无变化则为控制器控制部分失控。

第四章电机产品质量提升策略4.1降低损耗，提高效率效率是电机的一个重要性能质量，它的高低取决于运行时电机所产生的损耗。电机的损耗包括铜损、铁损、杂散损耗和机械损耗。降低损耗、提高效率的方法有：（1）降低1次、2次铜损：采用低铁损、高磁密铁心材料，采用专用绕线机尽可能实现槽内电线充填量的高密度化、改变绕组型式、尽力缩短电线长度及线圈端部长度等。（2）降低铁损：采用高密度低铁损材料。（3）降低杂散损耗：采用谐波含量较少的各种定子绕组型式；采用近槽配合、斜槽同时注意改进转子铸造，以增大导条和铁心间接触电阻。（4）降低机械损耗：缩小风扇；改善空气的循环通路；采用优质低摩擦轴承。4.2降低振动和噪声噪声被列为衡量电机质量的一项重要指标，成为影响其在市场上竞争的一个重要因素。电机噪声包括电磁噪声、机械噪声和通风噪声。要提高电机产品的质量，必须降低电机的各种噪声。其方法有：（1）定、转子槽配合选择合适的定、转子槽配合可避开低阶径向电磁力波，对电机的振动噪声、温升及起动性能均有较大的影响。如某厂生产的200kW-4P电机，槽配合为72/64，生产多年，有时出现电磁噪声，但有一批电机出现了较高的电磁噪声，后来把转子槽数改为63，取得极佳效果。（2）转子槽扭斜使各次谐波有一个衰减的斜槽系数，其磁势和磁导齿谐波所产生的径向力比直槽情况下小得多，除了可以改善电机的工作特性、起动性能外，同样可降低电磁噪声。某厂生产的YKK560-8P630kW电动机，测噪声为107dB，电磁设计槽配合为72/86，转子未扭斜，后将转子槽数改为56，并扭斜一个定子齿距，经试验，电机噪声降低了9dB，成为低噪声电机。（3）适当加大气隙并采用磁性槽泥。（4）采用适当尺寸的风扇，包括选择风扇的结构形式；加消音罩是降低通风噪声的重要措施。如某厂生产的YB400-2P250kW电动机冷却方式为IC411，后将外风扇改为轴流式并加导风措施，噪声降低5dB。（5）选用轻系列轴承，在轴承室内轴承两侧加若干弹簧以防止电机产生轴向串动，而且非轴伸端的轴承要小于轴伸端的轴承，可有效降低机械噪声。4.3提升铸铝转子质量的方式铸铝转子的质量对电机的起动性能和运行影响很大，有些铸铝质量问题是铸铝工艺方法本身决定的，但大部分的铸铝缺陷是操作方法失误，工艺参数不当和模具结构不良造成。常见的缺陷有气孔、冷隔、裂纹、变形和印痕。可采用以下排除措施。（1）排除气孔的措施：尽量消除气体的来源，使气体减至最少；设置好的排气系统，加强模具的排气，定期清理气道，保证畅通；适当减小充型速度。（2）排除冷隔的措施：适当提高充型速度，保持压铸过程排气顺利；控制造中的浇注温度和模具温度。（3）排除裂纹的措施：改进浇注系统的设计，改善铸件的设计，使壁厚尽可能均匀，两壁交角设计成适当的圆角；浇口切除时尽可能不使铸件受到剧烈的碰撞和打击；规范操作工艺，防止冷模铸等。（4）排除变形和印痕：改善模具结构和铸件的设计；合理选择浇注系统；模具使用一段时间后及时检修；采用高性能的涂料。

总结本文以某公司研制的“电动汽车永磁同步电机故障诊断”为基础，对其驱动电机模块的故障诊断作为主要研究内容，主要进行了以下几部分的研究工作：（1）分析永磁同步电机的体系结构以及网络信息传输中的作用功能，同时研究永磁同步电机控制器的控制策略方式来制定其工作中的逻辑状态并为永磁同步电机划分符合逻辑的故障状态等级和处理策略，之后对驱动电机部分的常见故障类型制定相应的故障处理措施。（2）针对电动