电动汽车用永磁同步电机的故障诊断及处理

马子超

摘 要： 永磁同步电机是当前电动汽车驱动系统的重要组成部分，其凭借着高功率、高效率等优势具有广阔的使用前景。作为交通工具，汽车的安全性指标十分重要，而电机是电动汽车主要动力，其可靠性十分重要。而故障诊断系统质量能够为电机安全可靠运行提供保障。基于此，本文就电动汽车用永磁同步电机故障诊断和处理展开研究，首先介绍了永磁同步电机故障诊断技术，其次对其故障诊断和处理进行了深入分析，以期能够使电动汽车稳定运行。

关键词： 电动汽车;永磁同步电机;故障诊断;故障处理

【中图分类号】TM921     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.182

近年来，环境污染和能源紧缺现象越发严重，世界各国越发重视这一问题。为践行节能环保理念，电动汽车被各国政府所重视，其已经成为汽车行业未来的发展方向。作为电动汽车的主要动力，电机驱动系统安全性对于车辆本身的可靠性以及安全性具有重要影响，其对电动企业的发展也产生着制约作用。一旦电机驱动系统出现故障，就会导致电动汽车受到影响，甚至会导致严重的事故。因此，在发展电动汽车时，必须要完善电机驱动系统故障诊断技术，进而保证电动汽车能够安全运行。

1 永磁同步电机故障诊断技术

电机故障检测研究中，其在感应电机、大电机故障方面的研究比较多，在永磁同步电机故障诊断的研究比较少。对于永磁同步电机故障的诊断可以采用信号处理和人工智能等方面进行检车。采用信号处理法，例如针对永磁同步电机定子融租匝间短路故障，可以采用高频谐波注入法对电机进行在线检测，该检测方法是在电机中注入高频三相电压，其会在定子绕组中产生正向旋转高频正序电流以及逆序旋转高频负序电流，之后对比电机故障和正常状态下的高频负序电流，通过二者差值对该故障进行检测，效果比较好[1]。采用人工智能法，例如对推进系统故障检测，通过故障树分析法对故障进行分析，其在故障诊断上会建立专家数据库以及推理机。再比如，通过人工神经网络对电机故障进行检测，将负序电流和多层神经网络结合起来预测电机电流，得到预测电流与实际电流之差，进而判断电机故障。

2 电动汽车用永磁同步电机故障诊断和处理

永磁同步电机的常见故障就是杂件短路，其产生原因多，一般是由于电机长时间处于高溫潮湿状态中，或是启动过程中匝间绝缘过电压等等都会导致永磁同步电机发生故障。为了检测电机故障，先要了解系统运行情况后再制定诊断方法。

2.1 退磁故障

永磁电机相较于交流感应电机而言，其劣势在于永磁体失磁。电驱绕组导致的磁场或是涡流导致的温度上升会导致永磁体失磁，进而对电机性能产生严重影响。汽车散热条件有限，电机工作环境温度比较高，但是钕铁硼永磁材料内部温度比较低，温度不够稳定，不可逆损失以及温度系数较高，导致高温状态下的磁损更为严重，进而引发不可逆的失磁现象[2]。电驱动系统中的永磁同步电机功率密度高，极易发热，导致温度过高，产生失磁故障。故障状态中，电流突增，产生退磁现象，永磁体工作点会逐渐专业到退磁曲线膝点部位，导致不可逆的失磁现象。永磁体失磁引发电机无功电流扩大，效率也会降低，过热且转矩性能下降，对整车性能产生不良影响，甚至会导致电机报废。

2.2 偏心故障

永磁同步电机故障产生的原因比较多，但是基本是由电气和机械耦合导致的。电位驱动力汽车电机不是独立安装的，其不仅在车身外固定，还与发动机、变速强等装置耦合。因此，一旦彼此之间出现偏差，或是运行时受到震动都会熬制电机偏心。此外，车子爬坡时，电机输出转矩大电流也会导致绕组变形，进而引发铁芯震动，导致转子偏心。气隙磁场反映了转子偏心故障，因此在定子上安装检测线圈，能够诊断这些故障。转子偏心故障存在动态、静态以及混合三种偏心类型。导致静态偏心的原因就是定转子定位不准，或是铁芯呈现椭圆状。动态偏心是由于轴承损坏、机械共振导致的[3]。静态偏心使定子和转子间气隙产生变化，转子会逐渐向定子方向偏移，该气隙偏心在某位置上固定，不会随着转子旋转二出现变化。动态偏心中，转子旋转中心无偏移现象，因此，转子会随着气隙偏心二逐渐转动。这两种故障能够同时存在。对此，可以将探测线圈放入气隙中，一了解电动势，进而明确气隙的磁场变化。

2.3 匝间短路故障

匝间短路故障就是负序电流的体现，电机匝间短路故障中，三相绕组会出现由短路电流构成的脉振磁场所感应到的逆向旋转磁动势，引发的负序电流会导致三项电流不平衡。负序电流形成的原因比较多，导致其检测困难，有些方法的误差比较大，需要予以补偿。在电动汽车驱动系统中，负序电流检测方法比较简单，先时提取故障信号，逆变器会向驱动电机供电，三相电压不会有明显的不平衡，也不会导致控制单元负担过重[4]。

2.4 定子故障

电动汽车的电机工况复杂，暂态下工作并不稳定，传统匝间短路的检测方法主要用于稳定状态下的运行电流分析，实际上，电机转速以及转矩常常改变。汽车运行震动会导致气隙发生变化，进而引发定子电流变化，进而使传统检测法无法在电动汽车中应用[5]。此外，电机系统中的控制单元和传感运行速度十分有限，在成本基础上，其会对故障诊断工作产生影响。

结束语：通过对电动汽车永磁同步电机故障和诊断技术的分析，为电动汽车的发展提供了参考。由于电动汽车工况复杂，对此，需要采用在线和离线结合的方法诊断电机匝间短路故障，并利用探测线圈法对电机偏心故障进行诊断。针对退磁故障，在矢量控制法下，对交轴电压和电机转速进行检测，进而针对该故障。该方法比较适合应用在电动汽车故障检测中。

参考文献

[1] 叶天华，王京，杨欢，等.基于矢量控制的电动汽车用永磁同步电机系统研究[J].轻工机械，2018，36（002）：48-55.

[2] 陈安，王晗.电动汽车永磁同步电机无传感器FOC-DTC混合控制系统[J].湘潭大学自科学报，2018，v.40;No.144（01）：123-126.

[3] 陆海斌，钱胜，柴召亮.电动汽车用永磁同步电机优化设计[J].汽车电器，2019，369（05）：19-22.

[4] 姚学松，陶文勇.某款电动汽车驱动用永磁同步电机噪声分析[J].电子产品世界，2019，026（012）：74-77.

[5] 李红梅，陈涛，姚宏洋.电动汽车PMSM退磁故障机理、诊断及发展[J].电工技术学报，2013.