一种新能源汽车电机综合性能测试系统

李 胜，路国卫，卢剑剑，郎向荣，朱 庆，王江峰

（1.浙江集衡信息科技有限公司；2.杭州威衡科技有限公司，浙江 杭州 311113）

1 目标

为解决新能源汽车电机研发生产过程中电机品质性能的品控问题，明确研发改进的方向，本文设计一套新能源汽车电机综合性能测试系统，可在电机研发生产过程中对电机定转子的性能进行测试，在电机装配成品前对电机定转子性能品质进行判断，提前找到产品的研制改良方向。开发的测试系统根据相关国家标准及行业标准设计，对被测电机可实现精准测量、记录各项测试数据，在PC端实时显示并完成数据处理，生成报表及各种曲线，全面分析电机及控制器的特性及效能。该系统以精度高、重复性好、运行稳定性强、并行效率高、使用寿命长、工作简便为目标，能对新能源汽车电机进行空载特性、负载特性试验。

2 测试系统的总体设计

该系统分机械测试台架部分、电气测控部分以及软件测控部分三大模块进行设计。为实现系统的数字化、智能化等特点，对系统中的三大模块需做出具体要求。其中机械台架部分需满足测试产品上下线的快捷性，在测试过程中需满足测试的稳定性，其中对测试产品的快速装夹，测试过程中的台架振动、散热需求及物理防护等问题都要在设计过程中解决；电气控制模块需精度高、灵敏度好、控制稳定，在测试过程中能保障系统的长久可靠运行，在紧急情况能一键制动保障人员及设备的安全。软件模块可自由设定测试模式、测试条件，并能以报表、图形、曲线等形式实时显示并分析测试数据，测试结果需实时存储，避免系统断电导致测试结果丢失。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

3 测试系统机械台架设计

根据测试系统目标要求进行机械台架设计。设计的台架需具备稳定性好、振动小、安全防护高、操作便捷等特性。首先，为解决台架的稳定性和振动等问题，应在设计中尽量将设备的整体重心做低，台架质量可适当加大。在设计中，通过有限元分析，计算出台架的各阶振动点，使系统的工作状态涉及到的速度区间尽量避开各阶振动点。其次，测试产品的快速装夹拆卸能力，是台架设计中的一个重点，对各类型的电机应分别考虑其最优且可靠的装夹方式。本文根据新能源汽车电机定转子的结构特点进行快速装夹设计，经过以上考虑和分析，测试系统机械台架如图2所示。

图2 系统机械台架结构图

其中负载伺服电机、高精度转速转矩传感器与被测电机通过工装夹具固定在测试平台上，通过联轴器将其互相连接，搭建出一个可靠稳定的测试台架。

3.1 电机快速装夹的设计

为减轻测试人员的操作强度，测试产品上下线的便捷性是衡量系统台架设计部分优劣的一大重要指标。电机在组装成品前无机壳的情况下要完成快速装夹测试，本系统利用线性滑轨的高精度特性及精密加工保证各部件的精度设计了一套组合夹具。其结构如图3所示。该组合夹具包含：定子固定工装、前端盖、轴承座、气动三爪卡盘、后端盖、线性滑轨及其紧固工装等。定子固定工装内加工有一专用铜套，用以固定测试电机定子，铜套两侧有定位键，联合顶部的螺旋固定机构将测试电机定子牢固可靠地固定在定子固定工装内；测试电机转子固定在前端轴承座和前机盖伸出的定制轴上，滑动定子固定工装和后端盖到测试位置，将两侧的手柄螺栓紧固，装夹结束。

图3 快速装夹组合夹具

3.2 电机测试散热系统的设计

在设备运行过程中，电机产生的热量超过一定程度会影响测试结果，甚至损坏设备，因此需对设备的散热系统进行评估判定。在定子固定工装侧边贴上热电偶，通过温度采集仪显示测试电机实时温度，经过上位机分析处理，在达到一定温度后系统自动开启冷风机。机械部分中对电机快速装夹组合夹具进行了通风管道的设计，系统外部冷风机通风软管接入后端盖中预留的软管接入孔，风从后端盖流过定子工装经过前端盖设计的缺口中流出，从而达到电机降温的效果。通风管道设计如图4所示。

图4 通风管道设计结构图

3.3 任意角度堵转的设计

在堵转测试中，为解决堵转角度固定、单一问题，本系统引进气动三爪卡盘，可配合角度编码器共同使用。在测试过程中，通过系统控制，可在任意角度进行机械堵转，从而得到更准确的堵转性能数据。

4 测试系统电气控制设计

该系统设计了3个机柜用以完成测控功能，变频柜中设计了滤波模块、整流模块、电机驱动模块、制动单元等；信息采集柜用以放置系统测试中涉及到的仪器仪表，实现被测电机采集、转速转矩采集、NI机箱采集控制等；操作台放置工控机、电脑、PLC回路，对整个系统进行操作控制，并对变频柜及信息采集柜输入的信息通过定制的软件分析，实时显示测试结果。系统设备布局图如图5所示，图6为操作柜的控制显示面板。

图5 系统布局图

图6 操作柜控制面板

系统采用PLC集中控制处理，可对负载快速控制；能够通过PLC转换变频器工作模式，四象限运行，驱动、加载可逆，恒转或恒扭控制任意切换；转速转矩通过PLC高速计数通道测试，经过中断信号同步采集扭矩转速信号，可以减少功率计算时的测量误差；同时PLC对设备电器运行监控，出现故障设备或超速、超扭时，限制设备运行，停机并发出声光报警。系统PLC回路如图7所示。

图7 PLC回路

5 测试系统软件设计

在工业测量控制系统开发中，LabVIEW程序开发具有非常大的优势，该系统程序使用NI公司的LabVIEW语言编写，实现系统的测试测量、控制及仿真分析。开发的软件由系统管理、参数控制、数据采集、数据加工四大功能组成，系统软件功能如图8所示。

图8 软件功能图

系统管理模块可在软件设置界面完成测量参数的名称、单位等参数的设置工作，并可对外部设备进行管理。参数控制可完成测试过程的控制以及测量参数的控制，并可进行测试过程中报警参数设置。自动测试软件设置界面如图9所示。

图9 自动测试参数设置界面

系统通过数据加工模块将各个独立测量的数据结合起来，通过软件设计的数据分析功能，实时显示试验结果。数据显示有多种可选方式，数字显示、实时曲线、历史曲线分别体现被试产品不同状态下的变化情况。再由数据记录功能将试验测量值记录在设定好的数据库中。软件测试界面如图10所示。

图10 软件测试界面

通过机械台架设计、测控系统电气设计及软件设计，完成了本次系统的设计工作。

6 结语

通过对新能源汽车电机结构特点的分析，根据相关国家标准及行业标准设计的新能源汽车电机综合性能测试系统，能够在电机研制过程中提前检测出电机定转子的性能品质，使电机研发生产过程变得可靠可控，并实现了测试平台的数字化、智能化，测试操作简单，测试结果可靠，完成了既定目标。该系统的成功研制，对新能源汽车电机设计要求、品质的优劣提供了理论依据，使产品的研发生产有了改进的目标和方向。