《新能源汽车驱动电机及控制技术》 课件 2.1 驱动电机检测

新能源汽车电驱与控制技术

项目一新能源汽车高压供电控制系统

项目二新能源汽车电驱系统

项目三新能源汽车电驱控制系统

项目四新能源汽车电驱热管理系统与整车控制策略

任务一驱动电机检测

任务二变速器检测项目二

新能源汽车电驱系统一、任务引入新能源汽车作为传统燃油汽车的替代品，“三电”（即电池、电机、电控）已经成为新能源汽车的核心技术。新能源汽车电机驱动系统简称电驱。驱动电机作为新能源汽车的三大核心部件之一，相比传统工业电机，有着更高的技术要求。目前，绝大多数新能源汽车驱动电机采用永磁同步电机，异步感应电机应用较少，直流电机基本上已被淘汰，开关磁阻电机应用更少，本任务重点介绍异步感应电机和永磁同步电机。二、任务目标知识目标：掌握三相交流感应异步电机的结构原理。掌握三相交流永磁同步电机的结构原理。掌握旋转变压器的结构原理。技能目标：具有三相交流感应异步电机拆装与检修的能力。具有三相交流永磁同步电机拆装与检修的能力。具有旋变的检修能力。职业素养目标：严格执行新能源汽车检修操作规范，养成科学严谨的工作态度。养成总结训练过程和结果的习惯，为下次训练积累经验。虚心向他人学习，尊重他人劳动。养成团结协作精神。严格执行7S现场管理。三、知识空间新能源汽车电驱系统相当于传统油车的动力系统，主要由电控、电机、减速器组件、电驱冷却系统等组成，主要功能是驱动汽车行驶和能量回收。新能源汽车作为传统燃油汽车转型的替代品，主要体现在能源供给方式和驱动方式的不同，驱动电机是将电能转换成机械能为车辆行驶提供驱动力的电气装置。绝大多数混合动力汽车和纯电动汽车使用的都是永磁同步电机，其效率高达98％，只有少数混合动力汽车和纯电动汽车使用异步感应电机。异步感应电机通过部件的相对运动，利用电磁感应原理驱动转子转动；而永磁同步电机是利用定子的磁场对转子电流的作用来驱动转子转动的。1.异步感应电机的结构原理新能源汽车使用的异步感应电机，根据结构原理，其全称应为三相交流鼠笼异步感应电机。三相交流是指电源为三相交流电源而不是单相电源或直流电源，鼠笼是指其转子导体部分形似鼠笼，异步感应是指转子与定子旋转磁场之间由于存在转速差，会使转子导体产生感应电动势和感应电流。异步感应电机主要由定子和转子两部分组成。1.异步感应电机的结构原理异步感应电机结构1.1定子电机的固定部分称为定子，由定子绕组和定子铁芯组成。定子绕组由绝缘铜导线绕制而成，三个定子线圈（也称作绕组）分别称为U、V和W，三个绕组的连接端子通常命名为U1、U2、V1、V2和W1、W2。大多数新能源汽车驱动电机定子采用圆线绕组，而特斯拉驱动电机定子采用扁线绕组，目前扁线电机在国产品牌中正在普及推广。1.1定子定子圆线绕组定子扁线绕组1.1定子三个定子绕组有“△”型和“Y”型接法。定子绕组三相线圈的尾端都连接汇聚于同一点，称作中性点。因为这种类型的接法看上去与字母Y相似，此连接方式被称作星形连接或“Y”形连接。“△”型接法是三个绕组首尾相接，被称作三角形接法，不存在中性点。电机绕组的接线端通常都会固定在与电机壳体绝缘的接线板上，并且通过三相高压电缆与汽车的变频器相连。定子铁芯由薄硅钢片组装而成，用于固定定子绕组，构成定子磁路，能够增强电流的磁场。1.1定子定子绕组星形接法定子绕组三角形接法1.2转子电机中转动的部分称为转子，转子主要由转子铁芯和转子导体（即转子绕组）组成。大多数的异步感应电机使用笼型转子（形似鼠笼），由相互平行的导体和两端的短路环构成一个整体。转子导体通常由铝棒或者铜棒制成，每根导体被两端的圆环短路而互成回路。实际上，定子绕组产生旋转磁场，由于所有导体被两端的短路环短路，转子导体之间彼此互成回路，电磁感应就会使转子导体内产生感应电流，所以转子不需要电刷或者滑环将电流从外部电源引入至转子，转子转动时转子是悬浮在定子腔内的，与定子没有接触，减少了故障发生。1.2转子笼型转子1.2转子为减小磁滞损耗和涡流损耗，定子和转子铁芯都由薄硅钢片叠加而成。硅钢片属软磁性材料，剩磁非常弱，受到高温和振动易退磁，主要作用是用于构成磁路，增强电流的磁场。若利用转子的剩磁磁场来发电，其磁场强度是远远不够的，故鼠笼式异步感应电机不能直接用作发电机。1.2转子定子与转子铁芯1.3工作原理三相交流异步感应电机的工作原理可以简单归纳为四步：1）三相定子绕组接通电源后，由于三相交流电源存在120°的相位差，会在定子腔内产生一个旋转磁场；2）由于转子导体在转动过程中总是比旋转磁场慢（异步），转子导体就会切割磁感线，使得转子导体产生感应电动势；3）由于转子所有导体均被两端的圆环短路，转子导体之间彼此互成回路，所以转子导体内就会产生感应电流；4）转子导体内的感应电流受到定子旋转磁场的磁场力作用，于是旋转磁场就拉动转子转动起来。1.3工作原理驱动电机的调速、反转、扭矩等均由电机控制系统控制。电机控制器即变频器或逆变器，通过脉宽调制（PWM）实现高压直流到三相交流的电源变换，通过改变三相交流电的频率来实现电机调速，并采用矢量控制或转矩控制实现转矩控制的快速响应，满足负载变化特性的要求。新能源汽车驱动电机采用的三相交流电机并不是通过机械换相（交换电源线）的方式来实现反转控制，而是通过改变三相交流电的相位差进行换相，让定子旋转磁场反转来实现转子反转的。在定子绕组中输入三相交流电，定子绕组中的励磁电流在定子铁芯中产生旋转磁场，转子导体中就会有感应电流通过并拉动转子作旋转运动。改变定子绕组的电流的大小就能够控制电机的输出功率和扭矩。当转子带有机械负载时，转子电流会增加，由于电磁感应作用，定子绕组中的励磁电流也增加。2.永磁同步电机的结构原理永磁同步电机是目前新能源汽车广泛采用的驱动电机。永磁电机也是由转子与定子两部分组成。其定子部分结构原理与感应电机没有区别，故在此不再重述。也是由变频器提供三相交流电源，与感应电机一样属于三相交流电机的范畴，电机控制系统的结构原理也基本相同。2.1转子永磁同步电机的转子包括永磁体、转子铁芯、转轴、轴承等。根据永磁体在转子铁芯中的位置可以分为表面式（外置式）和嵌入式（内置式）。表面式的转子永磁体贴在转子圆形铁芯外侧，永磁体直接暴露在气隙磁场中，容易退磁。由于制造工艺简单、成本低，应用较广泛，尤其适宜于永磁同步电机。嵌入式的转子永磁体埋于转子铁芯内部，其表面与气隙之间有铁磁物质极靴保护，转子结构更加牢固，易于提高电动机高速旋转的安全性，目前新能源汽车驱动电机多采用嵌入式永磁同步电机。2.1转子表面式永磁转子嵌入式永磁转子2.2工作原理三相定子绕组接通三相交流电源后，会在定子腔内产生一个旋转磁场，这个旋转磁场与转子永磁体的磁场之间相互作用，会对转子产生扭矩，从而拉动转子转动起来。由于旋转磁场的磁极对数与转子磁场的磁极对数相同，电机的转动原理是由于磁场与磁场的相互吸引，永磁电机转动过程中转子的转速与旋转磁场的转速相同，此种电机为同步电机，通过控制三相交流电的频率就能精准地控制电机的转速。由此可以看出，永磁同步电机的转动原理与异步感应电机是不同的。2.2工作原理电机包括以下几种工作状态：停止工作：电机内部没有接入三相交流电，定子中无旋转磁场产生，电动机处于静止状态。正转：当转子位置确定后，通过给三相绕组提供一定相序的交流电，电机实现正转。反转：当转子位置确定后，通过改变三相绕组的相序进行供电，即可实现电机反转。改变转速：变频器通过改变供电的频率来调整电机转速。发电：车辆在制动或滑行时，永磁电动机就相当于一个三相交流发电机。转子转动提供旋转磁场，定子内的三相绕组切割磁力线就会发电，发出的电能通过电机控制器内的整流器整流，输送给动力蓄电池充电。3.旋变旋变是旋转变压器的简称，也称为旋变传感器，为磁感应型位置传感器，其主要作用是检测电机转子的磁极位置、旋转方向和转速，提供给电机控制器MCU用于驱动电机的控制，相当于传统油车的发动机曲轴位置传感器。3.旋变旋转变压器3.1旋变的结构旋变就是基于变压器原理设计的，旋变除只有转子随电机轴一起转动外，其余部分均不转动，也可称为定子。旋变定子由铁芯和绕线圈组成，铁芯也是由硅钢片叠加而成，主要作用是构成磁路；线圈包括励磁线圈、正弦线圈和余弦线圈三组线圈。励磁线圈相当于变压器初级线圈，其作用是接通一定频率的交流电流使磁路中产生交变磁通；正弦线圈和余弦线圈相当于变压器次级线圈,根据法拉第电磁感应原理，当穿过次级线圈的磁通量发生变化时，次级线圈会输出电压信号，因为转子转动时输出电压分别为正弦SIN与余弦COS波形，有90°的电角相位差，两线圈因此得名。3.1旋变的结构旋变结构原理图3.2旋变的工作原理当电机未启动旋变转子不转时，给励磁线圈输入一个固定频率（10000HZ）的交流电流，励磁线圈就会产生一个固定频率的交变磁场（这个磁场不是一个旋转的磁场，其频率不会随着转子的转动而改变），利用电磁感应原理，正弦线圈和余弦线圈分别产生与励磁线圈输入电流同相位（或反相）、同频率、幅值不变的正弦（或余弦）电压信号。因为转子并未转动，这个波形称为静态波形，可以看出，因为幅值相等，这些幅值的连线所形成的边沿线（或称为包络线）是一条平直的直线。3.2旋变的工作原理旋变静态波形3.2旋变的工作原理当电机启动旋变转子转动时，励磁线圈输入的固定频率的交流电流仍然不变，两个线圈也仍然会产生同样频率的交流电压信号，但与静态波形不同的是，两个线圈电压信号由于转子转动会导致穿过两个线圈的磁通发生了变化，导致幅值不再相等，这些幅值的连线所形成的包络线信号波形不再是一条平直的直线，也是一条正弦曲线或余弦曲线。因为转子随电机轴一起在转动，这个波形称为动态波形。3.2旋变的工作原理旋变工作波形3.3旋变的作用旋变的作用是检测电机的转速、旋转方向（正转或反转）、电机转子磁极位置，如果旋变信号失效或丢失，电机将无法启动，它相当于发动机上的曲轴位置传感器。不论转子的速度是多少，旋转的方向是哪边，旋转变压器都能精确测量电机的转子位置。4.驱动电机故障诊断与检测驱动电机的故障类型与诊断思路从以下几个方面入手：电机定子线圈阻值检查：利用毫欧表电阻档测量电机三相定子绕组之间的电阻，也叫相间电阻，来判断定子线圈的好坏。当驱动电机定子线圈阻值异常时，需要更换新定子或新电机。电机绝缘性能检查：利用绝缘表分别测量电机输入三相电引入端子对壳体之间的绝缘性能，标准值根据1伏电压大于500欧姆计算。当驱动电机的绝缘电阻异常时，需要更换新的驱动电机。4.驱动电机故障诊断与检测电机工作噪音：电机工作噪音主要分为电磁噪音和机械噪音。机械噪声可能是来自减速器、悬置，电机本体（轴承）。确定电机内部出现轴承或转子与定子摩擦，只能更换电机总成来解决。电机转速位置传感器故障诊断：出现旋变故障时，一般分为两种情况：一种是电机旋转变压器故障，另一种为控制器旋变解码电路故障。电机转速位置传感器的初始化学习：更换电机、MCU时需要进行电机转速位置传感器的初始化学习。四、任务实施1.任务准备安全防护：做好安全防护与场地隔离。工具设备：人身安全防护套装、绝缘工具套装、常规工具套装、万用表、示波器等。车辆台架：比亚迪e5驱动桥台架（行云新能INW-EV-E5-FL）。辅助资料：教材、维修手册、任务工单、记号笔。2.操作步骤注意：在操作前应首先做好场地安全防护、车辆安全防护、人身安全防护等各种防护措施，并执行进行高压下电程序，在等待5分钟后再进行动手操作。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（1）清洁并检查电驱总成外观，松开放油螺塞，用接油盘泄放变速器油。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（2）使用合适的套筒扳手拆卸电机与驱动桥总成连接螺栓，并分解电机与驱动桥总成。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（3）因转子与定子之间有很强的磁场吸引力，需使用专用工具将定子与转子分离。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（4）检查转子外观，检查电机转子轴承。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（5）检查定子外观。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（6）检查旋变信号轮外观。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（7）检查旋变定子外观。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（8）电机复装，上台架，连接好高压电路，进行复检。（9）拆下电机接线盒盖，拆掉连接器固定螺栓，拆下与电机控制器连接高压线束，检查高压线束及固定连接端子。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（10）使用毫欧表120mΩ档，分别测量各相间电阻。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（11）佩戴绝缘手套，使用兆欧表测量各绕组的绝缘阻值。1.2017款比亚迪e5驱动电机拆检（12）使用短路线将任一绕组与壳体短接进行放电。复装。1.2017款比亚迪e5