李廣林，王 斌，柳振方，李天文，馬 琳，李 躍，劉中華

(首鋼智新遷安電磁材料有限公司，遷安， 0644001)

0 引 言

驅(qū)動電機(jī)作為新能源汽車的源動力，其輸出性能指標(biāo)直接關(guān)系到新能源汽車的續(xù)航里程和動力性能。在新能源汽車驅(qū)動電機(jī)研發(fā)過程中，為了準(zhǔn)確評估驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計方案、材料選型或制作工藝的優(yōu)劣勢，對驅(qū)動電機(jī)的輸出性能進(jìn)行精確測試顯得尤為重要。

為更好地研發(fā)新能源汽車驅(qū)動電機(jī)以及匹配新能源汽車動力性能，廣大的科研機(jī)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)及新能源汽車廠陸續(xù)都建立了新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試系統(tǒng)。目前，已有大量的科研工作者和從業(yè)者發(fā)表過有關(guān)新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試系統(tǒng)的文章，如文獻(xiàn)[1-8]提出了新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試系統(tǒng)架構(gòu)組成，文獻(xiàn)[9-10]對電動汽車臺架試驗項目和方法進(jìn)行介紹，并對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，提出相應(yīng)診斷措施和解決方案，文獻(xiàn)[11]對電動汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)及測試存在的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[12-14]介紹了不同效率測定的硬件系統(tǒng)和測試方法。但經(jīng)過調(diào)研，目前介紹新能源汽車驅(qū)動電機(jī)性能測試精度相關(guān)的課題相對較少。

本文基于首鋼新能源汽車驅(qū)動電機(jī)實驗室的測試條件，從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測6個方面，對可能影響新能源汽車驅(qū)動電機(jī)性能測試精度的因素進(jìn)行梳理和分析，并給出提升新能源汽車驅(qū)動電機(jī)性能測試精度的建議。

1 新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試條件

首鋼新能源汽車驅(qū)動電機(jī)實驗室引進(jìn)奧地利李斯特AVL的設(shè)備和系統(tǒng)，配置有電池模擬器、濕熱環(huán)境倉、電機(jī)和控制器雙路溫控單元、冷凍水機(jī)組以及用于被試電機(jī)振動監(jiān)測的三方向振動傳感器，關(guān)鍵測試儀器均選用行業(yè)內(nèi)認(rèn)可度較高的品牌和型號，例如：功率分析選用日本橫河WT3000E，扭矩傳感器選用德國HBM T40B，電流霍爾傳感器選用瑞士LEM IT 700-S。該新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試系統(tǒng)基本參數(shù)如表1所示。

表1 新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試系統(tǒng)基本參數(shù)

此外，配置的AVL測試系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集到測試間的狀態(tài)、測試設(shè)備的狀態(tài)以及被試電機(jī)和控制器的參數(shù)，并支持通過編制自動測試程序，實現(xiàn)無人值守的自動測試電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性以及效率、振動等指標(biāo)參數(shù)。為了防止測功機(jī)變頻柜和電池模擬器所具有的強(qiáng)電對于被試電機(jī)控制信號、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等弱電信號采集和傳輸?shù)母蓴_，以及為了營造一個良好的測試操作環(huán)境，該實驗室在布局上劃分為設(shè)備間、測試間和控制間，測試間如圖1所示。

圖1 實驗室測試間

首鋼的這套新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試臺架具有較好的軟硬件測試條件和環(huán)境，為新能源汽車驅(qū)動電機(jī)高精度測試提供了良好的基礎(chǔ)條件。

2 驅(qū)動電機(jī)性能測試精度影響因素分析和建議

2.1 人為因素分析和建議

隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試系統(tǒng)的自動化程度逐漸提高，目前大部分的測試系統(tǒng)均支持自動測試電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性以及效率、振動等指標(biāo)參數(shù)。但是在驅(qū)動電機(jī)的整個測試過程中，仍舊存在一些環(huán)節(jié)需要人工來完成。這些由人工來完成的環(huán)節(jié)就可能會存在人為因素，對最終測試結(jié)果造成干擾。

2.1.1 手動安裝驅(qū)動電機(jī)至測試臺架環(huán)節(jié)

目前，驅(qū)動電機(jī)往測試臺架上進(jìn)行對中和安裝環(huán)節(jié)，還必須是人工手動進(jìn)行，手動將驅(qū)動電機(jī)安裝到測試臺架的示意圖如圖2所示。如操作人員未能以正確的方式進(jìn)行安裝，使得電機(jī)與法蘭盤之間或法蘭盤與測試臺架之間未能牢固連接，則可能導(dǎo)致測試過程中驅(qū)動電機(jī)的振動值偏大。

圖2 測試臺架安裝驅(qū)動電機(jī)示意圖

建議操作人員嚴(yán)格按照對角緊固螺栓、打力矩等適當(dāng)方式，將驅(qū)動電機(jī)通過法蘭盤牢固地安裝在測試臺架上，從而提升驅(qū)動電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載時的振動值檢測精度。

2.1.2 手動標(biāo)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩點最優(yōu)參數(shù)環(huán)節(jié)

為了能夠挖掘出驅(qū)動電機(jī)在整個轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最佳性能，通常需要按照指定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩間隔來標(biāo)定驅(qū)動電機(jī)的最佳參數(shù)，目前這項工作通常需要人工手動來完成。而該工作比較繁瑣，通常需要反復(fù)試驗多組參數(shù)才可能鎖定，使得指定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩點的性能達(dá)到最佳，并且還需要人工確認(rèn)電機(jī)繞組溫度基本一致的前提下來標(biāo)定參數(shù)。如操作人員匆忙或缺乏耐心、責(zé)任心，則比較容易出現(xiàn)未標(biāo)定出最佳參數(shù)的現(xiàn)象。

建議針對手動標(biāo)定過程，制定明確的所要標(biāo)定最佳參數(shù)的辨識標(biāo)準(zhǔn)，并建立一定的監(jiān)督管理機(jī)制，操作人員能夠嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)完成各轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩點的最佳參數(shù)標(biāo)定。

2.2 設(shè)備因素分析和建議

新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試系統(tǒng)中，能夠影響測試精度的設(shè)備主要包括：與電機(jī)冷卻相關(guān)的水溫和水流量控制設(shè)備和儀器，涉及溫控單元、電磁流量計和壓力表，與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電參數(shù)檢測相關(guān)的扭矩傳感器、功率分析儀、霍爾傳感器、振動傳感器。這些設(shè)備和儀表的運行狀態(tài)會直接影響到驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、效率以及振動等性能的測試精度。

因此，針對以上提到的設(shè)備和儀器儀表，在測試過程中，建議通過在系統(tǒng)中監(jiān)控水溫和水流量，監(jiān)控溫控單元、電磁流量計和壓力表的狀態(tài)；并建議對扭矩傳感器、功率分析儀、霍爾傳感器、振動傳感器等儀器儀表，定期使用標(biāo)樣進(jìn)行期間核查以及委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3 來料因素分析和建議

2.3.1 轉(zhuǎn)接工裝

如上文所述，需要使用法蘭盤將驅(qū)動電機(jī)固定在測試臺架上，同時還需要轉(zhuǎn)接軸將驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與測功機(jī)的轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接，轉(zhuǎn)接工裝示意圖如圖3所示。如果法蘭盤和轉(zhuǎn)接軸存在問題，將使得驅(qū)動電機(jī)無法牢固地固定在測試臺架上，同時也可能因轉(zhuǎn)接軸與兩側(cè)的接口之間不匹配而出現(xiàn)頂軸或軸向竄動的現(xiàn)象，進(jìn)而可能導(dǎo)致測試過程中驅(qū)動電機(jī)的振動值偏大。

圖3 轉(zhuǎn)接工裝示意圖

建議在正式安裝驅(qū)動電機(jī)和測試之前，嚴(yán)格對驅(qū)動電機(jī)及其轉(zhuǎn)接工裝進(jìn)行尺寸校核和上機(jī)匹配，從而避免驅(qū)動電機(jī)的測試結(jié)果受到影響，以及避免出現(xiàn)損壞設(shè)備的現(xiàn)象。

2.3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器

新能源汽車的驅(qū)動電機(jī)大部分采用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，配置有檢測轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器具有定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通常情況下，旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子采用過盈配合或者鍵槽緊配的方式固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。

如果采用過盈配合方式，建議過盈量應(yīng)足夠大；如果過盈量偏小，則在電機(jī)出現(xiàn)過速、強(qiáng)沖擊、振動等異?，F(xiàn)象時，旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置可能會隨測試過程的進(jìn)行而出現(xiàn)移位現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致驅(qū)動電機(jī)的測試精度變差。

建議盡量采用鍵槽緊配的方式，將旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子牢固地約束在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，能夠有效地防止因旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置出現(xiàn)移位而影響驅(qū)動電機(jī)的測試精度。

2.4 方法因素分析和建議

前面指出，如操作人員未能以正確的方式進(jìn)行安裝，則可能導(dǎo)致測試過程中驅(qū)動電機(jī)的振動值偏大。因此，正確的安裝驅(qū)動電機(jī)的方法非常關(guān)鍵，建議如下：

首先，需要用在圓周方向均勻分布的螺栓將驅(qū)動電機(jī)出軸端的端面與法蘭盤連接在一起，螺栓數(shù)量通常為12、10、8或4，在此過程中，需要依據(jù)螺栓的型號來確定采用的最大扭矩，然后以二分之一扭矩和最大扭矩兩輪次，并采用對角打扭矩的方式緊固螺栓。其次，用在圓周方向均勻分布的螺栓將帶一端與驅(qū)動電機(jī)連接的法蘭盤與測試臺架接口相連接，螺栓數(shù)量通常為16、12、10或8，在此過程中，需要依據(jù)螺栓的型號來確定采用的最大扭矩，然后以三分之一扭矩、三分之二扭矩和最大扭矩三輪次，并采用對角打扭矩的方式緊固螺栓。經(jīng)過以上兩個步驟，將驅(qū)動電機(jī)牢固地安裝到測試臺架上。

2.5 環(huán)境因素分析和建議

驅(qū)動電機(jī)試驗時的環(huán)境溫度和濕度會影響到驅(qū)動電機(jī)的散熱效果，進(jìn)而影響到驅(qū)動電機(jī)的繞組、鐵心以及永磁體的溫升大小，最終影響到驅(qū)動電機(jī)的測試精度。國標(biāo)GB/T 18 488.2-2015《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第2部分試驗方法》[15]中對試驗環(huán)境條件進(jìn)行了明確規(guī)定：溫度：18 ℃～28 ℃；相對濕度：45%～75%。

因此，建議在新能源汽車驅(qū)動電機(jī)實驗室，配置可將測試環(huán)境調(diào)控到上述溫度和濕度指標(biāo)要求的空調(diào)和加濕器。

2.6 轉(zhuǎn)矩零漂影響因素和建議

驅(qū)動電機(jī)試驗時，由于電機(jī)自身機(jī)械、電磁因素，或測試臺架的機(jī)械、轉(zhuǎn)矩傳感器等因素的影響，使得電機(jī)在斷開三相動力線的情況下，測試臺架的轉(zhuǎn)矩傳感器也顯示一定的轉(zhuǎn)矩數(shù)值，這種現(xiàn)象稱為電機(jī)轉(zhuǎn)矩零漂，會使得電機(jī)各轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩、功率和效率發(fā)生偏差。因此，有必要對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行零漂修正，修正方法如下：

將驅(qū)動電機(jī)的三相動力線斷開，在規(guī)劃的各個測試效率的轉(zhuǎn)速點，利用測試臺架對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行反拖，測試各個測試效率的轉(zhuǎn)速點的正反轉(zhuǎn)的拖拽轉(zhuǎn)矩，并計算各轉(zhuǎn)速點的零漂轉(zhuǎn)矩T0：

T0= (T++T-)/2

式中:T+、T-分別為正轉(zhuǎn)拖拽轉(zhuǎn)矩和反轉(zhuǎn)拖拽轉(zhuǎn)矩。則修正后的轉(zhuǎn)矩和功率：

Tad=T-T0
Pad=Tadω/ 9 550

式中:ω、T為電機(jī)測試系統(tǒng)測量的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

2.7 線損影響因素和建議

驅(qū)動電機(jī)試驗時，由于空間布置的限制或需要，直流母線以及三相動力線通常具有一定的長度，進(jìn)而產(chǎn)生一定的線路損耗，簡稱線損，會影響到系統(tǒng)效率和控制器效率的計算。線損的計算方法：

pAC三相線=3I2ACR三相線

式中：R母線、R三相線分別為母線和三相線的電阻；IDC、IAC分別為母線直流電流值和三相線的交流電流有效值；pDC母線、pAC母線分別為母線和三相線的線損。

3 結(jié) 語

本文基于首鋼新能源汽車驅(qū)動電機(jī)實驗室的測試條件和實踐，從安裝驅(qū)動電機(jī)至測試臺架環(huán)節(jié)、標(biāo)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩點最優(yōu)參數(shù)以及測試過程中的誤差和損耗的角度，分析了人為因素、儀器儀表運行狀態(tài)的設(shè)備因素、轉(zhuǎn)接工裝和旋轉(zhuǎn)變壓器的來料因素、安裝驅(qū)動電機(jī)的方法因素、測試環(huán)境條件的環(huán)境因素以及轉(zhuǎn)矩零漂和線損因素對新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試精度的可能影響，并提出了對應(yīng)的改善建議，為新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的高精度測試實踐提供了參考。