新能源汽車用永磁同步電機轉子表磁檢測方法及應用

李全 趙慧超 王斯博 袁超 焦帥 王強

摘要：為解決轉子異常裝配導致的整機性能下降的問題，分析了轉子總成裝配過程中可能存在的磁鋼漏插及缺角故障模式，其中漏插模式可以通過表磁檢測防錯，而缺角模式在業內無法通過表磁檢測設備檢測識別，為此，提出了一種通過整機反電動勢及振動特征階次分析防錯識別方法，該方法能夠識別電機較高特征階次振動幅值超出標準值的大小，在實際生產制造過程中關注整機下線振動信號采集進行異常判斷，經驗證，該方法可以有效識別磁鋼漏插及缺角故障模式。

關鍵詞：轉子總成 表磁檢測 反電勢 階次分析

中圖分類號：U466?? 文獻標志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230239

Rotor Surface Magnetic Detection Method & Application of Permanent Magnet Synchronous Motor for New Energy Vehicles

Li Quan1， Zhao Huichao1， Wang Sibo1， Yuan Chao2， Jiao Shuai2， Wang Qiang2

（1.Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013; 2.FAW New Energy Powertrain Division， Changchun 130013）

Abstract： To solve the problem of performance degradation caused by abnormal rotor assembly， this paper analyzed the possible magnetic steel leakage and missing angle fault modes during the assembly process of the rotor assembly. The leakage mode can be prevented through surface magnetic detection， while the missing angle mode cannot be detected and recognized by surface magnetic detection equipment in the industry. Therefore， the paper proposed a method for error prevention and recognition through the analysis of the back electromotive force and vibration characteristic order of the motor， the method can identify the amplitude of higher characteristic order vibration of the motor that exceeding the standard value. In the actual production and manufacturing process， attention is paid to the collection of offline vibration signals of the motor for abnormal operation judgment. After practical verification， this method can effectively identify magnetic steel leakage and missing angle fault modes.

Key words： Rotor assembly， Surface magnetic detection， Back emf， Order analysis

作者簡介：李全（1991—），男，工程師，碩士學位，研究方向為電驅動系統開發。

參考文獻引用格式：

李全， 趙慧超， 王斯博， 等. 新能源汽車用永磁同步電機轉子表磁檢測方法及應用[J]. 汽車工藝與材料， 2024（4）： 22-27.

LI Q， ZHAO H C， WANG S B， et al. Rotor Surface Magnetic Detection Method & Application of Permanent Magnet Synchronous Motor for New Energy Vehicles[J]. Automobile Technology & Material， 2024（4）： 22-27.

1 前言

在新能源車用電機領域，相比于異步感應電機，永磁同步電機功率密度和效率更高，在相同功率等級下，永磁同步電機體積和質量更小、可靠性更高，在噪聲及振動方面性能更好。由于中國稀土資源儲備豐富，采用永磁同步電機是當前的主流選擇。

永磁同步電機直接采用永磁體勵磁在電機氣隙內建立磁場，通過脈沖寬度調制（Pulse-Width Modulation，PWM）控制技術[1]將電池直流電壓轉化為電機所需的幅值、頻率可調的三相對稱交流電壓，使定子內部產生旋轉磁場，兩者相互作用，從而實現永磁同步電機在不同控制模式下正常運轉。永磁體建立的磁場在實際生產過程中主要受磁鋼狀態的影響，如磁鋼缺角或磁鋼漏插等，當前的檢測方法主要對轉子表面磁場進行檢測，通過表磁檢測設備快速檢測出轉子總成表面電磁感應特性，同時，通過反電動勢測試以及電性能測試反向驗證檢測結果，修正生產制造下線檢測標準。

2 轉子表磁檢測技術

影響氣隙磁場磁通量的主要因素有永磁體表面磁場強度及分布、磁路磁阻和永磁體端部漏磁通[2]。

永磁體表面磁場強度及分布將影響表磁檢測結果，磁場強度及分布受插入磁鋼狀態的影響，當前主要通過表磁檢測設備進行識別。

2.1 檢測方法

高斯計是利用霍爾原理檢測磁性材料或物體上的一個點的磁感應強度，讀數單位為Gs或mT[3]。

如圖1所示，高斯計探頭定位在距離轉子1 mm處，處于首層磁鋼高度（軸向方向）的中點。當轉子勻速轉動，高斯計實時測量該層磁鋼中心點電磁感應強度，根據設計要求，每0.01°記錄一個表磁數據，轉子轉動一圈得到36 000個表磁數據，利用曲線圖統計數據。探頭移動到下一層磁鋼，重復上述工作，直到獲得所有層磁鋼中點的磁感應強度，計算出每個磁極的峰值和所占角度、磁極面積、層與層之間的角度差，作為轉子總成表磁下線檢測標準。

轉子總成磁性能可以通過反電動勢檢測判定。三相對稱繞組電機兩相線間繞組對應2/3圓周的轉子永磁體，因轉子的線間反電動勢檢測值是一段時間內轉子感生電壓有效值，故轉子的反電動勢測試只能測量出轉子的平均磁性能，而某一片永磁體所對應的磁性能或局部磁性能的差異無法有效評估[2]。由于單片永磁體差異會導致磁場強度偏移，在高轉速下易出現振動噪聲，需要通過總成臺架外特性測試以及振動噪聲試驗進行閉環驗證處理。

2.2 表磁檢測參數設定

表磁檢測設備相關參數與設備精度強相關，因此，表磁檢測設備按照滿足設備能達到的最高精度要求進行關鍵參數設定，監控產品的表磁峰值和表磁面積，根據設備采樣反饋的表磁檢測圖像（圖2），可以得到表磁角度、面積和峰值點。

其中，表磁峰值是指每一個磁極頂點的磁感值，正峰代表N極，負峰代表S極。表磁角度是指每一個磁極頂點相對于本磁極起始零點的角度。表磁面積是指每一個磁極的磁感波形與角度坐標所圍成的面積，其物理意義為磁感應強度對角度的積分。

在實際生產制造過程中，為防止異常樣件流出，制定表磁檢測關鍵指標參數設定流程，如圖3所示。

3 試驗樣件安排

由于在生產過程中存在鐵芯漏插磁鋼、磁鋼缺角等問題，為防止不合格產品流出，需要增加防錯措施，通過表磁檢測設備監控關鍵參數，如磁極峰值、磁極角度、磁極面積、層間角度，設計3組特殊狀態轉子總成（簡稱NG樣機）進行表磁檢測結果對照，修正關鍵參數限值。

由于該轉子總成采用永磁體雙V構型，包含大、小2種磁鋼，根據此種結構制作NG樣機，樣機狀態為：

a. 狀態1：缺1極大磁鋼和1極小磁鋼；

b. 狀態2：缺1片大磁鋼和1片小磁鋼；

c. 狀態3：磁鋼缺角。

轉子總成采用4層鐵芯附磁鋼總成進行堆疊，表磁測量位置如圖4所示。

由于上、下兩端的鐵芯附磁鋼總成端部產生漏磁通，不僅形成徑向磁場，同時形成徑向到端面磁場，中間的鐵芯附磁鋼總成磁力線主要沿徑向分布形成徑向磁場，因此，兩端的鐵芯附磁鋼總成表磁特性強于中間的鐵芯附磁鋼總成，考慮以上特性和3種NG樣機狀態，設計驗證方案如下：

a. 狀態1：花鍵側第1層某極缺少1個大磁鋼，某極缺少1個小磁鋼，某極缺少1對大磁鋼，某極缺少1對小磁鋼，花鍵側第3層某極缺少1個小磁鋼，某極缺少1個大磁鋼，某極缺少1對大磁鋼，某極缺少1對小磁鋼，布置方案如圖5～圖7所示。

以上布置形式是在最小樣本數量下，將不同NG狀態通過錯極及層間間隔，將相互之間的不利影響降到最低，同時能夠識別更多異常狀態表磁特性。

考慮到第1層和第4層的頂端效應（第1層和第4層的表磁峰值大于第2層和第3層），第1層平鍵一側設置為缺大磁鋼，相對側設置為缺小磁鋼，每間隔1極設置為缺1對大磁鋼和1對小磁鋼，第3層平鍵一側設置為缺大磁鋼，相對側設置為缺小磁鋼，每間隔1極分別設置為缺1對大磁鋼和1對小磁鋼。

b. 狀態2：花鍵側第1層缺少某極磁鋼，花鍵側第3層缺少某極磁鋼，布置方案如圖8～圖10所示。

c. 狀態3：花鍵側第1層某極1個大磁鋼缺角，某極1個小磁鋼缺角，某極1對大磁鋼缺角，某極1對小磁鋼缺角，花鍵側第3層某極1個大磁鋼缺角，某極1個小磁鋼缺角，某極1對大磁鋼缺角，某極1對小磁鋼缺角，布置方案如圖11～圖13所示。

按照以上布置形式，制作NG樣機，保證磁鋼及鐵芯為同一批次材料，實際樣機狀態如圖14所示。

4 試驗樣件分析

電機輸出特性由磁場強弱決定，轉子磁場強度是決定電機輸出的關鍵參數，其中，表磁特性是反映轉子磁場強弱的關鍵過程控制點。

在滿足整機產品輸出特性要求的條件下，對照相應轉子總成表磁數據設定關鍵檢測數據（表磁峰值、面積、角度）。

抽取10臺份外特性合格整機的下線數據，且合格數據曲線重合度較好，其轉子表磁數據作為初始設定值，表1、表2分別為表磁峰值和表磁面積設定值，上下限為±5%。

為識別插磁鋼工序存在的漏插等風險，制作3種NG樣機，表磁實測表明，NG1樣件和NG2樣件漏插磁鋼性能與設定值差距明顯，其中磁鋼缺角斷裂NG3樣件靈敏度較低。如圖15、圖16所示，NG3樣件基本接近設定值。因此，通過檢測設備可以識別磁鋼漏插狀態樣件，但磁鋼斷裂狀態需要進一步進行整機試驗分析驗證。

5 整機試驗分析

采用表磁檢測設備監控磁鋼斷裂樣機的表磁峰值、表磁面積無法精準識別斷裂風險，因此，需要考慮采用整機試驗分析進行防錯驗證。

整機分析過程方案為：整機關鍵零部件不變，僅換裝電機轉子總成，分別進行反電勢分析試驗、性能外特性測試試驗和振動信號特征階次分析試驗。

根據電磁定律，當磁場變化時，附近的導體會產生感應電動勢，其方向符合法拉第定律和楞次定律，與線圈兩端的原電壓相反，該電壓即為反電動勢。只要永磁同步電機在轉動，必然會有線圈切割磁力線產生反電動勢，其有效值的計算如下：

E=4.44fKwNLφ?????????????????????????? （1）

式中：E為感生電動勢，f為頻率，Kw為繞組系數，NL為每相定子繞組的匝數，φ為磁通量。

試驗工況采用電機總成側轉速為1 000 r/min進行測功機反拖，試驗結果如圖17所示。

由圖17可知，對比相間反電勢峰峰值電壓Vpp的絕對值，各相間峰峰值相差小于2.2 V，對比效果不明顯，其中，正常轉子U-W、W-V及U-V相間反電勢Vpp值不平衡度為0.1%，斷裂轉子相間反電勢Vpp值不平衡度為1.8%，因此，由于斷裂轉子磁鋼斷裂和缺角導致磁不對稱，其相間反電勢不平衡度更大，可以作為磁鋼斷裂的判斷標準。

同時，針對整機進行性能外特性試驗分析，其電壓為410 V，測試工況如表3所示，通過測功機發送指令采集實時轉速和真實扭矩。其轉速和扭矩要求見表3，測試條件為：冷卻液溫度為10～30 ℃，流量為8 L/min，測試前先進行母線電壓350 V，15 N·m@3 000 r/min的潤滑工況，時間為30 s。

根據以上工況進行試驗數據采集，對比分析其轉速與轉矩性能，如圖18所示，正常轉子與斷裂轉子的性能外特性無明顯差異，因此，無法通過性能外特性進行識別，且當前方案在性能設計上有一定余量。

最后依據電機特定工況要求，分析樣機振動特征階次，通過振動傳感器在電驅指定位置埋點采集信號，埋點位置如圖19所示，通過在埋點位置布置壓電加速度傳感器采集信號。

該車用永磁同步電機采用8極48槽結構方案，轉子磁鋼斷裂會使電機在8階、16階、24階以及48階等特殊階次振動幅值較高，本文采用振動采集設備進行試驗數據分析，分析可知，工況轉速為500～11 000 r/min時，其正常轉子和斷裂轉子樣機的特征階次差距不明顯，工況為11 000～15 500 r/min，對比正常轉子和斷裂轉子樣機特征階次發現，在高階次4倍頻率如120～180階次時，特征階次邊頻存在幅值較高風險，且邊頻較高幅值呈現1階次，如圖20所示，主要原因為動不平衡和磁不對稱，由于正常轉子和斷裂轉子動平衡指標一致，因此，主要原因為磁不對稱，可以將此過程監控作為磁鋼斷裂的探測手段。

6 結束語

本文提出了一種轉子總成磁性能檢測方法，通過表磁設備對表磁峰值、表磁面積進行數據采集分析，可以有效排除漏插磁鋼故障，同時，針對表磁設備無法探測永磁體斷裂的問題，通過對比分析整機測試反電動勢不平衡度和振動信號特征階次可以有效識別，防止出現異常流出。

本文方法可以在生產制造過程中實際應用防錯，在整機生產線下線測試（End of Line，EOL）中需要重點關注振動信號采集中電機特征階次異常項，并進行失效模式分析。

參考文獻：

[1] 王兆安， 劉進軍. 電力電子技術[M]. 北京： 機械工業出版社， 2009.

[2] 楊偉濤， 吳鳳海. 永磁電機轉子磁性能在線檢測方法及應用[J]. 微特電機， 2023， 51（2）： 68-70.

[3] 彥坂勝弘， 路自強， 鄭武偉. 霍爾效應高斯計[J] .國外電工儀表， 1964（2）： 18-22+38.