CN103235261A - 对称式电机耐久性测试***及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种对称式电机耐久性测试***，包括：两台待测电机，均为三相交流电机。两个环境舱，舱内温度均可调，分别容纳两台待测电机。两台冷却机组，分别为两台待测电机的绕组散热。转矩传感器，设置在任意待测电机的转轴上。两个电机控制器，第一电机控制器控制第一待测电机的直轴电流和转轴的转速，第二电机控制器控制第二待测电机的直轴电流和交轴电流。联轴器，将两个待测电机的转轴相连接，保证两根轴的转速一致。整流单元，将交流电变换为恒定的直流电，然后分别为两个电机控制器供电。本申请还公开了相应的测试方法。本申请具有结构简单、测试效率更好、通用性更好的优点。

Description

对称式电机耐久性测试***及其测试方法

技术领域

本申请涉及一种对新能源汽车（混合动力汽车、纯电动汽车等）的电机进行耐久性测试的***。

背景技术

驱动电机是新能源汽车的核心部件，通常采用三相交流电机，优选为永磁同步电机。电机的使用寿命和可靠性直接关系着整车的寿命和安全，因此在新能源汽车的驱动电机开发过程中，对其进行耐久性测试是必不可少的。电机的耐久性测试是基于电机在实际路况的中的运行状况，进行等效强化实验，来加速电机的老化。所述等效强化实验包括电机在高温环境运行的耐久性实验、电机在高低温环境交替循环运行的耐久性实验等。在所述等效强化实验结束后评估电机的整体性能，判断电机是否还能正常使用。

请参阅图1，这是现有的一种三相交流电机测试***，包括：

——待测电机10，为三相交流电机。

——环境舱11，舱内温度可调，待测电机10就放置在环境舱11内。

——安装支架12（可选），用于固定待测电机10。

——冷却机组13，用于为待测电机10的绕组散热，例如采用水冷技术。

——转矩传感器15，设置在待测电机10的转轴上，用于测量待测电机10的转轴的转矩并显示和/或记录。

——电机控制器19，将直流电逆变为交流电后作为待测电机10的工作电源，还控制着待测电机10的转轴的输出转矩。

——测功机20，为交流测功机。其本质是在三相交流电机的基础上增加了测力计和测速发电机。

——联轴器30，将待测电机10的转轴与测功机20的转轴相连接，保证两根轴的转速一致。

——测功机控制器29，将直流电逆变为交流电后作为测功机20的工作电源，还控制着测功机20的转轴的输出转速。

——整流单元31，用于将交流电变换为直流电。然后一路为测功机控制器29供电，另一路传递给直流电池模拟器32。

——直流电池模拟器32，用于将固定值的直流电压、电流变换为在一定范围内可调的直流电压、电流，并为电机控制器19供电。所述电机耐久性测试***在测试不同型号的待测电机10时，这些待测电机10的电压等级可能相差很大，因此需要有该直流电池模拟器32，以便适应不同电压等级的待测电机10的供电需求。

图1所示的电机耐久性测试***的工作原理为：测功机控制器29对测功机20采用转速控制模式，驱动测功机20的转轴输出恒定的转速。由于测功机20的转轴与待测电机10的转轴通过联轴器30相连接，因而待测电机10的转轴也被带动着维持恒定的转速。电机控制器19对待测电机10采用转矩控制模式，通过调整待测电机10的三相电流来改变待测电机10的输出转矩，而待测电机10的三相电流又主要决定了其绕组温度。当环境舱11调整为预设的环境温度，且待机电机10的绕组温度也达到预设值时，即可进行待测电机10的耐久性测试。

在测试过程中，提升或降低待测电机10的绕组温度有如下技术手段或其结合：

第一种，通过电机控制器19改变输出给待测电机10的三相电流来改变待测电机10的绕组温度。

第二种，通过开启或关闭冷却机组13、调整冷却液的流量、调整冷却液的温度或其任意组合来改变待测电机10的绕组温度。

所述待测电机10和测功机20均有两种工作模式：电动机、发动机。且其中一个工作于电动机模式，则另一个就工作于发电机模式；反之亦然。因此，整个电机耐久性测试***中的电能可以循环利用。补充的电能可由整流单元31得到。所述整流单元31是可再生的，即包含逆变电路。如需输出电能，也可由该可再生的整流单元31向外输出。

上述电机耐久性测试***具有如下缺点：

其一，采用一台测功机20拖动一台待测电机10的方式，一次只能测试一台待测电机10，测试效率较低。

其二，电机控制器19对待测电机10采用转矩控制模式，具体是通过调整待测电机10的三相电流来改变待测电机10的输出转矩。在更换不同型号的待测电机10后，往往需要同时更换电机控制器19，造成成本较高。如果不同时更换电机控制器，就需要在电机控制器19中建立更换后的待测电机10的转速、转矩与电流之间的约束关系，这个匹配周期相当漫长，通常可达几十天，往往会影响到实验进度。因而现有的电机耐久性测试***的通用性较差。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种测试效率更高、通用性更好的电机耐久性测试***。为此，本申请还要提供所述电机耐久性测试***的测试方法。

为解决上述技术问题，本申请对称式电机耐久性测试***包括：

——两台待测电机，均为三相交流电机；

——两个环境舱，舱内温度均可调，分别容纳两台待测电机；

——两台冷却机组，分别用于为两台待测电机的绕组散热；

——转矩传感器，设置在任意待测电机的转轴上；

——两个电机控制器，第一电机控制器控制第一待测电机的直轴电流和转轴的转速，第二电机控制器控制第二待测电机的直轴电流和交轴电流；

——联轴器，将两个待测电机的转轴相连接，保证两根轴的转速一致；

——整流单元，将交流电变换为恒定的直流电，然后分别为两个电机控制器供电。

上述对称式电机耐久性测试***的测试方法为：

首先，第一电机控制器控制第一待测电机的转轴的转速，第二待测电机的转轴也被带动着具有相同转速；

然后，第二电机控制器控制着第二待测电机的直轴电流和交轴电流，直至第二待测电机的绕组温度达到第二预设值；

再后，第一电机控制器还控制着第一待测电机的直轴电流，使第一待测电机的绕组温度达到第一预设值；第二预设值与第一预设值为相同或不同；

当两个环境舱设为各自的预设值，且两台冷却机组开启后，对两台待测电机同时进行耐久性测试。

本申请对称式电机耐久性测试***中，不再是一台测功机拖动一台待测电机的工作模式，而是由两台待测电机对拖的工作模式，这不仅简化了***结构，而且使得测试效率翻倍。其中一台待测电机受到电机控制器的转速和直轴电流控制，另一台待测电机受到电机控制器的直轴电流和交轴电流控制。这种控制方法使得两台待测电机的三相电流均可精确调节；同时比现有的转速和转矩控制具有更好的通用性，可以方便地测试不同型号的待测电机。

附图说明

图1是现有的电机耐久性测试***的结构示意图；

图2是本申请对称式电机耐久性测试***的结构示意图。

图中附图标记说明：

10为待测电机；10a为第一待测电机；10b为第二待测电机；11为环境舱；11a为第一环境舱；11b为第二环境舱；12为安装支架；12a为第一安装支架；12b为第二安装支架；13为冷却机组；13a为第一冷却机组；13b为第二冷却机组；14为转速传感器；15为转矩传感器；19为电机控制器；19a为第一电机控制器；19b为第二电机控制器；20为测功机；30为联轴器；31为整流单元；32为直流电池模拟器。

具体实施方式

请参阅图2，这是本申请的对称式电机耐久性测试***，包括：

——第一待测电机10a和第二待测电机10b，为三相交流电机，优选为永磁同步电机或者同步磁阻电机。如果两台待测电机10a、10b为相同型号，则为最佳实施方式。

——第一环境舱11a和第二环境舱11b，舱内温度均可调。第一待测电机10a放置在第一环境舱11a内，其转轴可从第一环境舱11a中伸出。第二待测电机10b放置在第二环境舱11b内，其转轴可从第二环境舱11b中伸出。

——第一安装支架12a和第二安装支架12b（均可选），分别用于固定第一待测电机10a和第二待测电机10b。

——第一冷却机组13a和第二冷却机组13b，分别用于为第一待测电机10a的绕组、第二待测电机10b的绕组散热，例如采用水冷技术。冷却液的温度和流速均可调节。

——位置传感器14（可选），设置在第一待测电机10a的转轴上、或第二待测电机10b的转轴上。所述位置传感器14用于检测待测电机10a、10b的转轴位置，该转轴位置也可以转换为转速信号，并提供给两个电机控制器19a、19b。第一电机控制器19a可根据转轴位置或转速信号进行转速控制和派克反变换。第二电机控制器19b可根据转速信号进行派克反变换。通常在待测电机10a、10b内部集成有位置传感器，那就无需设置单独的位置传感器14，而由各自的位置传感器检测转轴位置或转速。如果待测电机10a、10b内部未集成位置传感器，则需单独设置位置传感器14。

——转矩传感器15，设置在第一待测电机10a的转轴上、或第二待测电机10b的转轴上，用于测量两台待测电机10a、10b的转轴的转矩并显示和/或记录。

——第一电机控制器19a和第二电机控制器19b，第一电机控制器19a用来控制第一待测电机10a的直轴电流和转轴的转速。第二电机控制器19b用来控制第二待测电机10b的直轴电流和交轴电流。对三相交流电机分析时，经常将定子的a、b、c三相电流投影到随着转子旋转的直轴（d轴），交轴（q轴）与垂直于dq平面的零轴（0轴）上去，即从abc坐标系转换到dq0坐标系，这称为派克变换（Park's Transformation）。反之称为派克反变换。

——联轴器30，将两个待测电机10a、10b的转轴相连接，保证两根轴的转速一致。

——整流单元31，用于将交流电变换为恒定的直流电，然后分别为两个电机控制器19a、19b供电。在两个电机控制器19a、19b中均具有逆变电路，用来将直流电转变为交流电，然后分别作为两个待测电机10a、10b的工作电源。

图2所示的对称式电机耐久性测试***的工作原理为：

首先，第一电机控制器19a控制着第一待测电机10a的转速，驱动第一待测电机10a的转轴输出恒定的转速。由于两个待测电机10a、10b的转轴通过联轴器30相连接，因而第二待测电机10b的转轴也被带动着维持恒定的转速。

然后，第二电机控制器19b控制着第二待测电机10b的直轴电流和交轴电流（可通过派克反变换转换为三相电流），并由此来改变第二待测电机10b的输出转矩，而直轴电流和交轴电流又主要决定了第二待测电机10b的绕组温度。任何型号的待测电机10a、10b中都集成有用于检测绕组温度的温度传感器。当第二环境舱11b调整为预设的第二环境温度，且第二待机电机10b的绕组温度也达到第二预设值时，即可进行第二待测电机10b的耐久性测试。

再后，在第二待测电机10b输出转矩的同时，由于两个待测电机10a、10b的转轴通过联轴器30相连接，因而第一待测电机10a的转轴也被带动着产生与第二待测电机10b所输出的转矩大小相同、方向相反的转矩。由于第一电机控制器19a还控制着第一待测电机10a的直轴电流，那么第一待测电机10a的交轴电流就由所述相反力矩和直轴电流所共同约束。直轴电流和交轴电流可通过派克反变换转换为三相电流，从而控制着第一待测电机10a的绕组温度。当第一环境舱11a调整为预设的第一环境温度，且第一待机电机10a的绕组温度也达到第一预设值时，即可进行第一待测电机10a的耐久性测试。

其中，两个环境舱11a、11b的温度调节，两个冷却机组13a、13b的开启时间以及对冷却液的温度和流量的调节可以放在任意步骤。一般情况下，先调节两个环境舱11a、11b的温度，并开启两台冷却机组13a、13b以防止两台待测电机10a、10b的绕组温度过高，是较为常见的。

当两台待测电机10a、10b为相同型号时，通常使两台待测电机10a、10b工作在相同或相近的工况下，即环境温度和绕组温度均保持一致。此时，两台待测电机10a、10b的三相电流也基本保持一致，两个冷却机组13a、13b通常也保持相同的冷却液温度和流量，可能有细微偏差。但由于分别工作于发电机模式和电动机模式，两台待测电机10a、10b的直轴电流和交轴电流必然有一定的偏差。

所述两台待测电机10a、10b均有两种工作模式：电动机、发动机，它们可以在这两种工作模式之间任意转换。但是，其中一台待测电机工作于电动机模式消耗电能，则另一台待测电机就工作于发电机模式产生电能；反之亦然。因此，整个电机耐久性测试***中的电能可以循环利用。能量流向为从整流单元的直流端到电动机工作模式的待测电机所对应的电机控制器，再到电动机工作模式的待测电机，再到联轴器，再到发电机工作模式的待测电机，再到发电机工作模式的待测电机所对应的电机控制器，再回到整流单元的直流端。在此过程中产生的***损耗包括铜耗、铁耗、机械损耗等都要消耗电能，消耗的电能由整流单元31从交流端得到。所述整流单元31是可再生的，即包含逆变电路。在特殊工况下，例如电动机突然切断电源，而发电机产生了大扭矩瞬间制动，则整个***会发生短时的能量回馈。回馈的能量也可由该可再生的整流单元31向交流端输出。

所述两台待测电机10a、10b均具有两种控制模式：转速和直轴电流控制模式、交轴电流和直轴电流控制模式，它们可以在这两种控制模式之间任意转换。但是，其中一台待测电机处于转速和直轴电流控制模式，则另一台待测电机就工作于交轴电流和直轴电流控制模式；反之亦然。

与现有的电机耐久性测试***相比，本申请的对称式电机耐久性测试***具有如下特点：

其一，采用两台待测电机10a、10b相互测试的方式，既省略了测功机20，减少了设备投入成本；又可以同时对两台待测电机进行耐久性测试，测试效率翻倍。

其二，第一电机控制器19a对第一待测电机10a输出转速控制信号和直轴电流信号，第二电机控制器19b对第二待测电机10b输出直轴电流信号和交轴电流信号。这些信号与待测电机的绕组温度之间的关系可由仿真软件取得，也可通过已知的电机属性进行估算，通常只需数分钟的时间即可。在不更换两个电机控制器19a、19b的前提下可以任意替换待测电机，从而大大增强了本申请的对称式电机耐久性测试***的通用性。

两台待测电机10a、10b可能是不同型号，也可能是相同型号。即便为相同型号，但也会存在物理上的细微差异，更不用说两者分别工作于发电机和电动机模式。本申请对第二待测电机10b采用完全的交、直轴电流控制模式，对第一待测电机10a也开放了直轴电流控制，因而可以通过调整第一待测电机10a的直轴电流，最终使得两台待测电机10a、10b分别达到各自设定的绕组温度。

其三，两个电机控制器19a、19b优选采用高电压等级的型号，从而适应各种电压等级的待测电机，这也就省去了直流电池模拟器（DC/DC单元）32的成本。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种对称式电机耐久性测试***，其特征是，包括：

——两台待测电机，均为三相交流电机；

——两个环境舱，舱内温度均可调，分别容纳两台待测电机；

——两台冷却机组，分别为两台待测电机的绕组散热；

——转矩传感器，设置在任意待测电机的转轴上；

——两个电机控制器，第一电机控制器控制第一待测电机的直轴电流和转轴的转速，第二电机控制器控制第二待测电机的直轴电流和交轴电流；

——联轴器，将两个待测电机的转轴相连接，保证两根轴的转速一致；

——整流单元，将交流电变换为恒定的直流电，然后分别为两个电机控制器供电。

2.根据权利要求1所述的对称式电机耐久性测试***，其特征是，所述两台待测电机为永磁同步电机或者同步磁阻电机。

3.根据权利要求2所述的对称式电机耐久性测试***，其特征是，所述两台待测电机为相同型号的永磁同步电机或者同步磁阻电机。

4.根据权利要求1所述的对称式电机耐久性测试***，其特征是，当两台待测电机内部未集成位置传感器，则在任意待测电机的转轴上设置位置传感器，用于检测两台待测电机的转子位置或转速；当两台待测电机内部集成有位置传感器，则各自检测待测电机的转子位置或转速。

5.根据权利要求1所述的对称式电机耐久性测试***，其特征是，所述两台冷却机组均采用水冷方式，且冷却液温度和流量均可调。

6.一种对称式电机耐久性测试***的测试方法，其特征是，

首先，第一电机控制器控制第一待测电机的转速，第二待测电机通过联轴器也被带动着具有相同转速；

然后，第二电机控制器控制着第二待测电机的直轴电流和交轴电流，直至第二待测电机的绕组温度达到第二预设值；

最后，第一电机控制器还控制着第一待测电机的直轴电流，使第一待测电机的绕组温度达到第一预设值；第二预设值与第一预设值为相同或不同；

当两个环境舱设为各自的预设值，且两台冷却机组均开启后，对两台待测电机同时进行耐久性测试。

7.根据权利要求6所述的对称式电机耐久性测试***的测试方法，其特征是，两台待测电机均具有两种工作模式：发电机模式、电动机模式；且每台待测电机均可切换工作模式，但当一台待测电机工作于发电机模式，则另一台待测电机就工作于电动机模式；反之亦然。

8.根据权利要求6所述的对称式电机耐久性测试***的测试方法，其特征是，两台待测电机均具有两种控制模式：转速和直轴电流控制模式、交轴电流和直轴电流控制模式；且每台待测电机均可切换控制模式，但当一台待测电机处于转速和直轴电流控制模式，则另一台待测电机就工作于交轴电流和直轴电流控制模式；反之亦然。

9.根据权利要求6所述的对称式电机耐久性测试***的测试方法，其特征是，所述两台冷却机组控制着冷却液的温度和流量均相同。

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