CN117761535A - 一种永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法及装置，该方法包括以下步骤：设定绝缘电阻测试工况；测试工况包括高温高湿环境的温度和湿度的变化量，以及电机的运行状态；将电机置于高温高湿环境中，按照测试工况进行循环测试，获得电机在时间尺度下的绝缘电阻曲线；由绝缘电阻曲线计算电机绝缘材料的质量损失比；根据绝缘电阻曲线和所述质量损失比，获得电机绝缘寿命劣化评估标准曲线。本发明创造有益效果：可通过基于高湿热交变循环工况的绝缘电阻采集，为电机绝缘结构的可靠性设计提供理论与实践依据。

Description

一种永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法及装置

技术领域

本发明创造涉及电机测试领域，具体涉及一种永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法及装置。

背景技术

在电动汽车的实际使用场景中，驱动电机***所处的温湿度环境往往存在较大的不确定性和变化性，长期运行环境恶劣、温度、湿度和机械应力等综合环境因素会加速电机绝缘***的劣化，尤其在高温高湿环境下，电机***的高压绝缘性能是影响电机长期稳定运行的关键因素之一。因此，对湿热环境下永磁同步电机的绝缘性能分析和寿命预测等方面进行设定和评估，具有重要的实际应用价值。

在绝缘检测方面，常用的方法包括绝缘电阻测试、局部放电测试、耐压测试和化学分析法。根据国家标准GB/T 18488.2-2015，绝缘电阻测试主要针对定子绕组与机壳、定子绕组与温度传感器以及驱动电机控制器进行实际冷状态或热状态测试。在电动汽车绝缘检测方法研究中，外接电阻切换法和电桥平衡法已被证明具备简单原理、易于实施和较高精度的特点。

然而，在考虑永磁同步电机在循环工况中的长期运行过程中，由于湿热条件的影响，尤其是绝缘电阻在运行过程中的不稳定性，亟需进一步探索动态监测方法，定量评估循环工况中电机绝缘劣化规律和运行状态，从而得出关于绝缘电阻的寿命评估数据与测试标准曲线。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法及装置，以对湿热环境下永磁同步电机的绝缘性能和寿命进行评估。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法，包括以下步骤：

设定绝缘电阻测试工况；所述测试工况包括高温高湿环境的温度和湿度的变化量，以及电机的运行状态；

将电机置于高温高湿环境中，按照所述测试工况进行循环测试，获得电机在时间尺度下的绝缘电阻曲线；

由所述绝缘电阻曲线计算电机绝缘材料的质量损失比；

根据所述绝缘电阻曲线和所述质量损失比，获得电机绝缘寿命劣化评估标准曲线。

进一步的，电机的运行状态为间歇运行。

进一步的，测试电机的数量为多台；所述绝缘电阻曲线由多台相同电机的绝缘电阻值进行平均化处理后所得；

对所述绝缘电阻曲线进行外延化处理，获得电机在更长时间范围内的绝缘电阻变化趋势。

进一步的，所述质量损失比的计算方法为：采用时间函数拟合方法对所述绝缘电阻曲线进行拟合，建立电阻参数关于时间的函数，如公式（5）所示：

（5）

其中，IL(t)表示时间t下的质量损失比，R(t)表示时间t下的绝缘电阻值，R₀表示初始绝缘电阻值，R_ext为外延化处理后的绝缘电阻值。

进一步的，所述电机绝缘寿命劣化评估标准曲线的计算方法为：根据所述绝缘电阻曲线和所述质量损失比设定所述电机绝缘寿命劣化评估标准曲线的函数形式，如公式（6）所示：

（6）

其中，Y(t)表示时间t下的电机绝缘寿命劣化评估标准曲线，A和B均为标准曲线特征参数，X(t)为特征向量矩阵。

进一步的，根据电机绝缘电阻变化趋势，设定所述电机绝缘寿命劣化评估标准曲线为分段函数形式，如公式（7）所示：

（7）

式中，R₁为变化拐点电阻平均值，t₁为拐点时间，A和B均为标准曲线特征参数。

一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行上述永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法。

一种服务器，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法。

一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法。

一种永磁同步电机绝缘电阻测试装置，用于实现上述评估方法，所述测试装置包括：

至少一组永磁同步电机和电机控制器，每组所述永磁同步电机和电机控制器均与直流电源相连接；各所述电机控制器能够通过信号通讯器件与实时监控与控制上位机平台实时通讯；所述直流电源能够与所述实时监控与控制上位机平台实时通讯；

恒定温湿环境箱，用于为所述永磁同步电机和电机控制器提供恒定的湿热环境；所述恒定温湿环境箱能够与所述实时监控与控制上位机平台实时通讯；

绝缘电阻测试装置，包括测试硬件和测试控制器，用于测量所述永磁同步电机的绝缘电阻值；所述绝缘电阻测试装置能够与所述实时监控与控制上位机平台实时通讯；

所述实时监控与控制上位机平台能够与所述永磁同步电机、电机控制器、直流电源、恒定温湿环境箱、绝缘电阻测试装置进行指令通讯和信号采集。

相对于现有技术，本发明创造所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法及装置具有以下优势：

（1）本发明创造所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法及装置，可通过基于高湿热交变循环工况的绝缘电阻采集，为电机绝缘结构的可靠性设计提供理论与实践依据，对电机设计有益。

（2）本发明创造所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法及装置，通过测试数据所提取的电机绝缘寿命劣化评估标准曲线，可为国家标准、行业标准提供技术与数据参考，对电机测试规范有益。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的永磁同步电机绝缘电阻测试装置结构原理示意图；

图2为本发明实施例所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法的流程图；

图3为本发明实施例所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法的绝缘电阻测试工况；

图4为本发明实施例所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法的绝缘电阻测试结果；

图5为本发明实施例所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法的电机绝缘寿命劣化评估标准曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例提供一种永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法及装置（参见附图1-4），通过提供考虑湿热因素影响的绝缘电阻测试装置，设定高温高湿测试工况，并将连续性、动态性的测试数据进行寿命评估，提取绝缘寿命劣化评估标准曲线。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

实施例一

本实施例提供一种永磁同步电机绝缘电阻测试装置，具体为一种综合电气与恒定湿热环境条件的绝缘电阻测试装置，具备在特定环境下对多个电机的绝缘电阻进行实时监测、环境条件动态控制等功能，如图1所示。

该综合电气与恒定湿热环境条件的绝缘电阻测试装置，包括但不限于永磁同步电机、电机控制器、直流电源、恒定温湿环境箱、绝缘电阻测试装置、实时监控与控制上位机平台、连接用的线束及信号通讯辅助部件等部分。优选的，测试装置选择多台永磁同步电机，也即图1中的被测电机本体并行测试的方式，例如图1中为3台被测电机本体并行方式。

永磁同步电机和电机控制器通过功率线束电连接。电机控制器通过信号通讯器件与实时监控与控制上位机平台实时通讯，确保测试过程中的上位机检测与安全保护功能。

直流电源和恒定温湿环境箱，为被测的永磁同步电机和电机控制器提供直流电源和恒定的湿热环境。优选的，直流电源宜选择带电池模拟功能的直流电源；恒定温湿环境箱宜选择宽温域、快速温湿变率的环境箱。具体的，直流电源和恒定温湿环境箱宜与实时监控与控制上位机平台实时通讯，可依据上位机指令设定温湿交变自动工况。

绝缘电阻测试装置，具体包括测试硬件和测试控制器两个部分。优选的，测试硬件为高精度绝缘电阻测试仪，应具备测量绝缘电阻、记录测试数据的功能，宜选用具备与实时监控与控制上位机平台通讯的元件。优选的，绝缘电阻测试控制器，应具备采集、监控功能，具体的，当监测电阻低于某设定数值时，向实时监控与控制上位机平台发送停止测试指令。

实时监控与控制上位机平台，应具备永磁同步电机、电机控制器、直流电源、恒定温湿环境箱等测试装置的指令通讯和信号采集功能。优选的，可实现绝缘电阻测试装置的信号检测与时间尺度曲线记录。

测试装置结构原理如图1所示，参数如表1所示。具体的，本实施例选择3台相同的永磁同步电机同时测试。

表1 3台测试样品基本参数

实施例二

本实施例提供一种考虑湿热因素影响的永磁同步电机绝缘失效评估方法。通过实施例一中所述的绝缘电阻测试装置，进行多个电机湿热交替工况测试和绝缘电阻值采集。设定时间尺度下的高温高湿绝缘测试工况，结合多个测试结果数据和寿命劣化评估方法，最终提出考虑湿热因素的绝缘寿命劣化评估标准曲线。具体流程如图2所示。

步骤1：绝缘电阻测试工况设定。

根据实车真实的温度和湿度的循环工况，可以采用以下方法设定循环工况时间、时间尺度下的温度和湿度变化量以及循环工况中电机运行状态。

步骤1.1：确定循环工况时间。根据实际需求和测试要求设定循环工况的总时间。

优选地，使用公式（1）对温度和湿度循环工况进行描述。

（1）

其中，T(t)和H(t)分别为时间t下的温度和湿度值，T₀和H₀为初始温度和湿度值，ΔT和ΔH为温度和湿度的变化量，T_c和H_c为温度和湿度变化的周期。

步骤1.2：确定时间尺度下的温度和湿度变化量。根据循环工况的时间尺度（如每小时变化一次），确定每个时间点上的温度和湿度值，可以采用插值法或其他数值计算方法获得准确的值。

步骤1.3：设定循环工况中的电机运行状态。根据测试要求，设定电机在不同温度和湿度下的运行状态，如设定电机持续运行、间歇运行或加载运行等。优选的，设定电机间歇运行，以模拟真实工况。

步骤2：湿热环境绝缘电阻测试结果获取。

为了验证绝缘电阻测试以及湿热工况的有效性，可以优选多款相同电机进行电机高温高湿循环耐久测试，并在测试过程中检测电机的绝缘电阻值。

步骤2.1：选择合适的电机样品。优选具有代表性的多款相同型号的电机作为测试样品，确保样品的一致性和可比性。

步骤2.2：进行高温高湿循环测试。将电机样品置于高温高湿环境中，进行循环测试，根据步骤1中设定的循环工况进行操作。

步骤2.3：测试电机绝缘电阻值。在循环测试过程中，定期测试电机的绝缘电阻值，记录测试数据。

优选地，使用公式（2）描述湿热环境中绝缘电阻值的获取过程。

（2）

式中，R(t)表示时间t下的绝缘电阻值，R₀表示初始绝缘电阻值，λ为衰减率，ε(t)表示随机误差项。

步骤3：绝缘电阻寿命评估与标准曲线提取。

通过高温高湿循环工况试验得到多台相同绝缘电阻特性试验数据，并对绝缘电阻数据进行平均化、外延化处理。然后，使用时间函数拟合方法对处理结果进行寿命评估，并提取寿命劣化评估标准曲线。

步骤3.1：绝缘电阻平均化、外延化处理。将多台相同电机的绝缘电阻数据进行平均化处理，得到平均的绝缘电阻曲线。然后，对平均化曲线进行外延化处理，获得在更长时间范围内的绝缘电阻变化趋势。

具体的，进行绝缘电阻平均化和外延化处理时，可以采用以下理论和公式。

（1）绝缘电阻平均化处理：为了得到准确的平均绝缘电阻曲线，可以使用公式（3）计算平均值。

（3）

其中，R_avg为平均绝缘电阻值，N为样本数量，R_i为每个样本的绝缘电阻值。

（2）绝缘电阻外延化处理：外延化处理是为了根据循环工况时间尺度，获得更长时间范围内的绝缘电阻变化趋势。可以使用公式（4）进行外延化处理。

（4）

其中，R_ext为外延化处理后的绝缘电阻值，β为衰减速率。

步骤3.2：材料质量损失比计算。在绝缘电阻寿命评估中考虑材料质量损失比的影响，采用时间函数拟合方法对平均化/外延化处理后的绝缘电阻曲线进行拟合，建立电阻参数关于时间的函数，如公式（5）所示，根据公式（5）可以拟合出最终得到的电机的绝缘电阻寿命劣化评估标准曲线。

（5）

其中，IL(t)表示时间t下的材料质量损失比。

步骤3.3：寿命劣化评估标准曲线提取。根据电机绝缘电阻变化趋势和材料的质量损失比，设定寿命劣化评估标准曲线函数形式，如公式（6）所示。

（6）

其中，Y(t)表示时间t下的寿命劣化评估标准曲线，A和B均为标准曲线特征参数，也即寿命劣化评估标准曲线的特征系数，由寿命劣化评估标准曲线数据拟合决定，X(t)为特征向量矩阵。

优选的，根据电机绝缘电阻变化趋势，设定寿命劣化评估标准曲线为分段函数形式，即：

（7）

式中，R₁为变化拐点电阻平均值；t₁为拐点时间；A和B均为标准曲线特征参数。

实施例三

本实施例提供一种考虑湿热因素影响的永磁同步电机绝缘电阻测试与失效评估方法，流程图如图2所示。

步骤1：绝缘电阻测试工况设定。

根据实车真实的温度和湿度的循环工况，可以采用以下方法设定循环工况时间、时间尺度下的温度和湿度变化量以及循环工况中电机运行状态。

本实施例中，设计高温高湿循环工况。其中环境条件为温度（85±2）℃，湿度（85±5）%RH，测试时长为800小时，以4小时为一个循环工况尺度，共200循环。

具体的，步骤1.1，将初始温度/湿度、温度/湿度变化值和循环工况尺度带入公式（1），对温度和湿度循环工况进行描述，为：

（8）

由公式（8）可确定时间尺度下的温度、湿度变化量，并且确定每小时的切换状态，步骤1.2具体结果可如图3所示。

具体的，步骤1.3，每个循环工况中的电机运行状态为，电机处于off状态2小时；电机处于on状态2小时，此时电机以500r/min的工况进行空载运行。

具体的，需要设定测试过程当中的阈值条件，当电机处于off状态时，电机控制器不工作，此时通过绝缘电阻测试***对电机进行在线绝缘电阻检测，当电机的绝缘值低于1MΩ时，判定为电机失效，停止试验。

步骤2：湿热环境绝缘电阻测试结果获取。

为了验证绝缘电阻测试以及湿热工况的有效性，本实施例优选表1所示的3款相同电机进行高温高湿循环耐久测试，并在测试过程中检测电机的绝缘电阻值，进而达成步骤2.1。

所述步骤2.2，将3款相同的电机参照步骤1中所设定的高温高湿、带载循环工况进行循环测试，期间检测电机绝缘电阻值。

本实施例中，所述2.3，优选使用公式（2）记录湿热环境中绝缘电阻值的获取过程，所测量的绝缘电阻结果如图4所示。具体的，多款电机的绝缘电阻值随着试验时间的进行呈现逐渐下降的趋势，从初始的最高的220MΩ到试验完成为22.7MΩ，最终试验结果满足大于1 MΩ的试验要求。进而公式（2）整合成为，

（9）

式中，R₀为220MΩ。以t为800h，随机误差解释项为3款样机平均值，则可以计算得出衰减率λ，即为0.004。具体的，衰减率与不同电机有直接关系，本实施例显著表明，衰减趋势呈指数趋势。

步骤3：绝缘电阻寿命评估与标准曲线提取。

通过步骤1和步骤2高温高湿循环工况试验得到多台相同绝缘电阻特性试验数据，并对绝缘电阻数据进行平均化、外延化处理。然后，使用时间函数拟合方法对处理结果进行寿命评估，并提取寿命劣化评估标准曲线。

步骤3.1：绝缘电阻平均化、外延化处理。

具体的，平均化处理如公式（3）所示，结合步骤2数据，则得到公式（10），

（10）

具体的，外延化处理如公式（4）所示，结合步骤2数据和公式（10），则得到公式（11），

（11）

步骤3.2：计算材料质量损失比。采用时间函数拟合方法对平均化/外延化处理后的绝缘电阻曲线进行拟合，建立电阻参数关于时间的函数，如公式（5）所示。将步骤2和步骤3.1的结果带入后，

（12）

根据公式（12）可以拟合出最终得到的电机的绝缘电阻寿命劣化评估标准曲线，具体如图5所示。

步骤3.3：寿命劣化评估标准曲线提取。根据电机绝缘电阻变化趋势，设定寿命劣化评估标准曲线函数形式，如公式（6）所示。本实施例中，试验开始至264h期间，电机的绝缘电阻变化趋势不大，平均化后的绝缘电阻为恒定值307.4MΩ；264h后平均化结果呈指数曲线逐渐下降，下降过程趋于公式（9）中所设定的衰减率。

进一步的，选用时间尺度下的绝缘寿命函数拟合方法，得到平均化后电机的绝缘电阻寿命劣化评估标准曲线为分段函数形式如公式（7），带入具体值后，则如公式（13）所示。

（13）

最终得到电机的绝缘电阻寿命劣化评估标准曲线的公式（13）。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和***，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

设定绝缘电阻测试工况；所述测试工况包括高温高湿环境的温度和湿度的变化量，以及电机的运行状态；

将电机置于高温高湿环境中，按照所述测试工况进行循环测试，获得电机在时间尺度下的绝缘电阻曲线；

由所述绝缘电阻曲线计算电机绝缘材料的质量损失比；

根据所述绝缘电阻曲线和所述质量损失比，获得电机绝缘寿命劣化评估标准曲线。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法，其特征在于：电机的运行状态为间歇运行。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法，其特征在于：测试电机的数量为多台；所述绝缘电阻曲线由多台相同电机的绝缘电阻值进行平均化处理后所得；

对所述绝缘电阻曲线进行外延化处理，获得电机在更长时间范围内的绝缘电阻变化趋势。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法，其特征在于：所述质量损失比的计算方法为：采用时间函数拟合方法对所述绝缘电阻曲线进行拟合，建立电阻参数关于时间的函数，如公式（5）所示：

（5）

其中，IL(t)表示时间t下的质量损失比，R(t)表示时间t下的绝缘电阻值，R₀表示初始绝缘电阻值，R_ext为外延化处理后的绝缘电阻值。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法，其特征在于：所述电机绝缘寿命劣化评估标准曲线的计算方法为：根据所述绝缘电阻曲线和所述质量损失比设定所述电机绝缘寿命劣化评估标准曲线的函数形式，如公式（6）所示：

（6）

其中，Y(t)表示时间t下的电机绝缘寿命劣化评估标准曲线，A和B均为标准曲线特征参数，X(t)为特征向量矩阵。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法，其特征在于：根据电机绝缘电阻变化趋势，设定所述电机绝缘寿命劣化评估标准曲线为分段函数形式，如公式（7）所示：

（7）

式中，R₁为变化拐点电阻平均值，t₁为拐点时间，A和B均为标准曲线特征参数。

7.一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，其特征在于：所述处理器用于执行上述权利要求1-6任一所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法。

8.一种服务器，其特征在于：包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求1-6任一所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法。

9.一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的永磁同步电机湿热绝缘失效评估方法。

10.一种永磁同步电机绝缘电阻测试装置，用于实现权利要求1-6任一项所述的评估方法，所述测试装置包括：

至少一组永磁同步电机和电机控制器，每组所述永磁同步电机和电机控制器均与直流电源相连接；各所述电机控制器能够通过信号通讯器件与实时监控与控制上位机平台实时通讯；所述直流电源能够与所述实时监控与控制上位机平台实时通讯；

恒定温湿环境箱，用于为所述永磁同步电机和电机控制器提供恒定的湿热环境；所述恒定温湿环境箱能够与所述实时监控与控制上位机平台实时通讯；

绝缘电阻测试装置，包括测试硬件和测试控制器，用于测量所述永磁同步电机的绝缘电阻值；所述绝缘电阻测试装置能够与所述实时监控与控制上位机平台实时通讯；

所述实时监控与控制上位机平台能够与所述永磁同步电机、电机控制器、直流电源、恒定温湿环境箱、绝缘电阻测试装置进行指令通讯和信号采集。