关于永磁同步电机轴电压测试与分析
日 期 【】永磁同步电机是具有效率高、结构简单、功率因数高和调速范围宽等优点。目前在新能源汽车中得到广泛的应用并且具有良好的发展前景。但随着永磁同步电机容量的增大，由轴电压和轴电流引起轴腐蚀损伤事故日趋严重。本文对如何测试轴电压进行详细介绍。
目录
引言 1
一、 背景介绍 2
（一）永磁同步电机简介 2
（二）轴电压的产生原因与危害 3
二、轴电压测试前期准备 4
（一）实验需要器材介绍 4
（二）设备布线安装与调试 5
（三）实验室注意事项 6
三、轴电压测试与数据分析 7
（一）、空载轴电压测试 7
（二）、负载轴电压测试 9
四、轴电压保护方法 10
总结 11
致谢 12
参考文献 13
引言
在新能源汽车电机领域中，永磁同步电机是整车界现最常用的将电能和机械能相互转换的电力元器件，具有功率高、转矩大、体积小、噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)好等优点。因此永磁同步电机已成为新能源汽车行业应用最多的电机。由于永磁同步电机应用越来越广泛导致随之暴露出的问题也越来越多，轴电压的危害就是其中之一。随着实验硬件条件的提高，人们开始不断地深入了解轴电压。运用现有的实验设备，它可以较为精确的测量出轴电压与轴电流的波形图，并且能够有效的采集脉冲数据并自动生成表格供分析参考。
为了避免传统工业粗糙无效的轴电压测试， 我们探索出更加精确的测试方法。本方法的核心是采用泰克四通道示波器与AEGIS轴电压测试探头相配合，将轴电压测试探头作为采集信号的媒介，因为示波器采集的不论是低电压、小电流或者是高电压、大电流信号都可以直接输出数字信号，避免了二次计算带来的误差。同时采用横河WT1804E功率分析仪采集电机三相端电流电压信号，其基本功率精度为读数的±0.01%和量程的±0.03%，带宽（0.1Hz～1MHz），可以精确监控并反馈设备运行状态，有效减小实验工况 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
误差。
背景介绍
（一）永磁同步电机简介
历史第一台电机是永磁电机。当时的永磁材料性能比较差，永磁体的矫顽力和剩磁都太低，于是不久就被电励磁电机取代了。到了20世纪70年代，因为发现钕、铁、硼等稀土永磁材料因拥有很大矫顽力、剩磁能力，随即退磁能力强和较大磁能积的大功率永磁同步电机登上历史的舞台。如今，由于永磁同步电机的研究日趋成熟，该电机逐步向高速度、大转矩、大功率、高效率、微型化和智能化发展。近年来，永磁同步电机出现了很多高端电机，如1986年德国西门子公司开发的230r/min、1095kW的六相永磁同步电动机，此电机主要为舰船提供动力，其体积比传统的直流电机小近60%，损耗降低近20%。虽然我国对永磁电机的研究起步晚，但随着国内政府的大力支持和相关学者的深入研究，得以让其迅速发展。目前，我国已研制生产出3MW高速度永磁风力发电机。
随着近年微型计算机技术及自动控制技术的发展，永磁同步电动机在各领域得到广泛的应用，如新能源汽车动力系统、轨道交通牵引系统、电梯伺服控制系统等。
所谓永磁，指的是在制造电机转子时加入了永磁体，使得电机的性能得到进一步的提升。所谓同步，指的是电机转子的转速与定子绕组的电流频率是始终保持一致的。如果转子绕组中电流不是由定子旋转磁场感应产生的，而是由自身产生的，转子磁场则与定子旋转磁场无关，并且其磁极方向是固定的，那么则可以根据同性相斥、异性相吸的原理得出定子的旋转磁场就会拉着转子旋转，并使转子磁场及转子与定子旋转磁场进行同步旋转这就是永磁同步电机的转动原理。永磁同步电机工作原理图如图11所示。
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图11 永磁同步电机工作原理图
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图12 电机外特性
由于永磁同步电机体积小，质量轻，输出转矩大，电机的极限转速高和制动性能优异等特点，永磁同步电机已经成为现今新能源汽车行业应用最多的电机。由于永磁材料在受到振动、高温和过载电流的作用时，会导致其磁性能下降（这种现象通常称为退磁现象），长期以往可能会降低永磁同步电机的性能。另外，由于永磁同步电机内部零件需要用到稀土材料，故其还存在制造成本高的弊端。电机外特性如图12所示。
（二）轴电压的产生原因与危害
轴电压是指电机轴两端之间或者台架转轴与轴承之间所产生的电压。由于电机的磁场不对称，电机驱动长轴磁化、静电充磁等原因产生感应电压。轴电压是电机在空载和带载运行时较为常见的电气现象，其中在大型电机和高速电机中的电气现象最为严重。
低速运行产生轴电压较低，主要是由于轴承间的油膜起到了绝缘的作用，有效的阻止了感应电压的产生。然而当电机高速旋转，轴电压也对应升高，由于轴承深沟球间的油膜油质以及流量的不达标，或者非常规震动等原因将会导致油膜击穿，随即导致轴与轴瓦的金属性接触，产生几百安，甚至上千安的轴电流，可能会烧坏轴颈和轴瓦。而过大轴电压会造成轴腐蚀的加速形成。产生的放电电火花甚至会一次性使得轴瓦局部融化，并在油膜中产生细小金属颗粒破坏轴承的绝缘。轴承深沟球剖视图图形如图13、轴电压产生危害图如图14。
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图13 轴承深沟球剖视图图形
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图14 轴电压产生危害图
图14中所示是由于电机在高速运行条件下，产生轴电压过大，轴承油膜被击穿，同时油膜产生放电点蚀，形成局部高温并损坏轴承结构，从而进一步导致轴承偏心等一系列连锁反应，最终因定子偏心扫膛，导致电机失控飞车、联轴器断裂的现象。
目录
引言 1
一、 背景介绍 2
（一）永磁同步电机简介 2
（二）轴电压的产生原因与危害 3
二、轴电压测试前期准备 4
（一）实验需要器材介绍 4
（二）设备布线安装与调试 5
（三）实验室注意事项 6
三、轴电压测试与数据分析 7
（一）、空载轴电压测试 7
（二）、负载轴电压测试 9
四、轴电压保护方法 10
总结 11
致谢 12
参考文献 13
引言
在新能源汽车电机领域中，永磁同步电机是整车界现最常用的将电能和机械能相互转换的电力元器件，具有功率高、转矩大、体积小、噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)好等优点。因此永磁同步电机已成为新能源汽车行业应用最多的电机。由于永磁同步电机应用越来越广泛导致随之暴露出的问题也越来越多，轴电压的危害就是其中之一。随着实验硬件条件的提高，人们开始不断地深入了解轴电压。运用现有的实验设备，它可以较为精确的测量出轴电压与轴电流的波形图，并且能够有效的采集脉冲数据并自动生成表格供分析参考。
为了避免传统工业粗糙无效的轴电压测试， 我们探索出更加精确的测试方法。本方法的核心是采用泰克四通道示波器与AEGIS轴电压测试探头相配合，将轴电压测试探头作为采集信号的媒介，因为示波器采集的不论是低电压、小电流或者是高电压、大电流信号都可以直接输出数字信号，避免了二次计算带来的误差。同时采用横河WT1804E功率分析仪采集电机三相端电流电压信号，其基本功率精度为读数的±0.01%和量程的±0.03%，带宽（0.1Hz～1MHz），可以精确监控并反馈设备运行状态，有效减小实验工况 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
误差。
背景介绍
（一）永磁同步电机简介
历史第一台电机是永磁电机。当时的永磁材料性能比较差，永磁体的矫顽力和剩磁都太低，于是不久就被电励磁电机取代了。到了20世纪70年代，因为发现钕、铁、硼等稀土永磁材料因拥有很大矫顽力、剩磁能力，随即退磁能力强和较大磁能积的大功率永磁同步电机登上历史的舞台。如今，由于永磁同步电机的研究日趋成熟，该电机逐步向高速度、大转矩、大功率、高效率、微型化和智能化发展。近年来，永磁同步电机出现了很多高端电机，如1986年德国西门子公司开发的230r/min、1095kW的六相永磁同步电动机，此电机主要为舰船提供动力，其体积比传统的直流电机小近60%，损耗降低近20%。虽然我国对永磁电机的研究起步晚，但随着国内政府的大力支持和相关学者的深入研究，得以让其迅速发展。目前，我国已研制生产出3MW高速度永磁风力发电机。
随着近年微型计算机技术及自动控制技术的发展，永磁同步电动机在各领域得到广泛的应用，如新能源汽车动力系统、轨道交通牵引系统、电梯伺服控制系统等。
所谓永磁，指的是在制造电机转子时加入了永磁体，使得电机的性能得到进一步的提升。所谓同步，指的是电机转子的转速与定子绕组的电流频率是始终保持一致的。如果转子绕组中电流不是由定子旋转磁场感应产生的，而是由自身产生的，转子磁场则与定子旋转磁场无关，并且其磁极方向是固定的，那么则可以根据同性相斥、异性相吸的原理得出定子的旋转磁场就会拉着转子旋转，并使转子磁场及转子与定子旋转磁场进行同步旋转这就是永磁同步电机的转动原理。永磁同步电机工作原理图如图11所示。
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图11 永磁同步电机工作原理图
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图12 电机外特性
由于永磁同步电机体积小，质量轻，输出转矩大，电机的极限转速高和制动性能优异等特点，永磁同步电机已经成为现今新能源汽车行业应用最多的电机。由于永磁材料在受到振动、高温和过载电流的作用时，会导致其磁性能下降（这种现象通常称为退磁现象），长期以往可能会降低永磁同步电机的性能。另外，由于永磁同步电机内部零件需要用到稀土材料，故其还存在制造成本高的弊端。电机外特性如图12所示。
（二）轴电压的产生原因与危害
轴电压是指电机轴两端之间或者台架转轴与轴承之间所产生的电压。由于电机的磁场不对称，电机驱动长轴磁化、静电充磁等原因产生感应电压。轴电压是电机在空载和带载运行时较为常见的电气现象，其中在大型电机和高速电机中的电气现象最为严重。
低速运行产生轴电压较低，主要是由于轴承间的油膜起到了绝缘的作用，有效的阻止了感应电压的产生。然而当电机高速旋转，轴电压也对应升高，由于轴承深沟球间的油膜油质以及流量的不达标，或者非常规震动等原因将会导致油膜击穿，随即导致轴与轴瓦的金属性接触，产生几百安，甚至上千安的轴电流，可能会烧坏轴颈和轴瓦。而过大轴电压会造成轴腐蚀的加速形成。产生的放电电火花甚至会一次性使得轴瓦局部融化，并在油膜中产生细小金属颗粒破坏轴承的绝缘。轴承深沟球剖视图图形如图13、轴电压产生危害图如图14。
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图13 轴承深沟球剖视图图形
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图14 轴电压产生危害图
图14中所示是由于电机在高速运行条件下，产生轴电压过大，轴承油膜被击穿，同时油膜产生放电点蚀，形成局部高温并损坏轴承结构，从而进一步导致轴承偏心等一系列连锁反应，最终因定子偏心扫膛，导致电机失控飞车、联轴器断裂的现象。
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