CN110836777B

CN110836777B - 一种电机加速寿命试验方法及系统

Info

Publication number: CN110836777B
Application number: CN201810935516.3A
Authority: CN
Inventors: 王丹迎; 纪秉男; 韩守亮; 康娟; 张振宁; 韩光辉; 秦亚坤
Original assignee: Zhengzhou Yutong Bus Co Ltd
Current assignee: Yutong Bus Co Ltd
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2038-08-16
Also published as: CN110836777A

Abstract

本发明提供了一种电机加速寿命试验方法及系统，首先选取轴承作为影响电机寿命的因素，计算轴承的常规寿命试验时间；然后根据轴承受到的当量动载荷、电机转速及加速度功率谱密度计算轴承加速因子；接着计算轴承的加速寿命试验时间；最后加载电机试验时需要的参数，并施加振动载荷谱，将待测电机持续运行在加速寿命试验时间内进行加速寿命试验，判断待测电机是否失效。本发明考虑了车辆运行过程中产生的振动因子，使加速寿命试验更加接近真实情况，且能够缩短电机寿命试验时间；可以很准确的得到电机的寿命，方便相关人员及时获知电机的寿命，并在电机寿命快结束时提前更换新的电机，以保证整车的正常运行。

Description

一种电机加速寿命试验方法及系统

技术领域

本发明属于新能源电机技术领域，特别涉及一种电机加速寿命试验方法及系统。

背景技术

新能源汽车有着节能、环保等优点，成为近年来新兴领域，电驱动系统作为三电之一，随之也发展起来，传统电机多用于家电、电动工具、风力水力发电等领域，运行工况与乘用车、商用车相差悬殊，为确保电机在汽车领域的安全可靠应用，必须研究电机在汽车行驶工况下的可靠性。

电机驱动系统的设计寿命达到几十万公里，其寿命试验考核难度大，对于车用电机驱动系统的寿命试验还没有专用设备，常用的电机寿命试验测试方法有两种，一种是常规寿命试验方法，另一种是加速寿命试验。常规寿命试验是根据车辆的实际运营工况进行完全模拟试验，结果有较高的准确性，但是试验时间较长，需要耗费大量的人力、财力和物力，对于电机研发和批量投产有很大的影响，因此，一般采用加速寿命试验方法来评价电机寿命。加速寿命试验(ALT)是可靠性试验技术的一个重要分支，其主要理论是，在不改变产品失效机理的前提下，进行加速试验，缩短试验时间，加大应力因素，以此达到加速试验的目的。加速寿命试验方法的原理是基于一定的失效理论、合理的工程建模和假设设计，根据不同组件失效所符合的统计模型，对加速后应力水平下得到的寿命信息进行转换，获得产品正常应力水平下的寿命估计。

如公开号为“CN107957332A”，名称为“一种新能源车用同步驱动电机加速寿命试验方法及装置”的中国发明专利申请，该专利提供了一种电机加速寿命试验方法，选取绕组温度、轴承温度计机械应力作为应力因素，分别计算绕组加速因子、轴承加速因子及机械应力加速因子，然后再根据绕组加速因子、轴承加速因子及机械应力加速因子计算电机加速寿命试验时间。由于车辆在运行过程中会产生振动，因此，考虑振动因子将会提高影响电机加速寿命试验时间的准确性，但是该专利在计算轴承加速因子时，未考虑振动因子，因此，影响电机加速寿命试验时间的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机加速寿命试验方法及系统，用于解决现有技术中电机加速寿命试验时间的准确性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电机加速寿命试验方法，包括如下步骤：

1)选取轴承作为影响电机寿命的因素，计算轴承的常规寿命试验时间；

2)根据实际工况下的电机转速、加速寿命试验下的电机转速、实际工况下的加速度功率谱密度、施加振动载荷的加速寿命试验下的加速度功率谱密度、实际工况下的当量动载荷及加速寿命试验下的当量动载荷计算轴承加速因子；

3)根据所述轴承的常规寿命试验时间和所述轴承加速因子计算轴承的加速寿命试验时间；

4)加载电机试验时需要的参数，并施加振动载荷谱，将待测电机持续运行在所述加速寿命试验时间内进行加速寿命试验，判断待测电机是否失效。

由于绕组是影响电机寿命的一个重要因素，因此，还选取了绕组作为影响电机寿命的因素，并计算绕组的常规寿命试验时间及绕组加速因子，根据所述绕组的常规寿命试验时间及所述绕组加速因子计算绕组的加速寿命试验时间，选取轴承的加速寿命试验时间及绕组的加速寿命试验时间中的较大值作为电机的加速寿命试验时间。

进一步地，所述轴承的加速寿命试验时间的表达式为：

其中，t_b表示轴承常规寿命试验时间，AF_b为轴承加速因子。

进一步地，所述轴承加速因子的表达式为：

其中，n_a为加速寿命试验下的电机转速，n_n为实际工况下的电机转速；W_a为施加振动载荷的加速寿命试验下的加速度功率谱密度，W_n为实际工况下的加速度功率谱密度，P_a和P_n分别为加速寿命试验下和实际工况下轴承受到的当量动载荷，ε为寿命指数，球轴承取ε＝3。

进一步地，所述绕组加速因子根据加速寿命试验下的绕组温度及常规寿命试验下的设定时间段内的平均温度得到。

为了使电机加速寿命试验时间计算的更加准确，在进行加速寿命试验之前，控制待测电机的转速、转矩及功率达到设定值时，开始进行加速寿命试验。

进一步地，控制待测电机的转速、转矩及功率达到设定值指的是控制待测电机在额定转速和第一设定倍数的额定扭矩下运行第一设定时间，在峰值转速和第二设定倍数的额定功率下运行第二设定时间。

为了检查电机的各个零部件的受损情况，在进行加速寿命试验时，每隔第三设定时间停机一次，检查紧固件、机械连接件、电缆、接口及冷却设备是否出现故障，且要求停机检查时间不超过第四设定时间。

进一步地，考虑了不同车辆设计时对应的工况，使得轴承加速因子计算可靠性更高，所述实际工况包括中国典型城市公交循环工况、重型商用车循环工况，所述实际工况下的电机转速为中国典型城市公交循环工况或重型商用车循环工况下的电机平均转速。

本发明还提供了一种电机加速寿命试验系统，包括控制装置及振动台架，所述振动台架用于向待测电机施加振动载荷；所述控制装置用于根据实际工况下的电机转速、加速寿命试验下的电机转速、实际工况下的加速度功率谱密度、施加振动载荷的加速寿命试验下的加速度功率谱密度、实际工况下的当量动载荷及加速寿命试验下的当量动载荷计算轴承加速因子；并根据轴承的常规寿命试验时间和所述轴承加速因子计算轴承的加速寿命试验时间；加载电机试验时需要的参数；所述控制装置还用于判断持续运行在所述加速寿命试验时间内的待测电机是否失效。

进一步地，所述轴承的加速寿命试验时间的表达式为：

其中，t_b表示轴承常规寿命试验时间，AF_b为轴承加速因子。

进一步地，所述轴承加速因子的表达式为：

为了使电机加速寿命试验时间计算的更加准确，在进行加速寿命试验之前，所述控制装置控制待测电机的转速、转矩及功率达到设定值时，开始进行加速寿命试验。

进一步地，控制待测电机的转速、转矩及功率达到设定值指的是控制装置控制待测电机在额定转速和第一设定倍数的额定扭矩下运行第一设定时间，在峰值转速和第二设定倍数的额定功率下运行第二设定时间。

为了防止电机在加速寿命试验中产生热量影响电机的运行状态，所述电机加速寿命试验系统还包括冷却设备，所述冷却设备用于为进行加速寿命试验的待测电机进行散热。

本发明的有益效果是：

本发明在计算电机加速寿命试验时间时，考虑了车辆运行过程中产生的振动因子，使加速寿命试验更加接近于真实情况及加速寿命试验模型更加准确，提高了试验验证的可靠性，且能够缩短电机寿命试验时间；可以很准确的得到电机的寿命，方便相关人员及时获知电机的寿命，并在电机寿命快结束时提前更换新的电机，以保证整车的正常运行。

附图说明

图1为电机加速寿命试验方法流程图；

图2为电机加速寿命试验系统结构框图；

图3为电机加速寿命试验时施加的转矩、转速及功率载荷示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明提供了一种电机加速寿命试验系统，包括控制装置及振动台架，振动台架用于向待测电机施加振动载荷；控制装置用于根据实际工况下的电机转速、加速寿命试验下的电机转速、实际工况下的加速度功率谱密度、施加振动载荷的加速寿命试验下的加速度功率谱密度、实际工况下的当量动载荷及加速寿命试验下的当量动载荷计算轴承加速因子；并根据轴承的常规寿命试验时间和轴承加速因子计算轴承的加速寿命试验时间；加载电机试验时需要的参数；控制装置还用于判断持续运行在加速寿命试验时间内的待测电机是否失效。

实施例1：

如图1所示，首先通过大数据统计车辆实际运行过程中电机易发生的故障模式和失效机理，识别系统易失效零部件，进一步分析引起失效的主要因素，包括环境因素、电气机械应力因素等，然后根据前期分析中得到的薄弱零部件电机轴承和绕组，分别分析薄弱零部件失效符合的统计分析理论，再分别对薄弱零部件的失效率符合规律进行加速因子计算，根据可靠度、置信度及寿命要求确定最终加速寿命试验时间，再设计试验方法，在台架上进行试验，从而预测电机系统是否符合设计寿命。

如图2所示，通过试验台架试验来预测电机系统寿命，该试验台架包括振动试验台、电池模拟设备、转矩仪、测速仪、冷却设备、被测电机及控制装置，其中，控制装置包括计算机控制系统及对应的电机控制器。本实施例选择两台电机作为被测电机，即被测电机1和被测电机2，两台被测电机在振动台架上同轴连接，电池模拟设备为电机控制器输入恒压直流电，转矩仪与测速仪分别与被测电机连接，计算机控制系统用于实时监测被测电机系统的转速、转矩、功率及其控制器的电流电压，根据选定应力控制被测电机转速转矩，冷却设备用于调整电机系统温度。

基于上述测试系统本实施例提出的一种电机加速寿命试验测试方法，包括以下步骤：

1、选取轴承作为加速因子，通过统计规律，根据样本数、可靠度和置信度来确定轴承的常规寿命试验时间，再根据轴承实际运行工况来确定轴承加速因子，最后确定轴承加速寿命试验时间，在加速寿命试验时间内，对电机进行加速寿命试验，判断电机原件是否失效及电机寿命是否符合设计寿命要求。

轴承失效满足两参数威布尔分布，轴承常规寿命试验时间t_b表示为：

其中，m为威布尔分布的形状参数，R为可靠度，t_R为可靠度为R时的寿命，球轴承取m＝1.1；λ_b为修正系数，当试验轴承个数为k，允许失效数为0时，查威布尔分布表得到轴承常规寿命试验时间。

2、轴承加速因子计算：

由于不同电机运行工况不同，所以加速因子因不同电机而变化，用公式(2)计算轴承加速因子AF_b：

其中，n_a为加速寿命试验下的电机转速，n_n为实际工况下的电机转速；W_a为施加振动载荷的加速寿命试验下的加速度功率谱密度，W_n为实际工况下的加速度功率谱密度，P_a和P_n分别为加速寿命试验下和实际工况下轴承受到的当量动载荷，ε为寿命指数，球轴承取ε＝3。实际工况包括中国典型城市公交循环工况和重型商用车循环工况，实际电机转速为匹配工况下的平均转速，即本实施例的电机转速为中国典型城市公交循环工况或重型商用车循环工况下的电机平均转速。定义电机实际工况，具有谱遍性，使得轴承加速因子计算可靠性更高。

3、轴承加速寿命试验时间计算：

通过步骤1和步骤2计算得到的轴承常规寿命试验时间及轴承加速因子可计算轴承加速寿命试验时间，轴承加速寿命试验时间表示为：

4、加载电机试验时需要的参数，并施加振动载荷谱，将待测电机持续运行在加速寿命试验时间内进行加速寿命试验，判断待测电机是否失效。

具体的，首先根据之前选取的轴承加速因子，搭建试验所需台架。如图2所示的电机加速寿命试验测试系统，搭建满足条件的试验台架。将电池模拟设备分别连接到电机控制器上，电机控制器与相应电机连接，被测电机1和被测电机2同轴连接分别通过工装安装在振动台架上，再将冷却设备同时连接在两电机上，转矩仪连接在被测电机1上，测速仪连接在被测电机2上，当然，也可以将转速仪连接到被测电机1上，将转矩仪连接到被测电机2上。计算机控制系统分别连接到电机控制器、转矩仪和转速仪，其中，冷却设备用于为待测电机散热。其次，施加应力因子。用电机控制器1来控制电机1的转矩，用电机控制器2来控制电机2的转速，转矩转速工况见图3，在额定转速和第一设定倍数的额定扭矩下运行第一设定时间，在峰值转速和第二设定倍数的额定功率下运行第二设定时间，本实施例规定，第一设定倍数为1.2，第二设定倍数也为1.2，第一设定时间和第二设定时间均为30min，作为其他实施方式，第一设定倍数、第二设定倍数、第一设定时间及第二设定时间的大小可根据需要任意设定。

紧接着在振动台架上施加实际采集的随机振动载荷谱，调节冷却设备，使电机运转时温度维持在设定温度；振动台架所施加的振动谱来源于车辆在可靠性试验场实车采集的电机安装处振动数据，通过处理加速后施加到振动台架上。最后，用计算机控制系统实时监测被测电机系统的转速、转矩、功率及其控制器的电流电压，当检测数据达到设定转速、转矩、温度及振动设定值时，使待测电机持续运行在加速寿命试验时间内。试验开始计时，每隔第三设定时间停机检查，即每隔24h停机检查紧固件、机械连接件、电缆及接口，以及冷却设备，并简单修复，停机时间不超过第四设定时间，即不超过0.5小时，重新开始，累计时间，试验过程中若电机出现异响，则停止试验，计此时的试验时间为最终试验时间。若所有电机样件试验时间均大于加速寿命设计时间则符合寿命设计，未出现失效则判定通过，否则，则不符合可靠性指标。

实施例2：

本实施例还选取了绕组温度作为加速应力，首先通过统计规律根据样本数、可靠度和置信度来确定绕组总的试验时间，再根据绕组实际运行工况来确定绕组加速因子，最后确定绕组加速寿命试验时间，设计加速寿命试验台架，对试验故障进行实时监测，最终通过试验结果来判定本批次电机寿命是否符合设计寿命。

本实施例的绕组加速寿命时间的确定，包括以下步骤：

1)电机绕组常规寿命试验时间的计算过程为：

电机绕组失效满足指数分布,其失效率λ_c如式(4)所示：

其中，λ_c为失效率参数，R为可靠度，t_R为可靠度为R时的寿命，查阅置信度P＝0.9，允许失效数为0的指数分布失效率试验抽样表，得到λ_c，进一步得到绕组常规寿命试验总时间T。

绕组常规寿命试验时间t_c如式(5)所示：

其中，k为试验样件数。

2)电机绕组加速因子的计算：

考虑实际使用中绕组温度分布，根据加速寿命试验下的绕组温度及常规寿命试验下设定时间段内的平均温度对绕组加速因子修正，修正后绕组加速因子如式(6)所示：

其中，λ_s为振动修正系数，台架工况下λ_s＝1；B为与电机绝缘等级有关的常数，B＝16010；T_acc为加速寿命试验绕组温度，T_i为常规寿命试验下第i月的绕组平均温度，考虑了每个月电机的温度对电机影响的差异性，调整高温月份各低温月份所占权重，使得温度对绕组的影响更加准确，提高了电机绕组加速因子的计算精度。通过统计市场上运行的2000辆车的实际电机运行数据，得到电机绕组原始温度数据，如表1所示。

表1电机月平均温度(℃)

3)绕组加速寿命试验时间的计算：

计算绕组加速寿命试验所需时间，选择轴承的加速寿命试验时间及绕组的加速寿命试验时间中的较大值作为整机最终加速寿命试验时间，绕组加速寿命试验时间表示为：

4)计算得出电机加速寿命试验时间后，按照实施例1的步骤4进行加速寿命试验，判断电机是否失效，由于电机加速寿命试验的过程在上述步骤4中进行了详细的说明，因此，在这里不再赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域谱通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种电机加速寿命试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述轴承加速因子的表达式为：

其中，n_a为加速寿命试验下的电机转速，n_n为实际工况下的电机转速；W_a为施加振动载荷的加速寿命试验下的加速度功率谱密度，W_n为实际工况下的加速度功率谱密度，P_a和P_n分别为加速寿命试验下和实际工况下轴承受到的当量动载荷，ε为寿命指数，球轴承取ε＝3；

2.根据权利要求1所述的电机加速寿命试验方法，其特征在于，还选取了绕组作为影响电机寿命的因素，并计算绕组的常规寿命试验时间及绕组加速因子，根据所述绕组的常规寿命试验时间及所述绕组加速因子计算绕组的加速寿命试验时间，选取轴承的加速寿命试验时间及绕组的加速寿命试验时间中的较大值作为电机的加速寿命试验时间。

3.根据权利要求1或2所述的电机加速寿命试验方法，其特征在于，所述轴承的加速寿命试验时间的表达式为：

其中，t_b表示轴承常规寿命试验时间，AF_b为轴承加速因子。

4.根据权利要求2所述的电机加速寿命试验方法，其特征在于，所述绕组加速因子根据加速寿命试验下的绕组温度及常规寿命试验下设定时间段内的平均温度得到。

5.根据权利要求1所述的电机加速寿命试验方法，其特征在于，在进行加速寿命试验之前，控制待测电机的转速、转矩及功率达到设定值时，开始进行加速寿命试验。

6.根据权利要求5所述的电机加速寿命试验方法，其特征在于，控制待测电机的转速、转矩及功率达到设定值指的是控制待测电机在额定转速和第一设定倍数的额定扭矩下运行第一设定时间，在峰值转速和第二设定倍数的额定功率下运行第二设定时间。

7.根据权利要求1所述的电机加速寿命试验方法，其特征在于，在进行加速寿命试验时，每隔第三设定时间停机一次，检查紧固件、机械连接件、电缆、接口及冷却设备是否出现故障，且要求停机检查时间不超过第四设定时间。

8.根据权利要求1所述的电机加速寿命试验方法，其特征在于，所述实际工况包括中国典型城市公交循环工况、重型商用车循环工况，所述实际工况下的电机转速为中国典型城市公交循环工况或重型商用车循环工况下的电机平均转速。

9.一种电机加速寿命试验系统，其特征在于，包括控制装置及振动台架，所述振动台架用于向待测电机施加振动载荷；所述控制装置用于根据实际工况下的电机转速、加速寿命试验下的电机转速、实际工况下的加速度功率谱密度、施加振动载荷的加速寿命试验下的加速度功率谱密度、实际工况下的当量动载荷及加速寿命试验下的当量动载荷计算轴承加速因子；

所述轴承加速因子的表达式为：

其中，n_a为加速寿命试验下的电机转速，n_n为实际工况下的电机转速；W_a为施加振动载荷的加速寿命试验下的加速度功率谱密度，W_n为实际工况下的加速度功率谱密度，P_a和P_n分别为加速寿命试验下和实际工况下轴承受到的当量动载荷，ε为寿命指数，球轴承取ε＝3；并根据轴承的常规寿命试验时间和所述轴承加速因子计算轴承的加速寿命试验时间；加载电机试验时需要的参数；所述控制装置还用于判断持续运行在所述加速寿命试验时间内的待测电机是否失效。

10.根据权利要求9所述的电机加速寿命试验系统，其特征在于，还选取了绕组作为影响电机寿命的因素，并计算绕组的常规寿命试验时间及绕组加速因子，根据所述绕组的常规寿命试验时间及所述绕组加速因子计算绕组的加速寿命试验时间，选取轴承的加速寿命试验时间及绕组的加速寿命试验时间中的较大值作为电机的加速寿命试验时间。

11.根据权利要求9或10所述的电机加速寿命试验系统，其特征在于，所述轴承的加速寿命试验时间的表达式为：

其中，t_b表示轴承常规寿命试验时间，AF_b为轴承加速因子。

12.根据权利要求10所述的电机加速寿命试验系统，其特征在于，所述绕组加速因子根据加速寿命试验下的绕组温度及常规寿命试验下设定时间段内的平均温度得到。

13.根据权利要求9所述的电机加速寿命试验系统，其特征在于，在进行加速寿命试验之前，所述控制装置控制待测电机的转速、转矩及功率达到设定值时，开始进行加速寿命试验。

14.根据权利要求13所述的电机加速寿命试验系统，其特征在于，控制待测电机的转速、转矩及功率达到设定值指的是控制装置控制待测电机在额定转速和第一设定倍数的额定扭矩下运行第一设定时间，在峰值转速和第二设定倍数的额定功率下运行第二设定时间。

15.根据权利要求9所述的电机加速寿命试验系统，其特征在于，在进行加速寿命试验时，每隔第三设定时间停机一次，检查紧固件、机械连接件、电缆、接口及冷却设备是否出现故障，且要求停机检查时间不超过第四设定时间。

16.根据权利要求15所述的电机加速寿命试验系统，其特征在于，所述电机加速寿命试验系统还包括冷却设备，所述冷却设备用于为进行加速寿命试验的待测电机进行散热。

17.根据权利要求9所述的电机加速寿命试验系统，其特征在于，所述实际工况包括中国典型城市公交循环工况、重型商用车循环工况，所述实际工况下的电机转速为中国典型城市公交循环工况或重型商用车循环工况下的电机平均转速。