纯电动清扫车上装电机故障树开发 ①

王一旻， 宋 珂， 曹 静

(同济大学,上海 201804)

0 引 言

电机作为纯电动汽车行驶系统的重要组成部分，直接影响纯电动汽车的动力性能以及耐久性。同时电机也被广泛应用于纯电动商用车的上装系统，驱动不同的系统作业，实现不同的功能。当前阶段，电机的构造越来越复杂，对电机的故障检测也越来越困难。电机的负载处于高度动态的变化过程之中，因此电机系统经常产生故障。从故障的表现形式和成因来看，故障的表现形式多并且产生故障的原因比较复杂。行走电机是纯电动汽车行驶系统的唯一动力源，电机的故障会导致整个行驶系统无法正常运转。不同种类的上装电机驱动不同工作系统完成纯电动汽车正常行驶外的其他功能。轻微的电机故障会影响纯电动汽车的动力性，影响车辆的正常作业。严重的故障会导致汽车整个动力系统无法正常工作，甚至引发一系列的安全问题。本文主要针对纯电动清扫车上装电机故障的形式以及成因展开研究，利用故障树分析法进行分析，建立故障树。帮助在故障发生之前做出准确的估计，了解故障发生的薄弱环节，找出故障发生的原因和对应的解决办法。对纯电动清扫车上装电机故障的分析与检测可以有效地防止故障的恶化，降低维护成本，提高车辆作业的可靠性。

1 纯电动清扫车上装电机系统

纯电动汽车的行驶系统主要包括变速器、行走电机、功率转换器和动力电池组[1]。如图1所示。纯电动商用车除了具有电动化的行驶系统来保证车辆正常行驶外，还需要上装电机来实现不同形式的作业功能。本文以纯电动清扫车为例研究其故障树的开发方法。

图1 纯电动汽车结构

纯电动清扫车在正常行驶的过程中同时实现对路面的清扫、除尘以及洒水作业。除了零排放无污染的优点之外，由于纯电动清扫车的行驶和作业都依靠电机驱动，因此传动效率高，作业过程中噪声小舒适性高。纯电动清扫车的结构主要包括底盘、垃圾箱、水箱、风机、扫刷和吸嘴，如图2所示。其中扫刷主要有盘刷和滚刷两种形式。在纯电动清扫车低速行驶的过程中，扫刷将垃圾扫入气嘴处，气嘴将垃圾吸入垃圾箱。垃圾箱与风机连通，风机源源不断抽走垃圾箱内的空气使其内部产生负压，保证垃圾可以及时被吸入垃圾箱。同时水箱通过喷嘴在清扫的过程中不断向路面洒水，避免扬起大面积的灰尘[2]。

图2 纯电动清扫车结构

纯电动清扫车的能量来源是动力电池组。动力电池输出的电能一部分带动行走电机工作，保证车辆行驶系统的正常工作。另一部分输入到上装电机系统，上装电机带动扫刷和风机等部件，实现纯电动清扫车的作业功能。根据电机的数量，上装电机系统的布置主要有两种形式[3]：上装电机系统与行驶系统共用一个驱动电机(图3)；上装电机系统与行驶系统使用不同的驱动电机(图4)。对于第一种动力系统结构，一个电机共同驱动作业和行驶系统，控制简单能耗低。但是这种结构形式由于行驶系统的传动机构与作业系统的传动机构受相同的电机驱动，使得扫刷和吸嘴等部件的转速会跟随车速变化，严重降低了清扫效率。同时复杂的传动机构使得这种形式的动力系统结构可靠性低。对于第二种动力系统结构，行驶与作业系统受不同的电机驱动，二者可以独立地工作，因此传动系统的布置也相对简单。同时不同的电机可以同时工作在高效区，控制效果好，清扫的效率高。因此对于不同用途的纯电动商用车行驶系统与上装电机系统独立布置的形式也得到了更广泛的应用。本文所讨论的纯电动清扫车即采用这种系统方案。

图3 上装电机系统与行驶系统共用一个

图4 上装电机系统与行驶系统使用不同

2 上装电机种类与构造

纯电动商用车上装电机类型较多，主要有永磁同步电机、异步电机和开关磁阻电机等[4]。永磁同步电机不需励磁绕组，永磁体在三相交流电产生的变化磁场中运动产生电流。异步电机也叫感应电机，通过励磁绕组在气隙旋转磁场中运动产生感应电流。开关磁阻电机的转子上没有任何形式的绕组，其定子和转子磁极都是凸的，结构简单。在纯电动车的上装系统中，根据作业的形式及特点可以针对性地选择不同类型的上装电机。

上装电机是上装系统的动力源，带动一系列的部件运转以实现特定的作业功能。以纯电动清扫车为例，纯电动清扫车的工况和行驶环境比较复杂，需要满足正常行驶工况与作业工况的要求。此外，纯电动清扫车需要经常在潮湿、灰尘多、振动剧烈的条件下作业，长期运行工况恶劣。这些复杂的工况使得上装电机的工作状态需要经常变化，以满足车辆正常作业的需求功率。上装电机作为作业系统的唯一动力源，需要具备高功率密度，宽阈的高效区，耐冲击振动，使用寿命长和噪音低等特点。

永磁同步电机是一种不用励磁绕组的电机，通过三相交流电与永磁体磁场相互作用而旋转。永磁同步电机的高效区宽且峰值效率高，调速范围广，以及电机的转矩密度高[5]。同时电机尺寸小，重量轻，因此是纯电动商用车上装电机的不错选择。图5以永磁同步电机为例介绍上装电机的基本构造。永磁同步电机主要由定子铁芯，定子绕组，转子和转轴等部件构成。

3 上装电机故障类型及原因

电机故障的原因非常复杂，通常不同的分类标准如故障表现形式、故障成因、故障发生位置和故障造成的后果会有不同的分类结果。所以对故障进行分类之前，要明确故障制定的标准和依据，普遍使用的分类标准是依据故障的严重程度[7]。本文根据电机不同的故障形式表现出来的损坏程度进行上装电机故障的分类，如图6所示。

图5 电机的基本构造[6]

图6 上装电机故障模式分类

损坏型故障的主要表现形式有电机不转、电机发热冒烟和换向器烧蚀[8]。导致电机不转的原因有过载堵转、电刷接触不良、连接端子断路和焊接点不牢靠导致过热等。此时的处理办法包括检查线路、保险丝、过载保护器，减少负载，检查电刷、电线和连接件。导致电机异常发热的原因主要有定子绕组过热导致绝缘失效、单相接地、长期振动摩擦导致匝间线圈破损和严重超载等。此时的处理办法包括检查冷却装置、检查线圈绝缘情况、减负至规定条件。导致换向器烧蚀的原因有使用时间长、过载电流太大和电机进水等。处理办法有定期检查，更换电刷、降低负载电流至规定值以下、恢复电刷与转换器的接触。由于上装电机长期工作在恶劣的环境下，振动、超负荷、潮湿高温的使用条件可能导致线圈的绝缘损坏，瞬间过大的电压或电流也可能引起损坏型故障。当出现损坏型故障时，电机已无法正常工作，应该立即停机检查。

退化型故障的主要表现形式有永磁体退磁、定子绕组绝缘老化、花键轴或花键套过早磨损以及电机的异常磨损[9]。导致永磁体退磁的主要原因有涡流引起永磁体温升过高、磁钢选用不当、长期工作在潮湿高温环境下。此时的处理办法有使用冲压式的硅钢片、检查磁钢材料和在额定工作条件下工作。导致定子绕组绝缘老化的原因主要有散热不良、频繁启动停止、过载堵转。此时的处理办法有检查散热，按照规定使用。花键或电机磨损的主要原因有电机轴或套未经调质处理、电机轴弯曲变形、长期过载启动及运行。处理办法有检测轴或套的硬度、采用立式安装法、按正常启动及运行工作条件操作。引起退化故障的原因主要是散热和过载问题。当出现退化型故障时，应该找出故障发生的具体位置，有针对性地解决。

功能型故障主要包括驱动力不足、转速或者位置传感器失效、零件不牢固和冷却装置失效[9]。驱动力不足的主要原因有控制算法错误和设计参数不合理。此时应该检查控制算法和设计参数。转速或者位置传感器失效的原因有电缆线接触不良和光敏器件损坏。此时应重新连接缆线更换光敏元件。零件松脱是由于上装电机长期工作在振动的条件下导致的，需要定期检查电机固定装置的紧固性。冷却装置的失效是由于密封性不好导致的漏水漏电，应该定期检查。总的来说，出现功能型故障最主要的原因是软件算法不合理和编码器故障，出现功能型故障时应最先从这两个方面检查。

松脱型故障主要包括传感器接插件、定子铁芯、轴承引发的松动，此时重新检查各部件的紧固性，重新安装即可。由于上装电机长期工作在振动状态，需要定期检查和保养各连接件以避免松脱型故障的产生。

失调型故障表现为实际电压、电流值达不到软件设计的预期值，由此引起了控制失调。主要原因是软件和控制算法的设计不合理，参数设置不当。当软件发生失调时应该重新调试软件算法。

阻漏型故障的主要表现是冷却装置的漏水漏电。由于上装电机长期工作在潮湿高温的环境中，如果冷却装置的密封性不好，极易引起阻漏型故障。当出现此类问题时应该检查冷却装置的密封性。

其它故障主要指的是噪声问题。轴承损坏、电机与齿轮箱不同轴、电机的电控未调好都会引发噪声问题。可以从检测电机轴承、调整装配、调整电控这几个手段出发来解决噪声问题。

4 故障树分析法

在安全工程领域，故障树分析是用来了解系统失效原因的最常见方法[10]。利用故障树可以帮助人们分析系统中最不愿意出现的事件的概率，找到最好的降低风险的方式。在进行故障树分析时，需要了解研究对象的失效原理和失效形式。明确了各种失效形式之后，将所有可能出现的故障形式绘制成一个树状的图表，来表明所有可能发生的故障。这种故障诊断的方法是一种树形结构，各种故障的类型以及原因一目了然，因此称之为故障树分析法。

4.1 故障树构建流程

本文根据故障树分析法的原理总结了故障树的构建流程，如图7所示。

图7 故障树构建流程

4.2 故障树常用符号

故障树常见符号如表1所示[11]。

表1 故障树常见符号

5 上装电机故障树建立

通过第二节对电机结构的介绍和第三节对于电机各种故障类型以及故障原因的介绍，明确了电机故障树应包含的基本内容。上装电机是纯电动商用车作业系统的唯一动力源，如果汽车在作业的过程中发生由于电机故障而引发的问题，会导致作业系统的失效。同时上装电机的工作状态复杂，经常在恶劣的条件和环境下工作，因此构建一个直观的故障树对于故障判别和诊断具有重要意义。

因为要建立针对上装电机的故障树，如第四节的分析，顶事件应该是电机故障。第二节介绍了电机主要由定子铁芯、定子绕组、转子、轴承和机座等一系列部件组成，当电机发生故障时，可能是其中的任意一个部件的故障引起的，因此将这些事件作为底事件，剖析每个部件产生故障的原因。

由于上装电机的故障主要产生于定子、转子和轴承，其它部件产生故障的概率相对来说比较小[12]，因此本文把电机故障主要分为定子故障、转子故障、轴上故障和其它故障。然后逐层剖析，当电机出现了故障，可能是由于定子、转子和轴承等引发的故障，然后对每一个部件产生故障的原因以及表现形式进行分析，忽略一些小概率因素，建立了电机故障树。当电机发生故障时，根据故障类型逐一对应并结合过往的经验，查明故障原因，及时做出判断和制定维护措施，这对于提高电机的使用性能和安全性具有重要意义。本文针对上装电机，建立的故障树如图8所示。

由图8可以看出，在众多故障形式及原因里面，定子故障和轴上故障占有很高的比例，可见定子和轴承的性能、结构和质量对于电机性能来说具有重要意义。因此在电机的设计过程中，应主要考虑这两部分的性能，这对于提高上装电机的性能和安全性至关重要。

6 结 语

上装电机是纯电动商用车作业系统唯一的动力源，电机的故障会导致车辆作业系统故障而影响正常作业功能的实现。因此研究纯电动商用车上装电机的故障及产生原因，了解延缓故障的维护措施对于其耐久性和安全性有重要意义。在安全工程和故障分析领域，故障树分析法目前被广泛使用。本文研究了纯电动清扫车上装电机常见故障及其产生原因，结合故障树分析法的理论，对上装电机故障树进行了总结绘制。本文提出的方法和结论，对于了解纯电动清扫车上装电机的故障形式和成因具有参考价值，为后续电机的故障诊断和研究提供了思路。

图8 上装电机故障树