CN109164384B - 电机定子绝缘老化试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种电机定子绝缘老化试验装置，包括双脉冲电源，输出前后半周期极性相反的周期性脉冲，所述周期性脉冲的脉宽、幅值以及上升沿和下降沿的时间可调；开关箱，箱内有多个用于切换通路的开关，所述开关箱的输入端与所述双脉冲电源连接，通过调整所述开关箱内的多个开关的组合关系改变所述开关箱的输出端电压；所述开关箱按预定时长维持输出电压，用于对被试电机的定子进行绝缘老化试验。本发明简化了老化试验系统，加速电机定子老化进程。

Description

电机定子绝缘老化试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及电机测试领域，尤其涉及一种电机定子老化试验装置及试验方法。

背景技术

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，是目前比较推荐的车型。电动汽车通常分为：纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(PHEV)、燃料电池汽车(FCEV)。其中，纯电动汽车是由电机驱动的汽车，相对燃油汽车而言，主要差别在于四大部件：驱动电机，调速控制器、动力电池、车载充电器。纯电动汽车的品质差异取决于这四大部件，其价值高低也取决于这四大部件的品质。

纯电动汽车时速快慢和启动速度取决于驱动电机的功率和性能，驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，再通过传动装置或直接驱动车轮和其他工作装置。因此，电动汽车上的驱动电机是汽车的核心之一，它的使用寿命和可靠性直接关系着整车的寿命和安全。所以电机老化试验测试系统，对车用驱动电机的开发就显得尤为重要。

电机绝缘失效时间主要和变频器输出方波脉冲的电压幅值、脉冲上升沿的上升时间以及脉冲的频率相关，同时受到电机所处的环境温度影响。现有的电机老化试验系统，如图1所示，包括整流单元1、直流模拟单元2、测功机控制器3、测功机4、被试电机5和被试电机控制器6。当进行热老化时，还包括环境仓7。现有的试验系统一般采用整流单元1和直流模拟单元2的组合给被试电机6供电，以适应不同电压等级的测功机控制器3、被试电机控制器6和被试电机5的需求。具体的，如图2所示，一般由被试电机控制器6提供三相电压，加载在被试电机5输入端。被试电机控制器6内部一般由变频器产生方波脉冲电压，通过变频器控制被试电机6。

综上，目前用来考核电机绝缘老化的电机老化测试系统，通常采用一台测功机拖动一台被试电机，系统的整体构成主要包括测功机及其控制系统，被试电机及其控制系统，通过被试电机控制器对被试电机进行供电，同时将被试电机置入环境仓中模拟环境温度。这样的电机老化试验测试系统，系统结构复杂，故障率高，价格昂贵。另一方面由于受到变频器开关频率的限制，电机在绝缘老化考核方面缺少加速机制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机定子老化试验装置及试验方法，用于对电动汽车驱动电机进行老化试验，统计其绝缘老化时间。现有的电机老化试验的试验对象是整个电机，为此，需搭建包含测功机及其控制系统、被试电机及其控制系统和变频器在内的复杂测试装置。而事实上，电机的寿命取决于其核心部件定子的寿命，因此本发明提出针对定子的老化试验装置，从而简化了试验系统，降低了成本，还能大范围调整脉冲频率，加速老化过程，缩短试验时间。

本发明提供了一种电机定子绝缘老化试验装置，包括：

双脉冲电源，输出前后半周期极性相反的周期性脉冲，所述周期性脉冲的脉宽、幅值以及上升沿和下降沿的时间可调；

开关箱，包括多个用于切换通路的开关，所述开关箱的输入端与所述双脉冲电源连接，通过调整所述开关箱内的多个开关的组合关系改变所述开关箱的输出端电压；所述开关箱按预定时间维持输出电压，用于对被试电机的定子进行绝缘老化试验。

上述的电机定子绝缘老化试验装置，还包括：

环境仓，所述被试电机的定子设置于所述环境仓内，所述环境仓为所述被试电机的定子提供不同温度环境。

上述的电机定子绝缘老化试验装置，其中，所述环境仓提供高低温工作试验或温度循环试验所需的温度环境。

上述的电机定子绝缘老化试验装置，其中，所述开关箱内至少包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的开关频率可调，其中：

所述第一开关与第二开关串联，所述第三开关与第四开关串联；

串联的第一开关与第二开关的一端与串联的第三开关与第四开关的一端连接，并与所述开关箱的正向输入端连接；

串联的第一开关与第二开关的另一端与串联的第三开关与第四开关的另一端连接，并与所述开关箱的反向输入端连接。

上述的电机定子绝缘老化试验装置，其中，

所述开关箱的输出端的引出点分别为第一开关与第二开关之间、第三开关与第四开关之间和正向输入端；或者

所述开关箱的输出端的引出点分别为第一开关与第二开关之间、第三开关与第四开关之间和反向输入端。

上述的电机定子绝缘老化试验装置，其中，所述脉冲电源的切换频率可调，其可调范围为0Hz～100kHz。

本发明还提供了一种电机定子绝缘老化试验方法，采用上述任一项所述的试验装置连接被试电机的定子，对定子进行连续工作试验，试验结束检测所述定子的绝缘性能，所述试验方法包括如下步骤：

调整所述开关箱内开关的导通/闭合的组合状态，以改变定子输入端的电压；

调整所述双脉冲电源的输出频率、脉宽以及上升沿和下降沿时间，以模拟实际的电机控制器加载在电机端部的PWM脉冲电压；

按预定时间保持所述被试电机的定子运转。

上述的电机定子绝缘老化试验方法，其中，调整所述双脉冲电源的切换频率，以模拟实际的电机控制器加载在电机端部的PWM脉冲电压。

本发明还提供了一种电机定子绝缘老化试验方法，采用上述任一项所述的试验装置连接被试电机的定子，对定子进行环境试验，试验结束检测所述定子的绝缘性能，所述试验方法包括如下步骤：

调整所述开关箱内开关的导通/闭合的组合状态，以改变定子输入端的电压；

调整所述双脉冲电源的输出频率、脉宽以及上升沿和下降沿时间，以模拟实际的电机控制器加载在电机端部的PWM脉冲电压；

调整所述环境仓的温度条件；

按预定时间保持所述被试电机的定子运转。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、现有技术中，一般以整个电机为考核对象，包含了电机的定子、转子、壳体以及一些附属零件。其测试系统及其复杂，一般包含整流装置，测功机及其控制器，DC/DC逆变器，电机控制器，以及联轴器，扭矩测量仪，轴承组等一系列旋转的机械部件，系统复杂，故障率高，价格昂贵。本发明公布的测试装置及方法中，以电机的定子为考核对象，测试系统最少可以只包含一个双脉冲电源和一个开关箱，极大地简化了测试系统。

2、现有技术中，试验所用的变频器受到电压以及电流的限制，其开关频率一般在10kHz～15kHz左右。双脉冲电源的开关频率最高可以达到100kHz,在试验过程中可以极大地加速电机定子老化进程，缩短试验时间，提高效率。

附图说明

图1是现有技术的一般试验系统的示意图；

图2是三相交流电机供电的原理图；

图3是本发明一实施例电机定子老化试验装置的示意图；

图4a是图3电机定子通电状态等效图之一；

图4b是图3电机定子通电状态等效图之二；

图4c是图3电机定子通电状态等效图之三。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

绝缘老化是指因电场、温度、机械力、湿度、周围环境等因素的长期作用，使电工设备绝缘在运行过程中质量逐渐下降、结构逐渐损坏的现象。绝缘老化的速度与绝缘结构、材料、制造工艺、运行环境、所受电压、负荷情况等有密切关系。绝缘老化最终导致绝缘失效，设备不能继续运行。引起绝缘老化的原因可归结为电的作用、热的作用、化学作用、机械力作用、湿度的影响等。本申请着重讨论的是电老化(连续工作)和热老化(高低温工作、温度循环)的实验室试验方法。现有技术受限于变频器开关频率的限制，在绝缘老化试验中缺少加速机制，试验周期较长，耗费较多人力和物力。本发明试图通过高频双脉冲电源和组合开关，模拟电机控制器输出的PWM脉冲电压，简化控制系统，缩短绝缘老化试验的预定时间。

本发明首先提供了一种开关箱，如图3中的标号8部分所示，所述开关箱8内包括多个开关频率可调的开关，通过调整所述开关箱8内的多个开关的组合关系(开关的通断组合)使所述开关箱8的输出的三相电源与被测定子的连接关系不同。

本实施例中，所述开关箱8内包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4。其中所述第一开关K1与第二开关K2串联，所述第三开关K3与第四开关K4串联；并且串联的第一开关K1与第二开关K2的一端与串联的第三开关K3与第四开关K4的一端连接，并与所述开关箱8的正向输入端Udc连接；串联的第一开关K1与第二开关K2的另一端与串联的第三开关K3与第四开关K4的另一端连接，并与所述开关箱8的反向输入端-Udc连接。

进一步地，所述开关箱8的输出端引出3个输出点，以构成三相电源。本实施例中，引出点分别为第一开关K1与第二开关K2之间、第三开关K3与第四开关K4之间和反向输入端-Udc。在另一个实施例中，引出点还可以分别为第一开关K1与第二开关K2之间、第三开关K3与第四开关K4之间和正向输入端Udc。

进一步地，为了加速或者调控电机定子老化时间，所述开关需为开关频率可调的开关。所述开关可以是传统意义上单刀单掷开关，单刀双掷开关等，也可以是受控的可高频切换的电子开关。

进一步地，所述第一开关K1和第二开关K2始终保持一通一断的状态，所述第三开关K3和第四开关K4始终保持一通一断的状态。若第一开关K1和第二开关K2同时连通，或者第三开关K3和第四开关K4同时连通，则开关箱正反向输入端(双脉冲电源的输出端)短路，双脉冲电源将进入短路保护状态。若第一开关K1和第二开关K2同时断开，或者第三开关K3和第四开关K4同时断开，则开关箱的输出端不再是三相电的结构，而是存在至少一路开路，那么被试电机5的供电无效，被试电机5不能正常工作。

请继续参考图3，本实施例提出一种对电机定子进行老化试验的装置，其实质是对电机定子进行长时间带电工作的考核，取代传统的对整个电机进行试验的系统。本试验装置包括双脉冲电源9、开关箱8、环境仓7和被试电机5的定子51。

所述双脉冲电源，输出前后半周期极性相反的周期性脉冲，所述周期性脉冲的脉宽、幅值以及上升沿和下降沿的时间可调。所述双脉冲电源的输出可调可以灵活的模拟电机实际工作的多种工况，使试验更接近事实，那么通过试验总结出的老化时间就更具可信度。且所述脉冲电源的切换频率可调，其可调范围为0Hz～100kHz，在实验过程中可以极大地加速电机定子老化进程。综合调整所述双脉冲电源的输出频率、脉宽、上升沿和下降沿时间以及切换频率可模拟实际的电机控制器加载在被试电机端部的PWM脉冲电压。

所述开关箱的输入端与所述双脉冲电源连接，箱内有多个用于切换通路的开关，通过调整所述开关箱内的多个开关的组合关系改变所述开关箱输出端的电压。在图3所示的实施例中，所述开关箱的三个输出端分别为第一输出端U、第二输出端V和第三输出端W，通过第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4不同的开关组合状态，使所述被试电机的定子的三个输入端所承受的电压和现有技术中被试电机输入电压完全一致，可以达到取代电机整机进行试验的目的。具体的，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4的组合如表1所示。

表1

由表1可知，通过切换第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4的通断状态可以决定加载在所述定子51的输入电压状态。当串联的第一开关K1及第二开关K2和/或串联的第三开关K3及第四开关K4全通或全断时，所述定子51不工作，因此，实际的有效开关组合状态有3种，不同的开关组合状态决定了所述定子51的三相线端电压的不同。表1中所列是所有有效的开关组合状态与定子51的线端电压的对应关系。

表1中，状态1对应图4a中的等效图，第一开关K1和第三开关K3闭合，相当于第一输出端U和第二输出端V两点短路，因此第一输出端U和第二输出端V间无电压，双脉冲电源9的输出电压分别施加在第二输出端V和第三输出端W之间与第三输出端W和第一输出端U之间。

表1中的状态2对应图4b中的等效图，第一开关K1和第四开关K4闭合，相当于第二输出端V和第三输出端W两点短路，因此第二输出端V和第三输出端W间无电压，双脉冲电源9的输出电压分别施加在第一输出端U和第二输出端V之间与第三输出端W和第一输出端U之间。

表1中的状态3对应图4c中的等效图，第二开关K2和第三开关K3闭合，相当于第三输出端W和第一输出端U两点短路，因此第三输出端W和第一输出端U间无电压，双脉冲电源9的输出电压分别施加在第一输出端U和第二输出端V之间与第二输出端V和第三输出端W之间。

进一步地，为了对所述定子进行热老化考核，所述对电机定子进行老化试验的装置还包括环境仓7。所述环境仓7为所述被试电机的定子提供不同温度环境，试验时，将所述被试电机的定子设置于所述环境仓7内。具体的，所述环境仓7提供高低温工作试验或温度循环试验所需的温度环境。

本发明还提供了一种电机定子绝缘老化试验方法，按图3所示的试验装置连接被试电机的定子51，对定子51进行连续工作试验(电老化考核)，试验结束检测所述定子51的绝缘性能，统计绝缘老化时间。所述试验方法包括如下步骤：

调整所述开关箱内开关的导通/闭合的组合状态，以改变定子51输入端三相线端电压；

调整所述双脉冲电源的输出频率、脉宽以及上升沿和下降沿时间，以模拟实际的电机控制器加载在电机端部的PWM脉冲电压；

按预定时间保持所述被试电机的定子51运转。

本发明还提供了一种电机定子绝缘老化试验方法，按图3所示的试验装置连接被试电机的定子51，对定子51进行环境试验(热老化考核)，试验结束检测所述定子51的绝缘性能，统计绝缘老化时间。所述试验方法包括如下步骤：

调整所述开关箱内开关的导通/闭合状态，以改变定子51输入端三相线端电压；

调整所述双脉冲电源的输出频率、脉宽以及上升沿和下降沿时间，以模拟实际的电机控制器加载在电机端部的PWM脉冲电压；

调整所述环境仓的温度条件；

按预定时间保持所述被试电机的定子51运转。

进一步地，所述环境仓的温度条件包括高低温环境和温度循环环境。

进一步地，通过开关箱8三种状态之间的轮流切换，还可以实现定子51中三相绕组温度的均匀分布。

本发明的对电机定子进行老化试验的装置由于只对被试电机5内部的关键件定子51进行试验，以局部试验代替了整机试验，从而可以用一个双脉冲电源9代替传统的试验系统中的整流单元1、直流模拟单元、测功机控制器3和测功机4，用开关箱8代替被试电机控制器6。本发明的试验装置相较于传统的试验系统，大大简化了配套使用的各种检测设备和能源设备，降低了对这些设备的要求，大大降低了试验成本，节约了试验步骤。

本发明的电机定子老化试验方法能够利用本发明的对电机定子进行老化试验的装置，使用方便，能提高试验效率，可以节约更多的人力成本，为加速老化试验提供了很好的解决方案，适用于厂矿企业对电机的考核。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种电机定子绝缘老化试验装置，其特征在于，包括：

双脉冲电源，输出前后半周期极性相反的周期性脉冲，所述周期性脉冲的脉宽、幅值以及上升沿和下降沿的时间可调；

开关箱，包括多个用于切换通路的开关，所述开关箱的输入端与所述双脉冲电源连接，通过调整所述开关箱内的多个开关的组合关系改变所述开关箱的输出端电压；所述开关箱按预定时间维持输出电压，对被试电机的定子进行绝缘老化试验；

所述开关箱内至少包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的开关频率可调，其中：

所述第一开关与第二开关串联，所述第三开关与第四开关串联；

串联的第一开关与第二开关的一端与串联的第三开关与第四开关的一端连接，并与所述开关箱的正向输入端连接；

串联的第一开关与第二开关的另一端与串联的第三开关与第四开关的另一端连接，并与所述开关箱的反向输入端连接；

所述开关箱的输出端的引出点分别为第一开关与第二开关之间、第三开关与第四开关之间和正向输入端；或者

所述开关箱的输出端的引出点分别为第一开关与第二开关之间、第三开关与第四开关之间和反向输入端。

2.如权利要求1所述的电机定子绝缘老化试验装置，其特征在于，还包括：

环境仓，所述被试电机的定子设置于所述环境仓内，所述环境仓为所述被试电机的定子提供不同温度环境。

3.如权利要求2所述的电机定子绝缘老化试验装置，其特征在于，所述环境仓提供高低温工作试验或温度循环试验所需的温度环境。

4.如权利要求1所述的电机定子绝缘老化试验装置，其特征在于，所述脉冲电源的切换频率可调，其可调范围为0Hz~100kHz。

5.一种电机定子连续工作试验方法，其特征在于，采用权利要求1~4任一项所述的试验装置连接被试电机的定子，对定子进行连续工作试验，试验结束检测所述定子的绝缘性能，所述试验方法包括如下步骤：

调整所述开关箱内开关的导通/闭合的组合状态，以改变定子输入端的电压；

调整所述双脉冲电源的输出频率、脉宽以及上升沿和下降沿时间，以模拟实际的电机控制器加载在电机端部的PWM脉冲电压；

按预定时间保持所述被试电机的定子运转。

6.如权利要求5所述的电机定子连续工作试验方法，其特征在于，调整所述双脉冲电源的切换频率，以模拟电机控制器加载在电机端部的PWM脉冲电压频率。

7.一种电机定子环境试验方法，其特征在于，采用权利要求1~4任一项所述的试验装置连接被试电机的定子，对定子进行环境试验，试验结束检测所述定子的绝缘性能，所述试验方法包括如下步骤：

调整所述开关箱内开关的导通/闭合的组合状态，以改变定子输入端的电压；

调整所述双脉冲电源的输出频率、脉宽以及上升沿和下降沿时间，以模拟实际的电机控制器加载在电机端部的PWM脉冲电压；

调整环境仓的温度条件；

按预定时间保持所述被试电机的定子运转。

8.如权利要求7所述的电机定子环境试验方法，其特征在于，所述环境仓的温度条件包括高低温环境和温度循环环境。

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