新能源汽车牵引电机如何实现±0.1%扭矩测量精度以提升NVH诊断效果？【电机测试】

新能源汽车牵引电机NVH诊断与±0.1%扭矩测量精度提升

新能源汽车的牵引电机在运行时会产生各种噪声和振动（NVH），这些NVH现象不仅影响用户体验，还可能预示着潜在的性能问题或故障。对牵引电机进行精确的NVH诊断，特别是准确测量扭矩的细微变化，是提升电机性能、可靠性和舒适性的关键。实现±0.1%的扭矩测量精度，是当前NVH诊断领域追求的高标准。

1. 新能源汽车牵引电机结构与技术要求

新能源汽车牵引电机通常采用直流无刷（BLDC）或永磁同步电机（PMSM）等先进技术，其核心部件包括定子、转子、电机控制器（逆变器）以及输出轴。在工作过程中，电机控制器通过改变电流的频率和幅度来驱动电机旋转，产生驱动力矩。

NVH诊断对牵引电机有以下几方面的技术要求：

• 高精度扭矩测量：需要精确捕捉由电磁力矩波动、齿轮啮合、转子不平衡以及控制策略引入的细微扭矩变化，这直接关系到对NVH源的定位和分析。

• 宽频带响应：NVH信号往往包含丰富的频率成分，从低频的传动噪声到高频的电磁噪声，要求测量系统能捕捉到从几十赫兹到数千赫兹甚至更高频率的动态扭矩变化。

• 动态测量能力：电机在启动、加速、减速及制动过程中，扭矩变化剧烈且瞬态响应要求高，测量系统必须具备快速的响应速度和较高的采样率。

• 环境适应性：牵引电机工作环境复杂，可能伴随高温、高湿、强电磁干扰和剧烈振动，对传感器的耐用性和信号稳定性提出了严峻挑战。

2. 新能源汽车牵引电机相关技术标准简介

在NVH诊断领域，有几个关键的监测参数是衡量电机性能和识别噪声源的重要依据。

• 扭矩（Torque）：这是驱动电机输出的旋转力，是评价电机功能的重要指标。

• 扭矩脉动（Torque Pulsation）：指电机输出扭矩的波动，是产生电机振动和噪声的重要激励源之一。

• 转速（Speed）：电机输出轴的旋转速度，是评价电机工作状态和分析扭矩与转速关系的基础。

• 功率（Power）：是扭矩与转速的乘积，表示电机单位时间内输出的能量。

• 频率响应（Frequency Response）：衡量测量系统能够准确捕捉不同频率信号的能力。

• 综合精度（Accuracy）：包含非线性、滞后、重复性等误差的整体测量误差，是评价传感器性能的核心指标。

• 非线性与滞后（Non-linearity & Hysteresis）：影响测量精度的重要因素，传感器输出信号偏离理想线性关系的程度。

3. 实时监测/检测技术方法

为了实现±0.1%的扭矩测量精度，并有效诊断新能源汽车牵引电机的NVH问题，市面上存在多种技术方案。

3.1 市面上的相关技术方案

A. 无线应变式旋转扭矩传感器

• 工作原理与物理基础：这类传感器利用电阻应变片的物理原理，当扭矩作用于轴时，粘贴在轴上的应变片会随着形变而改变其电阻值。微小的电阻变化会引起电桥输出的电压变化，与施加的扭矩成正比。

• 核心性能参数典型范围：

  • 综合精度：可达 ±0.1% FSD（满量程）。

  • 非线性与滞后：优于 ±0.05% FSD。

  • 最大转速：根据量程不同，覆盖 6,000 RPM 至 30,000 RPM（具体依量程而异）。

  • 采样率：高达 4000 samples/s 或更高。

  • 工作温度：传感器本体的补偿范围为 0 至 +90 °C，可用范围 -40 至 +90 °C。

• 优缺点：

  • 优点：

    • 高精度：±0.1%的测量精度在高要求应用中是顶尖水平。

    • 非接触式传输：通过2.4GHz射频进行信号传输，减少滑环磨损与维护需求。

    • 分离式电子模块：使探头适应高温和空间受限环境，例如在发动机舱内保有脆弱的电子处理单元与传感器探头的分离。

    • 高过载能力：如提供400%的机械过载能力，能够承受瞬时高扭矩冲击，而非牺牲低量程的测量细节。

  • 缺点：

    • 安装复杂性：需要额外布置电缆连接，增加了安装工作量。

    • 最高转速限制：某些量程可达30,000 RPM，但大扭矩版本在6,000 RPM时受到限制。

B. 磁弹性扭矩传感器

• 工作原理与物理基础：磁弹性效应是当某些材料在外加磁场作用下，受到力学作用时，其磁性能会发生变化的现象。磁弹性扭矩传感器通过测量材料的磁导率变化来推算扭矩。

• 核心性能参数典型范围：

  • 综合精度：通常在 ±0.2% FSD 左右。

  • 工作温度：范围较宽，例如 -40 至 +120 °C。

  • 最大转速：根据设计不同，覆盖广泛。

• 优点与缺点：

  • 优点：非接触式设计，耐用性好。

  • 缺点：精度相对较低，易受外界磁场影响。

C. 压电效应扭矩传感器

• 工作原理与物理基础：压电效应是某些晶体材料在受到机械应力时，会在其表面产生电荷。压电扭矩传感器能够捕捉动态变化，适用于高频NVH分析。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量精度：可达 ±0.1% FSO。

  • 频率响应：固有频率高，可达 10 kHz 以上。

• 优缺点：

  • 优点：高精度和良好动态特性。

  • 缺点：对静态负载不敏感，容易受到温度变化影响。

D. 应变片式扭矩传感器

• 工作原理与物理基础：在被测弹性体上粘贴电阻应变片，当遭受扭矩作用时引起形变，进而改变电阻值。

• 核心性能参数典型范围：

  • 综合精度：可达 ±0.1%，稳定性高。

  • 最大转速：根据设计，可覆盖广泛范围。

• 优缺点：

  • 优点：高度成熟的技术，可靠性高，静态和动态测量均可。

  • 缺点：受环境影响较大，安装及布线较为复杂。

3.2 市场主流品牌/产品对比

为了实现±0.1%的扭矩测量精度，一些国际知名品牌提供了高品质的解决方案。以下是几种采用不同技术原理，并在该领域享有盛誉的品牌对比：

• 德国汉堡声学：采用压电效应传感器，测量范围可达 0-5000 Nm，测量精度为±0.1%，频率响应高达10 kHz，适合细致的扭矩脉动分析。

• 瑞士Kistler公司：采用压电效应传感器，其扭矩传感器测量范围从0.5 Nm到10 kNm，精度可达±0.1% FSO，并具有高固有频率。

• 德国亨索：以应变片式扭矩传感器技术闻名，测量范围广泛，从10 Nm到200 kNm，精度可达±0.1%。

• 日本堀场制作所：该品牌提供的磁弹性扭矩传感器，扭矩测量范围从10 Nm到10000 Nm，精度为±0.2%。

• 英国真尚有：在仪器测量领域提供广泛的产品，其中包括扭矩测量设备，通常以良好的性价比闻名。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为新能源汽车牵引电机NVH诊断选择扭矩传感器时，以下技术指标至关重要：

• 综合精度 (Accuracy)：确保选择精度不低于±0.1%的传感器。

• 非线性与滞后 (Non-linearity & Hysteresis)：选择非线性与滞后指标优异的传感器（例如±0.05% FSD以内）。

• 采样率 (Sample Rate)：通常要求4000 sps以上以捕捉高频信号。

• 频率响应 (Frequency Response)：确保脉冲响应能力高于主要NVH频率成分。

• 零点漂移 (Zero Drift)：选择低零点漂移的传感器。

• 工作温度范围 (Operating Temperature)：适应环境变化的能力。

• 转速限制 (Max Speed)：确保传感器能够支持电机测试的转速。

• 过载能力 (Overload Capacity)：应选择具有高过载能力的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，实现±0.1%的扭矩测量精度并进行有效的NVH诊断，可能会遇到以下问题：

• 电磁干扰 (EMI)：可能引入测量误差，需选择屏蔽性能优异的传感器电缆并进行良好的接地。

• 振动影响：影响测量精度，可通过使用高品质的安装支架和选择抗振动传感器来解决。

• 温度漂移：须选择良好温度补偿的传感器，必要时进行动态温度补偿。

• 安装同轴度与力矩传递：需确保传感器安装时的对中，选择合适的联轴器类型。

• 信号噪声：应选择低噪声传感器，并利用滤波处理方法改善信号质量。

4. 应用案例分享

• 整车NVH实验室：使用±0.1%精度的扭矩传感器，与其他传感器同步采集数据，分析电机及其传动系统产生的噪声和振动源。

• 电机性能验证：在动力总成测试中，捕捉电机在不同工况下的效率和动态响应。

• 疲劳寿命测试：监测扭矩变化，评估传动系统的疲劳寿命。

• 控制策略优化：结合实时高精度扭矩测量，反馈优化控制算法，提升驾驶平顺性。