應(yīng)用背景

隨著新能源汽車的大規(guī)模普及和滲透，目前已成為汽車行業(yè)發(fā)展強(qiáng)有力的引擎。目前，新能源汽車所應(yīng)用的驅(qū)動電機(jī)類型以交流異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)為主，其中永磁同步電機(jī)應(yīng)用呈現(xiàn)出逐年升高的趨勢。作為新能源汽車的動力來源，永磁同步電機(jī)具有能量密度大、運(yùn)行可靠、調(diào)速性能任等特點(diǎn)，相比于其他類型的電機(jī)。可在同等質(zhì)量、體積下提供更大的動力輸出，對新能源汽車而言是理想的電機(jī)類型。但隨著永磁同步電機(jī)向著高精度、高功率密度、高轉(zhuǎn)速和一體化等方向發(fā)展，由此帶來了電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱量急劇增加、有效散熱空間嚴(yán)重不足等問題，因此散熱問題成為電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步向高功率密度方向發(fā)展的瓶頸。電機(jī)內(nèi)部溫升過高不僅會縮短電機(jī)內(nèi)部絕緣材料的壽命，而且會降低電機(jī)的運(yùn)行效率，使得發(fā)熱量增加，造成電機(jī)溫度進(jìn)一步上升，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響電機(jī)壽命和電機(jī)運(yùn)行的安全性。因此，采用可靠的溫度在線監(jiān)測手段和高效的散熱系統(tǒng)抑制電機(jī)溫升是電機(jī)向高效率、高穩(wěn)定性和高可靠性方向發(fā)展的關(guān)鍵。

高速電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度是影響電機(jī)安全性能的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子溫度檢測一直是測試行業(yè)的難點(diǎn)，以10000rpm以上的高速電機(jī)為例，在高速旋轉(zhuǎn)時，電機(jī)轉(zhuǎn)子承受巨大的離心力，電機(jī)轉(zhuǎn)子與氣隙高速摩擦，轉(zhuǎn)子表面的造成的摩擦損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)電機(jī)，給轉(zhuǎn)子的散熱帶來很大的困難。但由于轉(zhuǎn)子為高速旋轉(zhuǎn)部件，且受制于內(nèi)部空間限制，目前行業(yè)內(nèi)在電機(jī)設(shè)計階段多采用間接測溫手段或者無線遙測技術(shù)、高速滑環(huán)技術(shù)等試驗(yàn)手段驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計。但存在諸多問題，測溫技術(shù)設(shè)備部件結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，對電機(jī)的結(jié)構(gòu)改動較大，設(shè)備重量產(chǎn)生較大離心力，影響電機(jī)的正常運(yùn)行。目前存在行業(yè)痛點(diǎn)。

技術(shù)介紹

聲表面波測溫技術(shù)原理是聲表面波元件通過改變其材料性質(zhì)，可以獲得不同的反射頻率，同時對環(huán)境的物理參數(shù)非常敏感，因此聲表面波元件越來越多地被用作傳感器，并適用于氣體、壓力、力、溫度、應(yīng)變、輻射等領(lǐng)域，此次的測溫系統(tǒng)正是聲表面波技術(shù)在溫度領(lǐng)域的典型應(yīng)用。該技術(shù)傳感器具有無源、無線、耐高溫、免維護(hù)等諸多優(yōu)勢，目前正成為行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。

聲表面波測溫系統(tǒng)主要構(gòu)成及工作原理如下圖所示，信號處理單元將產(chǎn)生一個低能高頻的雷達(dá)脈沖，當(dāng)無線溫度探頭在運(yùn)動中經(jīng)過固定點(diǎn)天線時接受雷達(dá)脈沖，探頭表面再反射脈沖響應(yīng)回固定天線并傳輸至信號處理單元，系統(tǒng)軟件根據(jù)收到的反射信號進(jìn)行頻譜繪制和分析，最終計算出監(jiān)測到的溫度值并傳送至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該測溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力轉(zhuǎn)子溫度的連續(xù)實(shí)時監(jiān)控，且組成結(jié)構(gòu)簡單，對電子轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)可以有效進(jìn)行預(yù)判及數(shù)據(jù)分析。

聲表面波測溫技術(shù)原理

解決方案
如上圖所示，聲表面波測溫系統(tǒng)包括以下幾個部分組成：溫度傳感器、讀取天線、讀取器、上位機(jī)。其中溫度傳感器內(nèi)置聲表面波諧振器及傳輸天線，是系統(tǒng)測溫的感知前端單元，安裝在轉(zhuǎn)子需要測溫部位（多在磁鋼表面）；讀取天線是無線信號傳輸?shù)耐ǖ?，安裝在和傳感器同一空間，并保持無線隔離；讀取器負(fù)責(zé)接收讀取天線傳遞的信號并完成對傳感器信號的解析、處理和傳輸，最終通過通信線纜上傳到上位機(jī)部分。各個部件在電機(jī)內(nèi)安裝位置如下圖所示：
轉(zhuǎn)子測溫系統(tǒng)各部件安裝位置

總結(jié)

針對新能源行業(yè)汽車電動機(jī)轉(zhuǎn)子測溫的行業(yè)需求，本方案提供了一種基于聲表面波的轉(zhuǎn)子測溫技術(shù)。該方案有效解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)小溫度測量不方便的難題。

審核編輯 黃宇