Автомобиль / Силовая установка / Гибридная силовая установка / Тяговый электродвигатель

Тяговый электродвигатель

Тяговый электродвигатель - одна из основных подсистем гибридной силовой установки, которая преобразует электрическую энергию в механический крутящий момент для движения автомобиля, а во многих режимах способна выполнять обратную функцию - работать генератором и возвращать энергию в высоковольтную батарею. В технической англоязычной терминологии широко используется название Traction Motor. English-поле этой страницы в Генеральной карте TESMA не заполнено, поэтому Traction Motor здесь используется как общепринятый технический эквивалент, а не как отдельно утвержденный английский канон TESMA.

В гибридном автомобиле тяговый электродвигатель не является самостоятельным источником мощности. Его крутящий момент зависит от инвертора, возможностей высоковольтной батареи, температуры, высоковольтного охлаждения, состояния трансмиссии и команд общего контроллера гибридной системы.

Поэтому слабая электрическая тяга не доказывает неисправность самого мотора. Точно так же слабая рекуперация не означает, что электрическая машина перестала работать генератором. Момент может штатно ограничиваться из-за SOC, температуры батареи, charge power limit, discharge power limit, перегрева инвертора, ABS/ESC или другой защитной стратегии.

Основная функция тягового электродвигателя

Главная задача электрической машины - создавать управляемый крутящий момент в приводе автомобиля.

В зависимости от архитектуры она может:

самостоятельно приводить автомобиль в движение;
помогать ДВС при разгоне;
обеспечивать электрическое начало движения;
работать генератором;
участвовать в системе рекуперации;
регулировать скорости элементов гибридной трансмиссии;
на отдельных архитектурах запускать ДВС;
управлять распределением механической и электрической мощности совместно с другими узлами.

На одном автомобиле может использоваться одна электрическая машина, на другом - две и более. Поэтому обозначения MG1, MG2, P0, P1, P2, P3 или P4 необходимо расшифровывать применительно к конкретной платформе.

Электродвигатель и мотор-генератор

Одна электрическая машина может работать в двух противоположных режимах.

Моторный режим

Энергия поступает из высоковольтной системы через инвертор. Электрическая машина создает механический крутящий момент.

Генераторный режим

Механическая часть привода вращает электрическую машину, а она вырабатывает электрическую энергию.

Так реализуется большая часть рекуперативного торможения.

Где расположен тяговый электродвигатель

Конкретная компоновка зависит от конструкции.

Электрическая машина может:

быть связана с коленчатым валом;
находиться между ДВС и коробкой передач;
быть встроенной в гибридную трансмиссию;
быть частью электрического приводного модуля;
приводить отдельную ось;
использоваться в электрическом полном приводе;
работать совместно со второй электрической машиной.

Архитектуры гибридов

MHEV

Электрическая машина обычно помогает двигателю, рекуперирует энергию и может обеспечивать функции быстрого запуска.

HEV

Электрическая машина способна активнее участвовать в создании тяги и рекуперации.

PHEV

Большая батарея позволяет использовать тяговый электродвигатель более продолжительно, но конкретная стратегия определяется платформой.

Последовательный гибрид

Основную тягу создают электрические машины, а ДВС может работать преимущественно через генераторный контур.

Параллельный гибрид

Электрический мотор и ДВС способны передавать механический момент в общий привод.

Последовательно-параллельная схема

Система комбинирует механические и электрические потоки и может иметь несколько электрических машин.

Основные элементы

Статор

Неподвижная часть с электрическими обмотками, создающими управляемое магнитное поле.

Ротор

Вращающаяся часть, взаимодействующая с магнитным полем статора.

Вал

Передает механический момент в редуктор или трансмиссию.

Подшипники

Обеспечивают точное вращение ротора. Их износ может создавать шум, вибрацию и дополнительное тепловыделение.

Датчик положения ротора

Инвертору необходимо знать точное положение ротора. Для этого применяются resolver, encoder и другие системы.

Неправильный сигнал может вызвать ограничение момента или невозможность активации привода при исправных силовых обмотках.

Температурные датчики

Используются для защиты электрической машины от перегрева.

Охлаждение

Конструкция системы теплового отвода зависит от платформы. Может использоваться жидкостное, масляное или другое решение.

Как инвертор управляет мотором

Инвертор формирует электрические режимы, необходимые для создания нужного момента.

Управление учитывает:

положение акселератора;
скорость автомобиля;
положение ротора;
токи электрической машины;
состояние высоковольтной батареи;
температуру;
режим трансмиссии;
работу ДВС;
команды ABS/ESC;
защитные ограничения.

Поэтому отсутствие большого момента не означает, что мотор физически не способен его создать.

Requested torque и Actual torque

Requested низкий, Actual низкий

Система сама не требует большой тяги. Нужно определить причину ограничения.

Requested высокий, Actual низкий

Команда не выполняется полностью. Проверяют мотор, инвертор, питание, датчики, температуру и механическую часть.

Requested и Actual совпадают, но автомобиль едет слабо

Причина может находиться вне тягового электродвигателя.

Влияние высоковольтной батареи

Тяговый мотор может использовать только ту электрическую мощность, которую ему позволяет высоковольтная система.

Если высоковольтная батарея ограничила discharge power, фактическая тяга уменьшится даже при исправном электродвигателе.

Охлаждение и derating

При высокой температуре система может уменьшать допустимый момент.

Причиной нагрева могут быть:

высокая продолжительная нагрузка;
неисправное охлаждение;
механический дефект;
электрическая проблема;
неправильный сигнал датчика.

Поэтому при повторяющемся thermal derating проверяют высоковольтное охлаждение и саму электрическую машину.

Работа при рекуперации

Во время рекуперации машина работает генератором.

Однако допустимый генераторный момент зависит от:

SOC;
charge power limit;
температуры батареи;
температуры инвертора;
ABS/ESC;
скорости;
других ограничений системы.

Поэтому отсутствие сильной рекуперации не является самостоятельным тестом электродвигателя.

Типы электрических машин

В гибридных приводах могут использоваться разные конструкции:

синхронные машины с постоянными магнитами;
индукционные машины;
электрические машины с электромагнитным возбуждением;
другие варианты.

Методы измерения и диагностики для них могут отличаться.

Основные симптомы

снизилась электрическая тяга;
появились рывки;
электрический привод периодически отключается;
автомобиль ограничивает мощность;
горит предупреждение гибридной системы;
система не переходит в Ready;
появился гул или вой;
возникла вибрация;
растет температура электрической машины;
появились motor/resolver DTC;
изменилась рекуперация.

Ни один из этих признаков сам по себе не доказывает неисправность тягового электродвигателя.

Почему слабая тяга не доказывает неисправность мотора

Мощность могут ограничить:

SOC;
discharge power limit;
температура батареи;
температура инвертора;
температура электродвигателя;
ошибки других систем;
HV isolation fault;
ABS/ESC;
трансмиссия;
12 V питание.

Шум тягового привода

Гул или вой может исходить не только от электродвигателя.

Проверяют:

подшипники мотора;
редуктор;
дифференциал;
зубчатые передачи;
приводные валы;
ступичные подшипники;
шины;
нормальные электромагнитные тоны.

Подшипники

Изношенный подшипник способен создавать гул, вибрацию, сопротивление вращению и нагрев.

Но источник необходимо локализовать, а не менять мотор только по характеру звука.

Электрические повреждения обмоток

Возможны:

нарушение изоляции;
межвитковые дефекты;
повреждение соединений;
аномальное тепловыделение;
несимметричная электрическая работа.

Они могут проявляться токовыми отклонениями, DTC, перегревом или нестабильным моментом.

Простой мультиметр не позволяет исключить все виды внутренних повреждений.

Нарушение высоковольтной изоляции

Тяговый электродвигатель может быть источником isolation fault, но такой код не доказывает его неисправность.

Также проверяются:

HV-батарея;
инвертор;
высоковольтные кабели;
электрический компрессор;
нагреватели;
влага;
повреждения после ДТП.

Для этого используется «Проверка изоляции высоковольтной системы».

Resolver

Система определения положения ротора необходима для корректного управления моментом.

Причиной resolver-related DTC могут быть:

датчик;
проводка;
разъем;
экранирование;
механическое положение;
калибровка;
электронный контроллер.

Менять весь мотор только по такому DTC неправильно.

Перегрев

Высокая температура может возникать из-за:

длительной высокой нагрузки;
недостаточного охлаждения;
износа подшипников;
электрического дефекта;
проблем инвертора;
неверного температурного сигнала.

Вибрации

При вибрации необходимо разделять электрические и механические причины.

Проверяют:

motor torque;
resolver;
phase currents;
подшипники;
редуктор;
приводные валы;
опоры агрегата;
колеса;
работу ДВС.

DTC

DTC тягового привода является диагностическим направлением, а не готовым заключением о замене двигателя.

Коды могут быть связаны с:

rotor position;
motor speed;
токами;
температурой;
изоляцией;
torque performance;
инвертором;
питанием;
связью между контроллерами.

Live Data

Полезно анализировать:

motor speed;
requested motor torque;
actual motor torque;
motor current;
phase currents, если доступны;
motor temperature;
resolver angle;
rotor position;
inverter temperature;
DC bus voltage;
Battery SOC;
Battery current;
discharge power limit;
charge power limit;
available electric power;
regenerative torque;
HV system status;
derating reason;
ABS/ESC status.

Универсальных нормативов тока, сопротивления, температуры и напряжения для всех тяговых машин нет.

Проверка температур на холодном автомобиле

После длительной стоянки можно сравнивать температурные датчики на физическую правдоподобность.

Существенно нелогичное значение одного датчика является основанием для дальнейшей проверки, но универсального допустимого отклонения для всех систем нет.

Дифференциальная диагностика

Мотор или HV-батарея?

Низкий discharge power limit способен полностью объяснить слабую электрическую тягу.

Мотор или инвертор?

Эти узлы работают как единый силовой контур и должны анализироваться совместно.

Мотор или охлаждение?

Thermal derating может ограничивать полностью исправный мотор.

Мотор или редуктор?

Механический шум и вибрация могут исходить от зубчатой передачи.

Мотор или ступичный подшипник?

Скорость автомобиля и motor RPM необходимо рассматривать отдельно.

Мотор или приводной вал?

Вибрация под нагрузкой может быть механической.

Мотор или ДВС?

В гибриде оба источника момента могут работать одновременно.

Мотор или рекуперативная система?

Слабая рекуперация часто является следствием внешнего ограничения.

HV или 12 V?

Низковольтная система может создать no Ready и коммуникационные ошибки.

Алгоритм диагностики

В Генеральной карте TESMA отдельной страницы «Диагностика тягового электродвигателя» для гибридной ветви нет. Диагностика относится к общей странице «Диагностика - Гибридная силовая установка».

Идентифицировать автомобиль по VIN.
Уточнить год и рынок.
Определить MHEV, HEV или PHEV.
Определить количество электрических машин.
Установить функцию каждой машины.
Изучить схему гибридного привода.
Записать жалобу владельца.
Определить режим появления симптома.
Проверить 12 V питание.
Проверить Ready.
Считать все DTC.
Не удалять DTC.
Сохранить freeze frame.
Проверить hybrid control DTC.
Проверить inverter DTC.
Проверить battery DTC.
Проверить isolation DTC.
Проверить ABS/ESC и transmission DTC.
Посмотреть motor speed.
Посмотреть requested torque.
Посмотреть actual torque.
Сравнить requested и actual.
Проверить SOC.
Проверить discharge power limit.
Проверить charge power limit.
Проверить battery current.
Проверить motor temperature.
Проверить inverter temperature.
Проверить температурные ограничения батареи.
Проверить resolver data.
Проверить достоверность motor speed.
Проверить доступные данные токов.
Проверить derating flags.
Определить контроллер, ограничивший момент.
При перегреве проверить охлаждение.
При isolation fault локализовать весь HV-контур.
При шуме разделить электрическую и механическую части.
Сравнить шум с motor RPM.
Сравнить шум с vehicle speed.
Проверить работу под тяговой нагрузкой.
Проверить генераторный режим.
Оценить рекуперацию с учетом возможностей батареи.
Проверить проводку и разъемы по OEM-процедуре.
Выполнить разрешенные производителем электрические тесты.
Провести необходимую механическую проверку.
Только после локализации дефекта принимать решение о ремонте тягового электродвигателя.

Почему мультиметра недостаточно

Простое измерение сопротивления не исключает:

межвитковый дефект;
проблему при нагреве;
динамическую неисправность resolver;
дефект под нагрузкой;
нарушение HV-изоляции;
механическую неисправность.

Используются процедуры и оборудование, предусмотренные производителем.

Как анализировать шум

Нужно зафиксировать:

скорость автомобиля;
motor RPM;
тяговый или генераторный режим;
нагрузку;
температуру;
момент появления;
влияние запуска ДВС;
наличие шума накатом;
изменение шума в повороте.

Как анализировать вибрацию

Вибрацию, связанную с motor speed, необходимо отличать от вибрации, связанной только со скоростью колес.

Проверяются:

электромагнитные пульсации;
ротор;
подшипники;
редуктор;
приводные валы;
колеса;
опоры агрегата.

Обслуживание

Сам тяговый электродвигатель часто не имеет традиционного периодического ТО, но требуется контролировать связанные системы.

тепловой режим;
систему охлаждения;
необычные шумы;
утечки в связанных агрегатах;
состояние HV-изоляции;
последствия ДТП и затопления;
разъемы в рамках разрешенных процедур.

Универсального интервала обслуживания тягового мотора нет.

Ремонт тягового электродвигателя

В базе знаний TESMA предусмотрена отдельная страница «Ремонт тягового электродвигателя».

В зависимости от конструкции ремонт может затрагивать:

подшипники;
resolver;
электрические соединения;
статор;
ротор;
изоляцию;
охлаждение;
уплотнения;
интегрированный редуктор.

Не на каждой платформе производитель разрешает разборку и ремонт отдельных элементов.

Когда мотор менять не нужно

Замена не решит проблему, если ее источник находится в:

HV-батарее;
инверторе;
охлаждении;
проводке resolver;
12 V питании;
ABS/ESC;
редукторе;
ступичном подшипнике;
приводном валу;
программной стратегии.

Подбор тягового электродвигателя

VIN;
модель;
год и дата выпуска;
рынок;
тип гибридной архитектуры;
код силовой установки;
OE-номер;
ревизия электродвигателя;
тип инвертора;
конфигурация трансмиссии;
редуктор;
система охлаждения;
разъемы;
тип датчика положения;
программная совместимость;
необходимая инициализация.

Подбор только по фотографии недостаточен.

Пять практических сервисных случаев

Случай 1 - слабая тяга

Автомобиль хуже разгонялся на электрической тяге. Сначала подозревали мотор.

Requested torque уже был ограничен контроллером из-за низкого discharge power limit батареи.

Сам электродвигатель правильно выполнял команду.

Случай 2 - гул оказался не мотором

Шум усиливался со скоростью автомобиля, но почти не зависел от motor RPM.

Механическая проверка выявила другое источник шума.

Вывод: необходимо разделять скорость ротора и скорость колес.

Случай 3 - resolver DTC

Периодически ограничивалась тяга и появлялся код положения ротора.

Причина находилась в сигнальном контуре, а не в силовых обмотках.

Случай 4 - thermal derating

После длительной нагрузки тяга уменьшалась из-за роста температуры.

Причиной была проблема теплового отвода.

После восстановления охлаждения момент вернулся.

Случай 5 - слабая рекуперация

Водитель считал, что мотор перестал работать генератором.

Requested regenerative torque был низким из-за высокого SOC.

Мотор был исправен.

Типичные ошибки

1. Менять мотор из-за слабой тяги

Нужно сначала проверить запрос контроллера.

2. Игнорировать батарею

Она определяет доступную электрическую мощность.

3. Игнорировать инвертор

Электродвигатель не работает независимо от силовой электроники.

4. Диагностировать мотор по слабой рекуперации

Это системный симптом.

5. Считать любой гул подшипником мотора

Нужно исключать редуктор, ступицы и шины.

6. Менять мотор по resolver DTC

Сначала локализуется цепь сигнала.

7. Удалять DTC до freeze frame

Теряются условия появления неисправности.

8. Не сравнивать requested и actual

Без этого можно неправильно определить источник ограничения.

9. Использовать универсальную норму сопротивления

Такой нормы для всех traction motor нет.

10. Проверять изоляцию неподходящим способом

Работа выполняется по OEM-процедуре.

11. Игнорировать температуру

Thermal derating способен значительно изменить мощность.

12. Связывать все вибрации с мотором

Есть множество механических источников.

13. Переносить логику одной гибридной архитектуры на другую

Функции электрических машин различаются.

14. Игнорировать 12 V батарею

Низковольтные ошибки могут нарушить работу всей системы.

15. Подбирать мотор по фото

Внешнее сходство не гарантирует совместимость.

16. Менять мотор без проверки редуктора

Шум может передаваться через общий корпус.

17. Игнорировать ДТП или затопление

Они могут вызвать повреждение HV-изоляции.

18. Проводить опасный дорожный тест

Сначала необходимо убедиться в безопасности движения.

19. Считать отсутствие шума доказательством исправности

Электрические неисправности могут быть бесшумными.

20. Не устранять первопричину

Новый мотор может снова получить повреждение при неисправном охлаждении или другом внешнем факторе.

Безопасность

Тяговый электродвигатель является частью потенциально смертельно опасной высоковольтной системы HEV/PHEV.

Работа с силовыми клеммами, обмотками, инвертором и HV-проводкой требует квалификации.

OEM shutdown procedure;
PPE;
lockout;
контроль повторного подключения;
discharge wait производителя;
verify absence of hazardous voltage;
соответствующее измерительное оборудование;
специальные процедуры после ДТП или затопления.

Универсального времени ожидания после отключения HV-системы нет.

Снятие service plug не доказывает отсутствие опасного напряжения во всех компонентах.

Кроме того, автомобиль в режиме Ready способен начать движение без работающего ДВС. Тишина под капотом не означает, что силовая установка выключена.

Товарные группы TESMA

В предоставленном перечне товарных категорий TESMA отдельная подтвержденная категория тяговых электродвигателей гибридных автомобилей отсутствует. Поэтому не заменяем ее ссылками на обычные стартеры, генераторы или другую низковольтную электрику.

Для этой страницы товарная ссылка не добавляется до появления подтвержденной соответствующей категории TESMA.

Связанные страницы базы знаний TESMA

Опасно ли самостоятельно разбирать тяговый электродвигатель?

Да. Он относится к высоковольтной системе.

Если ДВС молчит, автомобиль безопасно выключен?

Нет. В режиме Ready автомобиль может создать тягу только электродвигателем.

Когда можно утверждать, что неисправен именно тяговый электродвигатель?

После локализации электрического или механического дефекта самого узла и исключения батареи, инвертора, охлаждения, датчиков, проводки, трансмиссии и других системных причин.

Вывод

Тяговый электродвигатель является центральным исполнительным узлом электрической части гибридной силовой установки. Он создает тягу, а в генераторном режиме участвует в возврате энергии при торможении. Но его фактический момент всегда является результатом работы всей системы.

Слабая тяга, изменение рекуперации, шум, вибрация, перегрев или DTC должны анализироваться вместе с requested и actual torque, возможностями высоковольтной батареи, инвертором, температурой, системой охлаждения, resolver, высоковольтной изоляцией и механической частью привода.

Главное сервисное правило TESMA: не приговаривать тяговый электродвигатель по одному симптому или DTC. Сначала нужно доказать, что команда на момент существует, электрическая система способна ее обеспечить, а причина отклонения действительно находится внутри самого тягового электродвигателя.