磁懸浮飛輪用無刷直流電動機可靠性研究
李鍇1，駱紅云1，張爭1，韓邦成2
(1北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191；2北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191)
摘要：針對為磁懸浮飛輪( MSFW)轉(zhuǎn)子提供旋轉(zhuǎn)動力的無刷直流電動機(BLDCM)進行了可靠性方面的研究。首先，建立了BLDCM的可靠性串并聯(lián)模型，采用應(yīng)力分析法對其可靠度進行了預(yù)計，同時分析了采用冗余控制對BLDCM可靠度的影響，分析表明在一定程度上可以認(rèn)為控制冗余延長了BLD—CM的使用壽命。其次，根據(jù)MSFW運行測試的狀況，建立了BLDCM的故障樹，進行了BLDCM的故障模式與影響分析，最后提出了提高MSFW用BLDC可靠性的建議，對MSFW的工程應(yīng)用具有一定的實用價值。
關(guān)鍵詞：BLDCM；可靠性分析；故障樹；故障模式與影響分析
中圖分類號：TM36 +1；TM351 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-6848(2010)02-0012-0i
0引 言
近年來，磁懸浮軸承技術(shù)已進人工程應(yīng)用階段，并已應(yīng)用于航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)。采用磁懸浮軸承支承的b輪系統(tǒng)具有無摩擦損耗、無需潤滑、無污染、啟動和運行平穩(wěn)且噪聲小，磁軸承剛度可調(diào)、可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子無接觸懸浮等優(yōu)點。因而磁懸浮飛輪( MSFW)與傳統(tǒng)的機械飛輪相比，具有更高的姿態(tài)控制精度以及更長的壽命，被認(rèn)為是未來高精度航天器姿態(tài)控制的理想執(zhí)行機構(gòu)。
本文所涉及的MSFW主要由BLDCM、提供角動量的飛輪轉(zhuǎn)子、徑向混合磁軸承、軸向混合磁軸承、徑向位移傳感器、軸向位移傳感器和殼體等組成。BLDCM提供轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的動力并且控制著飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和方向，是影響MSFW壽命的關(guān)鍵組件之一。
文獻[4]指出軸承故障與絕緣故障占中小型交流電機故障的百分之97，直流電機中軸承故障與絕緣故障占百分之56，電刷故障占百分之42。文獻[5]認(rèn)為無刷直流電機多了驅(qū)動控制線路，因此它的可靠性薄弱環(huán)節(jié)為：軸承、絕緣繞組、驅(qū)動控制線路。
MSFW的轉(zhuǎn)子部分靠電磁軸承產(chǎn)生的電磁力懸浮，理論上各部件基本不存在蘑損，BLDCM的轉(zhuǎn)子部分固定于MSFW的轉(zhuǎn)子上，因此BLDCM不存在磨損問題。這也表明BLDCM失效機理與傳統(tǒng)電機機械軸承磨損失效為主的失效模式存在根本的不同，所以在對MSFW可靠性的研究中，應(yīng)著重對BLDCM進行可靠性方面的研究。
1 可靠性基本概念
可靠度：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，常以R(t)表示。
定義不可靠度
F(t)也稱為故障概率分布函數(shù)，對其求導(dǎo)即得失效密度函數(shù)
失效率：指工作到某時刻t時尚未發(fā)生失效的產(chǎn)品，在該時刻f以后的下一個單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率，記為A(t)。
積分得：
當(dāng)失效率A(t)不隨時間變化，為常數(shù)A，即壽命分布服從指數(shù)分布時。
2 BLDCM可靠度預(yù)計
由于驅(qū)動電路的預(yù)計方法已很成熟，所以本文暫不考慮驅(qū)動電路即控制部分本身的可靠性，只考慮集成于MSFW上的BLDCM機體的可靠性。由于MSFW的轉(zhuǎn)子部分靠電磁軸承產(chǎn)生的電磁力懸浮，各部件基本不存在磨損，BLDCM的轉(zhuǎn)子部分固定于MSFW的轉(zhuǎn)子上，不存在組件之間的磨損問題，困此BLDCM各組件為偶然失效，可以認(rèn)定BLDCM各組件失效率為常數(shù)，壽命服從指數(shù)分布。因此本文采用應(yīng)力分析法給出BLDCM組件在服役期間的失效率，利用串并聯(lián)模型建立BLDCM的可靠性模型，進而預(yù)測BLDCM機體的失效率。
2.1 MSFW用BLDCM結(jié)構(gòu)
MSFW用BLDCM機體可以分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。
2。2 BLDCM組件的失效率預(yù)計
1)熱敏電阻器的失效率模型為：
根據(jù)設(shè)計所采用的熱敏電阻的規(guī)格，Ab為基本失效率，0.045 xl0-6/h; πE為環(huán)境系數(shù)，宇航飛行Sp，1 0；πQ為質(zhì)量系數(shù)，A2級，0.3; πT為溫度系數(shù)，由有限元分析計算結(jié)果可知定子組件的溫度為ll0攝氏度左右，查溫度系數(shù)表，πT=3.1，則λp=0 042×10 -6/h。
2)霍爾傳感器的失效率模型為：
根據(jù)設(shè)計所采用的霍爾傳感器的規(guī)格，λb為基本失效率，0. 43×10-6／h；πE為環(huán)境系數(shù)，宇航飛行Sp，0.6；πQ為質(zhì)量因子，0. 24；πC為電路復(fù)雜因子，1；7TR力額定系數(shù)，l；πL為成熟因子，l；πS主要指除在λb內(nèi)所包含功率以外的二次外加電壓應(yīng)力對模型的調(diào)整系數(shù)，S=外加電壓／額定電壓，由于在設(shè)計中采用降額設(shè)計，S=0.5，則πs=0.65；由此可得λp=0 040×10-6／h
3)繞組的失效率模型
繞組的失效主要有絕緣損壞、繞組斷線和引出線焊接點斷開等失效形式。繞組采用GJB/2299C -2006《電子部件可靠性預(yù)計程序手冊》中給出的線圈工作失效率模型：
λb為基本失效率，選用繞組的耐熱溫度為130℃，絕緣等級為B級，由有限元分析計算結(jié)果可知定子組件的溫度為ll0攝氏度左右，λb=0.0089×10-6/h; πE為環(huán)境系數(shù)，宇航飛行SF，1.0; πQ為質(zhì)量系數(shù)，BI級，0.6；πK為種類系數(shù)，固定和可變小線圈，πK=1。πc為結(jié)構(gòu)系數(shù)，結(jié)構(gòu)為固定，πc =1;則繞組工作失效率λp=0.0053 x10 -6／h
4)磁性器件的工作失效率模型為：
λb =0.06 x10-6／l1，宇航飛行SF，πE =1; πQ為質(zhì)量系數(shù)，質(zhì)量等級A級，0. 35；則磁鋼λp=0. 021 x10 -6廠l1。
5)疊層作為一個整體基本上不存在失效問題，沖片的粘結(jié)面膠的失效為其主要的失效模式，其失效率模型為
λb為基本失效率，0.0019x10 -6／h，πE為環(huán)境系數(shù)，宇航飛行SF，πE=1，πQ為質(zhì)量系數(shù)，πQ=l，Ⅳ為粘結(jié)面數(shù)，N= 10，則λp=0.019 x10-6／h。
考慮到擋圈等輔助結(jié)構(gòu)件和一些不可預(yù)見性失效問題，取失效率修正系數(shù)λ修正=0.01×10 - 6／h。
2.3 BLDCM可靠度預(yù)計
綜合以上數(shù)據(jù)，可得MSFW用BLDCM組件的失效率數(shù)據(jù)，如表1所示。
1)在控制中不采用任何冗余的情況下，BLD-CM整體為各組件的串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠性框圖如圖2所示。
則控制未冗余BLDCM的失效率：
λμ為第；個部件的工作失效率，N為第i個部件的個數(shù)。BLDCM系統(tǒng)的可靠度：
2)在控制中采用冗余，主要指通過控制器和控制算法容錯實現(xiàn)在單個霍爾傳感器故障情況下仍能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的正確測量與轉(zhuǎn)動方向的正確檢測，使之滿足MSFW對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速精度的要求，其實現(xiàn)過程詳見文獻[10]，控制冗余后BLDCM的可靠性框圖如圖3所示：
此時三路霍爾傳感器構(gòu)成2/3冗余的表決系統(tǒng)，其可靠度為。
控制冗余后，其它組件仍為簡單的串聯(lián)關(guān)系，BLDCM系統(tǒng)的可靠度：
定義控制冗余對未冗余的相對可靠度增長率
分別對10年的時間內(nèi)采用控制冗余與不采用控制冗余的BLDCM的可靠度以及d隨時間的變化繪圖，如圖4所示：
由圖4(a)可以看出，無論采用冗余控制寫否，BLDCM都具有比較高的可靠度（大于0.97），隨著時間的增加，BLDCM可靠度逐漸下降，控制冗余在提高可靠性方面的作用也越來越大，控制冗余10年的可靠度大約相當(dāng)予控制未冗余6年的可靠度，在一定程度上可以認(rèn)為控制冗余延長了BLDCM的使用壽命。
另外通過圖4(b)可以看出可靠度提高的幅度比較小，究其原因：1）控制未冗余BLDCM的可靠度本身已比較高，提升的幅度空間較小；2）磁鋼、疊層、熱敏電阻與霍爾傳感器的失效率相當(dāng)，制約了霍爾傳感器冗余在提高BLDCM可靠度中的作用。因此BLDCM機體可靠性的薄弱環(huán)節(jié)為熱敏電阻、磁鋼、疊層、霍爾傳感器。
3 BLDCM故障樹與故障模式與影響分析
3.1 BLDCM故障樹
故障樹分析就是把產(chǎn)品（系統(tǒng)）最不希望發(fā)生的故障作為故障分析的目標(biāo)，把選定的產(chǎn)品故障狀態(tài)稱為頂事件，然后運用理論符號和邏輯推理對Bl起頂事件的故障逐層地、系統(tǒng)地往下分解、分析，找出各底層因素。根據(jù)磁懸浮飛輪運行測試的狀況以及分析來建立BLDCM的故障樹，所建立的故障樹如圖5所示。分析中的故障樹符號意義如表2所示。
3.2 BLDCM故障模式與影響分析
故障模式與影響分析是一種系統(tǒng)的、全面的、標(biāo)準(zhǔn)化的分析方法，用來判斷系統(tǒng)中元部件故障對系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，是一種在設(shè)計階段就對系統(tǒng)的可能故障模式及其影響進行分析的方法。具體地說是在產(chǎn)品設(shè)計過程中，通過對產(chǎn)品各組成單元潛在的各種故障模式及其對產(chǎn)品功能的影響進行分析，提出可能采取的預(yù)防改進措施以提高產(chǎn)品可靠性的一種設(shè)計分析方法。結(jié)合建立的故障樹，對BLDCM進行故障模式與影響分析。如表3所示。
3.3提高BLDCM可靠性的措施
通過以上的分析可以看出，振動沖擊是影響B(tài)LDCM組件可靠性的重要因素，所以在火箭發(fā)射階段，MSFW應(yīng)采用主動防護，例如鎖緊裝置來限制MSFW輪體在軸向與徑向的位移從而減少振動、沖擊的破壞，降低整機的失效率。在部件材料方面，相關(guān)研究表明改良磁鋼的熱處理工藝以及疊層由沖片疊合改為整體式機械加工可有效降低組件的失效率。另外通過選用高質(zhì)量的零件、降低零件的數(shù)目，制定嚴(yán)格的工藝、安裝流程規(guī)范，嚴(yán)格產(chǎn)品出廠環(huán)境應(yīng)力篩選測試，對提高MSFW用BLDCM可靠性也有很大的幫助。
4結(jié)論
本文所研究的MSFW目前正處于定型一工程化的關(guān)鍵時期，尚缺乏BLDCM長時間遠(yuǎn)行的可靠性試驗數(shù)據(jù)，故可靠度計算的結(jié)果暫時無法在試驗中定量的驗證。同時本文根據(jù)MSFW運行測試的狀況，建立了BLDCM的故障樹，并進行了故障模式與影響分析，提出了提高BLDCM可靠性的建議。是對MSFW運行測試階段BLDCM故障模式以及應(yīng)對策略的系統(tǒng)總結(jié)，對BLDCM的可靠性的提高有重要的參考價值，對類似產(chǎn)品的可靠性工作有很大的借鑒意義。對MSFW的工程應(yīng)用有一定的實用價值。
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