无刷直流电机可靠性及其故障模式分析

　　第卷第期年月电机与控制学报无刷直流电机可靠性及其故障模式分析黄洪剑，林瑞光浙江大学电机及其控制研究所，浙江杭州田建立无刷直流电机的可靠性串联模型，并分析了无刷直流电机的故障模式。

　　绕组轴承和驱动控制线路的失效是无刷直流电机的主要失效模式，由此通过元器件计数法和应力分析法在无刷直流电机的设计阶段对可靠性进行了预估。

　　关键词无刷直流电机可靠度失效率故障树中图分类号文献标识码文章编号一科阴一以一引言为了提高无刷直流电机的可靠性，必须在设计中积极主动地挖掘可能潜在的隐患。

　　故障模式分析是无刷直流电机可靠性设计的重要内容，是进行可靠性预计和分配的基础，在设计阶段进行深人细致的分析，其目的是为了预测可靠性水平，找出薄弱环节和逐步合理的把可靠性指标分配到各个部件上。

　　基本概念可靠度指的是在规定的条件下工作时，所考察对象到时刻前不失效的概率。

　　设是对象的寿命（或失效前工作时间），则尸为概率。

　　易知，是的非增函数，且的失效率又称瞬时失效率，指所考察对象工作到时刻后，在一个单位时间内失效的概率。

　　由定义知，双t）为一条件概率，则又巩簇巩八矛咔U T簇由上述定义可知又而一以亡，无刷直流电机可靠性模型及可靠度计算可靠性模型是指为预计或估算产品的可靠性所建立的数学模型。

　　建立可靠性模型的目的和用途在于定量分配估算和评估可靠性。

　　无刷直流电机由定子绕组驱动电路位置反馈磁钢转轴承等单元组成，任何一个单元的故障，都将使系统无刷直流电机）发生故障。

　　因此，无刷直流电机为可靠性串联系统，图为它的可靠性框图，图中一对应各单元的可靠度。

　　日期一以一黄洪剑（一男，博士研究生。

　　研究方向为徽特电机及其控制。

　　林瑞光（一男，教授，博士生导师，研究方向为徽特电机及其控制。

　　第期无刷直流电机可靠性及其故障模式分析一曰位置反馈卜一日磁钢凡卜州些她尽芍尸图无刷直流电机可靠性框图无刷直流电机驱动电路通常由一些集成电路功率管电阻电容等元件组成。

　　假定这些元件之间可靠性关系为串联，即某一元件坏，则整个驱动电路坏，这样可进一步画出如图所示的驱动电路可靠性框图。

　　一位亘卜褥四一唇互正图驱动电路可靠性框图目在分析无刷直流电机可靠性时，假设电机与部件都只有两种状态故障状态和正常状态部件的故障是相互独立的。

　　因此，根据图得出无刷直流电机的可靠度为路短路，机械零件断裂，轴承磨损等。

　　故障模式分析，就是在设计过程中，通过对各单元潜在的各种故障模式及对电机功能的影响进行分析，提出可以采取的预防改进措施。

　　根据无刷直流电机的结构，以及试验和现场使用中收集到的失效数据分析，可得出如图所示的无刷直流电机故障树图。

　　尺。

　　当各单元的可靠度为时间的函数时，则凡当所有单元的寿命都服从指数分布时，则凡一又二一客一一，绕组坏卜控制信号瞬动电路坏定。

　　转子摩擦可见，如果各单元的寿命服从指数分布，则无刷直流电机的寿命仍服从指数分布，其失效率等于各部件失效率之和，即凡艺又由上式可知，降低无刷直流电机失效率的有效方法一是降低各单元的失效率二是减少单元中部件的数量。

　　由图可知，驱动电路的可靠度关Q又由元件元件元件的可靠度所决定，即一只如果各元件的寿命服从指数分布，则驱动电路的失效率一冬求出了无刷直流电机的可靠度后，就可求出平均无故障工作时间，即图无刷直流电机故障树图既一户无刷直流电机的故障模式分析故障模式是指故障的表现形式，例如电容的开图中圆圈内数字表示无刷直流电机可能发生的各种故障模式，其中为异物为磁钢脱落为磨损为开裂或断开为压痕为腐蚀为电蚀为轴变形为铁芯锈10为断线为绝缘电阻下降为绝缘老化为绝缘击穿14为绝缘损伤巧为反馈元件坏16为虚焊为功率管坏为电阻短路开路19为电容短路开路为磁钢性能下降21为反馈元件松动为反馈元件性能退化。

　　图为无刷直流电机运行中可能发生的故障模式。

　　除了图中所列故障模式之外，理论上无刷直流电机还有可能发生别的一些故障，如机座或端盖损坏接线盒损坏等。

　　但其它这些故障发生几率都很小，如文献中所述，在中小型交流电机中，轴承故障与绝缘故障占总故障数的在直流电机中，轴承故障与绝缘故障占总故障数的电刷故障占总故障数的对于无刷直流电机而言，由于多了驱动控制线路，因此它的可靠性薄弱环节为轴承绕组绝缘驱动控制线路。

　　电机与控制学报第卷无刷直流电机可靠性预计由于无刷直流电机的失效主要表现为绕组失效轴承失效和驱动控制线路失效三个方面，且可靠性模型为串联模型，下面仅考虑这三种失效模式。

　　根据电机设计的不同阶段，可以采用不同的可靠性预计方法（ l）在早期权衡研究和方案设计阶段采用可靠度的相似设备法和相似复杂性法在早期设计阶段采用元器件计数法和粗略应力分析法详细设计阶段采用应力分析法。。5元器件计数法这一方法用于无刷直流电机设计的早期阶段，这时电机的结构元器件数都已确定，但元器件和部件的工作仍不确定。

　　在这一阶段的分析中，假定各部件和元器件的失效率服从指数分布。

　　绕组的失效率绕组失效主要有绝缘损坏绕组断线和引出线焊接点断开等失效形式，可参考同类电机的失效率或有关手册。

　　轴承的失效率又轴承的失效率又可查有关可靠性设计手册或采用同类电机的轴承失效率。

　　文给出了轴承失效率参考值又一恤于滚子轴承，又2一对于深沟球轴承，低速轻载时又高速轻载时又高速中载时又高速重载时又驱动控制线路的失效率又驱动控制线路是由集成电路电阻电容位置反馈元件等组成的系统，即线焊接材料有关，可以通过寿命试验或其他同类电机失效数据的统计分析得到。

　　文献中给出了一种计算模型。

　　绕组的工作失效率为朴凡兀式中又。

　　为基本失效率凡二。

　　分别为环境系数质量系数种类系数结构系数。

　　基本失效率为凡几式中几为热点温度肠分别为温度常数加速常数失调率调整系数。

　　上述各参数可通过计算工作状态，查文献中相应表格得到。

　　轴承可靠度大量研究表明，轴承寿命服从威布尔分布，即一食对于球轴承圆柱滚子轴承圆锥滚子轴承叮与电机运行转速负载和轴承质量等级有关。

　　文献4[]给出了在一定可靠度下轴承寿命计算模型与一瓦而戈毓万少了式中为驱动控制线路元器件数凡厅为驱动控制线路第个元器件的失效率。

　　而又心。

　　为第个元器件的基本失效率，为第个元器件的质量系数。

　　得到各部件失效率后，可得无刷直流电机的总失效率为几。

　　二则无刷直流电机可靠度为成）t一又。

　　亡召应力分析法计数法并没有考虑工作应力的影响，同时认为各个单元的失效率服从指数分布，这与实际情况并不相符，因此，其估计精确度不高。

　　事实上，构成无刷直流电机的各单元失效率可靠性与工作应力密切相关。

　　（ l）绕组可靠度绕组寿命近似服从指数分布，有一又参数又，与电机运行温度线径绝缘等级工艺和引式中为寿命指数，球轴承。

　　滚子轴承。

　　为滚动轴承额定动负荷（为滚动轴承承受的当量动负荷炸为轴承转速，为对质量的寿命修正系数尸为载荷系数为对可靠度的寿命修正系数。

　　由上式可计算出对应一可靠度时轴承寿命，带人轴承可靠度公式则可算出叮（3）驱动控制线路可靠度大多数电子设备和电子元件的寿命都服从指数分布，文献中给出了各种元器件的工作失效率又，的计算模型。

　　例如小规模数字电路又，二。

　　二二。

　　晶体管二极管光电子器件寿二又。

　　和`碗灰场效应管孙凡兀二二，碗金属膜与碳膜电阻又，几二和二，电容寿凡二和碗。

　　二印制板又，几二吻焊点又，几二其中几。

　　为基本失效率兀为环境系数究为质量系数兀，为应用系数毗为结构系数二为温度应力系数二为电压应力系数为成熟系数而为电压应力系数为额定功率电流或阻值系数二……

　　为电容量系数助，为串联系数为种类系数为电路复杂度失效率为封装复杂度失效率为印制板金属化孔数。

　　上述参数可通过计算工作状态，查文献3[]中相应表格得到。

　　计算出各元件失效率后，由于各元件寿命服从指数分布，因此，将各元件失效率相加，可得驱动控制线路总失效率又进而一儿凡。

　　艺间一凡式第期无刷直流电机可靠性及其故障模式分析由各部件可靠度，可得无刷直流电机可靠度预计值为尺。

　　尺，无刷直流电机可靠性设计实例以某无刷直流电机为例，设计工作环境温度为采用应力分析法分析设计电机的可靠度。

　　以下计算失效率单位均为or一勺时间单位为护不再另行列出。。6绕组可靠度凡绕组采用级绝缘，经温到士淇的热点温度为75查文献中相应表得又。

　　二质量系数凡二。

　　为则绕组工作失效率又朴又。

　　二二。二二得绕组可靠度一又一轴承可靠度式此部分查表均为文献中相应表格。

　　设计采用的轴承为型深沟球轴承，转速为血。

　　额定动负荷计算得当量动负荷尸二质量因子凡载荷系数计算可靠度为。0 9时的寿命，可靠度修正系数几深沟球轴承。

　　则焊点巧个，查表得又。

　　二进而可得又，又。

　　兀线路中有数块集成块，这里以其中一块为例进行失效率计算。

　　环境温度为30查表得近似结温为以此为基础，可查得朴由集成块工作电压，查得凡，成熟产品二兀质量系数凡由集成块特性可查得电路复杂度失效率和封装复杂度失效率，进而得朴二。

　　一其它还有多个元件，这里以一电阻为例进行计算，此电阻为金属膜电阻，额定功率为l/阻值为在线路中共有个，设计工作功率与额定功率之比为而环境温度为30查表得基本失效率几二质量系数二二，为则此种电阻工作失效率又，二凡二凡二，二求得所有元件失效率后，由又艺又得又得驱动控制线路可靠度尺一又一由上述计算，可得此无刷直流电机总可靠度为尺乙一咭石万气丁莎一少一入亡，一份希将与场纯，护带人轴承可靠度计算式，可得叮进而得轴承可靠度二一如取可得寿命为的可靠度为凡二味一瑞而驱动控制线路可靠度在电机驱动控制线路中，共有元件数分别计算出失效率后，相加可得总失效率。

　　此部分所查表均为文献中相应表格。

　　线路中含有一块印制板，此板为双面板，金属化孔数查表得凡二凡进而得朴礼二凡共有参考文献一恒定应力寿命和加速寿命试脸方法总则s[].

　　一电子设备可靠性预计手册徐硕。

　　机械设计手册北京机械工业出版社，男l习叶金虎。

　　无刷直流电动机北京科学技术出版社，峋霉穷冶ù矽欢迎仃阅欢迎投稿犷穷份