高速無刷直流電動機壽命試驗故障分析與試驗方法改進

秦 虎，王孝利，程 遠，羅新華

(1.駐上海航天局中心軍代室，上海201109;2.中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

高轉(zhuǎn)速無刷直流電動機的壽命試驗是電動機鑒定試驗的最后一個關(guān)鍵步驟。由于對高轉(zhuǎn)速的認識不足，在利用傳統(tǒng)試驗方法進行的初次壽命試驗中，在經(jīng)過近140 h后發(fā)生異常，被測電機停轉(zhuǎn)，有明顯的焦糊味，并且驅(qū)動器外圍電路板一相布銅完全過熱燒斷，還有一相布銅也有過熱痕跡尚未完全熔斷。壽命試驗運行時間為150 h，要求加載，為間歇工作制，每個工作周期通電10 min，休息10 min。壽命試驗的加載是采用兩個電機(主動電機和被動電機)對拖的方式。圖1為壽命試驗原理圖。

圖1 試驗原理圖

1 故障分析

首先分別對驅(qū)動器和被測電動機進行技術(shù)指標復測，物理分解表明驅(qū)動器工作基本正常。轉(zhuǎn)軸可以自由轉(zhuǎn)動，沒有卡死。但具有明顯糊味且電阻值發(fā)生異常:三相繞組不平衡，有兩組繞組電阻超差，這些跡象顯示被測電機出現(xiàn)了過流，繞組匝間短路。如圖2所示，建立故障樹進行分析后可以確定是由于被測電機卡死導致驅(qū)動電機堵轉(zhuǎn)燒毀。因此以被測電機轉(zhuǎn)軸卡死為故障對象繼續(xù)分析，根據(jù)故障現(xiàn)象和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝，以轉(zhuǎn)軸卡死為頂事件，建立故障樹進行分析。

圖2 被測電機故障樹

1.1 鎖制器繞組開路及鎖制器機械故障

測量電機鎖制器繞組電阻，電阻值正常。排除鎖制器繞組開路造成故障的可能。接著對鎖制器通電仍然可以看到動鐵心的吸合動作，且通電吸合時鎖制器動鐵心端面和靜鐵心端面緊密貼合，工作可靠，排除了鎖制器失效可能。

1.2 定轉(zhuǎn)子之間機械干涉

拆解故障電機的過程中發(fā)現(xiàn)，靠近尾部的軸承完全損壞，磁鋼磨損嚴重，磁鋼粉末和碎塊散落吸附在定轉(zhuǎn)子的間隙中。如圖3、圖4所示。磁鋼破碎及軸承造成定轉(zhuǎn)子干涉，轉(zhuǎn)軸無法轉(zhuǎn)動。

該電機的單邊氣隙極小(0.8 mm)，通過模擬試驗可知:如果磁鋼先破損造成定轉(zhuǎn)子干涉，轉(zhuǎn)軸將立刻卡死，則驅(qū)動電機將堵轉(zhuǎn)燒毀，不會造成被測電機如此嚴重的破環(huán)。故可判定被測電機是尾部軸承首先失效，使轉(zhuǎn)軸偏移，定轉(zhuǎn)子在高速情況下劇烈摩擦，尾部磁鋼最終碎裂，接著碎塊填充氣隙，轉(zhuǎn)軸卡死，最終驅(qū)動電機堵轉(zhuǎn)停止。

1.3 軸承失效分析

該電機發(fā)生失效的是尾部軸承，該型軸承的轉(zhuǎn)速、壽命、載荷這幾個參數(shù)的標稱滿足電機總體要求，且故障電機在壽命試驗之前已完成所有性能檢驗項目及超速、轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)、機電時間常數(shù)、電感、低溫低氣壓、高溫低氣壓、穩(wěn)態(tài)加速度、沖擊、隨機振動、特殊振動等一系列試驗。核算所有試驗對于軸承會造成的影響，所經(jīng)歷的振動、沖擊和加速度試驗均不超過軸承所能承受的負荷。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以排除軸承選型不當造成的故障分支。

進一步復查圖紙、工藝、裝配工序及過程檢驗及軸承出廠質(zhì)量一致性檢驗紀錄，設(shè)計、生產(chǎn)、裝配公差均滿足和該電機規(guī)范要求。結(jié)合對同批次軸承使用情況的復查，可排除裝配不當和軸承自身質(zhì)量問題的可能。

1.4 軸承在試驗中受力不當

試驗采用的是傳統(tǒng)電機對拖方式。主動電機和被動電機放在一個V形塊上，軸伸連接使用一波紋管，波紋管用兩個螺釘和電機轉(zhuǎn)軸軸伸固定。所用V形塊的安裝槽為一刀加工出來，線性度為0.02 mm，電機的軸伸外圓對機殼同軸度可達到0.02 mm。在試驗復現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)波紋管存在變形，和軸伸存在較大間隙，被測電機軸伸不能順利進入波紋管，如圖5所示，徑向變形量約為1 mm，產(chǎn)生一定的徑向壓力。經(jīng)回顧，這種測試方法曾經(jīng)出現(xiàn)過波紋管壽命試驗電機軸承失效的故障案例，但當時電機轉(zhuǎn)速遠低于該電機。綜上分析，轉(zhuǎn)子軸向竄動通過波紋管對軸承造成軸向受力是導致軸承損壞的根本原因。

圖5 波紋管有彎曲變形

2 機理分析及驗證

波紋管聯(lián)軸器的試驗方法采用高柔性不銹鋼，具有高扭矩剛性、良好的穩(wěn)定性的特點。但是距離驅(qū)動電機越遠，撓動程度放大越大，所受到的徑向偏擺影響也最大，近似懸臂梁，如圖6所示。而且由于電機外形設(shè)計限制，尾部軸承比軸伸端軸承尺寸小，承載荷也小，受力卻是最大的。這與試驗中兩個電機的四個軸承中被動電機的尾部軸承會最先損壞的實施相符。而波紋管的彎曲變形會給電機軸承上造成一定的附加徑向壓力，進一步增加軸承尤其是被動機尾部軸承的負荷壓力，影響軸承壽命。

圖6 剛性系統(tǒng)越遠處的擾動越大

為了驗證上述分析，采用兩臺同型電機進行故障復現(xiàn)。為加快試驗進程，且盡量模擬故障情況，采取了人為安裝不同軸連續(xù)運轉(zhuǎn)的方式。偏移量約為1.2 mm，如圖7 所示，每 4小時監(jiān)測，連續(xù)運行近70 h發(fā)現(xiàn)，電機運轉(zhuǎn)聲音較大，但電流正常;運轉(zhuǎn)75 h后被測電機出現(xiàn)明顯異常噪聲，尾部銷盤出現(xiàn)偏擺。拆解電機并對尾部軸承進行失效分析，與理論分析相符。試驗說明波紋管因剛性較大，近似剛性連接，不同心條件下，被測電機尾部軸承撓動和負荷增大，從而影響壽命。

圖7 故障模擬

3 試驗方法分析及改進

綜上所述，應采用柔性連接，并盡量保證同軸安裝的試驗方法來進行高轉(zhuǎn)速電機的壽命試驗。首先，V形試驗支架線性度經(jīng)測量為0.02 mm。抽取同批次電機3臺，以電機外圓定位測量軸伸徑向圓跳動，為0.01～0.012 mm，說明如果以電機外圓作為安裝定位面安裝在V形試驗支架上，可以保證軸伸同軸度良好。其次，對高速運轉(zhuǎn)器件的連接件進行廣泛分析，所使用的聯(lián)軸器以插銷撥動聯(lián)軸器和圓形膜片聯(lián)軸器居多。但插銷撥動聯(lián)軸器雖然能解決對拖試驗軸承失效的問題，但高速運動中力矩和轉(zhuǎn)速的波動會造成插銷和銷孔之間的高頻碰撞，極易造成插銷、插孔變形或者插銷脫落。最終決定采用圓形膜片聯(lián)軸器，如圖8所示，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、慣性小，具有高扭轉(zhuǎn)剛性。且有較強的補償徑向、角向和軸向偏差能力，具有零回轉(zhuǎn)間隙，順、逆時針回轉(zhuǎn)特性完全相同。由于圓形膜片聯(lián)軸器軸向、徑向柔性大，在高精度、高轉(zhuǎn)速機械結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應用。

圖8 圓形膜片聯(lián)軸器

通過試驗對比了不同聯(lián)軸器時的受力狀況如表1、表2所示，測量了相同口徑的波紋管和圓形膜片兩種聯(lián)軸器在軸向、徑向偏移量達到1 mm時的回彈力，對比電機試驗過程中，在相同偏移量的條件下，波紋管聯(lián)軸器產(chǎn)生的回彈力遠遠大于圓形膜片聯(lián)軸器產(chǎn)生的回彈力。所以選用圓形膜片聯(lián)軸器能有效降低電機高速旋轉(zhuǎn)時所受載荷，更好地保護軸承。

表1 聯(lián)軸器變形量1 mm時的軸向、徑向回彈力

表2 徑向自身振動

4 結(jié) 語

通過理論分析和試驗驗證，最終確定了針對高轉(zhuǎn)速電機壽命試驗方法，使用圓形膜片聯(lián)軸器，提供足夠的旋轉(zhuǎn)剛性，又可以彌補一定的軸向和徑向的撓動，避免剛性連接時長時間撓動對被動電機尾部軸承造成損壞。以新試驗方法對該型電機進行鑒定檢驗，累計通過了150 h的壽命考核(是失效試驗2倍多)，證明現(xiàn)在采取的試驗方法是切實有效的。

對于高速電機帶載壽命試驗，為防止因安裝不當引起的故障，應采用彈性連接方式，輔以自身振動測試判斷安裝的恰當方式。

［1］楊渝欽.控制電機［M］.第2版.北京:機械工業(yè)出版社，1999.

［2］中國機械工程學會.機械設(shè)計手冊［M］.第3版.北京:機械工業(yè)出版社，2005.