航天器用無鐵心電機的故障分析與質(zhì)量控制

吳 芊，楊 磊，宋志華，夏 旎，王舒雁，武登云

(北京控制工程研究所，北京100094)

0 引 言

飛輪或控制力矩陀螺是航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中的慣性執(zhí)行部件[1-2]。它們按照姿控系統(tǒng)指令，提供合適的控制力矩，利用星體的角動量守恒法則，校正航天器的姿態(tài)偏差，或完成某種預(yù)設(shè)的姿態(tài)調(diào)整，是當前長壽命衛(wèi)星最理想的執(zhí)行部件[3]。

常規(guī)的飛輪和控制力矩陀螺一般采用無鐵心霍爾換相型電機作為高速驅(qū)動電機，它具有定子質(zhì)量輕，齒槽轉(zhuǎn)矩小，控制特性好等優(yōu)點，可以帶動輪體持續(xù)地加速或減速，產(chǎn)生作用于衛(wèi)星的反作用力矩，是姿控系統(tǒng)的核心部件，其質(zhì)量可靠性對衛(wèi)星的安全穩(wěn)定運行有著很大的影響[4-5]。

由于無鐵心定子的存在，無鐵心電機的設(shè)計方法和工藝流程同常規(guī)電機相比有明顯的區(qū)別。本文介紹了無鐵心電機在研制生產(chǎn)中遇到的幾種典型質(zhì)量問題，并介紹了提高其產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑，可用來指導(dǎo)實際設(shè)計生產(chǎn)。

1 無鐵心霍爾換相型電機基本結(jié)構(gòu)

無鐵心霍爾換相型電機是一種特殊的無刷直流電動機，如圖1和圖2所示。電機定子組件由定子骨架、定子座、霍爾器件、繞組，經(jīng)環(huán)氧樹脂灌注成為一體，定子線圈采用了無槽式集中繞組；轉(zhuǎn)子組件由轉(zhuǎn)子外軛、永磁體、轉(zhuǎn)子內(nèi)軛組成。

圖1 無鐵心霍爾換相型電機軸向截面圖

圖2 無鐵心霍爾換相型電機徑向截面圖

裝配后，定子繞組處于轉(zhuǎn)子組件的內(nèi)外磁回路之間。工作時，霍爾元件感知轉(zhuǎn)子的位置并將位置信號輸給換相驅(qū)動電路，以控制繞組的接通或關(guān)斷。電機采用定子無鐵心結(jié)構(gòu)，故氣隙相對普通電機較大，但這種結(jié)構(gòu)可以大幅減小定子質(zhì)量，消除定子鐵心損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩脈動，具有較好的控制特性和優(yōu)良的高速運轉(zhuǎn)性能，非常適合作為飛輪的驅(qū)動電機[4-6]。

2 無鐵心電機的特有故障及處理措施

無鐵心電機的故障一般分為兩類：一類是電氣方面的，大多發(fā)生于繞組及霍爾，如霍爾絕緣下降，繞組斷線、短路及接線錯誤等；另一類是機械方面的，如永磁體、定子骨架等零部件的松動、缺損、變形等。其中，轉(zhuǎn)子方面故障與常規(guī)電機類似，下面主要針對無鐵心定子的特有問題進行分析。

2.1 案例1：定子溫度過高

電機在工作過程中，定子內(nèi)預(yù)埋熱敏電阻測溫超過了安全溫度。通過排查，確定繞組渦流損耗大是導(dǎo)致定子溫度高的主要原因。

電機運行時，定子導(dǎo)體在交變磁場中感生的電流導(dǎo)致能量損耗，即為渦流損耗。渦流損耗的大小取決于感生渦流的電動勢值和渦流回路阻值。而感應(yīng)電動勢值與磁密的波形及交變頻率有關(guān)；渦流回路阻值與繞組的線徑有關(guān)。渦流損耗簡化公式如下[7-8]：

(1)

式中：D為導(dǎo)體直徑；B為磁密有效值；ω為B變化的角頻率；σ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率；l為導(dǎo)體的長度；n為電機轉(zhuǎn)速；p為轉(zhuǎn)子極對數(shù)。由式(1)可知，渦流損耗與電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子極對數(shù)、磁密的平方，線徑的四次方，導(dǎo)線電導(dǎo)率以及導(dǎo)體的長度成正比。

電機初始設(shè)計時，極對數(shù)和繞組線徑均參考常規(guī)有鐵心電機的經(jīng)驗值，但對無鐵心情況欠缺分析。圖3為常規(guī)有鐵心電機與無鐵心電機的磁力線分布對比。從圖3中可以看到，在有鐵心電機中，磁通主要經(jīng)過高磁導(dǎo)率的鐵心形成閉合回路，定子槽內(nèi)磁通密度B不大，線圈渦流損耗較小。而無鐵心電機的繞組處在交變氣隙磁場中，在相同的繞組線徑下，產(chǎn)生的渦流損耗更為顯著[9-10]。

(a) 有鐵心電機

(b) 無鐵心電機

根據(jù)渦流損耗公式，可以采取兩種方法減小損耗：一是減小每股導(dǎo)線的直徑并相應(yīng)增加并繞根數(shù)，這樣能夠在保持繞組總截面積不變的情況下，增大渦流回路阻值；二是減少電機的極對數(shù)，在相同工作轉(zhuǎn)速下，磁場的交變頻率降低，渦流損耗減小。

為了驗證分析的正確性，加工了試驗定子，將繞組改為特種細線，同時相應(yīng)增加了并繞根數(shù)。圖4為同樣工況下，改進前后定子內(nèi)熱敏電阻的測溫曲線對比。可以看到，改進后定子溫度有了顯著降低，最終平衡溫度比改進前低了30 ℃以上。

(a) 常溫環(huán)境條件下

(b) 高溫環(huán)境條件下(60 ℃)

2.2 案例2：定子膠層熱膨脹

某電機出現(xiàn)定轉(zhuǎn)子相摩擦的故障，通過排查，確定原因為溫升引起的定子膠層熱膨脹改變了原有的定轉(zhuǎn)子間隙。為了保證產(chǎn)品的安全運行，通過實驗對定子的尺寸變化以及骨架材料的耐溫能力進行了考察。

為了實時測量定子溫升與尺寸之間的關(guān)系，實驗中不安裝轉(zhuǎn)子，直接在定子繞組中通入直流電。繞組接線示意圖如圖5所示。定子A，B相兩端連接一路電源，C，O相兩端連接另一路電源，通過控制電壓保證三相繞組中通入的電流值一致。

圖5 繞組接線示意圖

按0，0.5 A，1 A，2 A，3 A，4 A，4.5 A，5 A，從小到大依次在三相繞組中通入電流，在每個電流值下，待定子溫度穩(wěn)定后，測量骨架溫升以及定子內(nèi)外圓的尺寸。由電流、穩(wěn)態(tài)溫度及尺寸值，可以繪制出定子溫度隨電流變化曲線，如圖6所示，定子內(nèi)外徑形變量隨溫度變化曲線如圖7所示。

圖6 定子溫度隨電流變化曲線

圖7 定子內(nèi)外徑形變量隨溫度變化曲線

從圖6可以看到，隨著通入電流增加，定子溫度逐漸上升，變化曲線近似拋物線。從圖7可以看到，隨著溫度升高，定子內(nèi)外徑尺寸基本按照線性規(guī)律增大。

電機在飛輪或陀螺內(nèi)工作時，轉(zhuǎn)子熱損耗小，且通過輪體、軸承等金屬部件散熱，溫升很小，故尺寸形變可以忽略。由形變曲線可知，當該定子溫度達到146 ℃時，定子外徑膨脹量為0.6 mm，若電機設(shè)計單邊氣隙為0.3 mm，則定轉(zhuǎn)子將會發(fā)生摩擦?？紤]到裝配誤差的存在，工作時必須限制定子溫度低于100 ℃，以避免溫升形變帶來的故障風(fēng)險。

此外，實驗中當電流升至4～5 A，定子溫度在150 ℃以上時，骨架材料開始散發(fā)出較大的刺激性氣味，同時強韌性降低，易變形斷裂，說明骨架材料在150 ℃以上將失去工作可靠性。

2.3 案例3：膠層內(nèi)留存氣泡

某批定子組件經(jīng)過熱真空篩選后出現(xiàn)了膠層“鼓包”現(xiàn)象，如圖8所示。圖8中用黑點圈出區(qū)域，內(nèi)部可見氣泡，手觸可感覺有凸起，問題造成整批次定子報廢。

圖8 定子膠層凸起

凸起位置處于霍爾元件附近，該位置除了霍爾、定子線圈外，還有起絕緣作用的聚酰亞胺薄膜，覆蓋方式在有鐵心電機中比較常用，如圖9所示。薄膜繞過繞組之后，上下兩層合并覆蓋在霍爾元件的上表面，可以保證線圈與霍爾元件間具有雙重絕緣。

通過對定子生產(chǎn)過程的反復(fù)檢查，發(fā)現(xiàn)在灌膠過程中，兩層薄膜間及薄膜與霍爾管殼間容易存留氣泡。這些排除不充分的氣泡，在熱真空環(huán)境下體積膨脹，使得定子膠層出現(xiàn)鼓包。

為了避免該工藝風(fēng)險，采用了一種與常規(guī)電機不同的改進的薄膜覆蓋方式，如圖10所示。改變薄膜的纏繞方向，開口朝向繞組一側(cè)，使薄膜只包覆在漆包線圈上，霍爾元件的管殼完全露出。同時，剪除多余的薄膜，避免出現(xiàn)兩層薄膜合并的情況。改進后，定子膠層未再出現(xiàn)鼓包，表明上述措施有效。

圖10 改進后的薄膜覆蓋方式

2.4 案例4：引出線與定子座短路

無鐵心定子上存在著非金屬骨架與金屬底座的結(jié)合面，在變溫情況下，材料線膨脹系數(shù)的差異會給電機帶來新的問題。

某新研電機篩選跑合后出現(xiàn)加電無法起動問題。檢查特征電阻時發(fā)現(xiàn)，霍爾引出線與定子座間存在短路，并且短路點對溫度敏感。當環(huán)境溫度較高時，短路現(xiàn)象消失；常溫和低溫時，短路現(xiàn)象恢復(fù)。經(jīng)過拆解，確定短路點位于灌膠層與定子座接觸處，如圖11所示。撥開與灌膠層接觸的鋁座后，定子灌封膠面上有焊點露出，包覆焊點的絕緣套管損傷并且導(dǎo)通。

通過X射線觀察，露出的焊點為霍爾引線短接點，而且焊點存在著不規(guī)則尖角，如圖12中紅圈所示。結(jié)合故障點對溫度敏感的特點，可以判斷出短路原因：篩選過程中，定子溫度不斷變化，灌封膠的線膨脹系數(shù)大于鋁座，結(jié)合面處應(yīng)力促使焊點尖角刺破絕緣層，導(dǎo)致短路。而當溫度繼續(xù)變化時，短路點隨著線膨脹發(fā)生位移，表現(xiàn)時而導(dǎo)通時而絕緣。

圖11 灌封膠面上的短路點

圖12 短路點的X光照片

為了杜絕問題再度發(fā)生，對工藝進行了整改：為避免應(yīng)力對絕緣層的壓迫，將引出線走線位置提高到非金屬定子骨架上，不再緊貼金屬座；為了避免焊點的不規(guī)則現(xiàn)象，細化焊接工藝流程，加強焊點質(zhì)量檢驗，要求焊點光滑、飽滿、無針孔、無尖點。目前，按調(diào)整后工藝生產(chǎn)了多批產(chǎn)品，同樣問題未再出現(xiàn)。

3 保障無鐵心電機質(zhì)量的幾項措施

以上列舉的電氣和機械方面的故障，可以歸因于設(shè)計不良、工藝方法不當?shù)葐栴}。為了確保可靠性，必須從各方面采取措施，避免類似問題的發(fā)生。以下從設(shè)計、制造、測試及篩選幾個方面闡述了保障無鐵心電機質(zhì)量的方法。

3.1 設(shè)計方面

電機采用無鐵心無齒槽電樞，具有較大的有效電磁氣隙、大徑長比等結(jié)構(gòu)特點[11-12]，使得其設(shè)計與常規(guī)電機相比有一定的區(qū)別：

1)由于電樞無鐵心，可以將其磁性能視為與空氣相同，即電機的等效氣隙長度較長，這使得主磁路一般不飽和。常規(guī)情況下，采用等效磁通密度方法，既能快速計算電機性能，也能夠保證足夠的精度。

2)由于渦流損耗較大及非金屬材料導(dǎo)熱能力偏弱，無鐵心定子更容易出現(xiàn)過熱的情況。不能沿用常規(guī)電機的經(jīng)驗參數(shù)，需要特別考慮降耗措施，具體包括：選擇較少的極對數(shù)與特種細線，合理設(shè)計定子線圈與金屬座間的距離等。

3)電機等效氣隙大，為了得到較高的磁通密度，需要采用增加永磁體厚度或選用高矯頑力的永磁材料的方法來提高磁鋼工作點[4]。

4)由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量是輪體的轉(zhuǎn)動慣量的一部分，為獲得更大的角動量/質(zhì)量比，電機的徑長比應(yīng)盡量大，但增大幅度要考慮到軸系結(jié)構(gòu)、漏磁等因素的限制。

5)電機間隙設(shè)計值應(yīng)考慮到實際工作狀態(tài)下非金屬材料的熱膨脹，確保定轉(zhuǎn)子不會發(fā)生摩擦。

3.2 制造方面

電機生產(chǎn)過程中，涉及物料及工種很多，影響質(zhì)量的因素也很多，下面就航天應(yīng)用領(lǐng)域及無鐵心定子結(jié)構(gòu)對于電機的特殊要求進行闡述：

1) 元器件及原材料是電機質(zhì)量的基礎(chǔ)，航天電機所選用的材料及電子元器件均應(yīng)經(jīng)過環(huán)境適應(yīng)性考核，并且優(yōu)先從各衛(wèi)星型號規(guī)定的材料目錄及元器件目錄內(nèi)選用。

2) 霍爾器件裝入定子組件的所有操作，應(yīng)符合QJA 20081-2012、QJ 2711A-2014等宇航元器件靜電防護要求的規(guī)定。電裝霍爾器件時嚴格控制焊接溫度及焊接時間，霍爾引腳不能彎折受力。

3) 焊點質(zhì)量不佳可能導(dǎo)致繞組斷路以及絕緣下降等故障。航天用電機的焊接操作應(yīng)符合相關(guān)標準QJ 3117A-2011、QJ 165B-2014等的要求，焊接點的表面應(yīng)光滑，無針孔、拉尖及夾雜物。

4) 為減小環(huán)氧灌封固化過程中的內(nèi)應(yīng)力，灌封主劑應(yīng)選用彈性模量小、撓性好、反應(yīng)活性小的環(huán)氧樹脂，并且加入填料降低線膨脹系數(shù)，提高膠層的耐開裂性能。

5) 定子灌膠時應(yīng)保證足夠的抽速和真空度，膠層內(nèi)不允許存在明顯的氣泡；灌膠模具的結(jié)構(gòu)應(yīng)注意避免銳角或棱角，形狀不能阻礙灌封料的自由收縮。

3.3 測試及篩選方面

無鐵心電機性能測試與常規(guī)電機基本相同，但針對空間應(yīng)用環(huán)境，電機必須經(jīng)過嚴酷的篩選試驗，測試與篩選時有以下幾個方面需要注意：

1) 性能測試項目要盡量覆蓋已發(fā)現(xiàn)的各種質(zhì)量問題，發(fā)現(xiàn)缺漏及時增補。判讀測試數(shù)據(jù)時要注意觀察同批次電機性能的一致性以及不同批次間的一致性，發(fā)現(xiàn)異常及時查找原因，避免出現(xiàn)大量不良產(chǎn)品。

2) 篩選環(huán)境條件應(yīng)模擬太空中的真空、低溫及高溫環(huán)境條件。由于材料或工藝變更造成的隱患需要一定的試驗時效，故篩選時間需綜合權(quán)衡質(zhì)量隱患的暴露時間以及人員、設(shè)備的承受能力。

3) 針對定子易過熱的特點，篩選中要采用內(nèi)埋或外貼熱敏電阻的方法監(jiān)控定子骨架的溫度。此外，由于定子中安裝有霍爾器件，操作中注意采取防靜電措施。

4) 篩選試驗后，外觀方面重點觀察定子骨架有無氣泡、裂紋、凸起等異常狀態(tài)，測試方面重點檢測霍爾器件的特征阻值有無異常降低。

5) 通過長期篩選及對在軌電機的數(shù)據(jù)分析，辨別能反映故障隱患和趨向的參數(shù)，如：電流穩(wěn)定度、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度、軸承溫度等，建立產(chǎn)品的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型，從中得到對在軌電機的失效預(yù)警。

4 結(jié) 語

本文針對無鐵心電機的典型問題展開了分析，包括定子發(fā)熱問題，膠層熱膨脹問題，灌膠留存氣泡問題以及絕緣受應(yīng)力影響問題，得出了以下結(jié)論：無鐵心電機設(shè)計時應(yīng)選擇比常規(guī)電機更少的極對數(shù)或更細線徑導(dǎo)線；控制定子工作溫度低于100 ℃；避免絕緣薄膜存在雙層重疊以及覆蓋在霍爾管殼上的情況；避免繞組走線處在非金屬與金屬的結(jié)合面處。此外，本文還從航天應(yīng)用領(lǐng)域及無鐵心定子結(jié)構(gòu)的特殊要求出發(fā)，從設(shè)計、制造、測試及篩選幾個方面闡述了無鐵心電機的質(zhì)量控制要點。