無刷直流電機的故障及可靠性分析

曹俊

摘 要：無刷直流電機主要用于一些穩(wěn)定和連續(xù)的工業(yè)設(shè)備中，電機一旦發(fā)生故障，對整個系統(tǒng)將會造成重大的影響，因而必須研究無刷直流電機可能發(fā)生的故障類型，以便采取相應(yīng)的措施提升故障診斷水平，確保電機的可靠性。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機 故障類型 可靠性

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）009-069-02

1 前言

通常情況下無刷直流電機的故障發(fā)生在電子換向裝置、電動機本體、位置傳感器和控制器幾個關(guān)鍵部位，常見的故障有：電動機定子相繞組開路、短路等；電子換向開關(guān)的開路和短路；位置傳感器斷線等，研究無刷直流電機的具有極強的應(yīng)用價值。

2 仿真研究模型

無刷直流電機的simulink仿真模型主要是由逆變器、霍爾傳感器和無刷直流電機三個模塊組成，下面對以上三個模塊進行說明。

2.2 逆變器模塊

為了便于本文研究逆變器的故障，下面采用PSB工具箱提供的MOSFET模塊，構(gòu)成三項逆變器模型。

3 無刷直流電機的故障類型

本文研究無刷直流電機故障類型所用的樣機數(shù)據(jù)為：額定電壓為27V，額定電流為0.9A，額定轉(zhuǎn)速為19910r/min，額定負載為0.01N·m，極對數(shù)為2，繞組電阻為0.4378歐姆，相繞組電感為170e-6H，轉(zhuǎn)動慣量為5.004e-7kg·m2。反電動勢為0.00612V·a/rad，下面分析無刷直流電機的故障類型。

3.1 一相繞組完全短路故障

從圖1可以看出，當無刷直流電機的電樞一組出現(xiàn)完全短路的故障，那么正常相和故障相的電流都會快速上升，并且將會出現(xiàn)極大的振蕩，而電磁轉(zhuǎn)矩也會緊隨出現(xiàn)振蕩。同時，繞組短路后使得平均電磁轉(zhuǎn)矩增大，電機的轉(zhuǎn)速將會逐步上升并穩(wěn)定于高于無刷直流電機的額定轉(zhuǎn)速，并穩(wěn)定在28000r/min左右。由于電機內(nèi)部正常相繞組的電流的迅速上升，繞組線圈的絕緣層可能會被擊穿，甚至可能出現(xiàn)這一相完全短路，再加上電磁轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)大幅振蕩，可能是轉(zhuǎn)子軸承受到損害。

3.2 一相上橋臂功率管開路故障

我們知道功率管開路可能是由功率管無法接收到觸發(fā)信號或者功率管本身產(chǎn)生故障，下面通過關(guān)斷向功率管發(fā)送觸發(fā)信號來模擬功率管的開路故障。無刷直流電機A相上橋臂功率管在開路工作狀態(tài)下運行0.1s電流、轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速的仿真波形如圖2所示。

從圖2可以看出，當無刷直流電機的A相上橋臂的功率管出現(xiàn)開路之后，在這種情況下如果不考慮續(xù)流，那么在運行的一個周期內(nèi)，則會出現(xiàn)120暗緗嵌熱噯譜槎疾煌ǖ紓饈焙虻牡绱拋亟崳？，但是由于無刷直流電機A相繞組內(nèi)部的續(xù)流作用，使得故障相的相電流出現(xiàn)明顯的向上的齒波，正常相電流的幅值將會從正常狀態(tài)下的1A上升到1.8A，由于電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)大幅振蕩，電機的轉(zhuǎn)速將會下降到19000R/min左右，并趨于穩(wěn)定。

3.3 一相上橋臂功率管短路故障

圖3給出了無刷直流電機的A相上橋臂功率管在短路狀態(tài)下工作0.1s的電流、轉(zhuǎn)矩以及運轉(zhuǎn)速率的仿真波形。

從圖3可以看出，無刷直流電機的A相上橋臂短路狀態(tài)下，A相始終處于導(dǎo)通的狀態(tài)，并且A相的電流很大，由于仿真波形沒有做限流處理，電流的最大幅值達到20A，一般無刷直流電機都會做限流處理不會，因而電流要遠遠小于這個峰值，但是也會明顯高于正常工作狀態(tài)下的電流，而其他正常相的電流也會變大，同時處于故障的A相在電感下降的區(qū)間內(nèi)還有電流，因而在故障相將會產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩，將會使無刷直流電機的運轉(zhuǎn)速率下降。

由于功率管短路的發(fā)生時間不同，分為以下三種情形來討論故障，無刷直流電機的6中狀態(tài)對應(yīng)的導(dǎo)通功率管：狀態(tài)1，S6S1；狀態(tài)2，S1SW；狀態(tài)3，S2S3；狀態(tài)4，S3S4；狀態(tài)5，S4S5；狀態(tài)6，S5S6。

當無刷直流電機的逆變器處于狀態(tài)6和狀態(tài)3的時候，此時電機的功率管S1完全處于開路狀態(tài)，使得這時候應(yīng)該被懸空的A相的電樞繞組中有電流通過。由于A相繞組與其他一個與他導(dǎo)通的繞組并聯(lián)，這時候電路回路中的電流明顯減小，使得B、C兩相的電流明顯增大，這時候必須立即對電路采取相應(yīng)的處理措施。避免A相在以后的狀態(tài)中出現(xiàn)上下橋臂直通的情況。

4 結(jié)論

本文基于Simulink模型研究無刷直流電機的幾種故障并進行了仿真分析，仿真分析與樣機實驗結(jié)果基本上一致，這說明理論分析的正確性。

參考文獻：

[1] 韋鯤，任軍軍.無位置傳感器無刷直流電機Simunlink仿真模型的建立[J].微電機，2004，37（5）：26-28.

[2] Park Byoung-Gun，Kim Tae-Sung.Fault Tolerant Strategies for BLDC Motor Drives under Switch Faults[J].IEEE Trims，2005（41）：1637-1641.