可靠性试验报告

无刷直流电机

————可靠性试验报告

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这学期由于《机电传动控制》课在学习电机，又适逢大作业的完成，对无刷直流电机查询了解的多些，就顺手借此为题写这篇实验报告。

无刷直流电动机是随着电动机控制技术、电力电子技术和微电子技术发展而出现的一种新型电动机，它的最大特点就是以电子换向线路替代了由换向器和电刷组成的机械式换向结构，同时保持了调速方便的特点，有着功率密度高、特性好、无换向火花及无线电干扰等优点。无刷直流电机的应用十分广泛，如航空工业中美国制成驱动航天飞机升降副翼用的12．6kW、9 000r／min稀土永磁无刷直流电动机，效率为95％，仅重7．65kg；军事国防设备中的电传动装甲车辆和鱼雷大功率无刷直流电动机；稀土永磁无刷直流无齿电梯曳引机；稀土永磁无刷直流发电机以及汽车、工具、工业工控、自动化等。对这些重要的领域而言，无刷直流电机的可靠性至关重要，故而对其可靠性的测试研究也就显得很有必要。

对无刷直流电机及其控制系统，建立可靠性模型，进行可靠性分析，采用元器件记数法预计可靠性，对比分析，进行系统可靠性测试，使用要求为15年。

1 无刷直流电机可靠性模型

无刷直流电机由定子绕组、驱动电路、位置反馈、磁钢、转轴、

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1为它的可靠性框图，图中Rl一R6对应各单元的可靠度。

图1 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2所示的驱动电路可靠性框图。

图2 驱动电路可靠性框图

在分析无刷直流电机可靠性时，假设:

(l )电机与部件都只有两种状态:故障状态和正常状态; (2)各部件的故障是相互独立的。

因此，根据图1得出无刷直流电机的可靠度为

当各单元的可靠度为时间t的函数时，则

当所有单元的寿命都服从指数分布时，则

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

由图二可知，驱动电路的可靠度件n的可靠度所决定，即分布，这驱动电路的失效率

又由元件1，元件2，……元。如果各元件的寿命服从指数。

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

。

2可靠性预计

建立无刷直流电机的可靠性串联模型，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，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;(2)在早期设计阶段采用元器件计数法和粗略应力分析法;(3)详细设计阶段采用应力分析法。

本文主要采用元器件记数法进行粗略计算，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。

a 绕组的失效率λ1：绕组失效主要有绝缘损坏，绕组断线和引出线焊点断开等失效形式，参考同类电机的失效率或相关手册。

b 轴承的失效率λ2：轴承的失效率可查有关可靠性手册或采用同类电机的轴承失效率。对于滚子轴承，λ2=2~25；对于深沟球轴承，低速轻载时λ2=0.3~1.7，高速轻载时λ2=0.5~3.5，高速中载时λ2=2~20，高速重载时λ2=10~80。

c 驱动控制电路的失效率λ3：驱动控制电路是由集成电路，电阻，电容，位置反馈元件等组成的系统，即

，式中：n为驱

动控制线路元器件数；λ3 i为驱动控制线路第i个元器件的失效率。

无刷直流电机的总失效率为

。

，则无刷直流电机可靠度为

3 可靠性测试

假设工作环境温度为50℃，采用元器件记数法分析电机的可靠度。以下计算失效率单位均为10-6/h，不再另行列出。

轴承的测试按照《滚动轴承 寿命与可靠性试验及评定(GB/T 24607-2009)》的相关要求进行测试，本文参考同类电机，取值λ2=2。

绕组的测试由变形测试仪测试，本文参考同类电机，取值λ1=3。 驱动控制电路测试：

试验准备：尽量根据实际应用情况来安装电机及其控制器，确保直流电源及负载与实际情况相近，保证实验的可靠性。模拟电机运行的不同工作状态。

实验项目：

1、绝缘电阻：电机所有输入端短接后对机壳的绝缘电阻，用

DC500V兆欧表测得热态时或温升后的绝缘电阻大于或等于5MΩ,冷态时的绝缘电阻大于或等于20MΩ。

2、电气强度：电动机额定电源电压在100V～500V时，电机所有输入端短接后对机壳的耐压应能承受1min或1sec的耐电压试验没有闪络或击穿现象，其试验 电压的频率为50Hz，电流为5mA，电压为1500V(1min)或1800V(1sec)，波形为实际正弦波。 3、直流电阻：绕组的冷态直流电阻为相应技术文件额定值的±9%（Tr=25℃下测） 4、低压起动：

（1）低压负载起动：在实际冷态和热稳定后，交流电源输入为80℅额定值时，电动机在整机电控的控制之下带实际负载时低速应能正常起动和工作。

（2）低压起动测试方法是电动机轴线水平安装于空调器中，分别在实际冷态和热稳定状态时，80℅额定交流输入电源电压，以电机规格书中的最低速起动3次，只要有一次不能从静止重新起动，即为不合格。

（3）低压空载起动：在实际冷态条件下，按4.28试验用电源电路接线，VDC、Vsp 数值按技术规范要求，不同的任意位置处连续起动3次，只要有一次不能从静止重新起动，即为不合格。 5、泄漏电流： 电机在1.06倍额定电压、额定负载下运行温度达到热稳定状态下，其定子绕组与机壳间的泄漏电流应：≤0.5mA。

6、电源瞬间中断实验： 用电源电路接线，额定负载状态运转时按下述方式通断电十次后无异常发生。

7、瞬时电压下降耐力：用电源电路接线，额定负载状态运转时按下述方式连续进行十次，恢复后无异常发生。

8、短时升高电压实验： 用电源电路接线，交流电源输入端施加130%额定电压，历时3min，应无冒烟等击穿现象。 9、绕组温升： 塑封电机： B(E)级绝缘≤55K

10、耐久试验： （1）电动机在1.1倍额定电压额定负载下运行48h，然后在0.9倍额定电压额定负载下运行48h后，应符电气强度。 （2）电动机在1.1倍和0.85倍额定电压下，带负载启动各50次，每次时间不小于10秒，试验应符合电气强度。 11、电气间隙爬电距离： 不同电位的漆包线线组之间应＞2mm。带电部件和越过加强绝缘或基本绝缘的其它金属部件之间应＞6mm。

在电机驱动控制电路中，共有元件数多少个，就分别计算出失效率后,相加可得总失效率，实验测得λ3=1.1481,所以总失效率λD=6.1481，所以可靠度RD(t)=exp(-6.1481t)。如取t=2000，可得寿命为2000h的可靠度为RD(0.002)=0.9878。

由要求。

根据电机需要的可靠性指标，计算电机的可靠度，再收集相似电机的实验和运行数据、各种材料规格及使用条件，工作方式及环境条

，计算得MTBF=18.6年，符合可靠性使用

件，应力强度等可靠性历史数据，合理分配各个部分的故障频数，计算并估计电机各个部分的可靠度或者失效率。通过各部分的失效率或者可靠度的比较，判断设计是否符合要求。使得计算或估计的实际工作时的失效率低于可靠性要求的失效率，即实际的可靠度高于要求的可靠度。