磁悬浮飞轮用无刷直流电动机可靠性研究
李锴1，骆红云1，张争1，韩邦成2
(1北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191；2北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)
摘要：针对为磁悬浮飞轮( MSFW)转子提供旋转动力的无刷直流电动机(BLDCM)进行了可靠性方面的研究。首先，建立了BLDCM的可靠性串并联模型，采用应力分析法对其可靠度进行了预计，同时分析了采用冗余控制对BLDCM可靠度的影响，分析表明在一定程度上可以认为控制冗余延长了BLD—CM的使用寿命。其次，根据MSFW运行测试的状况，建立了BLDCM的故障树，进行了BLDCM的故障模式与影响分析，最后提出了提高MSFW用BLDC可靠性的建议，对MSFW的工程应用具有一定的实用价值。
关键词：BLDCM；可靠性分析；故障树；故障模式与影响分析
中图分类号：TM36 +1；TM351 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2010)02-0012-0i
0引 言
近年来，磁悬浮轴承技术已进人工程应用阶段，并已应用于航天器姿态控制系统。采用磁悬浮轴承支承的b轮系统具有无摩擦损耗、无需润滑、无污染、启动和运行平稳且噪声小，磁轴承刚度可调、可实现转子无接触悬浮等优点。因而磁悬浮飞轮( MSFW)与传统的机械飞轮相比，具有更高的姿态控制精度以及更长的寿命，被认为是未来高精度航天器姿态控制的理想执行机构。
本文所涉及的MSFW主要由BLDCM、提供角动量的飞轮转子、径向混合磁轴承、轴向混合磁轴承、径向位移传感器、轴向位移传感器和壳体等组成。BLDCM提供转子运转的动力并且控制着飞轮转子的转速和方向，是影响MSFW寿命的关键组件之一。
文献[4]指出轴承故障与绝缘故障占中小型交流电机故障的百分之97，直流电机中轴承故障与绝缘故障占百分之56，电刷故障占百分之42。文献[5]认为无刷直流电机多了驱动控制线路，因此它的可靠性薄弱环节为：轴承、绝缘绕组、驱动控制线路。
MSFW的转子部分靠电磁轴承产生的电磁力悬浮，理论上各部件基本不存在蘑损，BLDCM的转子部分固定于MSFW的转子上，因此BLDCM不存在磨损问题。这也表明BLDCM失效机理与传统电机机械轴承磨损失效为主的失效模式存在根本的不同，所以在对MSFW可靠性的研究中，应着重对BLDCM进行可靠性方面的研究。
1 可靠性基本概念
可靠度：产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的概率，常以R(t)表示。
定义不可靠度
F(t)也称为故障概率分布函数，对其求导即得失效密度函数
失效率：指工作到某时刻t时尚未发生失效的产品，在该时刻f以后的下一个单位时间内发生失效的概率，记为A(t)。
积分得：
当失效率A(t)不随时间变化，为常数A，即寿命分布服从指数分布时。
2 BLDCM可靠度预计
由于驱动电路的预计方法已很成熟，所以本文暂不考虑驱动电路即控制部分本身的可靠性，只考虑集成于MSFW上的BLDCM机体的可靠性。由于MSFW的转子部分靠电磁轴承产生的电磁力悬浮，各部件基本不存在磨损，BLDCM的转子部分固定于MSFW的转子上，不存在组件之间的磨损问题，困此BLDCM各组件为偶然失效，可以认定BLDCM各组件失效率为常数，寿命服从指数分布。因此本文采用应力分析法给出BLDCM组件在服役期间的失效率，利用串并联模型建立BLDCM的可靠性模型，进而预测BLDCM机体的失效率。
2.1 MSFW用BLDCM结构
MSFW用BLDCM机体可以分为转子和定子两部分，其结构框图如图l所示。
2。2 BLDCM组件的失效率预计
1)热敏电阻器的失效率模型为：
根据设计所采用的热敏电阻的规格，Ab为基本失效率，0.045 xl0-6/h; πE为环境系数，宇航飞行Sp，1 0；πQ为质量系数，A2级，0.3; πT为温度系数，由有限元分析计算结果可知定子组件的温度为ll0摄氏度左右，查温度系数表，πT=3.1，则λp=0 042×10 -6/h。
2)霍尔传感器的失效率模型为：
根据设计所采用的霍尔传感器的规格，λb为基本失效率，0. 43×10-6／h；πE为环境系数，宇航飞行Sp，0.6；πQ为质量因子，0. 24；πC为电路复杂因子，1；7TR力额定系数，l；πL为成熟因子，l；πS主要指除在λb内所包含功率以外的二次外加电压应力对模型的调整系数，S=外加电压／额定电压，由于在设计中采用降额设计，S=0.5，则πs=0.65；由此可得λp=0 040×10-6／h
3)绕组的失效率模型
绕组的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。绕组采用GJB/2299C -2006《电子部件可靠性预计程序手册》中给出的线圈工作失效率模型：
λb为基本失效率，选用绕组的耐热温度为130℃，绝缘等级为B级，由有限元分析计算结果可知定子组件的温度为ll0摄氏度左右，λb=0.0089×10-6/h; πE为环境系数，宇航飞行SF，1.0; πQ为质量系数，BI级，0.6；πK为种类系数，固定和可变小线圈，πK=1。πc为结构系数，结构为固定，πc =1;则绕组工作失效率λp=0.0053 x10 -6／h
4)磁性器件的工作失效率模型为：
λb =0.06 x10-6／l1，宇航飞行SF，πE =1; πQ为质量系数，质量等级A级，0. 35；则磁钢λp=0. 021 x10 -6厂l1。
5)叠层作为一个整体基本上不存在失效问题，冲片的粘结面胶的失效为其主要的失效模式，其失效率模型为
λb为基本失效率，0.0019x10 -6／h，πE为环境系数，宇航飞行SF，πE=1，πQ为质量系数，πQ=l，Ⅳ为粘结面数，N= 10，则λp=0.019 x10-6／h。
考虑到挡圈等辅助结构件和一些不可预见性失效问题，取失效率修正系数λ修正=0.01×10 - 6／h。
2.3 BLDCM可靠度预计
综合以上数据，可得MSFW用BLDCM组件的失效率数据，如表1所示。
1)在控制中不采用任何冗余的情况下，BLD-CM整体为各组件的串联系统，其可靠性框图如图2所示。
则控制未冗余BLDCM的失效率：
λμ为第；个部件的工作失效率，N为第i个部件的个数。BLDCM系统的可靠度：
2)在控制中采用冗余，主要指通过控制器和控制算法容错实现在单个霍尔传感器故障情况下仍能实现转速的正确测量与转动方向的正确检测，使之满足MSFW对转子转速精度的要求，其实现过程详见文献[10]，控制冗余后BLDCM的可靠性框图如图3所示：
此时三路霍尔传感器构成2/3冗余的表决系统，其可靠度为。
控制冗余后，其它组件仍为简单的串联关系，BLDCM系统的可靠度：
定义控制冗余对未冗余的相对可靠度增长率
分别对10年的时间内采用控制冗余与不采用控制冗余的BLDCM的可靠度以及d随时间的变化绘图，如图4所示：
由图4(a)可以看出，无论采用冗余控制写否，BLDCM都具有比较高的可靠度（大于0.97），随着时间的增加，BLDCM可靠度逐渐下降，控制冗余在提高可靠性方面的作用也越来越大，控制冗余10年的可靠度大约相当予控制未冗余6年的可靠度，在一定程度上可以认为控制冗余延长了BLDCM的使用寿命。
另外通过图4(b)可以看出可靠度提高的幅度比较小，究其原因：1）控制未冗余BLDCM的可靠度本身已比较高，提升的幅度空间较小；2）磁钢、叠层、热敏电阻与霍尔传感器的失效率相当，制约了霍尔传感器冗余在提高BLDCM可靠度中的作用。因此BLDCM机体可靠性的薄弱环节为热敏电阻、磁钢、叠层、霍尔传感器。
3 BLDCM故障树与故障模式与影响分析
3.1 BLDCM故障树
故障树分析就是把产品（系统）最不希望发生的故障作为故障分析的目标，把选定的产品故障状态称为顶事件，然后运用理论符号和逻辑推理对Bl起顶事件的故障逐层地、系统地往下分解、分析，找出各底层因素。根据磁悬浮飞轮运行测试的状况以及分析来建立BLDCM的故障树，所建立的故障树如图5所示。分析中的故障树符号意义如表2所示。
3.2 BLDCM故障模式与影响分析
故障模式与影响分析是一种系统的、全面的、标准化的分析方法，用来判断系统中元部件故障对系统所产生的影响，是一种在设计阶段就对系统的可能故障模式及其影响进行分析的方法。具体地说是在产品设计过程中，通过对产品各组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析，提出可能采取的预防改进措施以提高产品可靠性的一种设计分析方法。结合建立的故障树，对BLDCM进行故障模式与影响分析。如表3所示。
3.3提高BLDCM可靠性的措施
通过以上的分析可以看出，振动冲击是影响BLDCM组件可靠性的重要因素，所以在火箭发射阶段，MSFW应采用主动防护，例如锁紧装置来限制MSFW轮体在轴向与径向的位移从而减少振动、冲击的破坏，降低整机的失效率。在部件材料方面，相关研究表明改良磁钢的热处理工艺以及叠层由冲片叠合改为整体式机械加工可有效降低组件的失效率。另外通过选用高质量的零件、降低零件的数目，制定严格的工艺、安装流程规范，严格产品出厂环境应力筛选测试，对提高MSFW用BLDCM可靠性也有很大的帮助。
4结论
本文所研究的MSFW目前正处于定型一工程化的关键时期，尚缺乏BLDCM长时间远行的可靠性试验数据，故可靠度计算的结果暂时无法在试验中定量的验证。同时本文根据MSFW运行测试的状况，建立了BLDCM的故障树，并进行了故障模式与影响分析，提出了提高BLDCM可靠性的建议。是对MSFW运行测试阶段BLDCM故障模式以及应对策略的系统总结，对BLDCM的可靠性的提高有重要的参考价值，对类似产品的可靠性工作有很大的借鉴意义。对MSFW的工程应用有一定的实用价值。
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