磁懸浮飛輪用無刷直流電動機可靠性研究
李鍇1，駱紅云1，張爭1，韓邦成2
(1北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191；2北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191)
摘要：針對為磁懸浮飛輪( msfw)轉(zhuǎn)子提供旋轉(zhuǎn)動力的無刷直流電動機(bldcm)進行了可靠性方面的研究。首先，建立了bldcm的可靠性串并聯(lián)模型，采用應(yīng)力分析法對其可靠度進行了預(yù)計，同時分析了采用冗余控制對bldcm可靠度的影響，分析表明在一定程度上可以認為控制冗余延長了bld—cm的使用壽命。其次，根據(jù)msfw運行測試的狀況，建立了bldcm的故障樹，進行了bldcm的故障模式與影響分析，最后提出了提高msfw用bldc可靠性的建議，對msfw的工程應(yīng)用具有一定的實用價值。
關(guān)鍵詞：bldcm；可靠性分析；故障樹；故障模式與影響分析
中圖分類號：tm36 +1；tm351 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)02-0012-0i
0引 言
近年來，磁懸浮軸承技術(shù)已進人工程應(yīng)用階段，并已應(yīng)用于航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)。采用磁懸浮軸承支承的b輪系統(tǒng)具有無摩擦損耗、無需潤滑、無污染、啟動和運行平穩(wěn)且噪聲小，磁軸承剛度可調(diào)、可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子無接觸懸浮等優(yōu)點。因而磁懸浮飛輪( msfw)與傳統(tǒng)的機械飛輪相比，具有更高的姿態(tài)控制精度以及更長的壽命，被認為是未來高精度航天器姿態(tài)控制的理想執(zhí)行機構(gòu)。
本文所涉及的msfw主要由bldcm、提供角動量的飛輪轉(zhuǎn)子、徑向混合磁軸承、軸向混合磁軸承、徑向位移傳感器、軸向位移傳感器和殼體等組成。bldcm提供轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的動力并且控制著飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和方向，是影響msfw壽命的關(guān)鍵組件之一。
文獻[4]指出軸承故障與絕緣故障占中小型交流電機故障的百分之97，直流電機中軸承故障與絕緣故障占百分之56，電刷故障占百分之42。文獻[5]認為無刷直流電機多了驅(qū)動控制線路，因此它的可靠性薄弱環(huán)節(jié)為：軸承、絕緣繞組、驅(qū)動控制線路。
msfw的轉(zhuǎn)子部分靠電磁軸承產(chǎn)生的電磁力懸浮，理論上各部件基本不存在蘑損，bldcm的轉(zhuǎn)子部分固定于msfw的轉(zhuǎn)子上，因此bldcm不存在磨損問題。這也表明bldcm失效機理與傳統(tǒng)電機機械軸承磨損失效為主的失效模式存在根本的不同，所以在對msfw可靠性的研究中，應(yīng)著重對bldcm進行可靠性方面的研究。
1 可靠性基本概念
可靠度：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，常以r(t)表示。
定義不可靠度
f(t)也稱為故障概率分布函數(shù)，對其求導(dǎo)即得失效密度函數(shù)
失效率：指工作到某時刻t時尚未發(fā)生失效的產(chǎn)品，在該時刻f以后的下一個單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率，記為a(t)。
積分得：
當(dāng)失效率a(t)不隨時間變化，為常數(shù)a，即壽命分布服從指數(shù)分布時。
2 bldcm可靠度預(yù)計
由于驅(qū)動電路的預(yù)計方法已很成熟，所以本文暫不考慮驅(qū)動電路即控制部分本身的可靠性，只考慮集成于msfw上的 |
