基于环境温度变化对有刷电动机工作特性影响的研究.pdf

第 卷 年第 期 月.基于环境温度变化对有刷电动机工作特性影响的研究崔广慧 张治华 曹 宽 米永存(西安航天精密机电研究所 西安)摘 要:电机是一种不均质体 由多种不同温度特性和膨胀系数的金属和非金属材料组成 因此环境温度骤变会引发电机故障甚至失效 为了探究环境温度变化对永磁式有刷直流力矩电动机工作性能的影响 本文以一台有刷直流力矩电动机为例 基于不同温变速率的温度循环筛选试验验证 建立试验现象分析与试验数据对比 明确了环境温度变化对有刷直流力矩电动机性能指标或系统可靠运行的影响 为军用武器装备系统研制阶段的方案设计提供了一定的工程实践价值和理论依据关键词:环境温度变化 有刷电动机 故障中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:修回日期:作者简介:崔广慧()女 硕士 研究方向为特种电机的设计与控制张治华()女 本科 研究方向为永磁电机的设计与优化 引 言永磁式有刷直流力矩电动机具有响应速度快、力矩波动小、低速平稳性高、机械特性和调节特性线性度好等优点 为平台系统中的成熟产品 在雷达导引头、红外成像导引头、导弹、飞控系统、光学吊舱、稳定云台等系统中作为驱动执行元件得到了普遍应用 由于电机机械结构上有电刷和换向器装置 当环境温度变化时 电刷与换向器会产生接触不良现象 进而对电机工作性能或系统的安全运行造成影响 因此 研究环境温度变化对有刷直流力矩电动机工作特性的影响分析具有一定的迫切性 而国内外研究环境温度变化对有刷电机工作特性影响研究很少军用武器装备系统在较低装配阶段初期需进行环境应力筛选试验 以鉴别和剔除产品早期出现的故障 当电机经受周围大气温度的急剧变化时 可能产生物理损坏或性能下降 本文以一台永磁式有刷直流力矩电动机为例 基于不同环境温度变化特性及电机工作运行情况 建立了电机物理模型 结合试验现象和数据结果对比分析 试验结果验证了温度变化对有刷直流力矩电动机工作性能影响的准确性 电机结构和工作原理 电机结构为了在一定的电枢体积和直流电压下能产生较大的转矩和较低的转速 有刷直流力矩电动机通常 期崔广慧等:基于环境温度变化对有刷电动机工作特性影响的研究做成扁平式结构 总体结构型式有分装式和组装式两种 如图 所示 分装式结构包括定子转子和电刷架三大组件 组装式结构包括定子转子、电刷架、机壳、端盖、轴承和电机轴等图 永磁式直流力矩电动机结构图本文研究的电机为组装式永磁直流力矩电动机如图 所示 电机峰值堵转电压为 峰值堵转电流为 电枢电阻为 常温、低温及高温起动电压均不大于 图 电机外形图 电机工作原理有刷直流力矩电动机定子上有固定的主磁极和电刷 转子上有电枢绕组和换向器 直流电压通过电刷和换向器进入电枢绕组中产生电枢电流 然后电枢电流产生的磁场和主磁场相互作用产生电磁转矩 使电机带动负载旋转 如图 所示图 电机工作原理图 温度变化对有刷电机工作的影响恶劣低温、高温或环境温度发生急剧变化时对电机产生的影响如下:()胶层表面开裂、分离()紧固螺钉卡紧或松动()材料的收缩、膨胀或诱发应变速率不同导致零部件变形或破裂()轴承润滑剂粘度变低或增加 导致润滑剂外流或润滑作用降低()绝缘阻值异常()快速冷凝水或结霜引起电气性能或机械故障()静电过量为了探究环境温度变化对有刷电机性能指标的影响 将一台有刷直流力矩电动机在不同温变速率条件下进行温度循环试验 如表 所示表 温度循环试验条件温度循环筛选试验试验 试验 平均温变率/(/)温度范围/保温时间/高、低温各保持 一次温循降温低温保持升温高温保持室温循环次数通电电压/试验过程中 分别在低温保持、低温升高温、高温保持及高温降低温阶段给电机通入直流起动电压 并用 的兆欧表检查电机绕组对机壳的绝缘电阻应不小于 温度循环试验 按照表 进行试验 试验方法如下:()低温保持阶段电机随箱以 /的速率降温至()保持 在最后 给电机通入直流电压 两次循环中电机都可正常工作运行 且电机绕组对机壳的绝缘电阻大于 ()低温升高温阶段电机随箱以 /速率从()升温至()每升温 给电机通入直流电压 两次循环中分别升温到 和 时 电机均出现了短时连续故障现象 且电机表面结霜如图 所示 增大起动电压到峰值堵转电压 电机不能正常工作运行 电流为零 故障期间监测 卷电机阻值从几十欧到几兆欧变化 如图 所示 用 兆欧表监测电机绕组对机壳的绝缘电阻均大于 两次循环分别升温到 和 时 电机恢复正常工作运行 试验现象如表 所示图 低温升高温阶段试验现象图 低温升高温阶段电阻异常现象表 转子线圈阻值测试结果温度/第 次循环第 次循环电机工作故障时间/电机工作故障时间/备注结霜化霜注:“”表示电机旋转“”表示电机不旋转()高温保持阶段电机随箱以 /的速率升温至()保持 在最后 给电机通入直流电压 两次循环中电机都可正常工作运行 且电机绕组对机壳的绝缘电阻大于 ()高温降低温阶段电机随箱以 /速率从()降温至()观察试验箱 每升温 给电机通入直流电压 两次循环中电机都可正常工作运行 且电机绕组对机壳的绝缘电阻大于 温度循环试验 按照表 进行试验 试验方法如下:()低温保持阶段电机随箱以 /的速率降温至()保持 在最后 给电机通入直流电压 两次循环中电机都可正常工作运行 且电机绕组对机壳的绝缘电阻大于 ()低温升高温阶段电机随箱以 /速率从()升温至()每升温 给电机通入直流电压 两次循环中升温 时 电机均出现了短时连续故障现象 且电机表面结霜 如图 所示 增大起动电压到峰值堵转电压 电机不能正常工作运行 电流为零 故障期间监测电机阻值从几十欧到几兆欧变化 如图 所示 用 兆欧表监测电机绕组对机壳的绝缘电阻均大于 两次循环升温到 时 电机恢复正常工作运行 试验现象如表 所示图 低温升高温阶段试验现象图 低温升高温阶段电阻异常现象 期崔广慧等:基于环境温度变化对有刷电动机工作特性影响的研究表 升温阶段试验现象温度/第 次循环第 次循环电机工作故障时间/电机工作故障时间/备注 结霜化霜注:“”表示电机旋转“”表示电机不旋转()高温保持阶段电机随箱以 /的速率升温至()保持 在最后 给电机通入直流电压 两次循环中电机都可正常工作运行 且电机绕组对机壳的绝缘电阻大于 ()高温降低温阶段电机随箱以 /速率从()降温至()每升温 给电机通入直流电压 两次循环中电机都可正常工作运行 且电机绕组对机壳的绝缘电阻大于 试验现象经过试验 和试验 后 电机外观质量符合要求 零、组件没有松动或变形 电压下绝缘电阻阻值无穷 复测电机全部性能指标均符合详细规范要求电机在()低温保持、()高温保持及高温降低温阶段均可以正常工作 在低温升高温阶段会出现短时故障现象 如表 所示表 低温升高温阶段故障现象温循循环次数结霜温度/化霜温度/故障时间/故障温度范围/试验 试验 故障现象电机电阻骤大、变化快、无规律 但绝缘电阻正常 电动机参数及物理模型有刷直流力矩电动机参数如表 所示 结构图如图 所示表 有刷直流力矩电动机基本参数参数故障温度范围/峰值堵转电压/峰值堵转电流/极数槽数定子外径/转子外径/铁心轴向长度/永磁体厚度/永磁体材料图 有刷直流力矩电动机结构图 为了验证试验现象的正确性及合理性 在基本工作环境条件下 根据电机的结构特点及电磁特性 确定电机整个轴向长度为求解域 建立外部有空气域包裹的求解域物理模型 对电机工作状态和故障状态两种工况进行磁路耦合分析 如图 所示 求解域物理模型包括定子铁心、磁钢、转子铁心、电枢绕组图 电动机求解域物理模型 卷 电动机工作状态电机在常温、高温保持、高温降低温及低温保持阶段通入直流起动电压 过对物理模型求解域进行磁路耦合分析 得到电机工作状态特性曲线如图 所示图 电机工作状态 电动机故障状态电机在低温升高温故障阶段通入直流起动电压 增大到峰值堵转电压 通过对物理模型求解域进行磁路耦合分析 得到电机故障状态特性曲线 如图 所示图 电机故障状态 电动机两种工况特性分析基于环境温度变化对有刷直流力矩电动机工作性能的影响 通过对建立的物理模型求解域磁路耦合分析可知:()在常温、高温保持、高温降低温及低温保持阶段 电机在 直流电压下可以正常运行 电枢电阻为 电枢电流为 转速为 /如图 所示()在低温升高温阶段 给电机通入直流起动电压 增大到峰值堵转电压 电机故障不工作 电枢电阻从几十欧到几兆欧变化 电枢电流为 转速为 /如图 所示 温度变化对有刷电动机影响分析根据试验现象、试验数据及温度变化影响分析:在低温升高温阶段 由于试验箱内急剧升温 电机表面温度却未能达到与试验箱内温度同步 即试验箱内升温到 以上时 电机内部温度仍在 以下 局部温差使电机表面出现结霜现象 导致电刷与换向器接触面有一层霜膜 电刷与换向器似接非接 出现接触不良情况 所以电刷的接触电阻异常从几十欧到几兆欧变化 使电机不能正常换向 此时给电机通入直流电压从 增至 电机故障不定子试验箱继续升温 直至电机内部温度与箱内环境温度达到平衡时 电机表面逐渐化霜 使换向器表面水汽被烘干 电刷与换向器接触正常 使电枢电阻阻值恢复正常 此时给电机通入直流电压 电机可以正常工作通过以上分析可知:有刷直流力矩电动机处于低温升高温的环境中 由于电刷换向装置 存在短时故障现象 温度温变率不同 有刷电机故障温度范围不同 故障时长也不相同 结 语本文针对环境温度变化对有刷直流力矩电动机工作特性影响的问题 通过试验验证和物理模型求解域磁路耦合分析 得到以下结论:()在低温保持、高温保持和高温降低温阶段给电机通入直流电压 电机可以正常工作运行()在低温升高温阶段 电机表面存在结霜现象 导致电刷与换向器接触异常 电枢电阻骤大给电机通入直流电压 电机故障 根据环境温度变(下转第 页)期张 武等:超声电机及其摩擦材料电气绝缘特性分析与控制策略图 电机转速 转矩曲线图 电机效率 转矩曲线从图 和图 可以得出 优化前后摩擦材料装配的电机转速、转矩基本无变化 效率有所下降降幅为 是因为铜粉粒径减小后 摩擦材料弹性模量增加 工作电流增大引起的 结 论()影响电机绝缘特性的主要因素是摩擦材料 通过改善摩擦材料的绝缘特性可以提升电机的绝缘能力 ()减小摩擦材料中铜粉的粒径到 微米以下适当增加胶层厚度 可有效提升摩擦材料的绝缘特性()铜粉作为摩擦材料中增摩材料 颗粒的变小 对电机接触界面的稳定性有益 但导致电机输出效率降低 需要进一步寻找平衡点()采用萘钠处理方法 减小摩擦材料的粗糙度 可提升摩擦材料的绝缘强度 同时提升摩擦材料的粘接力参考文献赵淳生.超声电机技术与应用.北京:科学出版社:.李将.纤维粉填充聚合物超声电机摩擦材料的研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学:.曲建俊 闫瑾 宋宝玉.玻璃纤维粉对聚合物基超声电机摩擦材料性能的影响.润滑与密封 ():.:.指田年生.振动片型和表面波型超声波电机(译).压电与声光 ():.奥村一郎.超音波實用化.日本音響學會志.():./.:.(上接第 页)化率不同 故障温度范围区间不同 故障时间长度也不同 随着环境温度升高 电机内部温度与环境温度达到平衡后 电机表面化霜 电枢电阻恢复正常 电机可以正常工作运行因此 军用武器装备系统中选用有刷直流力矩电动机 可在方案初期研制阶段考虑系统预热温度补偿策略 使系统寿命全周期在 以上 不存在低温阶段 进而保证系统运行的可靠性参考文献 唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京:机械工业出版社.张文海 梁功勋.微特电机实用技术问答.北京:电子工业出版社.王亮.激光通信平台用永磁力矩电机轻型化的关键技术研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.张文海 徐丽.永磁直流力矩电动机起动电压研究.第十二届中国小电机技术研讨会论文集:.王静爽 曹尔晔.温度变化对电机危害分析及解决途径.电机与控制应用():.吴彦灵 祝耀昌.军用装备实验室环境试验方法第 部分:高温试验.中国人民解放军总装备部.吴彦灵 祝耀昌.军用装备实验室环境试验方法第 部分:低温试验.中国人民解放军总装备部.:.:.():.陈世坤.电机设计.北京:机械工业出版社.