多因子永磁發(fā)電機(jī)加速壽命試驗方法研究

張登平 毛可意 張永勝 吳傳文

（1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州貴陽550081；2.國家微特電機(jī)工程技術(shù)中心，貴州貴陽550081）

0 引言

高速電機(jī)由于具有功率密度大、尺寸小、可靠性高等優(yōu)點，在壓縮機(jī)、真空泵、汽輪機(jī)、飛輪儲能及高速機(jī)床中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。為發(fā)動機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)研制的發(fā)電機(jī)具有較長的使用壽命，多則要求上萬小時的壽命時間。采用傳統(tǒng)的壽命試驗方法具有試驗周期長、試驗費用高的缺陷，不能滿足研制任務(wù)要求。

本文以某分裝式永磁發(fā)電機(jī)為研究對象，對加速壽命試驗進(jìn)行了簡單介紹，通過提高環(huán)境溫度和增加轉(zhuǎn)速的途徑對發(fā)電機(jī)進(jìn)行加速壽命試驗，對比分析了采用加速壽命試驗后所需的試驗周期和傳統(tǒng)的壽命試驗時間，驗證了加速壽命試驗方案大大縮短了試驗周期，具有很好的實用性。

1 加速壽命試驗

加速壽命試驗，是指在進(jìn)行合理工程及統(tǒng)計假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計模型對在超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境下獲得的可靠性信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到試件在額定應(yīng)力水平下可靠性特征的可復(fù)現(xiàn)的數(shù)值估計的一種試驗方法[2]。加速壽命試驗采用加速應(yīng)力對試件進(jìn)行壽命試驗，從而縮短了試驗周期，其研究使高可靠長壽命產(chǎn)品的可靠性評定成為可能。

1.1 恒定應(yīng)力加速試驗

按照試驗應(yīng)力的加載方式，加速壽命試驗通常分為恒定應(yīng)力試驗、步進(jìn)應(yīng)力試驗和序進(jìn)應(yīng)力試驗三種基本類型。本文采用恒定應(yīng)力試驗方法進(jìn)行加速壽命試驗，其特點是對產(chǎn)品施加的“負(fù)荷”水平保持不變，高于產(chǎn)品在正常條件下所接受的“負(fù)荷”水平。恒定應(yīng)力加速壽命試驗具有模型成熟、試驗簡單和易成功等優(yōu)點，因此具有較廣的適用場合。

1.2 恒定加速壽命試驗主要考慮的問題

恒定應(yīng)力加速壽命過程中應(yīng)考慮以下問題：

（1）施加應(yīng)力與應(yīng)力大小不同會形成不同的失效模式，在這種情況下，應(yīng)力加速法的使用受到限制。

（2）失效發(fā)生時間與施加應(yīng)力強(qiáng)度之間可能因應(yīng)力大小的不同或機(jī)械操作條件不同而有不同的關(guān)系，在加速壽命試驗規(guī)劃之初，應(yīng)該注意到此種應(yīng)力加速適用范圍的問題。

（3）可在若干不同的試驗方法及不同的失效分析基準(zhǔn)之中，選用加速因子較大的方法，以較短試驗時間評估壽命的效用。

2 試驗應(yīng)力的選擇

本文中的研究對象為某航空分裝式交流發(fā)電機(jī)，沒有軸承、前端蓋等結(jié)構(gòu)，僅由定子和轉(zhuǎn)子組成。由于定子絕緣的壽命主要受到溫度的影響，高溫將會加快定子絕緣的老化；而轉(zhuǎn)子高速運行時，其上磁鋼受離心力作用對護(hù)套造成較大應(yīng)力，因此影響該發(fā)電機(jī)壽命的主要是定子的絕緣和轉(zhuǎn)子的耐高速性能。

2.1 環(huán)境溫度

在溫度恒定或溫度循環(huán)過程中，高熱應(yīng)力和熱疲勞交互作用在產(chǎn)品上，影響著產(chǎn)品的機(jī)械、物理化學(xué)和電氣性能[3]。在電機(jī)中，溫度對絕緣壽命有顯著影響，在高溫環(huán)境下，絕緣材料的物理變化和化學(xué)反應(yīng)速度將加快，促進(jìn)絕緣老化。文獻(xiàn)[4]給出了不同絕緣等級下絕緣壽命與溫度的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 絕緣壽命與絕緣溫度的關(guān)系

從圖1中可以看出，絕緣材料對溫度的變化非常敏感，Vant Goff和Arrenlus提出了絕緣壽命與溫度關(guān)系的經(jīng)驗公式[5]：

式中，L為平均絕緣壽命；T為絕緣材料溫度；k為波爾茲曼常數(shù)；Ea、G為與絕緣材料有關(guān)的系數(shù)。

2.2 離心力

在高速電機(jī)中，永磁體會受到巨大的離心力作用，但永磁體抗拉強(qiáng)度低，難以承受電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時由離心力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，所以必須對永磁體采取必要的保護(hù)措施。由于永磁體的抗壓強(qiáng)度較大，可以在永磁體外部加一高強(qiáng)度非導(dǎo)磁保護(hù)套，永磁體與護(hù)套間采用過盈配合，使永磁體承受一定的壓應(yīng)力，補(bǔ)償高速旋轉(zhuǎn)時離心力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使永磁體承受的拉應(yīng)力在材料所許可范圍之內(nèi)。

離心力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式（2）表示，即在轉(zhuǎn)子一定后，轉(zhuǎn)子角速度越高，磁鋼上產(chǎn)生的離心力越大。式中，v為永磁體的線速度；r為永磁體選擇半徑；m為永磁體質(zhì)量。

從式（2）中可以看出永磁體所受的離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)超過額定轉(zhuǎn)速運行后，永磁體受到的離心力將大大增加，對護(hù)套造成的剪切應(yīng)力也將快速增加，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運行的可靠性顯著降低。

3 試驗方案

由前面討論可知，高速電機(jī)在運行過程中主要受到溫度和離心力的影響，所以用溫度和轉(zhuǎn)速作為加速應(yīng)力因子，分別采用增加環(huán)境溫度、提高工作轉(zhuǎn)速作為壽命試驗的加速方案。

3.1 恒定高溫

該發(fā)電機(jī)正常工作時，其機(jī)殼溫度為78℃，在此溫度下內(nèi)部絕緣老化速度慢，可采用提高環(huán)境溫度的方式來加快發(fā)電機(jī)絕緣的老化速度。根據(jù)電機(jī)H級絕緣材料遵循12℃原則[6]（即溫度升高12℃，壽命將縮短一半），采用升高環(huán)境溫度的措施來提高發(fā)電機(jī)繞組溫度，達(dá)到加速絕緣老化的目的。

將電機(jī)所處的環(huán)境溫度升高，溫度對電機(jī)的影響主要體現(xiàn)在定子繞組絕緣性能下降。系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)常態(tài)運行性能下殼溫要求不超過120℃，經(jīng)過試驗，在環(huán)境溫度為85℃時機(jī)殼表面溫度為113℃，因此將環(huán)境溫度調(diào)至85℃進(jìn)行定子絕緣加速老化試驗，按公式（3）計算后等效壽命減少為原來的13.2%。

式中，S為壽命時間；T為溫度；A為常數(shù)。

3.2 恒定高轉(zhuǎn)速

發(fā)電機(jī)屬于機(jī)電產(chǎn)品，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接裝配到附件機(jī)匣傳動軸上，由其帶動高速旋轉(zhuǎn)。表1為發(fā)電機(jī)正常工作時的工況，其中106.5%額定轉(zhuǎn)速為過載轉(zhuǎn)速，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)可靠性越低，因此將發(fā)電機(jī)的寬轉(zhuǎn)速范圍工況等效為過載轉(zhuǎn)速工況，使發(fā)電機(jī)在106.5%額定轉(zhuǎn)速下恒定運行。

表1 工作轉(zhuǎn)速工況

根據(jù)公式（4）完成表1工況所需時間160 min，通過等效計算后僅需116 min，等效加速27.5%。

式中，T1為每循環(huán)時間；τi為第i個工況的轉(zhuǎn)速百分比；ti為第i個工況的工作時間，i=1，2，3，…，n。

3.3 綜合應(yīng)力

根據(jù)上述方法，給發(fā)電機(jī)施加恒定溫度應(yīng)力和轉(zhuǎn)速應(yīng)力形成恒定的綜合應(yīng)力，對發(fā)電機(jī)壽命進(jìn)行加速，通過公式（5）計算出原壽命18 000 h進(jìn)行加速壽命試驗后只需1 723 h即可完成。

式中，T為加速壽命時間；T0為原壽命時間；σn為第n個加速因子。

4 試驗驗證

根據(jù)本文的試驗方案，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行高溫高速加速壽命試驗，試驗過程實物圖如圖2～圖4所示。當(dāng)加速試驗進(jìn)行到1 924 h時，發(fā)電機(jī)出現(xiàn)掃膛現(xiàn)象，經(jīng)分析為轉(zhuǎn)子護(hù)套變形導(dǎo)致剩余不平衡量過大引起轉(zhuǎn)子外圓與定子鐵芯內(nèi)孔掃膛，定子絕緣由500 MΩ降低到200 MΩ，說明試驗結(jié)果與分析相符。

圖2 加速壽命試驗

圖3 受損轉(zhuǎn)子

圖4 定子絕緣測試

5 結(jié)語

本文針對分裝式永磁發(fā)發(fā)電機(jī)進(jìn)行加速壽命試驗，采用加載恒定應(yīng)力試驗的方法，分析了其在提升環(huán)境溫度、增加轉(zhuǎn)速形成的綜合應(yīng)力下原18 000 h壽命試驗所需的試驗時間，并且通過實際產(chǎn)品進(jìn)行加速度壽命試驗，試驗結(jié)果與分析相符，說明該加速方案合理可行。