測量技術課程關于電機轉矩失效模式可靠性項目的測試

上海電子信息職業技術學院 張文娟

本文介紹了《測量技術》課程中一個實踐性項目的測試，讓學生通過實操項目鍛煉分析和解決問題的能力，以及團隊合作精神。項目在選取某型號電機進行失效模式可靠性測試的基礎上，引入電機轉矩性能測試的兩種失效故障模式。文中介紹了失效模式的創建，并對測試運行的數據與正常運行的電機數據進行了分析比較。通過對測試影響因素的分析，得出電機轉矩性能失效性能有效的失效模式。

《測量技術》課程的教學目標中是一門涉及面寬、實用性很強的專業課，學生通過本課程的學習，能較全面地掌握電量和非電量的測量。該課程突出專業技術知識的實用性和綜合性，所以在課程中引入實踐項目的分析和研究很有必要。本文介紹了電機轉矩性失效模式可靠性項目的測試，旨在希望通過實際操作訓練，能提升學生分析問題、解決問題的能力和團隊合作的精神。

在工業生產中，尤其是產品設計和過程設計階段以及生產線開始正式上線前，失效模式與影響分析是評估和調查產品或生產過程中潛在問題的一種非常有效的途徑。它是在系統生命周期的給定階段使用的結構化方法，用于理解可能的失效模式及其發生的影響，通常是系統可靠性研究的第一步。它對構成產品的子系統進行分析，找出所有潛在的失效模式，從而預先采取必要的措施，以提高產品的質量和可靠性。在模塊/單元級別中，只需列出該級別的功能失效模式即可。它可以非常有效地識別設備內潛在的嚴重失效。這樣做可以改變設計以消除嚴重失效。

電動車窗可以控制櫥窗玻璃的升降，其中車窗電機是電動車窗動力驅動器，通過車載電源來驅動玻璃升降器電動機，使升降器上下運動，帶動車窗玻璃上下運動的裝置，達到車窗自動開閉的目的。汽車車窗電機具備輸出功率大和轉矩大等特點。其中電機轉矩是車窗電動機的基本參數之一，它與電動機的轉速和電流都有密切關系。本文針對汽車車窗調節器電機生產線上準備上線的電機轉矩性能測試設備，分別就正常電機和兩種失效模式下電機的運行情況進行檢測及對比，分析測試設備性能參數，找出適用于設備驗證的失效模式。

1 測試思路

本次項目讓學生分組，每個小組選擇一種故障失效模式來進行分析。首先將正常車窗調節器電機放入檢測設備進行轉矩性能測試，得到測試數據。其次跟據生產線上電機故障率最高的兩類故障模式制作故障樣品，將故障樣品電機放入測試設備進行轉矩性能測試，得到的數據跟電機轉矩檢測設備設定的參數值及正常電機的測試數據進行對比分析，從而判斷故障模式對電機轉矩檢測設備的測試是否有效。

2 測試過程及分析

2.1 正常電機轉矩性能測試

實驗中采用774.72114/20C型電機進行測試。將之前測驗過證明合格的正常電機放入測試設備進行轉矩性能測試，車窗調節器電機性能顯示電機轉速和電機轉矩及電流和電機轉矩之間的關系。電機正常工作時轉速與轉矩工作范疇的上下限處于兩條接近平行的線之內。與兩條平行線交叉的曲線表示電機正常工作的電流與轉矩的工作范圍，它們分別代表所選取的電機逆時針和順時針方向運行時的轉速-轉矩及電流-轉矩情況。正常電機轉速-轉矩性能曲線和電流-轉矩性能曲線均位于參數限制曲線范圍之內。

電機在順時針和逆時針運轉時各標志性測試位置運行數據正常，未出現報警標記。正反轉時電機的最大轉速出現在空載狀態，即轉矩為零時，分別為86U/min和84.6U/min，在其參數范圍70～90U/min之間。電機順時針和逆時針堵轉轉矩值出現在轉速為零處，分別為15.02N·m和13.79N·m，也在其參數上下限（約為11.5～16N·m）內。電機正反轉時電流在堵轉轉矩附近時值最大，分別為29.1A和32.6 A，低于電流參數允許的上限值35A。

2.2 兩種失效模式設置及性能分析

失效模式及分析用于系統地分析假定的組件失效并確定對系統操作的最終影響。可以是定性分析，也可以進行定量分析。本文只進行定性分析失效模式的可靠性。為了驗證測試設備的轉矩測試性能，我們考慮創建兩類常見的失效樣本：在正常電機的電樞中移去部分疊片（失效模式1），將電機兩個相鄰換向器的保險絲鉤焊接在一起（失效模式2）。

（1）失效模式1創建及性能分析

同樣采用774.72114/20C型電機，在正常電機的電樞中移去部分疊片，此類型電機的正常疊片數應為35片，我們移除10片，在電樞中留下25片，然后測試其性能（如圖1所示）。

此類失效模式下電機的性能測試數據如下：

電機順空轉時電機速度超出其速度上限值90U/min，正反轉分別達到106.2U/min和107.3U/min，而其堵轉轉矩分別為12.19N·m和11.53N·m，均處于正常參數范圍。如果未檢測電機空載及電機轉矩值比較小的運行情況，測試設備很可能就會將測試電機判斷未合格品。而電機的電流-轉矩曲線跟無失效電機曲線差別不是很大，除在逆時針旋轉時堵轉轉矩附近達到最大值35.7 A外基本工作于限定參數范圍之內。

圖1 正常疊片的電機電樞和移去部分疊片的電機電樞對比圖

圖2 相鄰換向器掛鉤焊接在一起的電機電樞圖

綜合考量電機的轉速、電流與轉矩三個性能指標，轉矩和電流的工作基本正常，轉速只有一小部分超過限值，這種失效模式的性能指標在整個轉矩工作范圍內只在小范圍內失效。

（2）失效模式2（將兩個相鄰的掛鉤焊接在一起）創建及性能分析

將兩對換向器鉤焊接在一起形成換向器短路失效（如圖2所示），其性能測試結果如下：

此類型失效樣本的空載轉速未超過上限值，但堵轉轉矩遠小于其最小參數值，正反轉時分別在轉矩值為7.45N·m和6.71N·m時電機就會發生堵轉，而之前檢測的合格電機大約在13N·m的時候才出現堵轉的情況。

此類失效類型電機的電流-轉矩性能無論正反轉完全超過上限值。電流-轉矩曲線完全位于限值上方。空轉時的電流參數上限約7.5A，而實際電機正反轉空載時電流分別達到15.4A和14.9A。

綜合電機的轉速、電流與轉矩三個性能指標，轉速正常，但轉矩和電流值均跟設定參數相差很大。跟正常電機相比，故障模式2的電機轉矩有部分取值區間達不到，其電流值在任何一個轉矩值處均高于正常電機的電流值。這類故障模式性能指標在整個轉矩工作范圍內都恒定失效。

3 運行結果

分析失效模式1和失效模式2的電機轉速、電流、轉矩性能數據和設置的參數上下限值，以及跟之前驗證合格的電機數據進行對比，可以看出失效模式1的電機的轉速-轉矩性能和電流-轉矩性能數據不能全面有效地驗證設備的工作情況，需要通過其他更嚴格的失效模式來測試設備性能。而失效模式2的電機性能指標可以很明顯地篩選出具有連焊失效的電機，尤其是它的電流-轉矩性能在整個工作范圍內都恒定失效，因此失效模式2更適用于用來驗證此類型電動機的檢測設備轉矩故障模式。

結束語：本測試中我們采用了774.72114/20C系列正常電機和兩種失效模式下的電機運行情況進行對比分析，發現電機在失效模式2（換向器掛鉤連焊在一起）下對測試設備轉矩性能的測試效果很明顯。在此基礎上，驗證其他系列車窗調節器電機在此失效模式下的運行情況，得到跟此類型電機相似的結果。由此可以推斷，將換向器掛鉤連焊在一起可以作為一種有效的故障模式來測試電機設備對車窗調節器電機轉矩性能的檢測。