基于運行壽命預測的交流電機可靠性研究

左雙全，常魯楠，畢然，林康桂

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

由于現代控制理論的不斷進步和完善，交流控制技術的動、靜態特性全可以和直流控制技術相媲美[1]，小型交流電機被廣泛應用于電風扇、空調、除濕機、空氣凈化器等家電產品。作為家電產品的核心零部件，交流電機的使用壽命決定了家電產品的使用壽命。為保證產品質量，及時發現產品在工藝、設計、材料等方面存在的問題并提供解決方案，需對產品進行壽命試驗[2]。由于交流電機的使用壽命較長，在常規工況下進行長期壽命試驗需耗費大量時間和物力，因此通過采用加速試驗技術建立一個合理的壽命預測模型，來預估交流電機的使用壽命可大大縮短壽命試驗的周期和成本，進而為家電產品的可靠性設計提供依據。

赫先先、周健等[3]在對絕緣材料的研究中指出，電機溫升是評價電機性能的一個重要指標，溫升會影響電機繞組絕緣材料的老化速度，且通過提高繞組絕緣材料的導熱系數，可以降低電機溫升。閔遠亮[4]采用阿倫尼烏斯（Arrhenius）模型，深入分析了繞組運行溫升對于汽車電機壽命的影響，并利用串聯模型，對電機可靠性進行了評價。李娟等[5]通過計算罩極電機的平均故障間隔時間（MTBF，Mean Operating Time Between Faults）來預測使用壽命，并設計出提高電機運行溫度的加速試驗方案，結合阿倫尼烏斯模型計算加速因子，等效計算出加速試驗周期。周鋐等[6]將電子組件可靠性的評價方法運用于汽車交流電機的可靠性研究中，建立了交流電機的可靠性串聯模型，并通過零部件的應力分析，預計了汽車交流電機的可靠性水平。楊斌文[7]通過對于電機絕緣阻值的變化，實現對于電機剩余壽命的預測。

1 可靠性影響因素探究

1.1 主要失效模式

交流電機是一個由定子、轉子、軸承、端蓋等幾部分組成的復雜系統，在其工作過程中會受到機械應力、熱應力、電應力和化學應力的共同作用，因此對于其故障機理和失效模式的分析較為復雜。

據有關數據顯示[8]，小型交流電機80 %以上的故障出現在定子繞組與軸承上。定子繞組絕緣材料的老化是交流電機主要失效模式之一，電機工作時產生的熱量主要來自電樞電流產生的銅損和旋轉磁場產生的鐵芯損耗[9]，損耗的能量轉化成為內能，造成定子繞組的發熱，因此會加速絕緣材料的老化。

1.2 失效原因分析

根據交流電機的故障模式、影響及危害性分析（FMECA，Fault Modes Effects and Criticality Analysis），運用故障樹模型對電機進行可靠性分析，見圖1。

圖1 故障樹模型

該模型從機械、電氣兩個方面對交流電機的故障進行深入分析，基于電機的不同失效現象，分析電機失效原因的最小割集[10]。在最小割集中，電機運行溫度高出現次數最多，因此可判斷交流電機運行過程中的溫度過高是導致電機故障的主要原因。高溫會加速電機繞組絕緣材料的老化，且溫度較高時，軸承潤滑油的粘度降低，流動性增大，蒸發作用增強，因此當電機軸高速運轉時難以形成油膜層，造成軸承磨損加劇，從而引起電機失效。

1.3 可靠度分析

圖2 串聯模型

對于交流電機來說，定子、轉子、軸承、端蓋等任意一個部件發生故障都會影響其運行性能，因此電機的失效是一個串聯模型，即任意一個環節失效，都會導致電機失效或使電機的性能受到極大的影響[11]。

電機的可靠性特征量一般選擇可靠度來表示，可靠度是指產品在規定的條件和規定時間內無故障地完成所規定功能的概率，即可靠性的概率度量，它表征的是產品能夠完成規定功能的可能性。

假設電機軸承、繞組的失效均服從威布爾分布[12]，則軸承可靠度為：

式中：

η1—軸承的威布爾特征壽命；

t—用戶選擇的電機工作時間；

m1—形狀參數。

繞組可靠度為：

式中：

η2—繞組威布爾特征壽命；

t—用戶選擇的電機工作時間；

m2—形狀參數。

要保證電機系統的可靠性，必須使構成電機系統的每個零部件都可靠，即串聯模型的可靠度為所有構成部件的可靠度乘積。由于交流電機的可靠性主要取決于軸承和繞組，故電機系統的可靠度可近似表示為：

小型交流電機可靠性考核評定規范中指出[13]，電機系統失效服從指數分布，故電機系統可靠度為：

式中：

λ—電機失效率；

t—特征壽命。

2 壽命預測理論模型

壽命是產品在規定條件下完成規定功能所能工作的時間，與產品的可靠性是密切相關的。交流電機的壽命有多種表現形式，可以是工作時間、電機累積轉數、行駛距離等，同時失效現象也存在不同，比如摩擦噪音增加、軸承磨損、能效降低、繞組燒壞等。壽命預測技術建立在可靠性研究基礎之上，根據產品的失效機理及數理統計的理論，建立可靠壽命與影響因素之間的函數關系，并通過歷史測試數據獲得函數中的參數，從而對產品壽命做出預估[8]。

溫度是影響繞組絕緣材料老化的主要因素，因此對于繞組絕緣壽命的預測可采用阿倫尼烏斯（Arrhenius）模型，該模型以溫度作為加速應力，具體形式如下式所示[14]：

式中：

L—平均絕緣壽命；

T—絕緣材料的溫度；

k—波爾茲曼常數，為8.617 eV/K；

Ea、G—與絕緣材料有關的系數。

3 加速試驗設計

交流電機具有較長的使用壽命，傳統的壽命試驗通過將家電產品置于正常應力條件下進行長期運行來評估其可靠性和壽命，試驗周期較長，成本耗費較大，且會影響產品上市。基于此，科研人員提出加速壽命試驗方法（ALT，Accelerated Life Testing），在不改變產品失效機理的前提下，通過加強應力來加快產品失效，從而以較短的試驗時間預測出產品在正常應力下的壽命[15]。

3.1 加速應力選擇

加速壽命試驗需要根據產品特性，選擇合適的應力條件，不同產品的使用環境存在差異，所以應力條件的選擇也要進行適當調整。影響交流電機運行的應力條件包括環境溫度、電壓、負載等，為達到最佳的加速效果，需要綜合以上3種應力條件進行驗證。

本文以某品牌落地扇產品為例設計了如下加速試驗：

1）保證環境溫度及負載一致，施加不同的電壓，然后采用繞組法測試交流電機運行溫度，測試結果匯總于表1。

表1 電壓應力對交流電機運行溫度的影響

通過上述3組試驗數據發現，隨著試驗電壓的不斷提高，交流電機的運行溫度也隨之上升，所以電壓可以作為主要應力條件之一。

2）保證環境溫度及電壓一致，施加不同的負載，然后采用繞組法測試交流電機的運行溫度，測試結果匯總于表2。

表2 負載應力對于交流電機運行溫度的影響

通過上述3組試驗數據發現，隨著負載的增加，電機運行溫度先升高后降低，造成此現象的原因主要是由于施加不同的負載會改變風扇扇葉的葉形，造成扇葉旋轉時空氣阻力發生變化，而空氣阻力難以直接量化，因此該加速試驗放棄選擇負載應力作為主要應力條件。

3）保證試驗電壓及負載一致，施加不同的環境溫度，然后測試交流電機的運行溫度，測試結果匯總于表3。

表3 環境溫度應力對于交流電機運行溫度的影響

通過上述3組試驗數據發現，隨著環境溫度的不斷升高，交流電機運行溫度也隨之升高，所以環境溫度可以作為主要的應力條件之一。

3.2 加速系數計算

加速壽命試驗需根據產品特性，確定合適的時間加速系數，從而在對產品施加應力后可得出合理的加速壽命以預測產品在正常應力條件下的壽命及可靠性[2]。時間加速系數定義為某種加速應力條件下的加速試驗與基準應力條件下的試驗達到相等累積失效概率所需時間之比，簡稱加速系數或加速因子[16]。在不同運行溫度下的加速系數由以下公式進行計算：

式中：

R(T)—正常溫度應力下的壽命；

L(T)—加速溫度應力下的壽命；

AF—施加加速溫度應力所選取的加速系數。

根據上述公式，以環境溫度22.8 ℃作為正常溫度應力，通過對比不同應力條件下的加速系數，選擇最佳的綜合應力施加方案。

綜合以上測試數據發現，在環境溫度為50.3 ℃，電壓為275 V時，加速系數達到了28.403，在上述綜合應力條件下，電機可以正常運行，并且未出現因電壓過高而導致電機損壞等現象。在沒有改變電機失效機理的條件下，完全滿足試驗要求，所以選擇以上應力條件進行交流電機加速壽命試驗，并進行壽命預測。

4 壽命預測

選擇環境溫度50.3 ℃，電壓272 V作為綜合應力條件，對落地扇樣機進行加速試驗，并對交流電機在運行中的溫升進行監測，最后根據試驗數據修正阿倫尼烏斯模型中的系數，使模型能夠準確預測電機的使用壽命。

在進行加速壽命試驗的過程中，先后有5臺電機出現失效，如圖3、圖4所示，失效現象均為繞組燒壞，失效原因是在綜合應力條件下，電機經長時間運行，絕緣材料不斷老化，從而引起繞組匝間短路。

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圖3 1號失效電機

圖4 2號失效電機

表4 不同應力條件下的加速系數

根據試驗數據，如表5所示，被測交流電機在綜合應力條件下，一天24 h不間斷運行，最低極限運行周期為72天。根據監測的溫升數據及運行周期，對阿倫尼烏斯模型中的系數進行修正，如表6所示。該模型的中的G、Ea為與絕緣材料有關的系數，在電機絕緣等級相同的條件下保持不變，B為與電機的使用環境等因素有關的系數，需要根據加速壽命試驗數據進行擬合，才能預測電機壽命。運用修正模型分別預測了環境溫度25 ℃、30 ℃和35 ℃條件下，被測電機的不同運行溫升所對應的壽命，計算方法為每年預計使用180天，每天使用時間為10 h，一年的使用時間為1 800 h，并繪制了壽命預測曲線，如圖5所示。可以看出，隨電機運行溫升的升高，預測壽命呈指數模式下降，且當電機運行溫升相同時，環境溫度由25 ℃升高至35 ℃，電機的壽命會縮短一半左右。

圖5 壽命預測曲線

表5 加速試驗數據

表6 修正模型系數

根據產品的使用年限要求，通過對交流電機進行壽命預測，可使電機壽命匹配產品整機系統設計，并指導廠家進行電機的設計和選型，達到降低電機生產成本，減少資源消耗的目的。

5 可靠性分析

被測風扇的交流電機要求在0.9的可靠度下MTBF為5 400 h，因此可根據下式計算電機的特征壽命t：

在置信水平為0.9的條件下，根據下式得出交流電機的置信下限θL[17]。

式中：

θL—MTBF的置信下限；

α—生產方風險；

1-α—推薦的置信度；

T—累積相關試驗時間；

r —試驗中累積故障數。

將各項參數代入式（12），得到θL=15 566 h。通過壽命預測模型（見式（5））并采用修正系數（見表6）計算出，交流電機在25 ℃的環境溫度下，運行溫升為95 K時[18]，對應的使用壽命為18 186 h，大于置信下限，證明在90 %的置信水平下，交流電機壽命滿足設計要求，因此可以適當放寬交流電機的溫升設計要求，從而降低電機生產成本。

6 總結

本文通過對風扇用小型交流電機進行失效模式及可靠度分析，得出交流電機的主要失效原因是繞組絕緣材料老化及軸承磨損，而引起上述失效的主要因素是電機運行溫升過高。以某品牌落地扇產品為例，通過試驗確定環境溫度和電壓是影響交流電機運行溫升的主要因素。基于阿倫尼烏斯模型，并選擇環境溫度和電壓作為應力條件對交流電機進行加速壽命試驗，加速系數最大達到28.403，并根據加速試驗結果對阿倫尼烏斯模型進行修正，從而實現對交流電機的壽命預測。預測結果為，在25 ℃的環境溫度下，運行溫度為95 K時電機的使用壽命為18 186 h，滿足0.9的可靠度下的MTBF要求，因此證明了壽命預測模型的準確性，進而可通過該模型指導交流電機的選型、設計。由于試驗條件有限，無法在短時間內對多種型號交流電機進行試驗，所以接下來還會繼續基于可靠性分析方法對其它類型的電機開展試驗，以增大樣本量，對壽命預測模型進行深入研究。