某型機輪速度傳感器高頻性能衰減故障研究與設計改進

劉崗 金吉 曹浩 路英杰 李蕊 陳沖

石家莊海山實業發展總公司，河北石家莊 050200

0 前言

某型機輪速度傳感器是某型飛機電子防滑剎車系統的重要組成部分，用于將飛機機輪的轉速變換成為正弦交流電壓信號并輸送給防滑剎車系統，防滑剎車控制計算機根據機輪速度信號頻率大小、變化率等對系統剎車壓力進行控制，在防止機輪拖胎抱死、爆胎的同時，仍可保持最大的車輪附著系數，從而實現最大剎車效率[1-2]。飛機著陸后，該型輪速傳感器在高頻轉速工況下頻發輸出電壓信號的幅值低于設計最小值的故障現象，進而導致防滑剎車計算機無法準確控制剎車壓力并輸出剎車告警信號。該問題不僅對飛行員正常操作產生干擾，也對飛機的著陸安全及電子防滑剎車系統的正常工作有極大的影響。本文針對該類問題開展故障研究和設計改進。

1 輪速傳感器工作原理分析

常用的輪速傳感器主要有光電式、電渦流式和磁電式等。本文涉及的輪速傳感器是基于電磁感應原理工作的磁電式傳感器，該型傳感器具有結構簡單、抗干擾能力強、耐高溫等特點[3-4]。傳感器安裝于機輪軸處，傳感器的撥盤齒輪帶動旋轉時，齒盤的矩形齒與永磁合金的對準偏離交替發生，引起閉合磁路中磁阻呈周期性的變化，磁路中的磁通亦隨之周期性變化，于是定子線圈上產生一個與磁阻變化頻率相同的脈沖，輸出近似正弦變化的感應電壓，得到與機輪速度成正比，具有一定電壓值的頻率信號[5-6]。圖1為傳感器實物結構圖，圖2為傳感器的結構示意圖。

產品工作時，齒環靜止不轉，而轉子以ω角速度旋轉時，齒環和轉子內外齒展開如圖3所示，表示出在不同的ωt時內外齒相對位置，以及此時內齒經過氣隙進入外齒的磁通變化情況。ωt1時，齒環與轉子的齒面處于正對準位置，氣隙δ中的磁阻Rδ為最小，這樣，永磁體在磁路中產生的磁通φm最大為φmax。當內齒處于ωt3時，內外齒相對位置錯開一個角度，磁阻Rδ增大，磁通量φm下降。當內齒處于ωt5位置時，內外齒完全錯開，氣隙磁阻為最大，磁通量φm最小為φmin。當轉子由ωt1到ωt5轉過一個齒時，磁路中的磁通就變化了半個周期，磁通的變化量為φmax-φmin，磁通的變化在線圈中感應出的電動勢E的有效值為[7-8]：

其中，E為感生電勢；f為頻率；w為線圈匝數；φm為磁通量的變化量；φmax為最大磁通量；φmin為最小磁通量。

其中，Z為齒環和轉子的齒數；n為轉速。由式（1）、（2）可知，傳感器輸出信號的電壓值大小除了與轉速有關外，還與齒環齒數、定子線圈匝數、磁路磁通量變化率有關。

2 輪速傳感器故障分析與研究

2.1 故障分析與定位

該設計通過轉子的轉動實現磁路磁阻的變化，進而達到磁路磁通量變化的目的。該型傳感器的齒環齒數和定子線圈匝數為定量，在轉速一定的條件下，磁通量變化率越大，則傳感器輸出電動勢越大。磁通量的變化率只與轉子與永磁合金間隙大小、永磁合金的強感應強度有關。當傳感器輸出信號的電壓值下降，則推斷磁路中間隙發生變化或是永磁合金磁感應強度下降，即永磁合金出現了退磁現象。

2.1.1 轉子與永磁合金間隙研究

定子組件是采用端蓋壓力鎖緊，通過試驗發現，當端蓋擰緊力矩不同時，傳感器在高頻輸出存在約60 mV 的差距，即端蓋擰緊力矩不同，造成定組件帶動永磁合金與轉子間隙出現差異。設計中，永磁合金、定子組件、轉子等均為固定結構，裝配過程中無相對軸向、徑向位移變化，但初始裝配手法、工藝不同等因素會對傳感器的基礎輸出產生一定影響。

2.1.2 永磁合金性能研究

影響永磁材料磁性能穩定性的因素有：內部結構變化、磁后效、化學因素、溫度、外磁場、機械作用、與強磁性材料接觸等[9]。產品為一體密封結構，能有效屏蔽外界鐵磁接觸、化學腐蝕以及污染；起落架、機輪部位無磁場環境，不會對永磁合金產生磁場影響；設計中，永磁合金為鋁鎳鈷材料，該材料化學穩定性好，在弱酸弱堿環境中是穩定的，居里溫度高，能經受強烈的輻射，但是由于該型永磁材料矯頑力不高，若在使用過程中受到振動沖擊作用，可能會導致永磁合金的磁感應強度出現下降現象，經查詢，飛機著陸過程會有約1～3 g 的加速沖擊，因此懷疑是飛機的起落沖擊致使永磁合金內部磁疇發生紊亂，永磁合金發生退磁現象，最終導致產品在高頻轉速工作過程中發生輸出電壓信號的幅值低于設計最小值的故障現象。為驗證猜想，采用高斯計對新品永磁合金和故障產品的永磁合金進行磁感強度測量對比，如表1所示。

表1 永磁合金表面磁感應強度測試表（單位：G）

通過測試，確認兩個故障的永磁合金在三個測試點上磁感應強度相比新品永磁合金，均有一定程度的下降，與之前的分析和猜想相吻合，下一步將致力于產品的設計改進，進而提升產品的長期使用可靠性。

2.2 設計改進

2.2.1 增加間隙控制要求

通過多次試驗驗證，當端蓋擰緊力矩在15～20 N·m 時，既可保證傳感器有較高的電壓輸出，又能控制永磁合金與轉子的間隙在0.1～0.2 mm 范圍，即轉子能可靠、順暢遠轉，不與永磁合金干涉。

2.2.2 永磁合金材料改進

目前，工業上常用的永磁材料主要有鋁鎳鉆、衫鉆以及釹鐵硼，其主要磁特性參數和性能特點如表2和下文所述[10]。

表2 典型永磁材料性能的綜合對比表

原設計中采用鋁鎳鈷永磁合金。鋁鎳鈷具有耐化學腐蝕性和溫度穩定性，但其矯頑力、磁能積不高，在受到沖擊、鐵磁接觸、外加磁場后，其內部磁疇容易發生紊亂，導致磁性下降，同時磁場空間分布也會發生改變，不能很好地滿足機載產品耐振動、沖擊以及長期可靠性的使用要求。

釹鐵硼是磁性能最強的材料，鐵器接觸和摩擦也不會使其有磁性損失，但其化學穩定性較差，易受酸堿和水的腐蝕，在常溫下也會發生變質老化，一般的表面涂層也無法確保其長期可靠性，經查閱大量文獻，暫無權威釹鐵硼有效使用壽命的數據。

釤鈷永磁合金能承受10 g 的振動、100 g 的沖擊磁，鐵磁接觸和摩擦也不會使其有明顯的磁性能損失，但該材料耐化學腐蝕性不強，使用時需要涂層保護，經查詢相關資料，其使用壽命在10年以上，可滿足飛機的翻修周期要求。

通過論證分析，設計改進后采用釤鈷材料永磁合金代替原鋁鎳鈷永磁合金。

3 設計改進驗證

整個驗證過程分為以下三個步驟：對樣機進行初始性能檢測；采用整機飛機著陸沖擊包絡對產品進行環境應力考核；試驗后的產品再次進行性能測試并與初始性能進行對比，最終驗證設計改進的可行性。

3.1 樣機初始性能測試

設計改進后的樣機兩臺，其初始主要性能指標如表3、圖4所示。樣機1 的頻率輸出和電壓信號輸出分別為3,497 Hz、1,250 mV；樣機2 的頻率輸出和電壓信號輸出分別為3,497 Hz、1,250 mV。均可滿足高頻輸出電壓不小于1,000 mV 的設計指標要求。

表3 樣機初始主要性能統計表

3.2 環境應力試驗

采用整機著陸沖擊包絡對產品進行環境應力考核，模擬飛機著陸沖擊次數大于8,000 次（涵蓋飛機全壽命周期），間斷振動試驗時長大于40 h。試驗后，樣機主要性能如表4、圖5所示。樣機1 的頻率輸出和電壓信號輸出分別為3,493 Hz、1,200 mV；樣機2 的頻率輸出和電壓信號輸出分別為3,521 Hz、1,190 mV。

表4 樣機環境應力試驗后性能統計表

對比樣機初始性能和試驗后的性能，樣機1 高頻輸出信號電壓值存在50 mV 的下降；樣機2 高頻輸出信號電壓值存在30 mV 的下降，但滿足大于1,000 mV的設計要求。再次追加1,000次飛機著陸沖擊模擬試驗，經測試，確認高頻信號電壓值無明顯變化，追加試驗證明，經過沖擊試驗訓練后，釤鈷永磁合金達到磁穩定狀態，且能滿足設計和實際使用要求。

4 結束語

本文對某型輪速傳感器在高頻轉速工作過程中出現的輸出信號電壓幅值低于設計最小值的故障現象，開展理論分析和試驗測試，確認了故障原因，即輪速傳感器鋁鎳鈷永磁合金在長期著陸沖擊的過程中發生退磁現象。針對故障原因，優化輪速傳感器設計，增加了轉子與永磁合金間隙控制要求，改進了永磁合金材料（釤鈷永磁合金），經產品靜態性能測試及整機著陸沖擊包絡試驗驗證，該設計改進有效，能保證飛機長期使用的可靠性。