苑利維，趙曾武，田冠枝，宋顯成，鄭林

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無人水下航行器推進電機可靠性加速試驗方法研究

苑利維，趙曾武，田冠枝，宋顯成，鄭林

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

用加速試驗方法替代常規(guī)試驗方法，達到縮短研制周期、節(jié)約研制成本、提高試驗效率的目標。通過對推進電機的故障模式及影響分析，確定電機的繞組和控制驅(qū)動器的功率器件為薄弱部位，考慮到產(chǎn)品的水下應(yīng)用環(huán)境，采用溫度應(yīng)力加速試驗方法。結(jié)合繞組和功率器件與溫度的數(shù)學(xué)模型及試驗數(shù)據(jù)，計算出加速因子。設(shè)計了用173 h的滿功率工作試驗來考核產(chǎn)品平均無故障時間5500 h的可靠性加速試驗方法。該試驗方法對同類產(chǎn)品可靠性加速試驗具有一定的借鑒意義。

推進電機；加速因子；可靠性加速試驗

近年來，隨著環(huán)境問題、科學(xué)研究和軍事應(yīng)用等方面問題的突現(xiàn)以及能源開發(fā)利用的需求，使得世界各國把目光投向了海洋。海洋深層次的開發(fā)和利用已經(jīng)成為世界各國未來發(fā)展的戰(zhàn)略目標。UUV的研究是在這種廣闊的商業(yè)、科研和軍事應(yīng)用前景下，不斷地發(fā)展和完善。

UUV推進電機作為UUV的主要動力裝置，其可靠性不僅影響著水下航行任務(wù)的成敗，同時也關(guān)系著UUV是否能夠順利返航回收。續(xù)航能力已成為考核UUV水下作業(yè)能力的重要指標之一，因此對推進電機的MTBF（Mean Time Between Failure平均無故障時間）可靠性指標要求越來越高，通常達到5000~8000 h。在產(chǎn)品研發(fā)階段，按照常規(guī)試驗方法對這一指標的考核需要浪費大量的人力、物力和財力，可靠性加速試驗方法的提出，可以在滿足產(chǎn)品可靠性驗證的前提下，縮短研制周期、節(jié)約研制成本、提高試驗效率。

1 推進電機故障分析

1.1 功能劃分

UUV推進電機由控制驅(qū)動器和交流永磁同步電機構(gòu)成，電機輸出軸與螺旋槳直接連接，如圖1所示。控制驅(qū)動器內(nèi)部逆變器將外部輸入的直流電逆變?yōu)榻涣鹘o電機提供交流電能，并根據(jù)轉(zhuǎn)子不同位置，對三相定子繞組按一定順序提供電壓。當(dāng)電機定子繞組通過三相對稱正弦電流時，在氣隙中產(chǎn)生磁場。定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子拖動螺旋槳進而實現(xiàn)UUV的推動力。

圖1 UUV推進電機模型

為了能夠科學(xué)準確地對推進電機的故障進行分析，首先進行FMEA（Failure Mode and Effect Analysis故障模式及影響分析），識別產(chǎn)品設(shè)計中或者生產(chǎn)工藝中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，對可能出現(xiàn)的故障模式進行分析，以便從設(shè)計、生產(chǎn)等方面采取針對性措施加以改進或采取適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量控制措施進行彌補，最終從根本上進行故障的消除。推進電機功能模塊的劃分如圖2所示。

圖2 推進電機功能模塊劃分

1.2 可靠性預(yù)計

在設(shè)計過程中，遵循從源頭上提高可靠性的指導(dǎo)思想，為滿足UUV的高可靠要求，通過優(yōu)化各組成單元的結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面提高可靠性。同時，通過裕度設(shè)計、冗余設(shè)計、熱設(shè)計等方式進一步提高可靠性。根據(jù)標準件和電子元器件選型及經(jīng)驗參考值，分析計算出各模塊的失效率，見表1。

表1 主推進電機功能模塊失效率

根據(jù)各模塊的失效率，可以明顯看出電機側(cè)的定子繞組和控制驅(qū)動器側(cè)的功率器件IPM為相對薄弱部件。

2 可靠性加速試驗方法

產(chǎn)品研制的短周期和低成本目標對可靠性保障技術(shù)提出了高效性、經(jīng)濟性的要求，與高可靠長壽命目標構(gòu)成矛盾，導(dǎo)致現(xiàn)有可靠性工程中的許多可靠性保障技術(shù)難以實施。同時，基于長時間效應(yīng)的可靠性增長試驗、可靠性驗證試驗應(yīng)用難度進一步加大，因此，從試驗的角度出發(fā)，加速試驗技術(shù)成為在時間和成本約束下保障產(chǎn)品高可靠長壽命的必然要求。

可靠性加速試驗是基于產(chǎn)品的FMEA分析結(jié)果，確定產(chǎn)品加速試驗的應(yīng)力和加速因子，在較短的試驗時間內(nèi)暴露產(chǎn)品設(shè)計或工藝方面的缺陷，實現(xiàn)產(chǎn)品高可靠長壽命的快速評估[1]。

可靠性加速試驗通常采用加速應(yīng)力的可靠性試驗，通過施加步進應(yīng)力，找出產(chǎn)品耐應(yīng)力極限，包括工作應(yīng)力極限和破壞應(yīng)力極限，不斷地加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，并進行改進和驗證，使產(chǎn)品的可靠性不斷提高，并使產(chǎn)品耐環(huán)境能力達到最高。

目前常用的加速試驗方法可以從以下幾個環(huán)境應(yīng)力方面考慮。

1）電應(yīng)力：包括產(chǎn)品的通斷電循環(huán)、規(guī)定的工作模式及工作周期、規(guī)定的輸入標稱電壓及其最大允許偏差。

2）濕度應(yīng)力：模擬產(chǎn)品實際使用環(huán)境，必要時可噴入水蒸氣。

3）溫度應(yīng)力：模擬產(chǎn)品在使用中經(jīng)歷的實際環(huán)境，制定溫度變化情況和溫循次數(shù)。

4）振動應(yīng)力：振動應(yīng)力的量值和剖面應(yīng)按產(chǎn)品的現(xiàn)場使用類別、產(chǎn)品的安裝位置和預(yù)期的使用情況確定，同時要考慮振動類型、頻率范圍、振動量值和施加振動的方向方式。

5）綜合應(yīng)力：根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境可將電應(yīng)力、濕度應(yīng)力、溫度應(yīng)力、振動應(yīng)力進行組合。

UUV推進電機在水下正常工作時，其電應(yīng)力和濕度應(yīng)力為恒定應(yīng)力，振動應(yīng)力很難在水下模擬實現(xiàn)。同時，對推進電機來說，其輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間是一種平方轉(zhuǎn)矩負載關(guān)系，電機在不同轉(zhuǎn)速下工作時，輸出轉(zhuǎn)矩不同，電機的繞組和控制驅(qū)動器的功率器件的溫度發(fā)生變化，因此采用了溫度應(yīng)力加速試驗方法。

3 加速因子計算

3.1 IPM加速因子計算

IPM的可靠性主要與溫度相關(guān)，因此對IPM的加速試驗主要考慮溫度應(yīng)力加速。在以溫度應(yīng)力為試驗應(yīng)力的情況下，元器件的加速因子AF滿足式（1）[3]：

式中：normal為正常應(yīng)力下的壽命；stress為高溫應(yīng)力下的壽命；normal為長時工況下絕對溫度；stress為滿功率工況下絕對溫度；a為失效反應(yīng)的活化能，不同類型元器件數(shù)值不同，查文獻[2]中表1可得；為Boltzmann常數(shù)，=8.62×10－5eV/K。

IPM功率模塊主要由二極管和三極管組成，其中PN結(jié)破壞導(dǎo)致的短路是該類元器件的主要失效類型，其活化能為1.5 eV。

實際試驗中，外部水溫15 ℃時，在長時工作狀態(tài)下IPM工作溫度為21 ℃（約合294 K）；滿功率狀態(tài)下，IPM平衡溫度為42 ℃（約合315 K）。

將上述參數(shù)代入式（1），得加速因子AF約為51.7，即在長時工作狀態(tài)下工作1 h相當(dāng)于在滿功率狀態(tài)下工作51.7 h。

3.2 繞組絕緣加速因子計算

通過對電機繞組絕緣壽命的研究表明，電機繞組絕緣壽命符合絕緣材料熱老化定律，滿足式（2）[4]：

式中：k為平均壽命，h；為分子相互作用系數(shù)；為物質(zhì)活化能與通用氣體常數(shù)；為溫度，℃。

常用交流永磁同步電機，通常?。?.95，取4500。實際試驗中，外部水溫15 ℃時，在長時工作狀態(tài)下繞組平衡溫度為21 ℃；滿功率狀態(tài)下繞組平衡溫度為53 ℃。將參數(shù)代入式（2）可得：

k（長時工作）=227 050 493 h，k（滿功率）= 7 139 717 h，得加速因子為31.8。

4 加速試驗方法設(shè)計

UUV主推進電機的MTBF≥5000 h，參照相關(guān)標準，按照1.1倍的MTBF也就是5500 h考核，根據(jù)加速因子，各部位加速試驗時間見表2。

表2 加速試驗時間

因此，要滿足MTBF指標，可將UUV主推進電機在滿功率工況下至少考核173.0 h。

5 結(jié)語

應(yīng)用該試驗方法完成了UUV推進電機的可靠性試驗。UUV推進電機在實際工作中往往會根據(jù)需要進行調(diào)速，速度的變化給產(chǎn)品帶來溫度應(yīng)力的變化，但是，不容忽視的是振動應(yīng)力也是存在的。因此，在后續(xù)改進的加速試驗中同時增加振動應(yīng)力將會進一步增大加速因子，進而縮短試驗時間。

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Reliable Acceleration Test Method for Propulsion Motor of Unmanned Underwater Vehicle

YUAN Li-weiZHAO Zeng-wuTIAN Guan-zhiSONG Xian-chengZHENG Lin

(Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls, Beijing 100076, China)

To shorten the development cycle, save the development costs and improve the test efficiency by replacing the conventional test method with the acceleration test method.By analyzing the failure mode and effects of the propulsion motor, the motor winding and the power devices of the drive module were determined as the weakest parts. Considering the underwater application environment of the product, temperature stress acceleration was adopted. The acceleration factor was calculated by the mathematical models and experimental data on winding, power devices and temperature.The reliability acceleration test method was designed based on 173 hours of full power work to assess the MTBF 5000 hours of the propulsion motor.The test method can provide a reference for the similar products’ reliability acceleration test to some extent.

propulsion motor; accelerated factor; reliability accelerated testing

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.011

TJ01

A

1672-9242(2018)01-0050-03

2017-09-09；

2017-10-01

苑利維（1975—），女，河北保定人，碩士，高級工程師，主要研究方向為控制驅(qū)動技術(shù)及嵌入式軟件開發(fā)。