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(xiàn)代控制理論的不斷進(jìn)步和完善，交流控制技術(shù)的動(dòng)、靜態(tài)特性全可以和直流控制技術(shù)相媲美[1]，小型交流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于電風(fēng)扇、空調(diào)、除濕機(jī)、空氣凈化器等家電產(chǎn)品。作為家電產(chǎn)品的核心零部件，交流電機(jī)的使用壽命決定了家電產(chǎn)品的使用壽命。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在工藝、設(shè)計(jì)、材料等方面存在的問題并提供解決方案，需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)[2]。由于交流電機(jī)的使用壽命較長(zhǎng)，在常規(guī)工況下進(jìn)行長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)需耗費(fèi)大量時(shí)間和物力，因此通過采用加速試驗(yàn)技術(shù)建立一個(gè)合理的壽命預(yù)測(cè)模型，來預(yù)估交流電機(jī)的使用壽命可大大縮短壽命試驗(yàn)的周期和成本，進(jìn)而為家電產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

赫先先、周健等[3]在對(duì)絕緣材料的研究中指出，電機(jī)溫升是評(píng)價(jià)電機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，溫升會(huì)影響電機(jī)繞組絕緣材料的老化速度，且通過提高繞組絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)，可以降低電機(jī)溫升。閔遠(yuǎn)亮[4]采用阿倫尼烏斯（Arrhenius）模型，深入分析了繞組運(yùn)行溫升對(duì)于汽車電機(jī)壽命的影響，并利用串聯(lián)模型，對(duì)電機(jī)可靠性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。李娟等[5]通過計(jì)算罩極電機(jī)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF，Mean Operating Time Between Faults）來預(yù)測(cè)使用壽命，并設(shè)計(jì)出提高電機(jī)運(yùn)行溫度的加速試驗(yàn)方案，結(jié)合阿倫尼烏斯模型計(jì)算加速因子，等效計(jì)算出加速試驗(yàn)周期。周鋐等[6]將電子組件可靠性的評(píng)價(jià)方法運(yùn)用于汽車交流電機(jī)的可靠性研究中，建立了交流電機(jī)的可靠性串聯(lián)模型，并通過零部件的應(yīng)力分析，預(yù)計(jì)了汽車交流電機(jī)的可靠性水平。楊斌文[7]通過對(duì)于電機(jī)絕緣阻值的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電機(jī)剩余壽命的預(yù)測(cè)。

1 可靠性影響因素探究

1.1 主要失效模式

交流電機(jī)是一個(gè)由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋等幾部分組成的復(fù)雜系統(tǒng)，在其工作過程中會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、電應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力的共同作用，因此對(duì)于其故障機(jī)理和失效模式的分析較為復(fù)雜。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示[8]，小型交流電機(jī)80 %以上的故障出現(xiàn)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(jī)主要失效模式之一，電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量主要來自電樞電流產(chǎn)生的銅損和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的鐵芯損耗[9]，損耗的能量轉(zhuǎn)化成為內(nèi)能，造成定子繞組的發(fā)熱，因此會(huì)加速絕緣材料的老化。

1.2 失效原因分析

根據(jù)交流電機(jī)的故障模式、影響及危害性分析（FMECA，F(xiàn)ault Modes Effects and Criticality Analysis），運(yùn)用故障樹模型對(duì)電機(jī)進(jìn)行可靠性分析，見圖1。

圖1 故障樹模型

該模型從機(jī)械、電氣兩個(gè)方面對(duì)交流電機(jī)的故障進(jìn)行深入分析，基于電機(jī)的不同失效現(xiàn)象，分析電機(jī)失效原因的最小割集[10]。在最小割集中，電機(jī)運(yùn)行溫度高出現(xiàn)次數(shù)最多，因此可判斷交流電機(jī)運(yùn)行過程中的溫度過高是導(dǎo)致電機(jī)故障的主要原因。高溫會(huì)加速電機(jī)繞組絕緣材料的老化，且溫度較高時(shí)，軸承潤(rùn)滑油的粘度降低，流動(dòng)性增大，蒸發(fā)作用增強(qiáng)，因此當(dāng)電機(jī)軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)難以形成油膜層，造成軸承磨損加劇，從而引起電機(jī)失效。

1.3 可靠度分析

圖2 串聯(lián)模型

對(duì)于交流電機(jī)來說，定子、轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋等任意一個(gè)部件發(fā)生故障都會(huì)影響其運(yùn)行性能，因此電機(jī)的失效是一個(gè)串聯(lián)模型，即任意一個(gè)環(huán)節(jié)失效，都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)失效或使電機(jī)的性能受到極大的影響[11]。

電機(jī)的可靠性特征量一般選擇可靠度來表示，可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)故障地完成所規(guī)定功能的概率，即可靠性的概率度量，它表征的是產(chǎn)品能夠完成規(guī)定功能的可能性。

假設(shè)電機(jī)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(jī)工作時(shí)間；

m1—形狀參數(shù)。

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(jī)工作時(shí)間；

m2—形狀參數(shù)。

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

小型交流電機(jī)可靠性考核評(píng)定規(guī)范中指出[13]，電機(jī)系統(tǒng)失效服從指數(shù)分布，故電機(jī)系統(tǒng)可靠度為：

式中：

λ—電機(jī)失效率；

t—特征壽命。

2 壽命預(yù)測(cè)理論模型

壽命是產(chǎn)品在規(guī)定條件下完成規(guī)定功能所能工作的時(shí)間，與產(chǎn)品的可靠性是密切相關(guān)的。交流電機(jī)的壽命有多種表現(xiàn)形式，可以是工作時(shí)間、電機(jī)累積轉(zhuǎn)數(shù)、行駛距離等，同時(shí)失效現(xiàn)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(yù)測(cè)技術(shù)建立在可靠性研究基礎(chǔ)之上，根據(jù)產(chǎn)品的失效機(jī)理及數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論，建立可靠壽命與影響因素之間的函數(shù)關(guān)系，并通過歷史測(cè)試數(shù)據(jù)獲得函數(shù)中的參數(shù)，從而對(duì)產(chǎn)品壽命做出預(yù)估[8]。

溫度是影響繞組絕緣材料老化的主要因素，因此對(duì)于繞組絕緣壽命的預(yù)測(cè)可采用阿倫尼烏斯（Arrhenius）模型，該模型以溫度作為加速應(yīng)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(shù)，為8.617 eV/K；

Ea、G—與絕緣材料有關(guān)的系數(shù)。

3 加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)

交流電機(jī)具有較長(zhǎng)的使用壽命，傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)通過將家電產(chǎn)品置于正常應(yīng)力條件下進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行來評(píng)估其可靠性和壽命，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，成本耗費(fèi)較大，且會(huì)影響產(chǎn)品上市。基于此，科研人員提出加速壽命試驗(yàn)方法（ALT，Accelerated Life Testing），在不改變產(chǎn)品失效機(jī)理的前提下，通過加強(qiáng)應(yīng)力來加快產(chǎn)品失效，從而以較短的試驗(yàn)時(shí)間預(yù)測(cè)出產(chǎn)品在正常應(yīng)力下的壽命[15]。

3.1 加速應(yīng)力選擇

加速壽命試驗(yàn)需要根據(jù)產(chǎn)品特性，選擇合適的應(yīng)力條件，不同產(chǎn)品的使用環(huán)境存在差異，所以應(yīng)力條件的選擇也要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。影響交流電機(jī)運(yùn)行的應(yīng)力條件包括環(huán)境溫度、電壓、負(fù)載等，為達(dá)到最佳的加速效果，需要綜合以上3種應(yīng)力條件進(jìn)行驗(yàn)證。

本文以某品牌落地扇產(chǎn)品為例設(shè)計(jì)了如下加速試驗(yàn)：

1）保證環(huán)境溫度及負(fù)載一致，施加不同的電壓，然后采用繞組法測(cè)試交流電機(jī)運(yùn)行溫度，測(cè)試結(jié)果匯總于表1。

表1 電壓應(yīng)力對(duì)交流電機(jī)運(yùn)行溫度的影響

通過上述3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)電壓的不斷提高，交流電機(jī)的運(yùn)行溫度也隨之上升，所以電壓可以作為主要應(yīng)力條件之一。

2）保證環(huán)境溫度及電壓一致，施加不同的負(fù)載，然后采用繞組法測(cè)試交流電機(jī)的運(yùn)行溫度，測(cè)試結(jié)果匯總于表2。

表2 負(fù)載應(yīng)力對(duì)于交流電機(jī)運(yùn)行溫度的影響

通過上述3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)載的增加，電機(jī)運(yùn)行溫度先升高后降低，造成此現(xiàn)象的原因主要是由于施加不同的負(fù)載會(huì)改變風(fēng)扇扇葉的葉形，造成扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)空氣阻力發(fā)生變化，而空氣阻力難以直接量化，因此該加速試驗(yàn)放棄選擇負(fù)載應(yīng)力作為主要應(yīng)力條件。

3）保證試驗(yàn)電壓及負(fù)載一致，施加不同的環(huán)境溫度，然后測(cè)試交流電機(jī)的運(yùn)行溫度，測(cè)試結(jié)果匯總于表3。

表3 環(huán)境溫度應(yīng)力對(duì)于交流電機(jī)運(yùn)行溫度的影響

通過上述3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的不斷升高，交流電機(jī)運(yùn)行溫度也隨之升高，所以環(huán)境溫度可以作為主要的應(yīng)力條件之一。

3.2 加速系數(shù)計(jì)算

加速壽命試驗(yàn)需根據(jù)產(chǎn)品特性，確定合適的時(shí)間加速系數(shù)，從而在對(duì)產(chǎn)品施加應(yīng)力后可得出合理的加速壽命以預(yù)測(cè)產(chǎn)品在正常應(yīng)力條件下的壽命及可靠性[2]。時(shí)間加速系數(shù)定義為某種加速應(yīng)力條件下的加速試驗(yàn)與基準(zhǔn)應(yīng)力條件下的試驗(yàn)達(dá)到相等累積失效概率所需時(shí)間之比，簡(jiǎn)稱加速系數(shù)或加速因子[16]。在不同運(yùn)行溫度下的加速系數(shù)由以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

R(T)—正常溫度應(yīng)力下的壽命；

L(T)—加速溫度應(yīng)力下的壽命；

AF—施加加速溫度應(yīng)力所選取的加速系數(shù)。

根據(jù)上述公式，以環(huán)境溫度22.8 ℃作為正常溫度應(yīng)力，通過對(duì)比不同應(yīng)力條件下的加速系數(shù)，選擇最佳的綜合應(yīng)力施加方案。

綜合以上測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為50.3 ℃，電壓為275 V時(shí)，加速系數(shù)達(dá)到了28.403，在上述綜合應(yīng)力條件下，電機(jī)可以正常運(yùn)行，并且未出現(xiàn)因電壓過高而導(dǎo)致電機(jī)損壞等現(xiàn)象。在沒有改變電機(jī)失效機(jī)理的條件下，完全滿足試驗(yàn)要求，所以選擇以上應(yīng)力條件進(jìn)行交流電機(jī)加速壽命試驗(yàn)，并進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

4 壽命預(yù)測(cè)

選擇環(huán)境溫度50.3 ℃，電壓272 V作為綜合應(yīng)力條件，對(duì)落地扇樣機(jī)進(jìn)行加速試驗(yàn)，并對(duì)交流電機(jī)在運(yùn)行中的溫升進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正阿倫尼烏斯模型中的系數(shù)，使模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電機(jī)的使用壽命。

在進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的過程中，先后有5臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)失效，如圖3、圖4所示，失效現(xiàn)象均為繞組燒壞，失效原因是在綜合應(yīng)力條件下，電機(jī)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，絕緣材料不斷老化，從而引起繞組匝間短路。

農(nóng)村的教育一定要進(jìn)步，才能趕得上城市教育的步伐，要學(xué)習(xí)先進(jìn)的教育系統(tǒng)，才能讓農(nóng)村的學(xué)校和班級(jí)有進(jìn)一步的提高和發(fā)展，具有強(qiáng)大凝聚力的班級(jí)，才能讓學(xué)生融入其中，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生培養(yǎng)健康、積極、向上的品德情操。班級(jí)凝聚力的形成，因素是多方面的，作為教師，首先要提高自身的個(gè)人素養(yǎng)；其次，要善于建造平等和諧的班級(jí)；再次，要設(shè)立明確的班級(jí)奮斗目標(biāo)；最后，可以以活動(dòng)的方式提高班級(jí)凝聚力，最終促進(jìn)班級(jí)凝聚力的形成。

圖3 1號(hào)失效電機(jī)

圖4 2號(hào)失效電機(jī)

表4 不同應(yīng)力條件下的加速系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表5所示，被測(cè)交流電機(jī)在綜合應(yīng)力條件下，一天24 h不間斷運(yùn)行，最低極限運(yùn)行周期為72天。根據(jù)監(jiān)測(cè)的溫升數(shù)據(jù)及運(yùn)行周期，對(duì)阿倫尼烏斯模型中的系數(shù)進(jìn)行修正，如表6所示。該模型的中的G、Ea為與絕緣材料有關(guān)的系數(shù)，在電機(jī)絕緣等級(jí)相同的條件下保持不變，B為與電機(jī)的使用環(huán)境等因素有關(guān)的系數(shù)，需要根據(jù)加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，才能預(yù)測(cè)電機(jī)壽命。運(yùn)用修正模型分別預(yù)測(cè)了環(huán)境溫度25 ℃、30 ℃和35 ℃條件下，被測(cè)電機(jī)的不同運(yùn)行溫升所對(duì)應(yīng)的壽命，計(jì)算方法為每年預(yù)計(jì)使用180天，每天使用時(shí)間為10 h，一年的使用時(shí)間為1 800 h，并繪制了壽命預(yù)測(cè)曲線，如圖5所示?？梢钥闯?，隨電機(jī)運(yùn)行溫升的升高，預(yù)測(cè)壽命呈指數(shù)模式下降，且當(dāng)電機(jī)運(yùn)行溫升相同時(shí)，環(huán)境溫度由25 ℃升高至35 ℃，電機(jī)的壽命會(huì)縮短一半左右。

圖5 壽命預(yù)測(cè)曲線

表5 加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 修正模型系數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品的使用年限要求，通過對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，可使電機(jī)壽命匹配產(chǎn)品整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并指導(dǎo)廠家進(jìn)行電機(jī)的設(shè)計(jì)和選型，達(dá)到降低電機(jī)生產(chǎn)成本，減少資源消耗的目的。

5 可靠性分析

被測(cè)風(fēng)扇的交流電機(jī)要求在0.9的可靠度下MTBF為5 400 h，因此可根據(jù)下式計(jì)算電機(jī)的特征壽命t：

在置信水平為0.9的條件下，根據(jù)下式得出交流電機(jī)的置信下限θL[17]。

式中：

θL—MTBF的置信下限；

α—生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)；

1-α—推薦的置信度；

T—累積相關(guān)試驗(yàn)時(shí)間；

r —試驗(yàn)中累積故障數(shù)。

將各項(xiàng)參數(shù)代入式（12），得到θL=15 566 h。通過壽命預(yù)測(cè)模型（見式（5））并采用修正系數(shù)（見表6）計(jì)算出，交流電機(jī)在25 ℃的環(huán)境溫度下，運(yùn)行溫升為95 K時(shí)[18]，對(duì)應(yīng)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(jī)壽命滿足設(shè)計(jì)要求，因此可以適當(dāng)放寬交流電機(jī)的溫升設(shè)計(jì)要求，從而降低電機(jī)生產(chǎn)成本。

6 總結(jié)

本文通過對(duì)風(fēng)扇用小型交流電機(jī)進(jìn)行失效模式及可靠度分析，得出交流電機(jī)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(jī)運(yùn)行溫升過高。以某品牌落地扇產(chǎn)品為例，通過試驗(yàn)確定環(huán)境溫度和電壓是影響交流電機(jī)運(yùn)行溫升的主要因素。基于阿倫尼烏斯模型，并選擇環(huán)境溫度和電壓作為應(yīng)力條件對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，加速系數(shù)最大達(dá)到28.403，并根據(jù)加速試驗(yàn)結(jié)果對(duì)阿倫尼烏斯模型進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的壽命預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果為，在25 ℃的環(huán)境溫度下，運(yùn)行溫度為95 K時(shí)電機(jī)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(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)而可通過該模型指導(dǎo)交流電機(jī)的選型、設(shè)計(jì)。由于試驗(yàn)條件有限，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多種型號(hào)交流電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，所以接下來還會(huì)繼續(xù)基于可靠性分析方法對(duì)其它類型的電機(jī)開展試驗(yàn)，以增大樣本量，對(duì)壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行深入研究。