一种永磁电机可靠性计算方法与流程

本发明涉及一种永磁电机可靠性计算方法，具体地说是估计永磁电机可靠度的方法。

背景技术：

随着永磁材料的普及发展以及电力电子技术的快速发展，使得永磁电机在近年呈现出快速发展的趋势，涉及汽车、数控机床、硬盘、手机等领域。无论永磁式步进电机厂家还是客户，都想要知道电机的可靠度及寿命。传统的电机可靠度和寿命需要经过漫长的寿命测试以及样本试验完成，这种方法需要的周期过长。针对传统的电机寿命测试周期漫长以及目前永磁电机可靠性预测这方面基本上还是空白的，本发明在这一方面做出了研究。

技术实现要素：

要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种永磁电机可靠性计算方法，使得针对一个永磁电机不需要经过漫长的寿命试验的问题，通过计算得到其可靠度，速度更快，更加方便。

技术方案

一种永磁电机可靠性计算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据永磁电机故障树，将永磁电机故障分为绕组故障、永磁体故障及轴承故障；

步骤2：计算永磁电机绕组失效率λ_p1：

λ_p1＝λ_b1π_E1π_Q1π_K1π_C1

其中，λ_b1为绕组线圈的基本失效率，π_E1为环境系数，π_Q1为质量境系数，π_K1为种类系数，π_C1为结构系数；

步骤3：计算永磁电机永磁体失效率λ_p2：

λ_P2＝λ_b2π_E2π_Q2

其中，λ_b2为永磁体基本失效率，π_E2为环境系数，π_Q2为环境系数；

步骤4：计算永磁电机轴承失效率λ_z(t)；

其中，f_Q为表征基本额定动载荷变化而引入的温度系数，f_p为表征工作中的振动或冲击引入的载荷系数，m、ε为形状参数，n为轴承转速，P为滚动轴承承受的当量动载荷，C为滚动轴承额定动载荷，t为寿命，C为滚动轴承额定动载荷；

步骤5：将绕组失效率、永磁体失效率和轴承失效率相加得到永磁电机总失效率为：

λ＝λ_p1+λ_p2+λ_z(t)

步骤6：认为永磁电机寿命服从指数分布，则得到永磁电机可靠度为：

R(t)＝exp(-λt)。

有益效果

本发明提出的一种永磁电机可靠性计算方法，解决了永磁电机不需要经过漫长的寿命试验的问题，通过计算得到其可靠度，速度更快，更加方便。

附图说明

图1为永磁式步进电机故障树

图2为定子绕组故障树

图3为永磁体故障树

图4为轴承故障树

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

S1：根据永磁电机故障树，将永磁电机故障分为绕组故障、永磁体故障及轴承故障。

S2：计算永磁电机绕组失效率λ_p1。

λ_p1＝λ_b1π_E1π_Q1π_K1π_C1

其中，λ_b1为绕组线圈的基本失效率，π_E1为环境系数，π_Q1为质量境系数，π_K1为种类系数，π_C1为结构系数。

S3：计算永磁电机永磁体失效率λ_p2。

λ_P2＝λ_b2π_E2π_Q2

其中，λ_b2为永磁体基本失效率，π_E2为环境系数，π_Q2为环境系数。

S4：计算永磁电机轴承失效率λ_z(t)。

其中，λ_z(t)为永磁电机轴承的失效率，它是随时间的函数，C为滚动轴承额定动载荷，它是一个轴承尺寸和温度有关的量，P为滚动轴承承受的当量动载荷，n为轴承转速，认为恒定，f_Q为表征基本额定动载荷变化而引入的温度系数，f_p为表征工作中的振动或冲击引入的载荷系数，m、ε为形状参数。

S5：得到永磁电机总失效率为：

λ＝λ_p1+λ_p2+λ_z(t)

S6：认为永磁电机寿命服从指数分布，则得到永磁电机可靠度为

R(t)＝exp(-λt)

S4中永磁电机轴承失效率计算，具体实现方式如下：

因为轴承的是主要失效形式是接触疲劳失效，其使用大损伤时的循环次数近似地服从二次参数威尔分布：

η为轴承的特征寿命，m为形状参数，对于球轴承m＝10/9，圆柱棍子m＝3/2，圆锥滚子轴承m＝4/3。

当轴承的可靠度R_z(t)＝exp^-1≈0.368时，寿命t称为特征寿命，求得轴承的特征寿命，就可以得到轴承的可靠度分布函数。

对于已经装配在永磁电机上的轴承，型号和基本额定寿命已经基本确定，记轴承的寿命为L₁₀。轴承的基本额定寿命是一组同型号轴承在同一条件下运转，其可靠度为90％时，能达到或超过的寿命。

通过轴承的寿命带入上式，计算出η，即

寿命单位为小时，对于球轴承ε＝3，滚子轴承ε＝10/3，C为滚动轴承额定动载荷，它是一个轴承尺寸和温度有关的量，P为滚动轴承承受的当量动载荷，n为轴承转速，认为恒定，f_Q为表征基本额定动载荷变化而引入的温度系数，f_p为表征工作中的振动或冲击引入的载荷系数。经验取值见表一与表二。

表一滚动轴承额定动载荷温度系数表

表二滚动轴承当量动载荷系数表

经过曲线拟合可以得到温度系数随温度的关系：

f_Q＝-0.002T+1.2

其实实际工作轴承的基本额定寿命很难准确计算，不妨在电机额定转速的情况下，计算轴承寿命:

可以得到轴承的可靠度函数为：

轴承的失效率再由可靠度函数换算得到：

便于本领域人员快速明白永磁电机可靠性计算方法，下面介绍一个永磁电机可靠性计算实例：

该永磁电机额定电压为15V，功率为48W，工作温度为负20摄氏度到正95摄氏度。

第一步，计算电机绕组失效率,由S2，依据国军标GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》，确定λ_b1＝0.0205，π_E1＝2，π_Q1＝0.6，π_K1＝1，π_C1＝1。

求得λ_p1＝λ_b1π_E1π_Q1π_K1π_C1＝24.6(Fit)

第二步，计算永磁体失效率，有S3依据国军标GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》，确定λ_b＝0.06，π_E＝1.5，π_Q＝0.65。

求得λ_P2＝λ_b2π_E2π_Q2＝58.5(Fit)

第三步，计算轴承的失效率，该算例中使用的轴承为大华轴承，型号是SMR1042RS，m＝10/9，ε＝3，f_Q＝1.1，f_p＝1.5，轴承径向额定动负荷为C＝35N/cm²，因为电机所受的径向力为3Kgf.cm²，该轴承承受的当量动负荷P＝29.4N/cm²，电机转速为n＝300转。

由S4，计算得到：

当电机工作40000小时，λ(40000)＝1.91×40000^1/9＝6.20(Fit)

因此电机总失效率λ＝λ_p1+λ_p2+λ_z(t)＝89.3(Fit)

因此该永磁电机可靠度：

R(40000)＝exp(-λt)＝0.996

所以该型号电机工作40000小时的可靠度为99.6％。