多因子永磁發電機加速壽命試驗方法研究

張登平 毛可意 張永勝 吳傳文

（1.貴州航天林泉電機有限公司，貴州貴陽550081；2.國家微特電機工程技術中心，貴州貴陽550081）

0 引言

高速電機由于具有功率密度大、尺寸小、可靠性高等優點，在壓縮機、真空泵、汽輪機、飛輪儲能及高速機床中得到了越來越廣泛的應用[1]。為發動機數字控制系統研制的發電機具有較長的使用壽命，多則要求上萬小時的壽命時間。采用傳統的壽命試驗方法具有試驗周期長、試驗費用高的缺陷，不能滿足研制任務要求。

本文以某分裝式永磁發電機為研究對象，對加速壽命試驗進行了簡單介紹，通過提高環境溫度和增加轉速的途徑對發電機進行加速壽命試驗，對比分析了采用加速壽命試驗后所需的試驗周期和傳統的壽命試驗時間，驗證了加速壽命試驗方案大大縮短了試驗周期，具有很好的實用性。

1 加速壽命試驗

加速壽命試驗，是指在進行合理工程及統計假設的基礎上，利用與物理失效規律相關的統計模型對在超出正常應力水平的加速環境下獲得的可靠性信息進行轉換，得到試件在額定應力水平下可靠性特征的可復現的數值估計的一種試驗方法[2]。加速壽命試驗采用加速應力對試件進行壽命試驗，從而縮短了試驗周期，其研究使高可靠長壽命產品的可靠性評定成為可能。

1.1 恒定應力加速試驗

按照試驗應力的加載方式，加速壽命試驗通常分為恒定應力試驗、步進應力試驗和序進應力試驗三種基本類型。本文采用恒定應力試驗方法進行加速壽命試驗，其特點是對產品施加的“負荷”水平保持不變，高于產品在正常條件下所接受的“負荷”水平。恒定應力加速壽命試驗具有模型成熟、試驗簡單和易成功等優點，因此具有較廣的適用場合。

1.2 恒定加速壽命試驗主要考慮的問題

恒定應力加速壽命過程中應考慮以下問題：

（1）施加應力與應力大小不同會形成不同的失效模式，在這種情況下，應力加速法的使用受到限制。

（2）失效發生時間與施加應力強度之間可能因應力大小的不同或機械操作條件不同而有不同的關系，在加速壽命試驗規劃之初，應該注意到此種應力加速適用范圍的問題。

（3）可在若干不同的試驗方法及不同的失效分析基準之中，選用加速因子較大的方法，以較短試驗時間評估壽命的效用。

2 試驗應力的選擇

本文中的研究對象為某航空分裝式交流發電機，沒有軸承、前端蓋等結構，僅由定子和轉子組成。由于定子絕緣的壽命主要受到溫度的影響，高溫將會加快定子絕緣的老化；而轉子高速運行時，其上磁鋼受離心力作用對護套造成較大應力，因此影響該發電機壽命的主要是定子的絕緣和轉子的耐高速性能。

2.1 環境溫度

在溫度恒定或溫度循環過程中，高熱應力和熱疲勞交互作用在產品上，影響著產品的機械、物理化學和電氣性能[3]。在電機中，溫度對絕緣壽命有顯著影響，在高溫環境下，絕緣材料的物理變化和化學反應速度將加快，促進絕緣老化。文獻[4]給出了不同絕緣等級下絕緣壽命與溫度的關系曲線，如圖1所示。

圖1 絕緣壽命與絕緣溫度的關系

從圖1中可以看出，絕緣材料對溫度的變化非常敏感，Vant Goff和Arrenlus提出了絕緣壽命與溫度關系的經驗公式[5]：

式中，L為平均絕緣壽命；T為絕緣材料溫度；k為波爾茲曼常數；Ea、G為與絕緣材料有關的系數。

2.2 離心力

在高速電機中，永磁體會受到巨大的離心力作用，但永磁體抗拉強度低，難以承受電機高速旋轉時由離心力產生的拉應力，所以必須對永磁體采取必要的保護措施。由于永磁體的抗壓強度較大，可以在永磁體外部加一高強度非導磁保護套，永磁體與護套間采用過盈配合，使永磁體承受一定的壓應力，補償高速旋轉時離心力產生的拉應力，使永磁體承受的拉應力在材料所許可范圍之內。

離心力與轉速的關系如式（2）表示，即在轉子一定后，轉子角速度越高，磁鋼上產生的離心力越大。式中，v為永磁體的線速度；r為永磁體選擇半徑；m為永磁體質量。

從式（2）中可以看出永磁體所受的離心力與轉速的平方成正比，當超過額定轉速運行后，永磁體受到的離心力將大大增加，對護套造成的剪切應力也將快速增加，使發電機轉子運行的可靠性顯著降低。

3 試驗方案

由前面討論可知，高速電機在運行過程中主要受到溫度和離心力的影響，所以用溫度和轉速作為加速應力因子，分別采用增加環境溫度、提高工作轉速作為壽命試驗的加速方案。

3.1 恒定高溫

該發電機正常工作時，其機殼溫度為78℃，在此溫度下內部絕緣老化速度慢，可采用提高環境溫度的方式來加快發電機絕緣的老化速度。根據電機H級絕緣材料遵循12℃原則[6]（即溫度升高12℃，壽命將縮短一半），采用升高環境溫度的措施來提高發電機繞組溫度，達到加速絕緣老化的目的。

將電機所處的環境溫度升高，溫度對電機的影響主要體現在定子繞組絕緣性能下降。系統對發電機常態運行性能下殼溫要求不超過120℃，經過試驗，在環境溫度為85℃時機殼表面溫度為113℃，因此將環境溫度調至85℃進行定子絕緣加速老化試驗，按公式（3）計算后等效壽命減少為原來的13.2%。

式中，S為壽命時間；T為溫度；A為常數。

3.2 恒定高轉速

發電機屬于機電產品，發電機轉子直接裝配到附件機匣傳動軸上，由其帶動高速旋轉。表1為發電機正常工作時的工況，其中106.5%額定轉速為過載轉速，由于發電機轉速越高，轉子運轉可靠性越低，因此將發電機的寬轉速范圍工況等效為過載轉速工況，使發電機在106.5%額定轉速下恒定運行。

表1 工作轉速工況

根據公式（4）完成表1工況所需時間160 min，通過等效計算后僅需116 min，等效加速27.5%。

式中，T1為每循環時間；τi為第i個工況的轉速百分比；ti為第i個工況的工作時間，i=1，2，3，…，n。

3.3 綜合應力

根據上述方法，給發電機施加恒定溫度應力和轉速應力形成恒定的綜合應力，對發電機壽命進行加速，通過公式（5）計算出原壽命18 000 h進行加速壽命試驗后只需1 723 h即可完成。

式中，T為加速壽命時間；T0為原壽命時間；σn為第n個加速因子。

4 試驗驗證

根據本文的試驗方案，對發電機進行高溫高速加速壽命試驗，試驗過程實物圖如圖2～圖4所示。當加速試驗進行到1 924 h時，發電機出現掃膛現象，經分析為轉子護套變形導致剩余不平衡量過大引起轉子外圓與定子鐵芯內孔掃膛，定子絕緣由500 MΩ降低到200 MΩ，說明試驗結果與分析相符。

圖2 加速壽命試驗

圖3 受損轉子

圖4 定子絕緣測試

5 結語

本文針對分裝式永磁發發電機進行加速壽命試驗，采用加載恒定應力試驗的方法，分析了其在提升環境溫度、增加轉速形成的綜合應力下原18 000 h壽命試驗所需的試驗時間，并且通過實際產品進行加速度壽命試驗，試驗結果與分析相符，說明該加速方案合理可行。