（电机与电器专业论文）航空航天用稀土永磁直流电机可靠性研究.pdf

西北工业大学硕士论文摘要 a b s t r a c t a c c o r d i n g t o t h e b a s e t h e o r y o f r e l i a b i l i t y in d e s i g n a n d t w o p r o d u c t s g e n e r a t e d fr o m t h e p r o j e c t : 1 . t h e d r i v e s tr u c t u r e u s e d f o r f y - 3 s a t e l l i t e s o l a r a r r a y o u t s p r e a d m a c h i n e r y a n d m i c r o w a v e i m a g i n g a p p a r a t u s , 2 . t h e d r i v e s t r u c t u r e u s e d f o r m a k i n g b a l a n c e o f s t e e r i n g e n g i n e f o r a i r - g u a r d 2 0 0 a u t o p i l o t . t h e r e l i a b i l i t y d e s i g n a n d a n a l y s i s o f e l e c t r i c a l m a c h i n e s a r e c a r r i e d o u t . i n t e r m o f r e q u e s t s o f d r i v e s t r u c t u r e i n t h e f i e l d o f a e r o s p a c e a n d a e r o n a u t i c s : l i g h t e r w e i g h t , s m a l l e r v o l u m e m e a s u r e , h i g h e r r e l i a b i l i t y , t h i s p r o j e c t e x p o u n d s u s i n g d i r e c t c u r r e n t m o t o r as d r i v e s t r u c t u r e a n d s i n g l e r o t e r c o m p o n e n t r e d u n c d a n c y s t r u c t u r e m o d e . t h e m a j o r f a c o r s o f m o t o r m a l f u n c t i o n s a n d w e a k n e s s a n d i n c i p i e n t f a u l t o f t h e u n i t s o f m o t o r a r e a n a l y z e d f u l l y . a l s o s o m e m e t h o d s a r e r a i s e d f o r i m p r o v i n g t h e r e l i a b i l i t y d e s ig n o f m o t o r s b y t h e c o m b i n a t i o n w a y o f f a il u r e m o d e e ff e c t , c r it i c a l i t y a n a l y s i s a n d f a u l t t r e e a n a l y s i s . c a l c u l a t i n g t h e l e a k a g e m a g n e t c o e ff i c i e n t a c c u r a t e l y b y e l e c t r o m a g n e t i c a m o u n t m e t h o d i s b r o u g h t o u t . a n d t h e d e s i g n c a n b e o p t i m i z e d w i t h m a g n e t i c c i r c u it c a l c u l a t i o n . i n d e s i g n o f s t r u c t u r e , h o w t o c h o o s e m a i n u n i t s i s g iv e n a n d t h e d e s i g n c a n b e a m e l i o r a t e b y 3 - d s o ft w a r e u n i g r a p h i c s . f o r c o m m u t a t i n g b a d l y i n d c m o t o r w h i c h o p e r a t e s i n v a c u u m , t h e p a p e r a s s a y s t h e m a i n r e a s o n s t h a t e f e c t c o m m u t a t i o n , t h e n g i v e s im p r o v e d w a y s .t h e r e s u l t s m a n i f e s t s t h a t m o t o r w o r k i n g l i f e i s p r o lo n g e d 3 0 t i m e s t h e d c m o t o r u s e d f o r f y - 3 s a t e l l i t e s o l a r a r r a y o u t s p r e a d m a c h i n e r y is a p p r a i s e d . a n d p r a i s e d h i g h l y b y s p e c i a l i s t s f o r i n t e r io r p r i o r i t y a n d i n t e r n a t i o n a l l e v e r . t h e d r i v e s t r u c t u r e u s e d f o r m a k i n g b a l a n c e o f s t e e r i n g e n g i n e f o r a i r - g u a r d 2 0 0 a u to p i l o t a l s o g e t s s u c c e s s f u l t e s t - fl y i n g i n j a n . 2 0 0 5 a s n e w p a r t s i n t h e s y s t e m k e y w o r d s : r e l i a b i li t y , f a u l t t r e e a n a l y s i s , f a i l u r e mo d e e ff e c t ,( r i t ic a l i t y a n a l y s i s , r a r e e a r t h p e r m e n t m a g n e t e l e c t r i c a l d c m o t o r . 西北 t _ 业大学硕士论文绪论 第一章 绪论 本章介绍了对航空航天产品进行可靠性研究的重要意义，概述本课题研究 项 目的应用背景，主要思路及研究进展。 1 . 1 课题研究的背景 1 . 1 . 1 研究航空航天产品可靠性的意义 对于产品来说， 可靠性问题和人身安全经济效益密切相关。 因此， 研究产品 的可靠性问题，显得十分重要;对于航空航天事业而言，研究可靠性，是非常 迫切的任务。例如，导弹武器系统是由导弹设备和地面设备的若干个分系统组 成，每个分系统又由数台整机组成，每台整机又由几千个元器件组成。如果一 个元件实效，一根导线断掉，一个接电接触不良，都可能造成事故，引起严重 后果。又如，飞机某一系统或某一元件如果发生故障， 就又可能造成机毁人亡 的恶性灾难。 1 9 6 8 年 飞 月2 8日， 美国航天飞机“ 挑战者” 号由于一个密封圈失 效，起飞 7 6 秒后爆炸，其中7 名宇航员丧生，造成 1 2 亿美元的经济损失 ( 图 1 . 1 ) ; 2 0 0 3 年2 月i 日美国“ 哥伦比亚”号航天飞机再次发生机毁人亡的重大 事故; 前苏联 “ 联盟一 1 1 ” 飞船因返回舱中一个与外界连通的活门提前打开， 造 成只名宇航员死亡; 2 0 0 0 年8 月1 2日 俄罗斯“ 库尔斯克” 号核潜艇由 于鱼雷爆 炸导致沉没事故，艇上 1 1 8人全部遇难。所有这些事故，都给人类社会带来巨 大的经济损失。 通过对经验教训的总结， 人们逐渐意识到产品的可靠性刻不容缓。 因此， 提 高产品的可靠性，消除产品存在的隐患， 具有的重要意义。 1 ) 提高产品的可靠性， 可以防止故障和事故的发生， 尤其是避免灾难性 事故的发生，从而保证人民生民财产安全。 ( 2 ) 提高产品的可靠性， 能使产品的总的费用降低。 要提高产品的可靠性， 首先要增加费用， 以选用较好的元部件， 研制包括部分冗余功能部件 的容错结构以及进行可靠性设计分析实验，这些都需要经费。然而， 西北i 业大学硕士论文 绪论 第一章绪论 本章介绍了对航空航天产品进行可靠性研究的重要意义，概述本课题研究 项目的应用背景，主要思路及研究进展。 1 1 课题研究的背景 1 1 。1 研究航空航天产品可靠性的意义 对于产品来说，可靠性问题和人身安全经济效益密切相关。因此，研究产品 的可靠性问题，显得十分重要：对于航空航天事业而言，研究可靠性，是非常 迫切的任务。例如，导弹武器系统是由导弹设备和地面设备的若干个分系统组 成，每个分系统又由数台整机组成，每台整机又由几千个元器件组成。如果一 个元件实效，一根导线断掉，一个接电接触不良，都可能造成事故，引起严重 后果。又如，飞机某系统或某一元件如果发生故障，就又可能造成机毁人亡 的恶性灾难。1 9 6 8 年1 月2 8f ：；_ ，美国航天飞机“挑战者”号由于一个密封圈失 效，起飞7 6 秒后爆炸，其中7 名宇航员丧生，造成1 2 亿美元的经济损失( 图 1 1 ) ；2 0 0 3 年2 月l 闩美国“哥伦比亚”号航天飞机再次发生机毁人亡的重大 事故：前苏联“联盟一l l ”飞船因返回舱中一个与外界连通的活门提前打开，造 成三名宇航员死亡；2 0 0 0 年8 月1 2 日俄罗斯“库尔斯克”号核潜艇由于鱼雷爆 炸导致沉没事故，艇上11 8 人全部遇难。所有这些事故，都给人类社会带来巨 大的经济损失。 通过对经验教v i l 的总结，人们逐渐意识到产品的可靠性刻不容缓。因此，提 高产品的可靠性，消除产品存在的隐患，具有的重要意义。 ( 1 ) 提高产品的可靠性，可以防止故障和事故的发生，尤其是避免灾难1 睦 事故的发生，从而保证人民生民财产安全。 f2 ) 提高产品的可靠性，能使产品的总的费用降低。要提高产品的可靠性， 首先要增加费用，以选用较好的元部件，研制包括部分冗余功能部件 的容错结构以及进行可靠性设计分析实验，这些都需要经费。然而， 两t l z 业大学倾” = 论文 绪沦 产品可靠性的提高使得维修费机停机检奄损失费大大减小，使总费用降低。 图1 1 “挑战者”号爆炸图 ( 3 ) 提高产品的可靠性，可以减少停机时间，提高产品可用率， 1 台没备 可以j 页, l 台设备的工作效率。这样，在投资、成本相近的情况下，可以发挥 几倍的效益。美国g e 公司经过分析认为，对于发电、冶金、矿山、运输等 连续作业的设备，即使可靠性提高1 ，成本提高1 0 也是合算的。 ( 4 ) 提高产品的可靠性，可以减少产品责任赔偿案件的发生，以及其他处 理产品事故费用的支出，避免不必要的经济损失。 ( 5 ) 对于企业来讲，提高产品的可靠性，可以改善企业信誉，增强竞争力， 扩大产品销路，从而提高经济效益。 提高产品的可靠性，必须在生产的各个环节上做出努力，但最重要的是 设计阶段。如果设计不合理，想通过事后的修理来达到所期望的可靠性，这 j l 乎没不可能的。【习此，研究产品尤其是航空航大产品的川靠性具自最婴的 西北工业大学硕仁论文 绪论 意义。 1 1 2 课题研究的背景 、航天用高可靠性展开电机的应用背景 中国已成为继美国和俄罗斯之后，能自行研制太阳同步轨道卫星和地球同步 轨道卫星，并形成完燕的气象观测体系的第三个国家。继“风云一号”、“风云 二号”气象卫星之后，中国在国际气象环境监测中一直处于优势地位，为提高 我国对自然灾害的监测能力，我国计划发射“风云三号”卫星，这是我国第二 代极轨气象卫星，是目前正在太空运行的风云一号卫星的升级换代产品，在分 辨率上较风云一号卫星有显著提高，“该星在8 7 0 公里的高空能分辨出地面的 高速公路”。技术上将突出“多”的特点，比如卫星上搭载的有效仪器有】0 余 套、收发的探测数据量多、实施监测的内容多等。 图1 2 正在展开的太阳能帆板 “风云三号”的问世将使中国成为除美国、俄罗斯之外，全球第三个可以 独立研发两种气象卫星，同时建立完整气象观测体系的气象卫星大国。据了解， 中国的“风云三号”已被世界气象卫星协调组织( c g m s ) 纳入新时代世界极轨气 象卫星删发展舰划中。“风云三号”气象卫星将主要进行气象预报以及生态环 境、自然灾害的广域监测，可以为航空、航海等提供专业性气象服务，提供的 信息包括了全球地区气象状况。 西北丁业大学硕上跄立 绪硷 “风云三号”气象卫星是颗接近2 】世纪初国际先进水平的卫星，其中 某些技术指标已经超过美国。 太阳能电池是卫星的唯一电能供给方式。与“风云一号”、“风云二号”气 象卫星采用环状太阳能电池阵结构不同，“风云三号”气象卫星太阳能电池阵采 用单翼展帆板结构( 图t 2 、图 3 ) ，可以产生更大韵电功率，这种太刚能帆 板在卫星八轨后需要有“源”展开机构，这个有“源”展开机构就是本课题研 究项目一高可靠性驱动机构。该机构承担了“风云三号”气象卫星上天后的第 一个动作，责任重大。 图1 3 试验中展开的太阳能帆板 微波成像仪是风云三号卫星上搭载的j 0 余套有效仪器中最重要的个，高 可靠性驱动机构也是微波成像仪驱动机构电机。 二、航空用高可靠性自动驾驶仪驱动机构的应用背景 电传操纵系统的发展及应用 随着电子技术的发展和飞机性能的不断提高，飞机的操纵系统也发生了脱 胎换骨的变化，操纵杆系和钢索已被电线所取代，飞行员操纵飞枫依靠装在驾 驶杆处的传感器将杆力或杆位移转换成电信号，通过电线传到舵机以驱动控制 商偏转，达到操纵飞机的目的，这就是电传操纵系统。电传操纵系统不单是用 电线代替操纵杆系就可以了，它还具有计算机，计算机接收飞行员的控制输入 以及传感器测得的飞机状态反馈信号来计算对舵机的指令。正因为在飞行操纵 系统巾引入了计算机和反馈信号，使系统性能产生了质的1 s 跃，因而f l l ：r l 操纵 系统称为电传飞行控制系统似乎更为合适。电传飞行控制系统不仪重量轻，操 西北工业大学硕 论文 绪沦 纵中没有因摩擦引起的滞后，可减少维修量，而且还可以通过放宽静稳定性f 可 提高机动性，减小配平阻力) 、阵风减载、机动载荷控制、机翼和机身结构振型 的阻尼及颤振抑制等主动控制技术提高毪机的性能。最早采用电传飞行控制系 统的飞机是美国的f - - 6 a b ，当时因数字计算机技术还未发展到一定水平，因而 采用了模拟式电传系统，为保证安全可靠采用了四余度结构。但因模拟系统的 计算能力有限，使飞机性能受到一定的限制。故美国后来的卜2 2 和国外新研制 的一些飞机都采用了性能更好的数字式电传系统。 f 一2 2 战斗机的电传飞机控制系统称为飞行器管理系统( v m 5 ) ，它综合了飞行 与推进控制，推力矢量控制也包括在内。以前的战斗机电传系统都采用四余度 结构，f 一2 2 是第一种采用三余度飞行控制计算机的战斗机，而且没有电气或机 械备份模式。飞机上配备了两个2 7 6 1 0 6 帕的液压系统，但每个控制面上只 有一个舵机，以减轻重量和降低成本。v m s 控制1 4 个控制面：水平尾翼、升降 舵、副翼、襟副翼、前缘襟翼以及进气道放气门和旁路门，从而使采用许多控 制重构模式成为可能，这些重构模式在出现一个舵机或液压故障时可使飞机安 全飞行。此外，每个舵机上的补偿器在出现液压故障时，可为舵机提供刚度。 f 一2 2 将具有整个包线范围内的全过载保护。 b - 2 隐身轰炸机为无尾飞翼1 设计，其特点是机翼面积大，翼载低，升阻比高， 因而在航程和装载量方面有优势。其主控制面由机翼后缘三组升降副翼操纵俯 仰和滚转。最外一组控制面可上下分裂张开构成阻力方向舵操纵偏航，并能 作辅助俯仰滚转操纵，也可用作减速板。旷2 飞行控制系统为四余度数字电传系 统，具有放宽稳定性，阵风减载和乘座品质控制等功能。除增稳外，还具有自 动驾驶仪功能，以及与导航、地形跟随、发动机油门控制、火力控制和其他航 空电子设备交联。b - 2 的四余度飞控计算机的每个计算机包含p a c el 7 5 0 , , 微处理 器，计算速度为每秒2 0 0 万次。 本课题研究的电动舵机系统的驱动机构是自动驾驶仪的内部部件，为窀警 2 0 0 ( 图1 4 ) 配备。是控制系统的重要元件，直接关系到飞机是否能够安全运 行。 幽1 56 5 【自动驾驶仪是为某飞机设计的三轴模拟式故障安全自动驾驶仪。 采用局部i - 余度配置和串联液压伺服机构。可以实现三轴稳定和控制增稳、高 两北工业大学硼! l 二论文绪埝 度保持、航向保持、自动导航、任意姿态接通、自动改平、防撞等多种功能 计算机采用集成化组件。 图1 4 装备有数字驾驶仪的预警机 图1 56 5 1 自动驾驶仪 1 2 可靠性分析的基本理论 可靠性工程的诞生可以追溯到2 0 时及4 0 年代，即第二次世界火战期间。 、与时，由_ ：j = 二战争的需要，迫切要求对飞机、火箭及电子设备的可靠性进行研究。 最尹提出可靠性理论的是德国的科学技术人员，在火箭的研制中，提出r 火箭 系统的可靠性等于所有元器件可靠度乘积的理论，即把小样本问题转化为夫样 6 西北工业大学硕l 论文 本问题进行研究。1 9 5 7 年6 月4 同，美国的“电子设备可靠性顾问委员会”发 布了军用电子设备可靠性报告。这一报告提出了叮靠性是可建立的可分配的 及可验证的，从而为可靠性学科的发展提出了初步的框架。2 ( 】世纪8 ( ) 年代，可 靠性研究继续朝广度和深度发展，中心内容是实现可靠性保证。我囡掀起了电 子行业可靠性工程和管理的高潮，组织编写可靠性普及教材。形成了一批研究 可靠性的组织骨干队伍。2 0 世纪9 ( ) 年代，电子工业部提出了“以科技为先导， 以质量为主线”，沿着关起来一控制好一上水平的发展模式开展可靠性工作，取得 较大的成绩。 因此，可靠性工程的诞生发展是社会的需要，与科学技术的发展，尤其与电 子技术的发展分不开的。虽然可靠性工程起源于军事领域，但从它的推广应用 和给企业与社会带来的巨大经济效益的实施中，人们更加认识到提高产品可靠 性的重要性。世界各国纷纷投入大量人力物力进行研究，并在更广泛的领域里 推广应用。 一、可靠性分析设计流程 针对产品研制的特点，系统的规划和恰当地应用各种设计分析方法，才能使 研制的产品具有较高的可靠性水平。 下面给出可靠性设计的工作流程图，见图1 6 ； 图一为可靠性设计工作流程图，主要包括以下内容： ( 1 ) 电机的可靠性设计 可靠性设汁是为了在设计中挖掘和确定隐患及薄弱环节，并采取设计预防和 设计改进措施，有效的消除隐患及薄弱环节。定量计算和定性分析主要是评 价产品现有的可靠性水平和确定薄弱环节，而要提高产品的固有可靠性，只 能通过各种具体的可靠性设计方法实现。 a 建立l u 靠性模型，进行可靠性指标的预计和分配。在产品的设计阶段， 反复多次进行可靠性的预计和分配。随着技术设计的不断深入和成熟，建 模和可靠性指标分配、预计也应不断地修改和完善。 b 进行各种可靠性分析。诸如故障模式影响及危害性分析、故障树分析热 分析、容差分析等。以发现和确定薄弱环节及存在的隐患，再通过改进设 汁，从而消除隐患和薄弱环节。 西北工业大学倾 二论史 绪沧 n 采取各种有效的可靠性设计方法。如制定和贯彻可靠性设计准则，如降 额没计、冗余设计、简化设计、热设计、耐环境设计等，并把这些呵靠性 设计方法和产品的性能设计工作结合起来，减少故障的发生，最终实现可 靠性的要求。 图1 6 可靠性设计工作流程图 ( 2 ) 具体有下步骤 a 建立电机的可靠性模型，即电机的可靠性结构模型及其数学模型； b 可靠性性能指标分配；根据设计任务书中规定的可靠性指标，按照。定的 分配原则和分配方法，合理的分配给组成电机的各零部件。 c 可靠性预计：在产品可靠性模型的基础上，根据同类产品在研制过程及使 _ e j 过程巾所得到的失效数据及有关资料，预测产品在今后的实际使用中所能达 到的可靠性水平。 c 1 可靠性设计：根据前几步所得的结果，对产品的各部件进行合理的没汁。 包括：电磁计算：结构设计；温升计算；主要材料的选择及关键部件的选择及 测试。 l 、故障模式影响及危害性分析( f h i l i l l um ( ) d e ，盱：ts a 1 1c j 【t 、i t i l 、i ii iv 西北丁二业大学颁i ”论文 绪沦 a n a l y s is ，f m e c a ) ：是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系 统造成的所有可能的影响，并按每一个故障模式的严重程度及其发生概率予以 分类的一种归纳方法。 f l 故障树分析( f al j 】t t r e ea n a l y s is ，f t a ) ：对造成故障的元素的分析，画 故障树，确定产品故障的原因及其发生的概率。包括定性分析及定量计算。 g 事件树分析( e v e n t + l 、f e ea n m y s i s ，e t a ) ：它在给定的个初因时问的 前提下，分析可能导致的结果，从而评价系统的可靠性与安全性。 1 3 本课题研究的主要思路和方法 可靠性是从电子元器件发展起来的，般主要针对航空航天领域的某个系统 进行研究，电机基本组成元件主要为机械零件，可参考的资料较少。因此，如 何保证电机达到要求的可靠度，必须有明确的思路和方法，本课题从以下几方 面进行研究。 r1 ) 航空航天电机的选型问题 目前，作为航空航天伺服驱动系统元件主要有三种：有刷直流电机、步进电 机、无刷直流电机，且应用豁比较广泛。国外，印度一般采用混合式步进电机、 无刷电机，美国采用有刷电机及无刷直流电机较多，国内主要采用步进电机及 无刷直流电机。本课题首先根据电机的运行环境、性能、尺寸等要求选择合适 的类型。 ( 2 ) 航空航天电机结构形式的确定 选定合适的电机类型后，根据系统所要求的可靠度，查阅相关文献，估计电 机主要零部件的可靠度，初步预计 h 电机可靠度。比较预训出的可靠度能甭满 足系统的要求，蔚不满足，应采用相应的可靠度设计方法，如冗余设计等。本 课题根据可靠度要求状况，提出采用单转子组件余度电机的结构形式，并比较 可能有的四种结构形式，说明该结构是最佳结构形式。 ( 3 ) 电机可靠性设计问题 本课题研究的f ! = l 的是研制出高可靠性的伺服机构，为保证电机具有高的可靠 度，采用- 下方法：采用两种阿靠性分析技术，全面分析f 色桃t a 聆2 存在的故障 西北工业大学硕 卜 论文 绪论 a n a l y s i s , f m e c a ): 是分析系统中每一产品 所有可能产生的故障模式及其对系 统造成的所有可能的影响，并按每一个故障模式的严重程度及其发生概率予以 分类的一种归纳方法。 f ,， 故障树分析( f a u l t t r e e a n a l y s i s , f t a ) : 对造成故障的元素的分析，画 故障树，确定产品故障的原因及其发生的概率。包括定性分析及定量计算。 k事件树分析 ( e v e n t t r e e a n a l y s i s , e t a) : 它在给定的一 个初因时间的 前提下，分析可能导致的结果，从而评价系统的可靠性与安全性。 1 . 3 本课题研究的主要思路和方法 可靠性是从电子元器件发展起来的， 一般主要针对航空航天领域的某个系统 进行研究，电机基本组成元件主要为机械零件，可参考的资料较少。因此，如 何保证电机达到要求的可靠度，必须有明确的思路和方法，本课题从以下儿方 面进行研究。 ( 1 ) 航空航天电机的选型问 题 目前， 作为航空航天伺服驱动系统元件主要有三种: 有刷直流电机、 步进电 机、无刷直流电机，且应用都比较广泛。国外，印度一般采用混合式步进电 机、 无刷电机，美国采用有刷电机及无刷直流电机较多，国内主要采用步进电机及 无刷直流电机。本课题首先根据电机的运行环境、性能、尺寸等要求选择合适 的类型。 ( 2 ) 航空航天电机结构形式的确定 选定合适的电机类型后， 根据系统所要求的可靠度， 查阅相关文献， 估计电 机主要零部件的可靠度，初步预计出电机可靠度。比较预计出的可靠度能否满 足系统的要求，若不满足，应采用相应的可靠度设计方法，如冗余设计等。本 课题根据可靠度要求状况，提出采用单转子组件余度电机的结构形式，并比较 可能有的四种结构形式，说明该结构是最佳结构形式。 ( 3 ) 电机可靠性设计问题 本课题研究的日的是研制出高可靠性的伺服机构， 为保证电机具有高的可靠 度，采用 一 下方法:采用两种i f f 靠性分析技术，全面分析电机 j 能存在的故防 西北工 业大学硕士论文 绪论 模式、薄弱环节及隐患。 在电机可靠性设计中进行改进或消除。应用a m s o f 、 软 件进行电机磁场分析， 准确计算永磁电机的漏磁系数。 并采用场 路结合法优化 设计。结合电机设计的经验及三维制图软件u g 进行电机的机械设计。 门)电机的可靠性试验 可靠性试验是可靠性工程技术的一 个重要组成部分， 它是对产品的可靠性进 行调查、分析和评价的一种手段，也是提供或保证产品可靠性的重要环节。为 了保证产品的性能及工作的可靠性， 电机研制成功后， 要对电机进行性能试验， 分析试验数据， 并通过环境应力试验及验收试验验证， 保证电机工作的可靠性。 ( 5 )预估产品的可靠度 采用应力估计法分析电 机内部各零部件的失效情况，较准确预估产品的寿 命。 1 . 4研究成果 ( 1 ) 针对真空条件下电刷磨损严重及易产生火花问题， 分析影响电刷磨损的主 要因素，采取析相应的措施，研制出适用于真空条件的电刷。试验结果表 明: 该方法使电刷的寿命延长3 0 倍。 并在 微特电机 发表相关论文二篇。 ( 2 ) 建立单转子组件余度电机结构形式， 提出以电机内部各零件为元件建立可 靠性模型的方法， 比较说明该结构具有高可靠性、 质量轻的特点， 并在 微 电机发表相关论文一篇及两篇会议论文。 ( 3 ) 采用两套绕组不同匝数，先后下线的嵌绕方法， 解决了为提高电机的可靠 性而使电机的性能一致性变差的问题。 ( 4 ) 成功研制出f y - 3 卫星太阳帆板电池阵用电机并通过系统地面联试， 性能 良好。 并通过国防科工委鉴定。鉴定结果如下: “ 研制卫星太阳帆板电池 阵展开机构双余度直流电机，总体技术水平处于国内领先，达到国际先 进水平，o ( 5 ) 成功研制出空警2 0 0 用配平电动机构， 并于2 0 0 :1 年 1 月， 装机试一j k 功。 西北工 业大学硕士论文 绪论 模式、薄弱环节及隐患。 在电机可靠性设计中进行改进或消除。应用a m s o f 、 软 件进行电机磁场分析， 准确计算永磁电机的漏磁系数。 并采用场 路结合法优化 设计。结合电机设计的经验及三维制图软件u g 进行电机的机械设计。 门)电机的可靠性试验 可靠性试验是可靠性工程技术的一 个重要组成部分， 它是对产品的可靠性进 行调查、分析和评价的一种手段，也是提供或保证产品可靠性的重要环节。为 了保证产品的性能及工作的可靠性， 电机研制成功后， 要对电机进行性能试验， 分析试验数据， 并通过环境应力试验及验收试验验证， 保证电机工作的可靠性。 ( 5 )预估产品的可靠度 采用应力估计法分析电 机内部各零部件的失效情况，较准确预估产品的寿 命。 1 . 4研究成果 ( 1 ) 针对真空条件下电刷磨损严重及易产生火花问题， 分析影响电刷磨损的主 要因素，采取析相应的措施，研制出适用于真空条件的电刷。试验结果表 明: 该方法使电刷的寿命延长3 0 倍。 并在 微特电机 发表相关论文二篇。 ( 2 ) 建立单转子组件余度电机结构形式， 提出以电机内部各零件为元件建立可 靠性模型的方法， 比较说明该结构具有高可靠性、 质量轻的特点， 并在 微 电机发表相关论文一篇及两篇会议论文。 ( 3 ) 采用两套绕组不同匝数，先后下线的嵌绕方法， 解决了为提高电机的可靠 性而使电机的性能一致性变差的问题。 ( 4 ) 成功研制出f y - 3 卫星太阳帆板电池阵用电机并通过系统地面联试， 性能 良好。 并通过国防科工委鉴定。鉴定结果如下: “ 研制卫星太阳帆板电池 阵展开机构双余度直流电机，总体技术水平处于国内领先，达到国际先 进水平，o ( 5 ) 成功研制出空警2 0 0 用配平电动机构， 并于2 0 0 :1 年 1 月， 装机试一j k 功。 西北工业大学硕士论文 航空航天用电机类型的选择及结构形式的确定 第二章 航空航天用电机的类型选择 及结构形式分析研究 根据电 机技术指标的要求， 结合航天航空常用的几种驱动机构， 选择合适的 电机类型;依据可靠性理论对选定的类型进行分析，确定电机的结构。 2 . 1 航空航天用电机的类型对比分析 航天用机技术性能指标 u % = 2 8 士0 . 6 v , p v = :5 w ; t = ( 3 0 8 0 ) h m m ; t n - 5 0 h m m ; 1 堵转 3 a , n = 1 0 0 0 士5 0 r 八; i n ; 温升:o t 3 0 0c ; 真空度:1 . 3 x i 0 p a ; 温度:- 5 0 一十 7 0 c 紫外辐照:辐照光谱: 1 0 0 a 0 -4 0 0 0 a 0; 总辐照量: 1 7 1 . 4 大卡/ c m ; 粒子总计量: 1 0 7 r a d ( s i ) ; 可靠度: 0 . 9 9 9 9 8 ; 短时工作制，电机正反转运行:使用寿命 l 0 0小时; 2 . 1 . 1 几种电机在航天领域的 使用的对比 分析 以前国内主要通过弹簧来展开太阳帆板电池阵，但弹簧在真空条件下存右 “ 炭化” 现象， 且弹簧弹力大小不好控制， 弹力过小， 不能展开太阳帆板电池阵; 西北_ _ = 业大学硕士论文 航空航天用电机类型的选择及结构形式的确定 第二章航空航天用电机的类型选择 及结构形式分析研究 根据电机技术指标的要求，结合航天航空常用的几种驱动机构，选择合适的 电机类型；依据可靠性理论对选定的类型进行分析，确定电机的结构。 2 1 航空航天用电机的类型对比分析 航天用机技术性能指标 u n - 2 8 0 6 v ： p n 2 5 w ： 1 = ( 3 0 8 0 ) n i 矾： t n5 0 n m m ： 【堵转2 r 二 r , x r 2 x r 3 x r a x r 图2 . 9 单转子组件余度电 机结构模型 2 . 3电机的可靠性预计 2 . 3 . 1 可靠性预计目的及基本方法 可靠性预计是一种预测方法， 是在产品可靠性结构模型的基础 卜 ， 根掘同类户 西北t业大学硕士论文肮空航天用电机类型的选择及结构形式的确定 r = 1 一 (1 一 nr ) ( 2 - 9 ) 电机内部采用部分余度结构后，当并联元件一个损坏时，其它元件可替 换工作， 电机工作正常。 图2 . 8 表示双转子组件余度电机的可靠性结构模型 图2 . 8 双转子组件余度电机结构模型 双转子组件余度电机可靠性数学模型 r= n尺 r 一 1 一 e1 一 * y r二 r , x r 2 x r ( 2 - 1 q ) ( 2 - 1 1 ) 单转子组件余度电机可靠性结构模型如图2 . 9 所示。 单转子组件余度电机可靠性数学模型 r= 1 1 r ; “ 一 ， 一 (1 一 * 2 r 二 r , x r 2 x r 3 x r a x r 图2 . 9 单转子组件余度电 机结构模型 2 . 3电机的可靠性预计 2 . 3 . 1 可靠性预计目的及基本方法 可靠性预计是一种预测方法， 是在产品可靠性结构模型的基础 卜 ， 根掘同类户 西北工业大学硕 卜 论文 航空航天用电 机类型的选择及结构形式的 确定 品在研制过程及使用中所得到的失效数据和有关资料， 预测产品及其单元在今后 的实际使用中， 所能达到的可靠性水平， 或预测产品在特定的应用中符合规定功 能的概率。可靠性预计的步骤: 编制失效模式与影响分析表: 画逻辑框图; 确定失效模式的失效率; 建立数学模型: 可靠性预计的顺序是按元件、分系统、系统进行; 列出可靠性预计的参考数据; 得出预计结论; 一、可靠性预计的方法 可靠性预计的方法主要包括元器件计数法，应力分析法，上下限法，相似产品 法，故障率预计法等。 元器件计数法 元器件计数法 ( 也叫元器件计数可靠性预测法) 是根据设备中各种元器件的 数量， 以及该种元器件的基本失效率、 元器件的质量等级及设备的应用环境类别 来估计产品可靠性的一种方法。 这种方法适用于电子设备的方案论证及初步设计 阶段。 应力分析法 应力分析法是通过分析元器件所承受的应力， 计算元器件在该应力条件下的 工作失效率来预计设备可靠性的。 它普遍适用于详细设计阶段电子设备的可 靠性 预计方法。 卜 下限法 当计算非串联或最简单冗余结构的系统的可靠性时，上卜 限法有明显的优 点，它用于初步设计阶段复杂系统的可靠性预计。 相似产品法 相似产品法就是利用与该产品相似且己成熟产品的可靠性数据来估计该产 品的叮靠性。成熟产品的可靠性数据主要来源于现场统计和试验室的试验结果。 i牧障率预计法 西北工业大学硕十 论文航空航天用电机类型的选择及结构形式的确定 故障率预计法主要用于非电子产品的可靠性预计， 其原理与电子元器件的应 力分析法基本相同，而且对基本故障率的修正更简单。 二、不同类型电 机的可靠度比 较 根据羊电机零部件的失效率，采用相似产品法进行预计。 根据参考资料及同类型的电机对比分析，电机零部件的失效率见表2 . 3 表2 . 3电 机零部件的 基本失效率 名称轴轴承磁钢 铁心绕组 一 换 向 器一 电 。 。可 一碱 失效率( 1 0 一 )0 . 工 5 20 . 3( )1 5 : 一， 1 1 一 :，、 一 l 1 止 电机工作2 0 00小时的可靠度计算 单电机 =1 1 . l x 1 0 一 6r= e 一 之 = 0 9 7 8 兄几 丫t电 =度 卜兄余 r 一 ， 一 ( ， 一 nr ) ， 一 0 .9 9 9 5 2 双转子组件余度电机 兄 一 艺凡 一 8 ，95 x l0 一 6 * ” 一 1 一 (l 一 ; 丫 一 0 .9 9 9 7 r = e 一 兑 = 0 . 9 8 2 3 r 一 尺 l x 尺 z x 尺 ” 二 e 一 (山 十 ) x 尺 = 0 乡 9 5 4 单转子组件余度电机 不二 艺凡 一 2. 6 、 1 。 一6 r 1 =0 . 9 9 4 8 e-z，l尹 不一 艺凡 一 象 5 减 ， 。 一 6 、 ” 一 、 一 心 一 尺 r 一 。 ，9 9 9 7 r=r ， 又 r : 又 r : 又 r 4 x r r 二 =r