航天器用无铁心电机的故障分析与质量控制

吴 芊，杨 磊，宋志华，夏 旎，王舒雁，武登云

(北京控制工程研究所，北京100094)

0 引 言

飞轮或控制力矩陀螺是航天器姿态控制系统中的惯性执行部件[1-2]。它们按照姿控系统指令，提供合适的控制力矩，利用星体的角动量守恒法则，校正航天器的姿态偏差，或完成某种预设的姿态调整，是当前长寿命卫星最理想的执行部件[3]。

常规的飞轮和控制力矩陀螺一般采用无铁心霍尔换相型电机作为高速驱动电机，它具有定子质量轻，齿槽转矩小，控制特性好等优点，可以带动轮体持续地加速或减速，产生作用于卫星的反作用力矩，是姿控系统的核心部件，其质量可靠性对卫星的安全稳定运行有着很大的影响[4-5]。

由于无铁心定子的存在，无铁心电机的设计方法和工艺流程同常规电机相比有明显的区别。本文介绍了无铁心电机在研制生产中遇到的几种典型质量问题，并介绍了提高其产品质量的有效途径，可用来指导实际设计生产。

1 无铁心霍尔换相型电机基本结构

无铁心霍尔换相型电机是一种特殊的无刷直流电动机，如图1和图2所示。电机定子组件由定子骨架、定子座、霍尔器件、绕组，经环氧树脂灌注成为一体，定子线圈采用了无槽式集中绕组；转子组件由转子外轭、永磁体、转子内轭组成。

图1 无铁心霍尔换相型电机轴向截面图

图2 无铁心霍尔换相型电机径向截面图

装配后，定子绕组处于转子组件的内外磁回路之间。工作时，霍尔元件感知转子的位置并将位置信号输给换相驱动电路，以控制绕组的接通或关断。电机采用定子无铁心结构，故气隙相对普通电机较大，但这种结构可以大幅减小定子质量，消除定子铁心损耗和齿槽转矩脉动，具有较好的控制特性和优良的高速运转性能，非常适合作为飞轮的驱动电机[4-6]。

2 无铁心电机的特有故障及处理措施

无铁心电机的故障一般分为两类：一类是电气方面的，大多发生于绕组及霍尔，如霍尔绝缘下降，绕组断线、短路及接线错误等；另一类是机械方面的，如永磁体、定子骨架等零部件的松动、缺损、变形等。其中，转子方面故障与常规电机类似，下面主要针对无铁心定子的特有问题进行分析。

2.1 案例1：定子温度过高

电机在工作过程中，定子内预埋热敏电阻测温超过了安全温度。通过排查，确定绕组涡流损耗大是导致定子温度高的主要原因。

电机运行时，定子导体在交变磁场中感生的电流导致能量损耗，即为涡流损耗。涡流损耗的大小取决于感生涡流的电动势值和涡流回路阻值。而感应电动势值与磁密的波形及交变频率有关；涡流回路阻值与绕组的线径有关。涡流损耗简化公式如下[7-8]：

(1)

式中：D为导体直径；B为磁密有效值；ω为B变化的角频率；σ为导体的电导率；l为导体的长度；n为电机转速；p为转子极对数。由式(1)可知，涡流损耗与电机转速、转子极对数、磁密的平方，线径的四次方，导线电导率以及导体的长度成正比。

电机初始设计时，极对数和绕组线径均参考常规有铁心电机的经验值，但对无铁心情况欠缺分析。图3为常规有铁心电机与无铁心电机的磁力线分布对比。从图3中可以看到，在有铁心电机中，磁通主要经过高磁导率的铁心形成闭合回路，定子槽内磁通密度B不大，线圈涡流损耗较小。而无铁心电机的绕组处在交变气隙磁场中，在相同的绕组线径下，产生的涡流损耗更为显著[9-10]。

(a) 有铁心电机

(b) 无铁心电机

根据涡流损耗公式，可以采取两种方法减小损耗：一是减小每股导线的直径并相应增加并绕根数，这样能够在保持绕组总截面积不变的情况下，增大涡流回路阻值；二是减少电机的极对数，在相同工作转速下，磁场的交变频率降低，涡流损耗减小。

为了验证分析的正确性，加工了试验定子，将绕组改为特种细线，同时相应增加了并绕根数。图4为同样工况下，改进前后定子内热敏电阻的测温曲线对比。可以看到，改进后定子温度有了显著降低，最终平衡温度比改进前低了30 ℃以上。

(a) 常温环境条件下

(b) 高温环境条件下(60 ℃)

2.2 案例2：定子胶层热膨胀

某电机出现定转子相摩擦的故障，通过排查，确定原因为温升引起的定子胶层热膨胀改变了原有的定转子间隙。为了保证产品的安全运行，通过实验对定子的尺寸变化以及骨架材料的耐温能力进行了考察。

为了实时测量定子温升与尺寸之间的关系，实验中不安装转子，直接在定子绕组中通入直流电。绕组接线示意图如图5所示。定子A，B相两端连接一路电源，C，O相两端连接另一路电源，通过控制电压保证三相绕组中通入的电流值一致。

图5 绕组接线示意图

按0，0.5 A，1 A，2 A，3 A，4 A，4.5 A，5 A，从小到大依次在三相绕组中通入电流，在每个电流值下，待定子温度稳定后，测量骨架温升以及定子内外圆的尺寸。由电流、稳态温度及尺寸值，可以绘制出定子温度随电流变化曲线，如图6所示，定子内外径形变量随温度变化曲线如图7所示。

图6 定子温度随电流变化曲线

图7 定子内外径形变量随温度变化曲线

从图6可以看到，随着通入电流增加，定子温度逐渐上升，变化曲线近似抛物线。从图7可以看到，随着温度升高，定子内外径尺寸基本按照线性规律增大。

电机在飞轮或陀螺内工作时，转子热损耗小，且通过轮体、轴承等金属部件散热，温升很小，故尺寸形变可以忽略。由形变曲线可知，当该定子温度达到146 ℃时，定子外径膨胀量为0.6 mm，若电机设计单边气隙为0.3 mm，则定转子将会发生摩擦。考虑到装配误差的存在，工作时必须限制定子温度低于100 ℃，以避免温升形变带来的故障风险。

此外，实验中当电流升至4～5 A，定子温度在150 ℃以上时，骨架材料开始散发出较大的刺激性气味，同时强韧性降低，易变形断裂，说明骨架材料在150 ℃以上将失去工作可靠性。

2.3 案例3：胶层内留存气泡

某批定子组件经过热真空筛选后出现了胶层“鼓包”现象，如图8所示。图8中用黑点圈出区域，内部可见气泡，手触可感觉有凸起，问题造成整批次定子报废。

图8 定子胶层凸起

凸起位置处于霍尔元件附近，该位置除了霍尔、定子线圈外，还有起绝缘作用的聚酰亚胺薄膜，覆盖方式在有铁心电机中比较常用，如图9所示。薄膜绕过绕组之后，上下两层合并覆盖在霍尔元件的上表面，可以保证线圈与霍尔元件间具有双重绝缘。

通过对定子生产过程的反复检查，发现在灌胶过程中，两层薄膜间及薄膜与霍尔管壳间容易存留气泡。这些排除不充分的气泡，在热真空环境下体积膨胀，使得定子胶层出现鼓包。

为了避免该工艺风险，采用了一种与常规电机不同的改进的薄膜覆盖方式，如图10所示。改变薄膜的缠绕方向，开口朝向绕组一侧，使薄膜只包覆在漆包线圈上，霍尔元件的管壳完全露出。同时，剪除多余的薄膜，避免出现两层薄膜合并的情况。改进后，定子胶层未再出现鼓包，表明上述措施有效。

图10 改进后的薄膜覆盖方式

2.4 案例4：引出线与定子座短路

无铁心定子上存在着非金属骨架与金属底座的结合面，在变温情况下，材料线膨胀系数的差异会给电机带来新的问题。

某新研电机筛选跑合后出现加电无法起动问题。检查特征电阻时发现，霍尔引出线与定子座间存在短路，并且短路点对温度敏感。当环境温度较高时，短路现象消失；常温和低温时，短路现象恢复。经过拆解，确定短路点位于灌胶层与定子座接触处，如图11所示。拨开与灌胶层接触的铝座后，定子灌封胶面上有焊点露出，包覆焊点的绝缘套管损伤并且导通。

通过X射线观察，露出的焊点为霍尔引线短接点，而且焊点存在着不规则尖角，如图12中红圈所示。结合故障点对温度敏感的特点，可以判断出短路原因：筛选过程中，定子温度不断变化，灌封胶的线膨胀系数大于铝座，结合面处应力促使焊点尖角刺破绝缘层，导致短路。而当温度继续变化时，短路点随着线膨胀发生位移，表现时而导通时而绝缘。

图11 灌封胶面上的短路点

图12 短路点的X光照片

为了杜绝问题再度发生，对工艺进行了整改：为避免应力对绝缘层的压迫，将引出线走线位置提高到非金属定子骨架上，不再紧贴金属座；为了避免焊点的不规则现象，细化焊接工艺流程，加强焊点质量检验，要求焊点光滑、饱满、无针孔、无尖点。目前，按调整后工艺生产了多批产品，同样问题未再出现。

3 保障无铁心电机质量的几项措施

以上列举的电气和机械方面的故障，可以归因于设计不良、工艺方法不当等问题。为了确保可靠性，必须从各方面采取措施，避免类似问题的发生。以下从设计、制造、测试及筛选几个方面阐述了保障无铁心电机质量的方法。

3.1 设计方面

电机采用无铁心无齿槽电枢，具有较大的有效电磁气隙、大径长比等结构特点[11-12]，使得其设计与常规电机相比有一定的区别：

1)由于电枢无铁心，可以将其磁性能视为与空气相同，即电机的等效气隙长度较长，这使得主磁路一般不饱和。常规情况下，采用等效磁通密度方法，既能快速计算电机性能，也能够保证足够的精度。

2)由于涡流损耗较大及非金属材料导热能力偏弱，无铁心定子更容易出现过热的情况。不能沿用常规电机的经验参数，需要特别考虑降耗措施，具体包括：选择较少的极对数与特种细线，合理设计定子线圈与金属座间的距离等。

3)电机等效气隙大，为了得到较高的磁通密度，需要采用增加永磁体厚度或选用高矫顽力的永磁材料的方法来提高磁钢工作点[4]。

4)由于转子的转动惯量是轮体的转动惯量的一部分，为获得更大的角动量/质量比，电机的径长比应尽量大，但增大幅度要考虑到轴系结构、漏磁等因素的限制。

5)电机间隙设计值应考虑到实际工作状态下非金属材料的热膨胀，确保定转子不会发生摩擦。

3.2 制造方面

电机生产过程中，涉及物料及工种很多，影响质量的因素也很多，下面就航天应用领域及无铁心定子结构对于电机的特殊要求进行阐述：

1) 元器件及原材料是电机质量的基础，航天电机所选用的材料及电子元器件均应经过环境适应性考核，并且优先从各卫星型号规定的材料目录及元器件目录内选用。

2) 霍尔器件装入定子组件的所有操作，应符合QJA 20081-2012、QJ 2711A-2014等宇航元器件静电防护要求的规定。电装霍尔器件时严格控制焊接温度及焊接时间，霍尔引脚不能弯折受力。

3) 焊点质量不佳可能导致绕组断路以及绝缘下降等故障。航天用电机的焊接操作应符合相关标准QJ 3117A-2011、QJ 165B-2014等的要求，焊接点的表面应光滑，无针孔、拉尖及夹杂物。

4) 为减小环氧灌封固化过程中的内应力，灌封主剂应选用弹性模量小、挠性好、反应活性小的环氧树脂，并且加入填料降低线膨胀系数，提高胶层的耐开裂性能。

5) 定子灌胶时应保证足够的抽速和真空度，胶层内不允许存在明显的气泡；灌胶模具的结构应注意避免锐角或棱角，形状不能阻碍灌封料的自由收缩。

3.3 测试及筛选方面

无铁心电机性能测试与常规电机基本相同，但针对空间应用环境，电机必须经过严酷的筛选试验，测试与筛选时有以下几个方面需要注意：

1) 性能测试项目要尽量覆盖已发现的各种质量问题，发现缺漏及时增补。判读测试数据时要注意观察同批次电机性能的一致性以及不同批次间的一致性，发现异常及时查找原因，避免出现大量不良产品。

2) 筛选环境条件应模拟太空中的真空、低温及高温环境条件。由于材料或工艺变更造成的隐患需要一定的试验时效，故筛选时间需综合权衡质量隐患的暴露时间以及人员、设备的承受能力。

3) 针对定子易过热的特点，筛选中要采用内埋或外贴热敏电阻的方法监控定子骨架的温度。此外，由于定子中安装有霍尔器件，操作中注意采取防静电措施。

4) 筛选试验后，外观方面重点观察定子骨架有无气泡、裂纹、凸起等异常状态，测试方面重点检测霍尔器件的特征阻值有无异常降低。

5) 通过长期筛选及对在轨电机的数据分析，辨别能反映故障隐患和趋向的参数，如：电流稳定度、转速稳定度、轴承温度等，建立产品的数据包络分析模型，从中得到对在轨电机的失效预警。

4 结 语

本文针对无铁心电机的典型问题展开了分析，包括定子发热问题，胶层热膨胀问题，灌胶留存气泡问题以及绝缘受应力影响问题，得出了以下结论：无铁心电机设计时应选择比常规电机更少的极对数或更细线径导线；控制定子工作温度低于100 ℃；避免绝缘薄膜存在双层重叠以及覆盖在霍尔管壳上的情况；避免绕组走线处在非金属与金属的结合面处。此外，本文还从航天应用领域及无铁心定子结构的特殊要求出发，从设计、制造、测试及筛选几个方面阐述了无铁心电机的质量控制要点。