无刷直流电机的故障及可靠性分析

曹俊

摘 要：无刷直流电机主要用于一些稳定和连续的工业设备中，电机一旦发生故障，对整个系统将会造成重大的影响，因而必须研究无刷直流电机可能发生的故障类型，以便采取相应的措施提升故障诊断水平，确保电机的可靠性。

关键词：无刷直流电机 故障类型 可靠性

中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-069-02

1 前言

通常情况下无刷直流电机的故障发生在电子换向装置、电动机本体、位置传感器和控制器几个关键部位，常见的故障有：电动机定子相绕组开路、短路等；电子换向开关的开路和短路；位置传感器断线等，研究无刷直流电机的具有极强的应用价值。

2 仿真研究模型

无刷直流电机的simulink仿真模型主要是由逆变器、霍尔传感器和无刷直流电机三个模块组成，下面对以上三个模块进行说明。

2.2 逆变器模块

为了便于本文研究逆变器的故障，下面采用PSB工具箱提供的MOSFET模块，构成三项逆变器模型。

3 无刷直流电机的故障类型

本文研究无刷直流电机故障类型所用的样机数据为：额定电压为27V，额定电流为0.9A，额定转速为19910r/min，额定负载为0.01N·m，极对数为2，绕组电阻为0.4378欧姆，相绕组电感为170e-6H，转动惯量为5.004e-7kg·m2。反电动势为0.00612V·a/rad，下面分析无刷直流电机的故障类型。

3.1 一相绕组完全短路故障

从图1可以看出，当无刷直流电机的电枢一组出现完全短路的故障，那么正常相和故障相的电流都会快速上升，并且将会出现极大的振荡，而电磁转矩也会紧随出现振荡。同时，绕组短路后使得平均电磁转矩增大，电机的转速将会逐步上升并稳定于高于无刷直流电机的额定转速，并稳定在28000r/min左右。由于电机内部正常相绕组的电流的迅速上升，绕组线圈的绝缘层可能会被击穿，甚至可能出现这一相完全短路，再加上电磁转矩会出现大幅振荡，可能是转子轴承受到损害。

3.2 一相上桥臂功率管开路故障

我们知道功率管开路可能是由功率管无法接收到触发信号或者功率管本身产生故障，下面通过关断向功率管发送触发信号来模拟功率管的开路故障。无刷直流电机A相上桥臂功率管在开路工作状态下运行0.1s电流、转矩以及转速的仿真波形如图2所示。

从图2可以看出，当无刷直流电机的A相上桥臂的功率管出现开路之后，在这种情况下如果不考虑续流，那么在运行的一个周期内，则会出现120暗缃嵌热嗳谱槎疾煌ǖ纾馐焙虻牡绱抛亟嵛？，但是由于无刷直流电机A相绕组内部的续流作用，使得故障相的相电流出现明显的向上的齿波，正常相电流的幅值将会从正常状态下的1A上升到1.8A，由于电磁转矩出现大幅振荡，电机的转速将会下降到19000R/min左右，并趋于稳定。

3.3 一相上桥臂功率管短路故障

图3给出了无刷直流电机的A相上桥臂功率管在短路状态下工作0.1s的电流、转矩以及运转速率的仿真波形。

从图3可以看出，无刷直流电机的A相上桥臂短路状态下，A相始终处于导通的状态，并且A相的电流很大，由于仿真波形没有做限流处理，电流的最大幅值达到20A，一般无刷直流电机都会做限流处理不会，因而电流要远远小于这个峰值，但是也会明显高于正常工作状态下的电流，而其他正常相的电流也会变大，同时处于故障的A相在电感下降的区间内还有电流，因而在故障相将会产生负转矩，将会使无刷直流电机的运转速率下降。

由于功率管短路的发生时间不同，分为以下三种情形来讨论故障，无刷直流电机的6中状态对应的导通功率管：状态1，S6S1；状态2，S1SW；状态3，S2S3；状态4，S3S4；状态5，S4S5；状态6，S5S6。

当无刷直流电机的逆变器处于状态6和状态3的时候，此时电机的功率管S1完全处于开路状态，使得这时候应该被悬空的A相的电枢绕组中有电流通过。由于A相绕组与其他一个与他导通的绕组并联，这时候电路回路中的电流明显减小，使得B、C两相的电流明显增大，这时候必须立即对电路采取相应的处理措施。避免A相在以后的状态中出现上下桥臂直通的情况。

4 结论

本文基于Simulink模型研究无刷直流电机的几种故障并进行了仿真分析，仿真分析与样机实验结果基本上一致，这说明理论分析的正确性。

参考文献：

[1] 韦鲲，任军军.无位置传感器无刷直流电机Simunlink仿真模型的建立[J].微电机，2004，37（5）：26-28.

[2] Park Byoung-Gun，Kim Tae-Sung.Fault Tolerant Strategies for BLDC Motor Drives under Switch Faults[J].IEEE Trims，2005（41）：1637-1641.