测量技术课程关于电机转矩失效模式可靠性项目的测试

上海电子信息职业技术学院 张文娟

本文介绍了《测量技术》课程中一个实践性项目的测试，让学生通过实操项目锻炼分析和解决问题的能力，以及团队合作精神。项目在选取某型号电机进行失效模式可靠性测试的基础上，引入电机转矩性能测试的两种失效故障模式。文中介绍了失效模式的创建，并对测试运行的数据与正常运行的电机数据进行了分析比较。通过对测试影响因素的分析，得出电机转矩性能失效性能有效的失效模式。

《测量技术》课程的教学目标中是一门涉及面宽、实用性很强的专业课，学生通过本课程的学习，能较全面地掌握电量和非电量的测量。该课程突出专业技术知识的实用性和综合性，所以在课程中引入实践项目的分析和研究很有必要。本文介绍了电机转矩性失效模式可靠性项目的测试，旨在希望通过实际操作训练，能提升学生分析问题、解决问题的能力和团队合作的精神。

在工业生产中，尤其是产品设计和过程设计阶段以及生产线开始正式上线前，失效模式与影响分析是评估和调查产品或生产过程中潜在问题的一种非常有效的途径。它是在系统生命周期的给定阶段使用的结构化方法，用于理解可能的失效模式及其发生的影响，通常是系统可靠性研究的第一步。它对构成产品的子系统进行分析，找出所有潜在的失效模式，从而预先采取必要的措施，以提高产品的质量和可靠性。在模块/单元级别中，只需列出该级别的功能失效模式即可。它可以非常有效地识别设备内潜在的严重失效。这样做可以改变设计以消除严重失效。

电动车窗可以控制橱窗玻璃的升降，其中车窗电机是电动车窗动力驱动器，通过车载电源来驱动玻璃升降器电动机，使升降器上下运动，带动车窗玻璃上下运动的装置，达到车窗自动开闭的目的。汽车车窗电机具备输出功率大和转矩大等特点。其中电机转矩是车窗电动机的基本参数之一，它与电动机的转速和电流都有密切关系。本文针对汽车车窗调节器电机生产线上准备上线的电机转矩性能测试设备，分别就正常电机和两种失效模式下电机的运行情况进行检测及对比，分析测试设备性能参数，找出适用于设备验证的失效模式。

1 测试思路

本次项目让学生分组，每个小组选择一种故障失效模式来进行分析。首先将正常车窗调节器电机放入检测设备进行转矩性能测试，得到测试数据。其次跟据生产线上电机故障率最高的两类故障模式制作故障样品，将故障样品电机放入测试设备进行转矩性能测试，得到的数据跟电机转矩检测设备设定的参数值及正常电机的测试数据进行对比分析，从而判断故障模式对电机转矩检测设备的测试是否有效。

2 测试过程及分析

2.1 正常电机转矩性能测试

实验中采用774.72114/20C型电机进行测试。将之前测验过证明合格的正常电机放入测试设备进行转矩性能测试，车窗调节器电机性能显示电机转速和电机转矩及电流和电机转矩之间的关系。电机正常工作时转速与转矩工作范畴的上下限处于两条接近平行的线之内。与两条平行线交叉的曲线表示电机正常工作的电流与转矩的工作范围，它们分别代表所选取的电机逆时针和顺时针方向运行时的转速-转矩及电流-转矩情况。正常电机转速-转矩性能曲线和电流-转矩性能曲线均位于参数限制曲线范围之内。

电机在顺时针和逆时针运转时各标志性测试位置运行数据正常，未出现报警标记。正反转时电机的最大转速出现在空载状态，即转矩为零时，分别为86U/min和84.6U/min，在其参数范围70～90U/min之间。电机顺时针和逆时针堵转转矩值出现在转速为零处，分别为15.02N·m和13.79N·m，也在其参数上下限（约为11.5～16N·m）内。电机正反转时电流在堵转转矩附近时值最大，分别为29.1A和32.6 A，低于电流参数允许的上限值35A。

2.2 两种失效模式设置及性能分析

失效模式及分析用于系统地分析假定的组件失效并确定对系统操作的最终影响。可以是定性分析，也可以进行定量分析。本文只进行定性分析失效模式的可靠性。为了验证测试设备的转矩测试性能，我们考虑创建两类常见的失效样本：在正常电机的电枢中移去部分叠片（失效模式1），将电机两个相邻换向器的保险丝钩焊接在一起（失效模式2）。

（1）失效模式1创建及性能分析

同样采用774.72114/20C型电机，在正常电机的电枢中移去部分叠片，此类型电机的正常叠片数应为35片，我们移除10片，在电枢中留下25片，然后测试其性能（如图1所示）。

此类失效模式下电机的性能测试数据如下：

电机顺空转时电机速度超出其速度上限值90U/min，正反转分别达到106.2U/min和107.3U/min，而其堵转转矩分别为12.19N·m和11.53N·m，均处于正常参数范围。如果未检测电机空载及电机转矩值比较小的运行情况，测试设备很可能就会将测试电机判断未合格品。而电机的电流-转矩曲线跟无失效电机曲线差别不是很大，除在逆时针旋转时堵转转矩附近达到最大值35.7 A外基本工作于限定参数范围之内。

图1 正常叠片的电机电枢和移去部分叠片的电机电枢对比图

图2 相邻换向器挂钩焊接在一起的电机电枢图

综合考量电机的转速、电流与转矩三个性能指标，转矩和电流的工作基本正常，转速只有一小部分超过限值，这种失效模式的性能指标在整个转矩工作范围内只在小范围内失效。

（2）失效模式2（将两个相邻的挂钩焊接在一起）创建及性能分析

将两对换向器钩焊接在一起形成换向器短路失效（如图2所示），其性能测试结果如下：

此类型失效样本的空载转速未超过上限值，但堵转转矩远小于其最小参数值，正反转时分别在转矩值为7.45N·m和6.71N·m时电机就会发生堵转，而之前检测的合格电机大约在13N·m的时候才出现堵转的情况。

此类失效类型电机的电流-转矩性能无论正反转完全超过上限值。电流-转矩曲线完全位于限值上方。空转时的电流参数上限约7.5A，而实际电机正反转空载时电流分别达到15.4A和14.9A。

综合电机的转速、电流与转矩三个性能指标，转速正常，但转矩和电流值均跟设定参数相差很大。跟正常电机相比，故障模式2的电机转矩有部分取值区间达不到，其电流值在任何一个转矩值处均高于正常电机的电流值。这类故障模式性能指标在整个转矩工作范围内都恒定失效。

3 运行结果

分析失效模式1和失效模式2的电机转速、电流、转矩性能数据和设置的参数上下限值，以及跟之前验证合格的电机数据进行对比，可以看出失效模式1的电机的转速-转矩性能和电流-转矩性能数据不能全面有效地验证设备的工作情况，需要通过其他更严格的失效模式来测试设备性能。而失效模式2的电机性能指标可以很明显地筛选出具有连焊失效的电机，尤其是它的电流-转矩性能在整个工作范围内都恒定失效，因此失效模式2更适用于用来验证此类型电动机的检测设备转矩故障模式。

结束语：本测试中我们采用了774.72114/20C系列正常电机和两种失效模式下的电机运行情况进行对比分析，发现电机在失效模式2（换向器挂钩连焊在一起）下对测试设备转矩性能的测试效果很明显。在此基础上，验证其他系列车窗调节器电机在此失效模式下的运行情况，得到跟此类型电机相似的结果。由此可以推断，将换向器挂钩连焊在一起可以作为一种有效的故障模式来测试电机设备对车窗调节器电机转矩性能的检测。