机载平台式惯导系统直流力矩电动机故障机理分析

2010-11-20张东荣王东辉冯志民

微特电机 2010年11期

张东荣，王东辉，冯志民

(西北工业大学，陕西西安710072)

1 问题描述

在航空领域，平台式惯导系统从二十世纪80年代末期开始应用，经过二十多年的不断改进和发展，其技术逐步走向成熟，已装备于我国大部分二代和三代战机。平台式惯导系统是一个复杂而精密的机电系统，使用中故障率偏高，影响了载机设备的完好率，受到各级用户的关注。

在平台式惯导系统中，稳定回路故障是主要的故障模式，约占系统总故障的20%，稳定回路故障直接导致惯导系统性能下降或失效，影响载机的飞行任务，严重时会影响载机的飞行安全，因而减少或解决稳定回路故障一直是平台式惯导系统研制人员的主要任务。

作为稳定回路的驱动元件，直流力矩电动机的质量直接影响稳定回路工作的可靠性。由于机载惯导系统对尺寸要求苛刻，且载机机动较大，因而要求作为稳定回路驱动元件的力矩电动机尺寸小、堵转力矩大，这给力矩电动机的研制带来难度，加之国内技术水平所限，使得力矩电动机的可靠性成为影响稳定回路和惯导系统可靠性的主要因素之一。

2 直流力矩电动机故障模式及其对系统的影响

对于机载惯导系统，其惯性平台采用四环三轴的结构，每个环架均由一个直流力矩电动机进行驱动，每个平台有四个电机，依次为:外横滚电机、俯仰电机、内横滚电机和方位电机(其中俯仰和内横滚电机为同一型号)。

2006年底，某型机载惯导系统故障统计数据显示，力矩电动机共发生故障60起，主要的故障模式为:接触电阻变大、绝缘强度下降、转动不灵活或外观等，其中接触电阻变大为49起，占总故障数的82%。

在平台式惯导系统中，惯性平台的主要作用是为安装在其上的加速度计提供基准，使得加速度计始终按照一定的关系保持在当地水平坐标系中。惯性平台的这个作用主要是通过稳定回路的控制来实现的，稳定回路的组成如图1所示。

图1 稳定回路组成框图

两种典型电机接触电阻变大引起的稳定回路控制方波如图2所示，其中图2a为电机阻值增加引起方波不等宽的情况，图中上面方波为正常波形，下面方波为不等宽波形;图2b为电机阻值增加引起方波饱和的情况。

当载机进行机动时，陀螺敏感该运动，并将信号通过前置放大器、功率放大器、相敏解调器、滤波以及校正环节等伺服电子线路处理，提供给力矩电动机，驱动惯性平台环架运动，保持加速度计相对惯性空间的稳定。当直流电机接触电阻变大时，由于供电电源始终保持不变，电机的驱动电流和输出力矩变小，变小的幅值超过一定范围时，遇到载机的机动，稳定回路将因力矩不够而无法准确跟踪，造成稳定精度的降低，系统性能下降，严重时引起稳定回路失稳，惯性平台翻倒，系统导航功能丧失。

在三种电机中，外环电机和方位电机尺寸相对较大(直径为80 mm)，堵转电流较小(分别为0.5 A和0.3 A)，俯仰和内环电机尺寸较小(直径只有45 mm)，堵转电流较大(电流为1.3 A)。在故障电机中，俯仰电机(含内横滚电机)故障47起，占总故障数的78%。俯仰电机接触电阻变大是主要的故障模式，也是本文分析的重点。

3 直流力矩电动机故障机理分析

3.1 直流力矩电动机的使用环境

对于机载平台式惯导系统，惯性平台用力矩电动机从使用的角度有以下特殊性:

(1)力矩电动机的控制电流为高频脉冲方波，而非一般情况下的直流

为了改善电机的起动快速性和低速性能，减小力矩电动机本身的非线性度，机载惯性导航系统稳定回路均采用脉冲调宽施矩的方式。

相对于直流控制电流，脉冲调宽施矩的方式使得力矩电动机一直处于换向工作状态，引起电机电刷与换向器之间的火花增加，电枢产生的温升提高，降低了电机工作的可靠性。

(2)常常运行在各环架的零位附近，且非工作时间较长，即电机长期处于零位附近

对于机载惯导系统，其工作方式有两种，一种是静态工作状态，另外一种是机动飞行状态，据统计两者的时间比大约为2∶1。在静态工作状态中，惯性平台各环架基本在零位附近做微小转动(转动幅值约为角分级)。

相比较，机载惯导系统大多数时间处于非工作状态，此时电机处于零位状态，电刷和换向器之间无电流通过，但始终处于零位位置。

这种特殊的工作环境，造成电机零位附近电刷和换向器的接触磨损和电蚀现象严重。当惯导系统长期存放时，还会引起电刷和换向器之间材料的化学反应，产生腐蚀现象。

(3)电机使用环境温度较高

为了保证惯性元件的性能，惯性平台均采用温度控制的方式，在平台内部形成一个稳定的温度梯度。

根据设计和测量结果，某型惯导系统惯性平台内部各电机外壳处的温度为:方位电机70℃，俯仰和内环电机约65℃，外环电机约53℃。

较高的环境温度，对电机的可靠性带来不利的影响。

3.2 故障机理分析

对故障电机分解并进行分析，发现大部分换向器表面都存在不同程度的磨损或污染，如图3所示，其中图3a中的电机换向器表面有较明显的磨痕，换向器表面的镀金锑层受到损伤;图3b和图3c的电机换向器表面存在明显的电蚀现象，图3c中右侧转子为合格产品，图3d为一个换向器表面局部放大图，表面既有磨损，又有磨损颗粒粘附，同时还有电蚀现象的发生。

某型惯导系统电机电刷块的基材材料为银石墨，电刷块与换向器接触表面镀银处理，换向器基材为铜，表面为镀金锑。

对于机载惯导系统，其80%的时间处于静态非工作状态，12%的时间处于静态工作状态，只有8%处于动态工作状态。

在静态非工作状态，电机的电刷与换向器始终处于零位位置，无相对运动，此时无电流通过电机，但由于电刷压力以及电刷块镀银过程中一些残留物的存在，两个接触表面会产生化学作用，在与电刷块接触的换向器表面产生黑色沉积(如图4所示)，该黑色沉积导电性差，引起换向器局部接触电阻变大。

图4 电机换向器表面黑色沉积示意图

当惯导系统处于静态工作状态时，电机电刷与换向器在微小角度范围内沿零位做反复转动，电机电刷与换向器表面会产生微动磨损，平台温控环境以及电机自身发热均使得电机自身温度较高，加剧了微动磨损的程度。根据微动磨损理论，微动磨损不仅会造成接触表面的机械损伤，还会引起微动腐蚀，使接触表面被污染。

虽然在静态工作状态下电机处于小载荷状态，但在稳定回路脉冲方波的控制方式下，电刷与换向器接触面之间始终处于换向状态。在换向过程中，换向元件的电流i由+i变为-i，而产生电抗电动势，电抗电动势的平均值为:

式中:W为元件匝数;L为电枢铁心的有效长度;A为电枢线负载;Va为电枢表面的线速度。

当电抗电动势不等于电枢旋转引起的电动势时，就容易在电刷与换向器之间产生火花。电刷与换向器之间产生的火花造成换向器表面的电弧侵蚀，电弧侵蚀引起换向器表面导电材料的损耗，降低了接触的可靠性。

当惯导系统处于机动飞行状态时，内环电机在±15℃范围内运动，俯仰电机在±90℃范围内运动，方位和外环电机则无限制地连续旋转。飞机的运动带有随机性，因而各环电机的转动也是随机的，既有高速大载荷，又有低速低载荷。

电刷与换向器的滑动接触是许多微观点的集合，由于电刷压力的减小，或换向器与电刷接触表面部分存在缺陷，如换向器局部圆度差(如图5所示)，电刷刷块接触圆弧面的形状误差等，触点的面积只占电刷表面积的一部分，当电机旋转时，接触点的位置和数量不断发生变化，在高速大载荷时，由于通过的电流较大，接触点被烧成红热或白热状态，具备了电子热发射的条件。当发射出来的电子速度很高时，还会发生碰撞电离，于是在接触点之间的空隙内形成电弧放电而发生火花。