磁电式转速传感器高温绝缘性能提升研究

傅海波，彭 艳

（苏州长风航空电子有限公司，江苏 苏州215151）

磁电式转速传感器广泛应用于航空发动机转速测量系统[1]，对监控发动机运行状态发挥着重要作用[2]。转速传感器利用电磁感应原理[3-4]，将输入的转速频率信号换成感应电势输出，具有不需要外接供电电源、电路简单、性能稳定、输出阻抗小等优点[5-6]。

用于传感器内部灌封的非金属材料是保证产品绝缘性能的重要组成部分。本文针对某型磁电式转速传感器在试验过程中发生的高温绝缘不良故障，采用理论分析和仿真计算相结合的方法研究故障模式，定位故障原因，分析产品绝缘下降是否影响产品的使用性能，并提出提升传感器高温绝缘性能的改进措施，对提高传感器可靠性具有重要意义。

1 故障定位及原因分析

1.1 故障现象

某型磁电式转速传感器在进行高温工作试验时，250℃环境温度下的高温绝缘电阻超差：要求高温绝缘电阻不小于2MΩ，传感器两组线圈绕组的实测值绝缘电阻分别为0.15MΩ和0.3MΩ，不满足高温绝缘性能要求。

1.2 故障定位

1.2.1 转速传感器测试端结构

转速传感器测试端由盖（1）、线圈组合（2）、导磁板（3）、磁铁（4）、外壳（5）、铁芯（6）和导磁片（7）组成，通过两组独立的线圈绕组输出两组转速信号，结构如图1所示。

图1 传感器测试端结构图

1.2.2排故方案

针对传感器高温绝缘不良的故障现象制定分析方案和步骤，并按照排故步骤完成了以下工作：

（1）排查试验批次传感器的生产、装配、试验情况。

（2）验证传感器在230℃环境温度下的高温绝缘性能。

（3）测试传感器在250℃环境下的高温绝缘性能。

（4）进行故障原因定位及分析。

1.2.3 传感器生产装配检验过程排查

经查，试验抽取批次传感器在装配过程中对测试端进行了温度应力筛选试验，包括5轮温度冲击和5轮温度循环。温度冲击试验条件为低温－55℃±5℃、高温250℃±5℃，高低温转换时间不大于5min，在最低和最高温度点各保持30min，进行5次循环。温度循环试验条件为：－55℃±5℃～140℃±5℃，温度变化速率不大于3℃/min，进行5次循环。

因此在抽取传感器产品进行高温绝缘测试时，实际已经历了10个循环的温度冲击试验，合计经历了5小时250℃的高温环境。

1.2.4 传感器在230℃环境下的绝缘性能

将已进行温度应力筛选试验的传感器在230℃环境温度下保温30min，在高温箱内测试绝缘电阻，54件产品中有3件产品的绝缘电阻超差（低于2MΩ），其余51件绝缘电阻满足要求。

1.2.5 传感器在250℃环境下的绝缘性能

将未进行过温度应力筛选试验的4件传感器在250℃环境温度下保温30min，在高温箱内测试绝缘电阻，4件产品的绝缘电阻均超差（低于2MΩ）。

1.3 故障原因分析

根据排故工作情况可知，在230℃的高温环境下，传感器绝缘性能虽有下降，但仍能满足要求，当经历250℃高温环境并累积超过0.5h后，传感器高温绝缘性能逐渐下降且不能满足要求。另外，传感器在装配过程用于内部灌封的非金属材料J-27H高温环氧胶粘剂长期耐受最高温度为232℃[7]。因此，导致传感器高温绝缘下降的原因是灌封用的非金属材料J-27H高温环氧胶粘剂材料在250℃高温下绝缘性能不能满足要求。

2 高温绝缘性能下降对输出特性的影响

建立传感器等效测试电路，如图2所示。其中，Winding为线圈绕组，R内为线圈内阻（即线圈电阻110Ω），R负为传感器外接负载（阻值为1KΩ），R绝为传感器的绝缘电阻，与线圈内阻并联。U为传感器线圈绕组利用电磁感应原理产生的感应电动势，U测为外接负载两端的电动势，即为传感器的电磁输出特性。

图2 等效测试电路

根据等效测试电路，可推导得U测表达式如式1[8]。

根据公式1可知：（1）当绝缘电阻R绝远大于线圈内阻R内（110Ω）时，绝缘电阻对外接负载两端测得的输出电压幅值U测影响极小；（2）外接负载两端的电压U测随绝缘电阻R绝的减小而降低；（3）当绝缘电阻低到与线圈内阻R内相当时（110Ω），U测约为U/2，此时传感器的输出电压幅值降低较多，对后续信号处理有影响。

利用电路仿真软件Multisim模拟传感器线圈绕组与外壳间绝缘不良对输出电压U测幅值和波形的影响，仿真结果如图3所示。图3（a）为绝缘电阻无穷时输出电压幅值和波形仿真结果，图3（b）为绝缘电阻0.15MΩ时输出电压幅值和波形仿真结果。两组不同绝缘电阻下传感器线圈绕组输出电压U测的有效值均为1.66V，波形一致，未发生无畸变，且线圈与外壳之间无电流产生。因此，当传感器绝缘下降到0.15MΩ时不影响产品的电磁输出性能。

图3 绝缘电阻对输出电压和波形的影响仿真

3 传感器高温绝缘性能提升方法

3.1 改进方案

根据本文第2节分析可知，转速传感器高温绝缘性能下降的主要原因为用于产品内部灌封的环氧胶粘剂J-27H的高温耐受温度为232℃，在250℃环境下累计超过0.5h后绝缘性能逐渐下降。因此考虑更换非金属灌封材料，使用耐温达250℃的硅橡胶GP551，以提高传感器的高温绝缘性能。按上述方案装配5件试验产品，并进行试验验证。

3.2 试验验证

对改进后的5件试验产品进行温度冲击试验。试验时将传感器放入-55℃±5℃的低温箱中保温30min，再放入+250℃±5℃的高温箱中保温30min，高低温转换时间不大于5min，共进行五次高低温循环。最后一次循环试验中，分别检测高低温绝缘电阻，应不低于2MΩ。试验结果为5件试验产品高温绝缘性能均合格。

对改进后的5件试验产品进行温度－振动综合试验，以验证其机械强度和可靠性。试验方法为：振动试验条件参照GJB 150.16A-2009军用装备实验室环境试验方法第16部分、振动试验中第7章的要求，振动试验谱按图4所示，振动方向为沿三个正交轴向，振动时间为每轴向

图4 振动试验谱

7.2小时。振动过程中按0.5h低温（-55℃）和0.5h高温（250℃）进行温度控制。试验时5件试验产品未见异常，绝缘电阻测试合格。试验结束后试验产品的机械、结构部件无松动、破裂、断裂等现象。

通过上述温度冲击和温度－振动综合试验，验证了通过更改传感器内部非金属灌封材料能够提升其高温绝缘性能，且不会影响产品的机械结构强度和可靠性。

4 结论

本文对磁电式转速传感器高温绝缘性能不良进行了故障分析，原因定位为用于传感器内部灌封的非金属材料J-27H高温环氧胶粘剂在250℃的环境温度下累计超过一定使用时间后，高温绝缘性能逐渐下降所致。根据电路分析可知传感器高温绝缘下降不影响电磁输出特性，现有传感器产品可继续使用。另外，本文提出了提升传感器高温绝缘性能的改进方案，更改灌封材料为硅橡胶GP551。该改进方案经过温度冲击试验和温度-振动综合试验验证其可行有效，且对产品机械结构强度和可靠性不存在不利影响。