某型机轮速度传感器高频性能衰减故障研究与设计改进

刘岗 金吉 曹浩 路英杰 李蕊 陈冲

石家庄海山实业发展总公司，河北石家庄 050200

0 前言

某型机轮速度传感器是某型飞机电子防滑刹车系统的重要组成部分，用于将飞机机轮的转速变换成为正弦交流电压信号并输送给防滑刹车系统，防滑刹车控制计算机根据机轮速度信号频率大小、变化率等对系统刹车压力进行控制，在防止机轮拖胎抱死、爆胎的同时，仍可保持最大的车轮附着系数，从而实现最大刹车效率[1-2]。飞机着陆后，该型轮速传感器在高频转速工况下频发输出电压信号的幅值低于设计最小值的故障现象，进而导致防滑刹车计算机无法准确控制刹车压力并输出刹车告警信号。该问题不仅对飞行员正常操作产生干扰，也对飞机的着陆安全及电子防滑刹车系统的正常工作有极大的影响。本文针对该类问题开展故障研究和设计改进。

1 轮速传感器工作原理分析

常用的轮速传感器主要有光电式、电涡流式和磁电式等。本文涉及的轮速传感器是基于电磁感应原理工作的磁电式传感器，该型传感器具有结构简单、抗干扰能力强、耐高温等特点[3-4]。传感器安装于机轮轴处，传感器的拨盘齿轮带动旋转时，齿盘的矩形齿与永磁合金的对准偏离交替发生，引起闭合磁路中磁阻呈周期性的变化，磁路中的磁通亦随之周期性变化，于是定子线圈上产生一个与磁阻变化频率相同的脉冲，输出近似正弦变化的感应电压，得到与机轮速度成正比，具有一定电压值的频率信号[5-6]。图1为传感器实物结构图，图2为传感器的结构示意图。

产品工作时，齿环静止不转，而转子以ω角速度旋转时，齿环和转子内外齿展开如图3所示，表示出在不同的ωt时内外齿相对位置，以及此时内齿经过气隙进入外齿的磁通变化情况。ωt1时，齿环与转子的齿面处于正对准位置，气隙δ中的磁阻Rδ为最小，这样，永磁体在磁路中产生的磁通φm最大为φmax。当内齿处于ωt3时，内外齿相对位置错开一个角度，磁阻Rδ增大，磁通量φm下降。当内齿处于ωt5位置时，内外齿完全错开，气隙磁阻为最大，磁通量φm最小为φmin。当转子由ωt1到ωt5转过一个齿时，磁路中的磁通就变化了半个周期，磁通的变化量为φmax-φmin，磁通的变化在线圈中感应出的电动势E的有效值为[7-8]：

其中，E为感生电势；f为频率；w为线圈匝数；φm为磁通量的变化量；φmax为最大磁通量；φmin为最小磁通量。

其中，Z为齿环和转子的齿数；n为转速。由式（1）、（2）可知，传感器输出信号的电压值大小除了与转速有关外，还与齿环齿数、定子线圈匝数、磁路磁通量变化率有关。

2 轮速传感器故障分析与研究

2.1 故障分析与定位

该设计通过转子的转动实现磁路磁阻的变化，进而达到磁路磁通量变化的目的。该型传感器的齿环齿数和定子线圈匝数为定量，在转速一定的条件下，磁通量变化率越大，则传感器输出电动势越大。磁通量的变化率只与转子与永磁合金间隙大小、永磁合金的强感应强度有关。当传感器输出信号的电压值下降，则推断磁路中间隙发生变化或是永磁合金磁感应强度下降，即永磁合金出现了退磁现象。

2.1.1 转子与永磁合金间隙研究

定子组件是采用端盖压力锁紧，通过试验发现，当端盖拧紧力矩不同时，传感器在高频输出存在约60 mV 的差距，即端盖拧紧力矩不同，造成定组件带动永磁合金与转子间隙出现差异。设计中，永磁合金、定子组件、转子等均为固定结构，装配过程中无相对轴向、径向位移变化，但初始装配手法、工艺不同等因素会对传感器的基础输出产生一定影响。

2.1.2 永磁合金性能研究

影响永磁材料磁性能稳定性的因素有：内部结构变化、磁后效、化学因素、温度、外磁场、机械作用、与强磁性材料接触等[9]。产品为一体密封结构，能有效屏蔽外界铁磁接触、化学腐蚀以及污染；起落架、机轮部位无磁场环境，不会对永磁合金产生磁场影响；设计中，永磁合金为铝镍钴材料，该材料化学稳定性好，在弱酸弱碱环境中是稳定的，居里温度高，能经受强烈的辐射，但是由于该型永磁材料矫顽力不高，若在使用过程中受到振动冲击作用，可能会导致永磁合金的磁感应强度出现下降现象，经查询，飞机着陆过程会有约1～3 g 的加速冲击，因此怀疑是飞机的起落冲击致使永磁合金内部磁畴发生紊乱，永磁合金发生退磁现象，最终导致产品在高频转速工作过程中发生输出电压信号的幅值低于设计最小值的故障现象。为验证猜想，采用高斯计对新品永磁合金和故障产品的永磁合金进行磁感强度测量对比，如表1所示。

表1 永磁合金表面磁感应强度测试表（单位：G）

通过测试，确认两个故障的永磁合金在三个测试点上磁感应强度相比新品永磁合金，均有一定程度的下降，与之前的分析和猜想相吻合，下一步将致力于产品的设计改进，进而提升产品的长期使用可靠性。

2.2 设计改进

2.2.1 增加间隙控制要求

通过多次试验验证，当端盖拧紧力矩在15～20 N·m 时，既可保证传感器有较高的电压输出，又能控制永磁合金与转子的间隙在0.1～0.2 mm 范围，即转子能可靠、顺畅远转，不与永磁合金干涉。

2.2.2 永磁合金材料改进

目前，工业上常用的永磁材料主要有铝镍钻、衫钻以及钕铁硼，其主要磁特性参数和性能特点如表2和下文所述[10]。

表2 典型永磁材料性能的综合对比表

原设计中采用铝镍钴永磁合金。铝镍钴具有耐化学腐蚀性和温度稳定性，但其矫顽力、磁能积不高，在受到冲击、铁磁接触、外加磁场后，其内部磁畴容易发生紊乱，导致磁性下降，同时磁场空间分布也会发生改变，不能很好地满足机载产品耐振动、冲击以及长期可靠性的使用要求。

钕铁硼是磁性能最强的材料，铁器接触和摩擦也不会使其有磁性损失，但其化学稳定性较差，易受酸碱和水的腐蚀，在常温下也会发生变质老化，一般的表面涂层也无法确保其长期可靠性，经查阅大量文献，暂无权威钕铁硼有效使用寿命的数据。

钐钴永磁合金能承受10 g 的振动、100 g 的冲击磁，铁磁接触和摩擦也不会使其有明显的磁性能损失，但该材料耐化学腐蚀性不强，使用时需要涂层保护，经查询相关资料，其使用寿命在10年以上，可满足飞机的翻修周期要求。

通过论证分析，设计改进后采用钐钴材料永磁合金代替原铝镍钴永磁合金。

3 设计改进验证

整个验证过程分为以下三个步骤：对样机进行初始性能检测；采用整机飞机着陆冲击包络对产品进行环境应力考核；试验后的产品再次进行性能测试并与初始性能进行对比，最终验证设计改进的可行性。

3.1 样机初始性能测试

设计改进后的样机两台，其初始主要性能指标如表3、图4所示。样机1 的频率输出和电压信号输出分别为3,497 Hz、1,250 mV；样机2 的频率输出和电压信号输出分别为3,497 Hz、1,250 mV。均可满足高频输出电压不小于1,000 mV 的设计指标要求。

表3 样机初始主要性能统计表

3.2 环境应力试验

采用整机着陆冲击包络对产品进行环境应力考核，模拟飞机着陆冲击次数大于8,000 次（涵盖飞机全寿命周期），间断振动试验时长大于40 h。试验后，样机主要性能如表4、图5所示。样机1 的频率输出和电压信号输出分别为3,493 Hz、1,200 mV；样机2 的频率输出和电压信号输出分别为3,521 Hz、1,190 mV。

表4 样机环境应力试验后性能统计表

对比样机初始性能和试验后的性能，样机1 高频输出信号电压值存在50 mV 的下降；样机2 高频输出信号电压值存在30 mV 的下降，但满足大于1,000 mV的设计要求。再次追加1,000次飞机着陆冲击模拟试验，经测试，确认高频信号电压值无明显变化，追加试验证明，经过冲击试验训练后，钐钴永磁合金达到磁稳定状态，且能满足设计和实际使用要求。

4 结束语

本文对某型轮速传感器在高频转速工作过程中出现的输出信号电压幅值低于设计最小值的故障现象，开展理论分析和试验测试，确认了故障原因，即轮速传感器铝镍钴永磁合金在长期着陆冲击的过程中发生退磁现象。针对故障原因，优化轮速传感器设计，增加了转子与永磁合金间隙控制要求，改进了永磁合金材料（钐钴永磁合金），经产品静态性能测试及整机着陆冲击包络试验验证，该设计改进有效，能保证飞机长期使用的可靠性。