多因子永磁发电机加速寿命试验方法研究

张登平 毛可意 张永胜 吴传文

（1.贵州航天林泉电机有限公司，贵州贵阳550081；2.国家微特电机工程技术中心，贵州贵阳550081）

0 引言

高速电机由于具有功率密度大、尺寸小、可靠性高等优点，在压缩机、真空泵、汽轮机、飞轮储能及高速机床中得到了越来越广泛的应用[1]。为发动机数字控制系统研制的发电机具有较长的使用寿命，多则要求上万小时的寿命时间。采用传统的寿命试验方法具有试验周期长、试验费用高的缺陷，不能满足研制任务要求。

本文以某分装式永磁发电机为研究对象，对加速寿命试验进行了简单介绍，通过提高环境温度和增加转速的途径对发电机进行加速寿命试验，对比分析了采用加速寿命试验后所需的试验周期和传统的寿命试验时间，验证了加速寿命试验方案大大缩短了试验周期，具有很好的实用性。

1 加速寿命试验

加速寿命试验，是指在进行合理工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换，得到试件在额定应力水平下可靠性特征的可复现的数值估计的一种试验方法[2]。加速寿命试验采用加速应力对试件进行寿命试验，从而缩短了试验周期，其研究使高可靠长寿命产品的可靠性评定成为可能。

1.1 恒定应力加速试验

按照试验应力的加载方式，加速寿命试验通常分为恒定应力试验、步进应力试验和序进应力试验三种基本类型。本文采用恒定应力试验方法进行加速寿命试验，其特点是对产品施加的“负荷”水平保持不变，高于产品在正常条件下所接受的“负荷”水平。恒定应力加速寿命试验具有模型成熟、试验简单和易成功等优点，因此具有较广的适用场合。

1.2 恒定加速寿命试验主要考虑的问题

恒定应力加速寿命过程中应考虑以下问题：

（1）施加应力与应力大小不同会形成不同的失效模式，在这种情况下，应力加速法的使用受到限制。

（2）失效发生时间与施加应力强度之间可能因应力大小的不同或机械操作条件不同而有不同的关系，在加速寿命试验规划之初，应该注意到此种应力加速适用范围的问题。

（3）可在若干不同的试验方法及不同的失效分析基准之中，选用加速因子较大的方法，以较短试验时间评估寿命的效用。

2 试验应力的选择

本文中的研究对象为某航空分装式交流发电机，没有轴承、前端盖等结构，仅由定子和转子组成。由于定子绝缘的寿命主要受到温度的影响，高温将会加快定子绝缘的老化；而转子高速运行时，其上磁钢受离心力作用对护套造成较大应力，因此影响该发电机寿命的主要是定子的绝缘和转子的耐高速性能。

2.1 环境温度

在温度恒定或温度循环过程中，高热应力和热疲劳交互作用在产品上，影响着产品的机械、物理化学和电气性能[3]。在电机中，温度对绝缘寿命有显著影响，在高温环境下，绝缘材料的物理变化和化学反应速度将加快，促进绝缘老化。文献[4]给出了不同绝缘等级下绝缘寿命与温度的关系曲线，如图1所示。

图1 绝缘寿命与绝缘温度的关系

从图1中可以看出，绝缘材料对温度的变化非常敏感，Vant Goff和Arrenlus提出了绝缘寿命与温度关系的经验公式[5]：

式中，L为平均绝缘寿命；T为绝缘材料温度；k为波尔兹曼常数；Ea、G为与绝缘材料有关的系数。

2.2 离心力

在高速电机中，永磁体会受到巨大的离心力作用，但永磁体抗拉强度低，难以承受电机高速旋转时由离心力产生的拉应力，所以必须对永磁体采取必要的保护措施。由于永磁体的抗压强度较大，可以在永磁体外部加一高强度非导磁保护套，永磁体与护套间采用过盈配合，使永磁体承受一定的压应力，补偿高速旋转时离心力产生的拉应力，使永磁体承受的拉应力在材料所许可范围之内。

离心力与转速的关系如式（2）表示，即在转子一定后，转子角速度越高，磁钢上产生的离心力越大。式中，v为永磁体的线速度；r为永磁体选择半径；m为永磁体质量。

从式（2）中可以看出永磁体所受的离心力与转速的平方成正比，当超过额定转速运行后，永磁体受到的离心力将大大增加，对护套造成的剪切应力也将快速增加，使发电机转子运行的可靠性显著降低。

3 试验方案

由前面讨论可知，高速电机在运行过程中主要受到温度和离心力的影响，所以用温度和转速作为加速应力因子，分别采用增加环境温度、提高工作转速作为寿命试验的加速方案。

3.1 恒定高温

该发电机正常工作时，其机壳温度为78℃，在此温度下内部绝缘老化速度慢，可采用提高环境温度的方式来加快发电机绝缘的老化速度。根据电机H级绝缘材料遵循12℃原则[6]（即温度升高12℃，寿命将缩短一半），采用升高环境温度的措施来提高发电机绕组温度，达到加速绝缘老化的目的。

将电机所处的环境温度升高，温度对电机的影响主要体现在定子绕组绝缘性能下降。系统对发电机常态运行性能下壳温要求不超过120℃，经过试验，在环境温度为85℃时机壳表面温度为113℃，因此将环境温度调至85℃进行定子绝缘加速老化试验，按公式（3）计算后等效寿命减少为原来的13.2%。

式中，S为寿命时间；T为温度；A为常数。

3.2 恒定高转速

发电机属于机电产品，发电机转子直接装配到附件机匣传动轴上，由其带动高速旋转。表1为发电机正常工作时的工况，其中106.5%额定转速为过载转速，由于发电机转速越高，转子运转可靠性越低，因此将发电机的宽转速范围工况等效为过载转速工况，使发电机在106.5%额定转速下恒定运行。

表1 工作转速工况

根据公式（4）完成表1工况所需时间160 min，通过等效计算后仅需116 min，等效加速27.5%。

式中，T1为每循环时间；τi为第i个工况的转速百分比；ti为第i个工况的工作时间，i=1，2，3，…，n。

3.3 综合应力

根据上述方法，给发电机施加恒定温度应力和转速应力形成恒定的综合应力，对发电机寿命进行加速，通过公式（5）计算出原寿命18 000 h进行加速寿命试验后只需1 723 h即可完成。

式中，T为加速寿命时间；T0为原寿命时间；σn为第n个加速因子。

4 试验验证

根据本文的试验方案，对发电机进行高温高速加速寿命试验，试验过程实物图如图2～图4所示。当加速试验进行到1 924 h时，发电机出现扫膛现象，经分析为转子护套变形导致剩余不平衡量过大引起转子外圆与定子铁芯内孔扫膛，定子绝缘由500 MΩ降低到200 MΩ，说明试验结果与分析相符。

图2 加速寿命试验

图3 受损转子

图4 定子绝缘测试

5 结语

本文针对分装式永磁发发电机进行加速寿命试验，采用加载恒定应力试验的方法，分析了其在提升环境温度、增加转速形成的综合应力下原18 000 h寿命试验所需的试验时间，并且通过实际产品进行加速度寿命试验，试验结果与分析相符，说明该加速方案合理可行。