電機空載運行頻率異常的原因分析和處理

摘

要：為了對步進電機在調(diào)試過程中出現(xiàn)的空載運行頻率異常問題進行分析和處理，根據(jù)電機運行原理、加工工藝方法和已有步進電機的結(jié)構(gòu)特征，采用故障樹法對電機的加工工藝方法及各部分結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)化分析，同時對故障進行了定位，明確了故障機理，對故障提出了改進措施，并通過試驗驗證了該分析和處理方法的可行性。該問題具有普遍性，其解決方法對類似問題具有重要參考意義。關(guān)鍵詞：電機；空載運行頻率；故障樹法；試驗驗證0

引言步進電機動態(tài)響應(yīng)快，啟停及反轉(zhuǎn)等工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換方便，自身結(jié)構(gòu)決定了電機步距角的大小和精度，電機無累積誤差。為了對某相機的調(diào)焦機構(gòu)進行控制，特設(shè)計了基于步進電機的位置控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用貴州航天林泉電機自制的57步進電機和自制的107控制器。本文對步進電機在調(diào)試過程中空載運行頻率異常的問題進行了分析，分析過程中對故障進行了定位，明確了故障機理，并對故障提出了改進措施。通過試驗驗證，證實所提故障分析和處理方法可行，該問題具有普遍性，其解決方法對類似問題具有重要參考意義。

1

故障分析與定位步進電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、前后端蓋、軸承等組成，如圖1所示。定子包括定子鐵芯、繞組和絕緣材料；轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、軸和擋圈組成，其中電機轉(zhuǎn)子有兩段磁極。據(jù)電機空載頻率低的現(xiàn)象（要求大于400Hz，實測為150Hz），從設(shè)計和實際操作中對電機空載運行頻率低的現(xiàn)象進行了分析。通過建立故障樹方式，逐一排查可能造成故障的原因。考慮到如果電機轉(zhuǎn)子壓裝轉(zhuǎn)子磁極1、2后，轉(zhuǎn)子磁極1的齒中心不能對應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極2的槽中心，會使電機輸出轉(zhuǎn)矩有規(guī)律下降，最終輸出轉(zhuǎn)矩能力不足，造成系統(tǒng)失步，導(dǎo)致電機發(fā)生空載頻率異常故障。將4臺步進電機進行拆卸檢修，把正常運行的3電機轉(zhuǎn)子與故障電機進行交換，重新裝配，調(diào)試，發(fā)現(xiàn)故障電機能正常運行，而3電機出現(xiàn)空載運行異?，F(xiàn)象，確定是轉(zhuǎn)子有問題；再進一步對轉(zhuǎn)子進行分析，發(fā)現(xiàn)是轉(zhuǎn)子磁極裝配出錯。電機的轉(zhuǎn)子磁極1要求齒對磁極2槽中心，實測是磁極1齒對磁極2齒中心，不滿足齒槽相對原則。通過對電機空載頻率異常故障進一步分析，認為加工人員在加工完成轉(zhuǎn)子磁極1、2后提交下一道工序時，轉(zhuǎn)子磁極1、2位置對調(diào)，同時在后續(xù)刻字工序及轉(zhuǎn)子裝配工序中工藝規(guī)程未要求對轉(zhuǎn)子磁極1、2的正確性進行復(fù)檢，從而使轉(zhuǎn)子裝配后轉(zhuǎn)子磁極1、2外圓上齒對齒，槽對槽，不滿足設(shè)計要求的齒對槽，是導(dǎo)致故障電機出現(xiàn)空載頻率異常的原因。

2

故障機理步進電機的定子采用偶數(shù)磁極，每個磁極上有小齒及線圈；電流輸入線圈在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；大極上的小齒與轉(zhuǎn)子進行能量轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)子步進式旋轉(zhuǎn)。因為轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2裝配錯誤，定子大極上的小齒與轉(zhuǎn)子在進行能量轉(zhuǎn)換時，若轉(zhuǎn)子壓裝轉(zhuǎn)子磁極1、2后，轉(zhuǎn)子磁極1的齒中心不能對應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極2的槽中心，會使電機輸出轉(zhuǎn)矩有規(guī)律下降，最終導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩能力不足；系統(tǒng)工作受影響，系統(tǒng)無法獲得所需轉(zhuǎn)矩，在一次通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子軸向轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)異常。

3

試驗結(jié)果與分析為驗證步進電機空載運行頻率異常故障分析和處理方法的可行性，重新投產(chǎn)轉(zhuǎn)子軸、轉(zhuǎn)子磁極1、轉(zhuǎn)子磁極2、鍵、襯套及銷，并按轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2齒槽相對裝配，結(jié)合電機所需試驗環(huán)境，特將試驗地址選為干濕度為40%～70%，溫度為20℃的空調(diào)房。圖2為步進電機重裝后進行試驗的現(xiàn)場圖。本次測試采用自行研制的107控制器，電源、電機試驗工裝等測試設(shè)備。試驗的主要技術(shù)參數(shù)：驅(qū)動器設(shè)置電流開環(huán)檔位，功率電源電壓為4.5VDC，在100Hz下空載運行2min后，逐漸增加脈沖頻率，直至電機失步，該頻率即為最高運行頻率。試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知，空載運行頻率實測值均大于400Hz，滿足要求值。后續(xù)為提高轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2裝配時的準確性，設(shè)計人員可要求在轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2上刻不同的字以示區(qū)別；工藝人員可選擇利用齒槽相對工藝裝置裝配磁極1和磁極2，其次，在工藝文件中增加磁極1和磁極2為齒槽相對裝配檢查工序。4

結(jié)論（1）為提高轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2裝配時的準確性，設(shè)計人員可要求在轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2上刻不同的字以示區(qū)別；工藝人員可選擇利用齒槽相對工藝裝置裝配磁極1和磁極2。其次，在工藝文件中增加磁極1和磁極2為齒槽相對裝配檢查工序。（2）本文針對步進電機空載運