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Stima dell'affidabilità dei motori a corrente continua a spazzole senza nucleo

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I motori DC a spazzole senza nucleo convertono la potenza elettrica in potenza meccanica e sono ideali nelle applicazioni ad alte prestazioni che richiedono basso attrito, bassa tensione di avviamento, alta efficienza, buona dissipazione termica e caratteristiche lineari di coppia-velocità.

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INTRODUZIONE

I motori DC a spazzole senza nucleo convertono la potenza elettrica in potenza meccanica e sono ideali nelle applicazioni ad alte prestazioni che richiedono basso attrito, bassa tensione di avviamento, alta efficienza, buona dissipazione termica e caratteristiche lineari di coppia-velocità. Il design del motore DC miniaturizzato a spazzole senza nucleo consiste in un rotore senza nucleo (bobina autoportante) combinato con un sistema di commutazione in metallo prezioso o rame carbone e magneti in terre rare o Alnico.

I motori a corrente continua a spazzole senza nucleo sono utilizzati in dispositivi sempre più avanzati con la richiesta di una maggiore densità di potenza in pacchetti più piccoli, come le pompe di insulina e di infusione, nonché i dispositivi di erogazione biologica. Poiché l'affidabilità del motore è particolarmente importante per i produttori, questo whitepaper illustra i passi del metodo di analisi Weibull per prevedere la vita dei motori DC a spazzole senza nucleo. L'analisi Weibull stima la vita attesa di un motore utilizzando un complesso modello matematico che si basa sui risultati dei test di alcuni campioni di motore in condizioni di applicazione simulate.(Figura 1)

LA CURVA COPPIA-VELOCITÀ PER UN MOTORE A CORRENTE CONTINUA A SPAZZOLE SENZA NUCLEO

Le caratteristiche di un motore a corrente continua sono rappresentate dalla curva coppia-velocità del motore. Il grafico della figura 2 di un motore DC a spazzole senza nucleo con commutazione in metallo prezioso mostra la coppia sull'asse X e la velocità sull'asse Y.

La linea della coppia massima continua rappresenta il limite termico del funzionamento continuo del motore in condizioni normali. La regione a sinistra della linea della coppia massima continua rappresenta la zona di funzionamento continuo, mentre la regione a destra rappresenta la zona di funzionamento intermittente. Nella zona intermittente, il motore può essere azionato per una durata limitata dalla costante di tempo termica e dal livello di coppia sviluppata. Man mano che il motore si avvicina alla coppia nominale di picco, la durata del funzionamento diventa più breve. Qualsiasi operazione al di sopra del limite di coppia continua è anche influenzata dal ciclo di lavoro complessivo.

I fattori critici di progettazione del motore che definiscono l'affidabilità in vari punti di carico sono mostrati anche nella Figura 2. L'affidabilità nei punti di carico ad alta velocità (1 e 4) è una funzione della commutazione e della progettazione dei cuscinetti, mentre l'affidabilità nei punti di carico a coppia continua massima (3 e 6) è una funzione della progettazione termica. L'affidabilità in qualsiasi punto sul lato destro della linea della coppia massima continua è funzione della progettazione termica e meccanica. La linea della curva indicata dai punti 1, 2 e 3 mostra il 95% della potenza massima continua, mentre i punti 4, 5 e 6 mostrano il 70% della potenza massima continua. Il funzionamento al 70% della potenza massima continua risulterà in una maggiore affidabilità rispetto al funzionamento al 95% della potenza massima continua.

METODOLOGIE PER LA STIMA DELL'AFFIDABILITÀ

Con l'aumento della richiesta di velocità più elevate da parte di un motore DC miniaturizzato senza nucleo, aumenta anche lo stress sul suo sistema di commutazione o sul design dei cuscinetti. L'aumento del requisito di coppia massima aumenta anche lo stress sulla progettazione termica e meccanica dei vari sottoinsiemi del motore, mostrando che l'affidabilità del motore varia quando si opera a diversi punti di carico (combinazioni di coppia e velocità).

Identificazione dei requisiti dell'applicazione e piano di test

È importante capire i punti di carico dell'applicazione e il profilo di movimento, come i requisiti di coppia-velocità nel tempo con il senso di rotazione, l'ambiente in cui opera l'applicazione (temperatura, umidità, vibrazioni ecc.) e l'aspettativa di vita del motore. La maggior parte dei produttori di apparecchiature hanno criteri specifici per quanto riguarda la vita del prodotto che sviluppano, che è legata alla loro garanzia. La vita target di un motore è una funzione della vita attesa del prodotto.

L'affidabilità è tipicamente stimata testando alcuni campioni in laboratorio che replicano le condizioni operative reali dell'applicazione. Per testare queste condizioni, un motore campione è montato su un'attrezzatura, caricato con un freno a correnti parassite o a isteresi elettromagnetica e collegato a un generatore di funzioni. Il freno applica una coppia costante all'albero di uscita del motore mentre il generatore di funzioni crea le caratteristiche di coppia-velocità-tempo richieste, quindi carica il motore di conseguenza. Il set up di prova è progettato per corrispondere strettamente alle specifiche del cliente.

Idealmente, dovrebbero essere testati da 5 a 30 campioni, il che dipende dalla disponibilità del motore, dalla precisione dei dati richiesta e dalle capacità della struttura di prova. Più motori vengono testati, più alto è il livello di fiducia della durata prevista del motore.

Test di affidabilità e analisi di Weibull

I test di affidabilità vengono eseguiti su ogni motore ai punti di carico definiti, al ciclo di lavoro e alle condizioni ambientali. I test sono progettati per determinare il punto di rottura del motore, con i criteri di rottura chiaramente definiti prima di iniziare il test. I guasti possono essere rilevati osservando un aumento improvviso della corrente assorbita, un surriscaldamento, un rumore e una vibrazione elevati o un guasto meccanico; pertanto, un ingegnere dell'affidabilità deve misurare continuamente i parametri per i cambiamenti rispetto ai dati di base.

Una volta che sono stati raccolti i dati sul tempo al guasto (TTF) di tutti i campioni (si raccomandano i dati di almeno tre campioni), i punti dei dati sul guasto vengono analizzati utilizzando il metodo Weibull. I grafici della distribuzione di Weibull sono ampiamente utilizzati per stimare l'affidabilità poiché l'analisi si basa su una distribuzione generica dei dati che può essere utilizzata per tutti i tipi di guasto (cioè, decrescente, costante o crescente) a seconda del valore beta.

Una distribuzione di Weibull può essere rappresentata da una linea (Appendice) su un grafico di probabilità di Weibull o su carta log-logica dove l'asse Y rappresenta il tasso di guasto o di inaffidabilità e l'asse X rappresenta il tempo al guasto. La pendenza di questa distribuzione o linea è chiamata parametro di forma (β). L'intercetta di questa linea con l'asse X è usata per calcolare il parametro di scala o vita caratteristica (η). La vita caratteristica è la vita al 63,2% della rottura.(Figura 3)

Il diagramma di Weibull può portare la vita del motore a cadere in una delle tre regioni distinte, spesso chiamata la famosa curva della vasca da bagno. Se β <1 allora i guasti sono guasti infantili, questo tipo di guasti può essere attribuito a problemi di fabbricazione come una cattiva saldatura, un alto gioco assiale, un precarico sbagliato, ecc. Se β = 1 allora il tasso di fallimento è costante e sono chiamati fallimenti casuali. Questa è la vita a cui miriamo principalmente. Se β >1 i guasti sono guasti da usura o guasti da vita utile e aumentano con il tempo.

Stima dei parametri della distribuzione di Weibull

L'approccio tradizionale per eseguire un'analisi di Weibull è il metodo del plotting, che inizia con una valutazione iniziale dei dati disponibili. I singoli tempi di guasto vengono classificati in base al numero di guasti e sospensioni osservati, dopodiché vengono tracciati sulla carta delle probabilità di Weibull. Una linea di best-fit può quindi essere tracciata attraverso i punti dei dati, permettendo agli analisti di determinare l'adattamento della distribuzione ai dati. La linea di best-fit rivelerà la vita caratteristica dei motori (η) e determinerà se/come il tasso di guasto sta cambiando con il tempo (pendenza = β).

Per consentire la manipolazione della CDF di Weibull (funzione di densità cumulativa) F(t) in forma lineare (y=mx+b), l'asse y della carta di probabilità di Weibull è in una scala di log naturale, log naturale e l'asse x è in una singola scala di log naturale.

Per una migliore comprensione discuteremo un caso, in cui cinque motori DC di 16 mm sono testati al 70% di potenza e velocità massima (punto 4 della curva velocità-coppia), e tutte le unità di prova sono state testate fino al fallimento con i loro tempi di fallimento registrati. I tempi di guasto registrati sono 1488, 2304, 1224, 2304 e 2976 ore. I tempi di guasto devono essere disposti in ordine crescente per calcolare il loro rango mediano che sarà utilizzato per tracciare i punti di dati nella carta delle probabilità.

Lo scopo di classificare i singoli guasti è quello di determinare i valori delle coordinate y per il grafico di Weibull. I valori delle coordinate x, d'altra parte, sono semplicemente i tempi in cui si sono verificati i singoli guasti.

Trova tutti i dettagli e le figure su www.portescap.com