空调用步进电机的失效分析研究

空调用步进电机的失效分析研究

蒋雪 苏琪婷 余锡坤 刘秀清

珠海格力电器股份有限公司 广东省珠海市 519000

摘要：步进电机已广泛应用于空调作为导风机构控制导风板上下、左右扫风，以改善空调出风口的风向及风速。根据步进电机的工作原理及结构特性，并结合售后真实情况，分析步进电机的主要失效模式，提出了噪音和绕组断路的原因分析、改进方式、检测方法及质量控制指标。

关键词：步进电机；失效分析；问题归类

引言

步进电机具有控制精度高、无漂移、成本低等特点。近年来，步进电机在空调器上的应用越来越广泛，属于控制机构的执行元件，其内部结构复杂、生产工艺流程众多，其售后失效分析研究也越发备受关注。

1、步进电机的工作原理

为便于阐述步进电机的工作原理，以下图双相双极电机（定子上有两个绕组线圈，其转子有两个磁极）为例。如果我们按下图A所示方向给绕组1输送电流，而绕组2中没有电流流过，根据右手定则可判断出北极向上，异性相吸原则，转子随之旋转，转到与绕组1的轴线对齐的位置。再假设我们切断绕组1中的电流，而按下图B所示方向给绕组2输送电流，那么定子的磁场就会指向左侧，而转子也会随之旋转，与定子绕组2的轴线对齐。接着我们按照上述的方式，依次按照图C、D给绕组1、2通电，转子就会逆时针运转。至此，我们对电机绕组完成了一个周期的电激励，电机转子旋转了一整圈。

2、步进电机的主要失效模式

步进电机主要由加有永磁体的转子、定子、减速齿轮、极板、三脚爪、机座、PCB板、接线柱和面盖等主要部件组成。售后主要失效模式为噪音、电机不转、端子松脱、电机破损、进水等，下文主要对电机不转及噪音问题进行失效分析。

3、步进电机不转失效分析

电机不转是售后主要失效模式，导致不转的原因存在于多个方面。本文主要从以下五个方面介绍电机因短路、缺相、卡死、转子异常、铆压工艺异常等引起的电机不转。

3.1 电机短路

步进电机内部引线为漆包线线圈，通过缠绕在骨架上的接线柱与外部板间连线连接。目前电机厂传统上采用拉断漆包线的工艺，也有少量采用刀割断线工艺，通过在原有针架杆的底面基础上增加刀片，与骨架方针间距配合的情况下形成刀片割线动作。刀片割线后线尾预留引线过长，则会与旁侧接线柱上的漆包线进行搭连造成绕组间短路。因此，割线后线头尺寸的要求需要严格控制，理论上不应方针间距1/2。

3.2 电机缺相

漆包线在缠绕方针接线柱过程中，由于接线柱有四条直角凌边，漆包线在凌边处容易刮伤或受力折断，造成电机绕组间断路。因此，可考虑增加方针倒圆角结构。由于线圈接线柱上并线时间一般10秒可完成，且接线柱结构较小，不便于测试接线柱上漆包线单独的张力值。

因此，将其近似等于绕线机张力值，我司不同直径步进电机通常要求具有不同张力值，在不影响张力的情况下增加接线柱方针倒圆角，解决方针割线问题。

3.3 电机卡死

线圈缠绕在与电机内部骨架相连的接线柱上，通过PCB板或直接与外部引线焊接，后采用出线盒固定。焊接过程中，锡液表面有氧化物或其他杂质，锡液与接线柱接触时中间有气泡，气泡爆裂后产生锡珠；搪锡操作时方针下降速度太快，接触锡面的瞬间，易溅起锡珠；焊锡炉预热温度偏低，助焊剂中溶剂部分未完全挥发也会产生锡珠。

目前只要使用锡焊必然会产生锡珠。后期通过运输振动可能掉落至骨架与转子连接处或齿轮等关键部位造成电机卡死不转。为了解决此问题，在电机出线盒盖增加档筋结构，通过挡筋间隔两方针接线柱之间的焊点，通过限位作用可以彻底解决锡焊的缺陷。

3.4 转子异常

电机转子由永磁材料压制成磁体后，需要去掉残渣等进行倒角工序加工，若震动残渣操作时间未制定管理要求，导致槽内个别磁体残留，转子表面出现轻微氧化，经过电泳工艺将氧化部分包裹不易察觉。后由于使用环境等因素导致氧化加剧，转子电泳层与磁体分离，出现起泡、脱落现象，电机最终无法运转。

因此，增加中性盐雾试验，对来料转子进行检查可有效剔除转子异常现象。

3.5铆压工艺异常

铆接工艺异常可表现为电机面盖、齿轮定位柱松脱，摩擦片打滑等。面盖松脱通常表现为面盖起翘导致电机无法正常安装；齿轮定位柱松脱表现为定位柱从面盖掉出，齿轮在电机内部晃动无法正常啮合；摩擦片打滑表现为摩擦机构铆痕小偏薄，部分断裂，在后期使用时受冲击、震动等因素导致摩擦机构彻底失效。

因此，增加对电机面盖铆脚尺寸及数量要求、增加齿轮定位柱拉拔力测试、优化铆头尺寸降低铆痕偏薄可从源头上解决电机因铆压工艺不良造成的无法运转现象。

4、步进电机噪音失效分析

步进电机噪音导致空调导风板异响一直是售后投诉的重点问题，噪音即为电机内部零部件失效产生摩擦、或油脂干枯，外部异物入侵等因素导致电机长期运转不良，久而久之出现异响问题，严重影响客户体验及我司产品质量。经过研究分析，造成步进电机噪音主要有三大因素，分别是电机内部油脂出现干枯、异物入侵、线圈骨架组件装配不良。

4.1电机内部油脂出现干枯

电机齿轮采用硅脂油润滑使得电机正常运转，油脂的不同特性会导致电机运转过程中出现各种现象。当油脂蒸发、游离及垂直流挂性能不良时，会使得硅脂油极易析出，导致电机长期运转后出现油脂干枯现象产生噪音。

因此，控制硅脂油的各项性能指标对电机噪音控制至关重要。

4.2异物入侵

电机内部漆包线通过接线柱与外部引线连接，接线柱焊接在PCB板上。主要异物为PCB板焊接过程中掉落的锡珠。为克服此类因低级制造问题对电机内部质量影响，可通过改变PCB板焊点焊接的方式降低不良率。

因此，结合电机漆包线绕线方式及各组件安装方式，设计一种新的漆包线绕线结构，能取代传统PCB板焊接过程中因焊点过多造成出现异物现象，方便不解剖电机情况下有效监控电机内部质量，电机结构得到优化。

4.3线圈骨架组件装配不良

电机内部结构装配复杂，线圈骨架组件由通常由上骨架+中极板+下骨架装配而成，装配过程不到位可引发多重隐患，例如少极板、骨架擦伤、极爪擦伤、极爪变形、骨架与极板装配不到位有缝隙等问题，进而摩擦转子产生噪音。

为了提升扫风电机质量及装配精度，解决以上问题，将电机内部结构注塑成一体化结构，可有效降低噪音的同时提升输出力矩。

5、结束语

步进电机售后存在多个失效模式，尤其是运转不良和噪音最为关键。因此，应从结构设计、工艺生产、质量检验等落实全流程、多方位把关，保证产品质量，保证客户生命财产安全。

参考文献：

[1]杨万钧, 肖敏, 封先河. 某型步进电机驱动器在高原和沙漠环境下的失效分析[J]. 装备环境工程, 2010(06):193-195.

[2]苗旭. 空调用步进电机力矩可靠性研究[J]. 日用电器, 2015(7):3.

[3]杜立. 驱动电机失效原因及解决办法[J]. 印刷杂志, 2017(1):43-45.