電動轉轍機用無刷直流電動機可靠性分析

宋 志

（西安鐵路信號工廠，西安 710048）

無刷直流電動機結構簡單、運行可靠，而且運行效率高、無勵磁損耗、無換向干擾及火花。目前，其被廣泛應用于航空、航天、輕軌運輸、機器人、計算機、醫療器械等高端精密控制及動力驅動場合，如衛星姿態的控制、太陽能電池板的跟蹤控制、衛星上泵的驅動、軍用雷達、導彈及魚雷等。

DWS6無刷直流電動機是針對ZD6轉轍機普通直流電機維護工作量大、故障率高的問題，而研制的免維護、免維修和高可靠性的新型電機。2006年通過了鐵道部技術評審。同年上道試用以來，性能穩定，得到了用戶的一致好評。

1 無刷直流電動機的結構及工作原理

1.1 無刷直流電動機的結構

稀土永磁無刷直流電動機的基本結構如圖1所示，主要由電動機本體、位置傳感器和控制器組成。其定子同三相異步電動機，轉子由永久磁鋼按一定的極對數組成。圖1中為三相兩極結構，三相定子繞組分別與控制器中相應的功率開關連接，位置傳感器轉子與電機的轉軸連接。

1.2 無刷直流電動機的基本原理

無刷直流電動機的定子是電樞繞組，轉子是永久磁鋼。當定子繞組的某一相通電時，該電流與永久轉子磁鋼的磁極所產生的磁場相互作用產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變換成電信號，電機控制系統據此控制開關線路，使定子各相繞組按一定順序導通，如圖2所示。這樣，當轉子位置發生變化，定子電流的方向就發生變化，它總是驅動轉子旋轉，保證無刷電機持續穩定運轉。

無刷直流電動機是由開關線路、永磁同步電動機以及位置傳感器組成的一個電動機系統。這種電機取消了電刷，所以消除了與電刷有關的維護工作量和故障。另外，由于無刷直流電動機采用稀土永磁材料作為磁極，節省了勵磁損耗，使電機效率大大提高，從普通直流電機的70%增加到92%。

2 可靠性分析

2.1 控制器可靠性

2.1.1 元器件可靠性

無刷直流控制器經過近幾年的快速發展，其控制技術已完全成熟，系統可靠性進一步提高。DWS6無刷直流電動機元器件從設計選型至元器件老化篩選，均執行高可靠性要求。在控制器的元器件選擇上，關鍵元器件降額系數定為0.3。根據“浴盆理論”，元器件全部經過“三次篩選”，加嚴篩選條件。

2.1.2 設計中的可靠性措施

DWS6無刷直流電動機控制器結構如圖3所示。

（1）電機在啟動、堵轉、突然正反轉時，將產生很大的電流。為了保護電機及控制器，設計過電流保護及泄放回路，抑制了電機突然正反轉時產生大電流對控制模塊及相關線路的沖擊。

（2）電機的電源線是由電源屏輸出后，埋設于地溝再傳輸至電機，線路中存在耦合電壓。為了防止鐵路50 Hz不平衡牽引電流的干擾，控制器設有門限電壓限制，確保在電氣化區段不平衡牽引電流及磁場干擾時不會使電機誤動作。

（3）印制板的布局、布線及元器件的選擇，都考慮了電磁兼容問題。另外，在輸入部分增加了濾波網絡，對差模共模騷擾進行抑制，因而對浪涌、電快速瞬變脈沖群、射頻場感應的傳導、輻射、工頻、脈沖磁場、靜電等騷擾都能做到有效抑制。已通過TB/T3073-2005《鐵道電氣設備電磁兼容性實驗及其限制》規定的電磁兼容試驗。

（4）在雷電防護方面，設計采用硅瞬態抑制二極管，也稱齊納二極管。其核心是具有較大面積的PN結，該PN結工作在雪崩狀態時，具有很強的脈沖吸收功能。其具有動作精度高，反應時間快（<1 ns），殘壓低，無跟隨電流的優點，在雷電防護中，有效地防止電源線路進入的雷電干擾。

增大了霍爾元件與轉軸的爬電距離，使電磁及雷電干擾的可靠性得到進一步提高。根據TB/T1477-2005要求，耐電壓值為2 000 V(50 Hz),該結構使耐壓值提高到5 000 V，能有效防止來自非線路的電磁及雷電干擾。

根據TB/T3074-2003《鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》，完成了相關試驗。

（5）為保證抗振動性能，將控制器用環氧樹脂灌封。已通過了TB/T2613-2005《轉轍機試驗方法》規定的振動試驗。

（6）減少電解電容失效后對電機的影響。電路中主濾波電容失效后，根據“故障-安全導向原則”，系統仍可正常動作，性能指標滿足鐵標要求。表1為該電機在不同電容的情況下，E型轉轍機性能的對比數據。

表1 E型轉轍機性能的對比數據

2.2 電機本體可靠性

（1）采用分數槽繞組結構，減小定子齒和磁極對齊幾率，減小定子齒與轉子磁極相吸而產生脈阻矩。

（2）電機轉矩脈動的消除。無刷直流電機轉矩脈動產生原因有齒槽效應、電樞反應等。前者可采用分數槽和扭斜定子磁極的方法來改善，后者可采用瓦形結構的磁極，并且適當加大氣隙長度的方法。

（3）選用優質NSK軸承并使用耐高、低溫的潤滑脂以保證軸承的可靠性，保證了DWS6無刷直流電機在極端環境的可靠性。

（4）轉子位置傳感器主要由采集位置信號的霍爾元件和傳遞信號磁鋼組成。磁鋼與轉軸采用鍵聯接并粘接固化，外加鋼套固定，保證位置檢測可靠性。

2.3 位置傳感器可靠性

轉子位置傳感器主要由采集位置信號的霍爾元件和傳遞信號磁鋼（固定在轉子后輸出軸端）組成。

為了保證磁鋼和轉軸聯接的可靠性，在磁鋼與轉軸使用鍵聯接后，并粘接固化，外加鋼套固定，保證了磁鋼不會松動或偏移。

霍爾元件選用優質的美國進口器件，其工作環境溫度范圍為-40～+150℃；另一方面，為防止振動時霍爾線路板松動偏位或脫焊，為其設計了霍爾元件固定支架，選擇能夠耐高溫和低溫的材料，并保證了霍爾元件位置的準確性。

3 結束語

DWS6無刷直流電動機取消了電刷結構，消除了電刷結構產生的維護工作量和故障，設計中貫徹可靠性、安全性理念，采取多項措施，從元器件選型、篩選，到控制器、電機本體、位置傳感器的設計過程，均考慮電機實際工況及現場環境的干擾、沖擊、破壞等，滿足ZD6轉轍機電機的相關要求及規定，為ZD6轉轍機提供了一種全新的免維護電機。

[1] 張琛．直流無刷電動機原理及應用[M]．北京：機械工業出版社， 2004.

[2] 譚建成．電機控制專用集成電路[M]．北京：機械工業出版社， 2005.

[3] 李鐘明，劉衛國．稀土永磁電機[M]．北京：國防工業出版社，2000.