电动转辙机用无刷直流电动机可靠性分析

宋 志

（西安铁路信号工厂，西安 710048）

无刷直流电动机结构简单、运行可靠，而且运行效率高、无励磁损耗、无换向干扰及火花。目前，其被广泛应用于航空、航天、轻轨运输、机器人、计算机、医疗器械等高端精密控制及动力驱动场合，如卫星姿态的控制、太阳能电池板的跟踪控制、卫星上泵的驱动、军用雷达、导弹及鱼雷等。

DWS6无刷直流电动机是针对ZD6转辙机普通直流电机维护工作量大、故障率高的问题，而研制的免维护、免维修和高可靠性的新型电机。2006年通过了铁道部技术评审。同年上道试用以来，性能稳定，得到了用户的一致好评。

1 无刷直流电动机的结构及工作原理

1.1 无刷直流电动机的结构

稀土永磁无刷直流电动机的基本结构如图1所示，主要由电动机本体、位置传感器和控制器组成。其定子同三相异步电动机，转子由永久磁钢按一定的极对数组成。图1中为三相两极结构，三相定子绕组分别与控制器中相应的功率开关连接，位置传感器转子与电机的转轴连接。

1.2 无刷直流电动机的基本原理

无刷直流电动机的定子是电枢绕组，转子是永久磁钢。当定子绕组的某一相通电时，该电流与永久转子磁钢的磁极所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，电机控制系统据此控制开关线路，使定子各相绕组按一定顺序导通，如图2所示。这样，当转子位置发生变化，定子电流的方向就发生变化，它总是驱动转子旋转，保证无刷电机持续稳定运转。

无刷直流电动机是由开关线路、永磁同步电动机以及位置传感器组成的一个电动机系统。这种电机取消了电刷，所以消除了与电刷有关的维护工作量和故障。另外，由于无刷直流电动机采用稀土永磁材料作为磁极，节省了励磁损耗，使电机效率大大提高，从普通直流电机的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

无刷直流控制器经过近几年的快速发展，其控制技术已完全成熟，系统可靠性进一步提高。DWS6无刷直流电动机元器件从设计选型至元器件老化筛选，均执行高可靠性要求。在控制器的元器件选择上，关键元器件降额系数定为0.3。根据“浴盆理论”，元器件全部经过“三次筛选”，加严筛选条件。

2.1.2 设计中的可靠性措施

DWS6无刷直流电动机控制器结构如图3所示。

（1）电机在启动、堵转、突然正反转时，将产生很大的电流。为了保护电机及控制器，设计过电流保护及泄放回路，抑制了电机突然正反转时产生大电流对控制模块及相关线路的冲击。

（2）电机的电源线是由电源屏输出后，埋设于地沟再传输至电机，线路中存在耦合电压。为了防止铁路50 Hz不平衡牵引电流的干扰，控制器设有门限电压限制，确保在电气化区段不平衡牵引电流及磁场干扰时不会使电机误动作。

（3）印制板的布局、布线及元器件的选择，都考虑了电磁兼容问题。另外，在输入部分增加了滤波网络，对差模共模骚扰进行抑制，因而对浪涌、电快速瞬变脉冲群、射频场感应的传导、辐射、工频、脉冲磁场、静电等骚扰都能做到有效抑制。已通过TB/T3073-2005《铁道电气设备电磁兼容性实验及其限制》规定的电磁兼容试验。

（4）在雷电防护方面，设计采用硅瞬态抑制二极管，也称齐纳二极管。其核心是具有较大面积的PN结，该PN结工作在雪崩状态时，具有很强的脉冲吸收功能。其具有动作精度高，反应时间快（<1 ns），残压低，无跟随电流的优点，在雷电防护中，有效地防止电源线路进入的雷电干扰。

增大了霍尔元件与转轴的爬电距离，使电磁及雷电干扰的可靠性得到进一步提高。根据TB/T1477-2005要求，耐电压值为2 000 V(50 Hz),该结构使耐压值提高到5 000 V，能有效防止来自非线路的电磁及雷电干扰。

根据TB/T3074-2003《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》，完成了相关试验。

（5）为保证抗振动性能，将控制器用环氧树脂灌封。已通过了TB/T2613-2005《转辙机试验方法》规定的振动试验。

（6）减少电解电容失效后对电机的影响。电路中主滤波电容失效后，根据“故障-安全导向原则”，系统仍可正常动作，性能指标满足铁标要求。表1为该电机在不同电容的情况下，E型转辙机性能的对比数据。

表1 E型转辙机性能的对比数据

2.2 电机本体可靠性

（1）采用分数槽绕组结构，减小定子齿和磁极对齐几率，减小定子齿与转子磁极相吸而产生脉阻矩。

（2）电机转矩脉动的消除。无刷直流电机转矩脉动产生原因有齿槽效应、电枢反应等。前者可采用分数槽和扭斜定子磁极的方法来改善，后者可采用瓦形结构的磁极，并且适当加大气隙长度的方法。

（3）选用优质NSK轴承并使用耐高、低温的润滑脂以保证轴承的可靠性，保证了DWS6无刷直流电机在极端环境的可靠性。

（4）转子位置传感器主要由采集位置信号的霍尔元件和传递信号磁钢组成。磁钢与转轴采用键联接并粘接固化，外加钢套固定，保证位置检测可靠性。

2.3 位置传感器可靠性

转子位置传感器主要由采集位置信号的霍尔元件和传递信号磁钢（固定在转子后输出轴端）组成。

为了保证磁钢和转轴联接的可靠性，在磁钢与转轴使用键联接后，并粘接固化，外加钢套固定，保证了磁钢不会松动或偏移。

霍尔元件选用优质的美国进口器件，其工作环境温度范围为-40～+150℃；另一方面，为防止振动时霍尔线路板松动偏位或脱焊，为其设计了霍尔元件固定支架，选择能够耐高温和低温的材料，并保证了霍尔元件位置的准确性。

3 结束语

DWS6无刷直流电动机取消了电刷结构，消除了电刷结构产生的维护工作量和故障，设计中贯彻可靠性、安全性理念，采取多项措施，从元器件选型、筛选，到控制器、电机本体、位置传感器的设计过程，均考虑电机实际工况及现场环境的干扰、冲击、破坏等，满足ZD6转辙机电机的相关要求及规定，为ZD6转辙机提供了一种全新的免维护电机。

[1] 张琛．直流无刷电动机原理及应用[M]．北京：机械工业出版社， 2004.

[2] 谭建成．电机控制专用集成电路[M]．北京：机械工业出版社， 2005.

[3] 李钟明，刘卫国．稀土永磁电机[M]．北京：国防工业出版社，2000.