電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)用無刷直流電動(dòng)機(jī)可靠性分析

宋 志

（西安鐵路信號工廠，西安 710048）

無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，而且運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗、無換向干擾及火花。目前，其被廣泛應(yīng)用于航空、航天、輕軌運(yùn)輸、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療器械等高端精密控制及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)場合，如衛(wèi)星姿態(tài)的控制、太陽能電池板的跟蹤控制、衛(wèi)星上泵的驅(qū)動(dòng)、軍用雷達(dá)、導(dǎo)彈及魚雷等。

DWS6無刷直流電動(dòng)機(jī)是針對ZD6轉(zhuǎn)轍機(jī)普通直流電機(jī)維護(hù)工作量大、故障率高的問題，而研制的免維護(hù)、免維修和高可靠性的新型電機(jī)。2006年通過了鐵道部技術(shù)評審。同年上道試用以來，性能穩(wěn)定，得到了用戶的一致好評。

1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和控制器組成。其定子同三相異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定的極對數(shù)組成。圖1中為三相兩極結(jié)構(gòu)，三相定子繞組分別與控制器中相應(yīng)的功率開關(guān)連接，位置傳感器轉(zhuǎn)子與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接。

1.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本原理

無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子是電樞繞組，轉(zhuǎn)子是永久磁鋼。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與永久轉(zhuǎn)子磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，電機(jī)控制系統(tǒng)據(jù)此控制開關(guān)線路，使定子各相繞組按一定順序?qū)ǎ鐖D2所示。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化，定子電流的方向就發(fā)生變化，它總是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，保證無刷電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

無刷直流電動(dòng)機(jī)是由開關(guān)線路、永磁同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器組成的一個(gè)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。這種電機(jī)取消了電刷，所以消除了與電刷有關(guān)的維護(hù)工作量和故障。另外，由于無刷直流電動(dòng)機(jī)采用稀土永磁材料作為磁極，節(jié)省了勵(lì)磁損耗，使電機(jī)效率大大提高，從普通直流電機(jī)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(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，其控制技術(shù)已完全成熟，系統(tǒng)可靠性進(jìn)一步提高。DWS6無刷直流電動(dòng)機(jī)元器件從設(shè)計(jì)選型至元器件老化篩選，均執(zhí)行高可靠性要求。在控制器的元器件選擇上，關(guān)鍵元器件降額系數(shù)定為0.3。根據(jù)“浴盆理論”，元器件全部經(jīng)過“三次篩選”，加嚴(yán)篩選條件。

2.1.2 設(shè)計(jì)中的可靠性措施

DWS6無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）電機(jī)在啟動(dòng)、堵轉(zhuǎn)、突然正反轉(zhuǎn)時(shí)，將產(chǎn)生很大的電流。為了保護(hù)電機(jī)及控制器，設(shè)計(jì)過電流保護(hù)及泄放回路，抑制了電機(jī)突然正反轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生大電流對控制模塊及相關(guān)線路的沖擊。

（2）電機(jī)的電源線是由電源屏輸出后，埋設(shè)于地溝再傳輸至電機(jī)，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(shè)有門限電壓限制，確保在電氣化區(qū)段不平衡牽引電流及磁場干擾時(shí)不會(huì)使電機(jī)誤動(dòng)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(wǎng)絡(luò)，對差模共模騷擾進(jìn)行抑制，因而對浪涌、電快速瞬變脈沖群、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)、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(shè)備電磁兼容性實(shí)驗(yàn)及其限制》規(guī)定的電磁兼容試驗(yàn)。

（4）在雷電防護(hù)方面，設(shè)計(jì)采用硅瞬態(tài)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(jié)，該P(yáng)N結(jié)工作在雪崩狀態(tài)時(shí)，具有很強(qiáng)的脈沖吸收功能。其具有動(dòng)作精度高，反應(yīng)時(shí)間快（<1 ns），殘壓低，無跟隨電流的優(yōu)點(diǎn)，在雷電防護(hù)中，有效地防止電源線路進(jìn)入的雷電干擾。

增大了霍爾元件與轉(zhuǎn)軸的爬電距離，使電磁及雷電干擾的可靠性得到進(jìn)一步提高。根據(jù)TB/T1477-2005要求，耐電壓值為2 000 V(50 Hz),該結(jié)構(gòu)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(jù)TB/T3074-2003《鐵道信號設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件》，完成了相關(guān)試驗(yàn)。

（5）為保證抗振動(dòng)性能，將控制器用環(huán)氧樹脂灌封。已通過了TB/T2613-2005《轉(zhuǎn)轍機(jī)試驗(yàn)方法》規(guī)定的振動(dòng)試驗(yàn)。

（6）減少電解電容失效后對電機(jī)的影響。電路中主濾波電容失效后，根據(jù)“故障-安全導(dǎo)向原則”，系統(tǒng)仍可正常動(dòng)作，性能指標(biāo)滿足鐵標(biāo)要求。表1為該電機(jī)在不同電容的情況下，E型轉(zhuǎn)轍機(jī)性能的對比數(shù)據(jù)。

表1 E型轉(zhuǎn)轍機(jī)性能的對比數(shù)據(jù)

2.2 電機(jī)本體可靠性

（1）采用分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，減小定子齒和磁極對齊幾率，減小定子齒與轉(zhuǎn)子磁極相吸而產(chǎn)生脈阻矩。

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的消除。無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生原因有齒槽效應(yīng)、電樞反應(yīng)等。前者可采用分?jǐn)?shù)槽和扭斜定子磁極的方法來改善，后者可采用瓦形結(jié)構(gòu)的磁極，并且適當(dāng)加大氣隙長度的方法。

（3）選用優(yōu)質(zhì)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(jī)在極端環(huán)境的可靠性。

（4）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸采用鍵聯(lián)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子后輸出軸端）組成。

為了保證磁鋼和轉(zhuǎn)軸聯(lián)接的可靠性，在磁鋼與轉(zhuǎn)軸使用鍵聯(lián)接后，并粘接固化，外加鋼套固定，保證了磁鋼不會(huì)松動(dòng)或偏移。

霍爾元件選用優(yōu)質(zhì)的美國進(jìn)口器件，其工作環(huán)境溫度范圍為-40～+150℃；另一方面，為防止振動(dòng)時(shí)霍爾線路板松動(dòng)偏位或脫焊，為其設(shè)計(jì)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(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

DWS6無刷直流電動(dòng)機(jī)取消了電刷結(jié)構(gòu)，消除了電刷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的維護(hù)工作量和故障，設(shè)計(jì)中貫徹可靠性、安全性理念，采取多項(xiàng)措施，從元器件選型、篩選，到控制器、電機(jī)本體、位置傳感器的設(shè)計(jì)過程，均考慮電機(jī)實(shí)際工況及現(xiàn)場環(huán)境的干擾、沖擊、破壞等，滿足ZD6轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)的相關(guān)要求及規(guī)定，為ZD6轉(zhuǎn)轍機(jī)提供了一種全新的免維護(hù)電機(jī)。

[1] 張琛．直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2004.

[2] 譚建成．電機(jī)控制專用集成電路[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.

[3] 李鐘明，劉衛(wèi)國．稀土永磁電機(jī)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2000.