康凱,周利

（1.中科院電工研究所；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190）

脈沖大電流直線電機(jī)是通過(guò)脈沖大電流所產(chǎn)生的高電磁力推動(dòng)金屬滑塊，形成極高的加速度，在較短的時(shí)間內(nèi)獲得很大的動(dòng)能。在整個(gè)系統(tǒng)中，采用幾十MJ甚至幾百M(fèi)J的電能作為初級(jí)能源，通過(guò)調(diào)制驅(qū)動(dòng)電流的幅值和脈寬，驅(qū)動(dòng)滑塊在幾萬(wàn)個(gè)G的加速度運(yùn)動(dòng)，使滑塊在離開軌道時(shí)獲得數(shù)km/s的初速。在直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，滑塊和軌道接觸表面不但存在相互摩擦、材料軟化、張力變形等力學(xué)現(xiàn)象，還存在電阻熱、電弧等一系列電學(xué)行為，導(dǎo)致該接觸面狀態(tài)發(fā)生變化?；瑒?dòng)電接觸狀態(tài)影響推進(jìn)裝置的穩(wěn)定性、初速度及系統(tǒng)效率，對(duì)脈沖大電流直線電機(jī)的研究具有重要意義。

本文通過(guò)對(duì)直線電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將電加熱裝置引入電機(jī)內(nèi)部，可對(duì)軌道進(jìn)行預(yù)加熱處理，從而使電機(jī)驅(qū)動(dòng)初始階段，軌道和滑塊就獲得一定的溫度。在滑塊型號(hào)、驅(qū)動(dòng)電流保持一致的前提下，進(jìn)行不同軌道初始溫度（15℃、50℃和100℃）條件下的電機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)電流、軌道端口電壓、滑塊速度、溫度等數(shù)據(jù)，并依此對(duì)不同初始溫度條件下的脈沖大電流直線電機(jī)的滑動(dòng)電接觸狀態(tài)進(jìn)行分析。

1 電機(jī)系統(tǒng)

脈沖大電流直線電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由電機(jī)主體、脈沖電源系統(tǒng)、滑塊、控制系統(tǒng)、接地系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)設(shè)置脈沖電源系統(tǒng)的放電時(shí)序、驅(qū)動(dòng)電流匯入電機(jī)，滑塊受電磁力加速，直至脫離電機(jī)軌道，測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行電壓、電流及速度信號(hào)的采集，完成一次驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)。電機(jī)主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電機(jī)主體結(jié)構(gòu)圖

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)室室溫為15℃，通過(guò)加熱裝置對(duì)軌道進(jìn)行預(yù)加熱，將軌道初始溫度分別加熱到50℃和100℃，并維持在預(yù)加熱溫度。

整個(gè)系統(tǒng)由最大儲(chǔ)能達(dá)3MJ的電容器組驅(qū)動(dòng)，通過(guò)改變充電電壓的幅值來(lái)調(diào)節(jié)模塊儲(chǔ)能及輸出電流的大小。試驗(yàn)充電電壓均為1800V，滑塊均采用經(jīng)優(yōu)化后的C型結(jié)構(gòu)，質(zhì)量約為42.3g，并保證滑塊安裝條件（預(yù)緊力、滑塊初始位置）及軌道表面條件（間距、表面粗糙度）基本一致。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

接觸電阻是反映滑塊和軌道滑動(dòng)電接觸性能的一個(gè)重要指標(biāo)，接觸電阻的大小和驅(qū)動(dòng)電流、接觸面溫度、預(yù)緊力等因素有關(guān)。試驗(yàn)所獲得的電機(jī)首端電阻曲線如圖3所示，可以看出接觸電阻是變化的。

在t=0時(shí)刻，滑塊與軌道的接觸形式屬于固態(tài)－固態(tài)金屬接觸，接觸壓力對(duì)接觸電阻的作用起主導(dǎo)地位，接觸壓力僅由初始預(yù)緊力提供，實(shí)際接觸面積小于宏觀接觸面積，所以接觸電阻較大。隨著電流的增加，電磁力增加，接觸壓力逐漸增大，同時(shí)伴隨著溫度上升滑塊表面材料會(huì)逐漸軟化，實(shí)際接觸面積持續(xù)增加，因此接觸電阻逐漸下降，直到A點(diǎn)達(dá)到最小值。

圖3 驅(qū)動(dòng)電流和樞軌接觸電阻

在整個(gè)過(guò)程中，滑塊由于受大電流加熱作用，溫度一直保持上升，而溫度升高對(duì)接觸電阻有兩方面影響，一是能使接觸面材料軟化增大接觸面積而減小接觸電阻，二是會(huì)造成電阻率增大。在A-B階段，驅(qū)動(dòng)電流處于平頂期，接觸壓力幾乎不變，滑塊運(yùn)動(dòng)速度高，軌道溫升對(duì)接觸電阻的影響相互制約，所以接觸電阻變化較小。

在B-C時(shí)間段內(nèi)，樞軌接觸阻抗逐漸增加。主要是由于驅(qū)動(dòng)電流下降，C型滑塊兩翼間的電磁力變小，接觸壓力下降，當(dāng)接觸壓力與材料軟化作用帶來(lái)的接觸面積增加效應(yīng)不再明顯時(shí)，電阻率的增大效應(yīng)逐漸占主導(dǎo)作用，使接觸電阻呈現(xiàn)近似線性增加的趨勢(shì)。

轉(zhuǎn)捩點(diǎn)P的變化主要是由于電流的下降引起的，電流下降一方面會(huì)使得處于液態(tài)金屬接觸狀態(tài)的滑塊和軌道的接觸應(yīng)力下降，造成實(shí)際接觸面積減小，而另一方面電流下降會(huì)在接觸面上感應(yīng)出反向渦流，將液態(tài)金屬?gòu)慕佑|面上拖拽出來(lái)，使接觸狀態(tài)惡化，因此P點(diǎn)亦稱之為接觸轉(zhuǎn)捩點(diǎn)。由圖4可以看出，不同初始溫度條件下，轉(zhuǎn)捩時(shí)刻會(huì)有所不同，初始溫度越高，轉(zhuǎn)捩點(diǎn)會(huì)延遲。

圖4 不同初始溫度條件下的接觸電阻

3 結(jié)語(yǔ)

接觸電阻大小主要受驅(qū)動(dòng)電流和軌道和滑塊的溫度影響。溫度對(duì)接觸電阻的影響是兩方面的。而驅(qū)動(dòng)電流影響接觸壓力的大小，通過(guò)改變樞軌接觸面積而改變接觸電阻大小，總的來(lái)說(shuō)，在初始溫度100℃以內(nèi)，接觸電阻受驅(qū)動(dòng)電流的影響更大。

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