摘要：簡要介紹了永磁直流伺服電動機的結構、工作原理及換向火花的產(chǎn)生機理，從電刷與換向器的匹配、電刷壓強、磁極極弧系數(shù)和繞組形式方面，研究了改善直流電機換向的技術，對于抑制電機的換向火花具有積極作用。

關鍵詞：彈上永磁直流伺服電動機;換向火花;電刷;換向器

0 引言

目前我國導彈武器系統(tǒng)正向著小型化、高精度、高機動性、高可靠性、飛行高度更高的方向發(fā)展，為了提高打擊精度和突防能力，在彈頭上安裝有舵機系統(tǒng)，彈上舵機系統(tǒng)通常選用永磁直流伺服電動機作為動力源。永磁直流伺服電動機（以下簡稱電機）具有勵磁結構簡單、體積小、重量輕的特點，其機械特性硬、起動轉矩大、效率高、響應快、控制簡單的技術優(yōu)勢往往是其他種類電機無法替代的。

彈上用永磁直流伺服電動機通常屬于功率密度高、具有強過載能力的有刷直流電機，其電樞電流和過載電流越大，換向元件感應合成電勢越大，越會加劇惡化其換向條件，換向火花也越大，甚至產(chǎn)生環(huán)火，嚴重時會燒毀電機。因此，研究如何改善該類電機的換向火花，對于保障型號配套任務具有重要意義。

1 電機結構及工作原理

該類電機的典型結構主要由定子、前端蓋組件、后端蓋組件、電樞、電刷、軸承及標準件等組成。

電機的主要功能是將電能轉化為機械能，為舵機系統(tǒng)的液壓泵提供動力。電機定子采用稀土磁鋼產(chǎn)生激磁磁場，電樞鐵芯上開有槽嵌入電樞繞組，當電機的電樞繞組施加電壓時，在繞組內就會產(chǎn)生電樞電流，該電流與定子激磁磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉矩，通過電刷與換向器的換向作用使在磁場中的電樞電流方向不變，即電磁轉矩的方向不變，從而使電機以一定的轉速驅動負載。

2 換向火花的產(chǎn)生機理

直流電機在運行時，旋轉的電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷進入另一條支路時，在被電刷短接的過程中，元件內的電流從原來的方向轉換為相反的方向，這一過程稱之為換向過程。換向元件中存在著電抗電勢和電樞反應電勢，即感應合成電勢，其阻礙換向元件中的電流變化，使換向過程延遲，電流換向瞬間釋放的能量會造成周圍空氣電離形成換向火花。

3 改善換向的技術研究

3.1? ? 電刷與換向器的匹配

對于有刷直流電機而言，電刷與換向器之間存在一層由銅、空氣、水分、石墨等發(fā)生化學反應形成的半導體性質的“碳膜”，即氧化膜。

氧化膜對電刷與換向器的滑動接觸是十分重要和有益的，首先使電刷與換向片之間的摩擦系數(shù)減小，起到很好的潤滑作用，使電刷能穩(wěn)定接觸，減小了電刷的磨損。其次，由于氧化膜電阻率較大，增加了電刷與換向器之間的接觸電阻，使它們之間的接觸電壓增加，能限制被電刷短路的元件內短路電流，改善了換向。最后，由于氧化膜的硬度高，使換向器磨損減少，延長換向器的使用壽命。

綜上所述，良好的氧化膜對電刷和換向器的摩擦具有潤滑作用，可限制短路元件內的電流，具有改善換向的作用，是直流電機正常運行所不可缺少的。

從電路的角度分析，電機的換向回路可以等效為一個由電動勢（換向元件感應合成電勢）、一定的電源（換向元件）、換向元件電阻以及電刷與換向片的接觸電阻組成的等效電路。當換向元件電阻一定時，電刷與換向片的接觸電阻增大，有利于減小感應合成電勢在換向元件中所產(chǎn)生的感應電流，感應電流越小則換向條件越好。換向器表面的氧化膜電阻率較大，可以增大電刷與換向器的接觸電阻?；趽Q向回路等效電路，選用高電阻率電刷，可以增大電刷與換向器的接觸電阻，即增大換向回路內的電阻，達到改善換向的目的。

綜上所述，選取合適的電刷型號與換向器材料匹配，有利于電刷與換向器形成良好的氧化膜，有利于改善電機的換向火花。

3.2? ? 電刷壓強

電刷與換向器是滑動接觸，施加于電刷的壓強要兼顧接觸穩(wěn)定與摩擦損耗小兩個方面的要求。彈上用永磁直流伺服電動機是斷續(xù)周期工作制，在低氣壓下連續(xù)工作轉速在9 000 r/min以上，具有連續(xù)工作時間短、轉速高的特點。

為提高電刷與換向器接觸穩(wěn)定性，改善換向條件，根據(jù)彈上電機特殊的工作特點，按電刷手冊推薦電刷壓強的1.5倍以上，選取4種電刷壓強：450 g/cm2、600 g/cm2、700 g/cm2、800 g/cm2進行換向條件改善攻關驗證，試驗結果如表1所示。

試驗結果表明：選取合適的電刷壓強，有利于電刷與換向器形成良好的氧化膜，有利于抑制電機的換向火花。

3.3? ? 磁極極弧系數(shù)和繞組形式

根據(jù)不同的彈上舵機系統(tǒng)提出的工作海拔高度，需要有針對性地采取不同的磁極極弧系數(shù)和繞組形式。為了提高電機的力能指標，避免造成磁極間漏磁增大惡化換向條件，根據(jù)工程經(jīng)驗，磁極極弧系數(shù)一般取0.7，極弧系數(shù)越小，雖然使磁極間換向區(qū)域增大，更有利于換向，但是電機的力能指標會下降，電機的體積（重量）會增大;極弧系數(shù)越大，雖然有利于提高電機力能指標和減小電機體積（重量），但是會使換向區(qū)域減小，換向條件惡化。利用Ansys Maxwell分析軟件對不同的繞組形式（每元件匝數(shù)）和極弧系數(shù)進行多方案的建模仿真，仿真結果對比如表2所示。

從表2的仿真結果可知：換向區(qū)域越寬，則換向元件電抗電勢波形越窄，電刷滅弧的時間越短，抑制換向火花的能力越強;單波繞組在抑制換向火花方面優(yōu)于單疊繞組;每元件匝數(shù)越少，則換向元件電抗電勢越小，電流換向瞬間釋放的能量越小，即換向火花越小。合適的極弧系數(shù)和繞組形式有利于優(yōu)化電刷與換向器的換向條件，改善換向火花。

4 結語

本文是基于某型號彈上永磁直流伺服電動機開展的技術研究，所述的技術措施極大地改善了該電機在低氣壓環(huán)境條件下工作時的換向火花，從設計源頭保證了電機的高功率密度性能和高可靠性。本文取得的研究成果對于彈上永磁直流伺服電動機的設計具有很強的技術指導性，對于保障型號配套任務具有重要的意義。

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收稿日期：2020-03-01

作者簡介：周元森（1992—），男，貴州金沙人，助理工程師，從事微特電機設計研發(fā)工作。