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        彈上用永磁直流伺服電動機(jī)換向火花改善研究

        2020-10-21 22:05:15周元森
        機(jī)電信息 2020年8期
        關(guān)鍵詞:換向器電刷

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

        關(guān)鍵詞:彈上永磁直流伺服電動機(jī);換向火花;電刷;換向器

        0 引言

        目前我國導(dǎo)彈武器系統(tǒng)正向著小型化、高精度、高機(jī)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(jī)系統(tǒng),彈上舵機(jī)系統(tǒng)通常選用永磁直流伺服電動機(jī)作為動力源。永磁直流伺服電動機(jī)(以下簡稱電機(jī))具有勵(lì)磁結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的特點(diǎn),其機(jī)械特性硬、起動轉(zhuǎn)矩大、效率高、響應(yīng)快、控制簡單的技術(shù)優(yōu)勢往往是其他種類電機(jī)無法替代的。

        彈上用永磁直流伺服電動機(jī)通常屬于功率密度高、具有強(qiáng)過載能力的有刷直流電機(jī),其電樞電流和過載電流越大,換向元件感應(yīng)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(yán)重時(shí)會燒毀電機(jī)。因此,研究如何改善該類電機(jī)的換向火花,對于保障型號配套任務(wù)具有重要意義。

        1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

        該類電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)主要由定子、前端蓋組件、后端蓋組件、電樞、電刷、軸承及標(biāo)準(zhǔn)件等組成。

        電機(jī)的主要功能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,為舵機(jī)系統(tǒng)的液壓泵提供動力。電機(jī)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(dāng)電機(jī)的電樞繞組施加電壓時(shí),在繞組內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的方向不變,從而使電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動負(fù)載。

        2 換向火花的產(chǎn)生機(jī)理

        直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí),旋轉(zhuǎn)的電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷進(jìn)入另一條支路時(shí),在被電刷短接的過程中,元件內(nèi)的電流從原來的方向轉(zhuǎn)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(yīng)電勢,即感應(yīng)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(shù)研究

        3.1? ? 電刷與換向器的匹配

        對于有刷直流電機(jī)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(xué)反應(yīng)形成的半導(dǎo)體性質(zhì)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(nèi)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(nèi)的電流,具有改善換向的作用,是直流電機(jī)正常運(yùn)行所不可缺少的。

        從電路的角度分析,電機(jī)的換向回路可以等效為一個(gè)由電動勢(換向元件感應(yīng)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(dāng)換向元件電阻一定時(shí),電刷與換向片的接觸電阻增大,有利于減小感應(yīng)合成電勢在換向元件中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流,感應(yīng)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。基于換向回路等效電路,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(nèi)的電阻,達(dá)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(jī)的換向火花。

        3.2? ? 電刷壓強(qiáng)

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

        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(jī)特殊的工作特點(diǎn),按電刷手冊推薦電刷壓強(qiáng)的1.5倍以上,選取4種電刷壓強(qiáng):450 g/cm2、600 g/cm2、700 g/cm2、800 g/cm2進(jìn)行換向條件改善攻關(guān)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

        試驗(yàn)結(jié)果表明:選取合適的電刷壓強(qiáng),有利于電刷與換向器形成良好的氧化膜,有利于抑制電機(jī)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(jī)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(jī)的力能指標(biāo),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(yàn),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(jī)的力能指標(biāo)會下降,電機(jī)的體積(重量)會增大;極弧系數(shù)越大,雖然有利于提高電機(jī)力能指標(biāo)和減小電機(jī)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(jìn)行多方案的建模仿真,仿真結(jié)果對比如表2所示。

        從表2的仿真結(jié)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(shí)間越短,抑制換向火花的能力越強(qiáng);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(jié)語

        本文是基于某型號彈上永磁直流伺服電動機(jī)開展的技術(shù)研究,所述的技術(shù)措施極大地改善了該電機(jī)在低氣壓環(huán)境條件下工作時(shí)的換向火花,從設(shè)計(jì)源頭保證了電機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的技術(shù)指導(dǎo)性,對于保障型號配套任務(wù)具有重要的意義。

        [參考文獻(xiàn)]

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        [3] 葉金虎.精密直流永磁電動機(jī)[M].北京:科學(xué)出版社,2017.

        [4] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

        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(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

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