不同初始溫度條件下脈沖大電流直線電機滑動電接觸研究

康凱,周利

（1.中科院電工研究所；2.中國科學院大學，北京 100190）

脈沖大電流直線電機是通過脈沖大電流所產生的高電磁力推動金屬滑塊，形成極高的加速度，在較短的時間內獲得很大的動能。在整個系統中，采用幾十MJ甚至幾百MJ的電能作為初級能源，通過調制驅動電流的幅值和脈寬，驅動滑塊在幾萬個G的加速度運動，使滑塊在離開軌道時獲得數km/s的初速。在直線電機的驅動過程中，滑塊和軌道接觸表面不但存在相互摩擦、材料軟化、張力變形等力學現象，還存在電阻熱、電弧等一系列電學行為，導致該接觸面狀態發生變化。滑動電接觸狀態影響推進裝置的穩定性、初速度及系統效率，對脈沖大電流直線電機的研究具有重要意義。

本文通過對直線電機內部結構進行設計，將電加熱裝置引入電機內部，可對軌道進行預加熱處理，從而使電機驅動初始階段，軌道和滑塊就獲得一定的溫度。在滑塊型號、驅動電流保持一致的前提下，進行不同軌道初始溫度（15℃、50℃和100℃）條件下的電機啟動試驗。通過測量驅動電流、軌道端口電壓、滑塊速度、溫度等數據，并依此對不同初始溫度條件下的脈沖大電流直線電機的滑動電接觸狀態進行分析。

1 電機系統

脈沖大電流直線電機系統結構示意圖如圖1所示，由電機主體、脈沖電源系統、滑塊、控制系統、接地系統和測量系統組成。控制系統設置脈沖電源系統的放電時序、驅動電流匯入電機，滑塊受電磁力加速，直至脫離電機軌道，測量系統同時進行電壓、電流及速度信號的采集，完成一次驅動試驗。電機主體結構如圖2所示。

圖1 電機系統結構示意圖

圖2 電機主體結構圖

2 試驗及結果分析

2.1 試驗條件

實驗室室溫為15℃，通過加熱裝置對軌道進行預加熱，將軌道初始溫度分別加熱到50℃和100℃，并維持在預加熱溫度。

整個系統由最大儲能達3MJ的電容器組驅動，通過改變充電電壓的幅值來調節模塊儲能及輸出電流的大小。試驗充電電壓均為1800V，滑塊均采用經優化后的C型結構，質量約為42.3g，并保證滑塊安裝條件（預緊力、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 試驗結果分析

接觸電阻是反映滑塊和軌道滑動電接觸性能的一個重要指標，接觸電阻的大小和驅動電流、接觸面溫度、預緊力等因素有關。試驗所獲得的電機首端電阻曲線如圖3所示，可以看出接觸電阻是變化的。

在t=0時刻，滑塊與軌道的接觸形式屬于固態－固態金屬接觸，接觸壓力對接觸電阻的作用起主導地位，接觸壓力僅由初始預緊力提供，實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，同時伴隨著溫度上升滑塊表面材料會逐漸軟化，實際接觸面積持續增加，因此接觸電阻逐漸下降，直到A點達到最小值。

圖3 驅動電流和樞軌接觸電阻

在整個過程中，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，二是會造成電阻率增大。在A-B階段，驅動電流處于平頂期，接觸壓力幾乎不變，滑塊運動速度高，軌道溫升對接觸電阻的影響相互制約，所以接觸電阻變化較小。

在B-C時間段內，樞軌接觸阻抗逐漸增加。主要是由于驅動電流下降，C型滑塊兩翼間的電磁力變小，接觸壓力下降，當接觸壓力與材料軟化作用帶來的接觸面積增加效應不再明顯時，電阻率的增大效應逐漸占主導作用，使接觸電阻呈現近似線性增加的趨勢。

轉捩點P的變化主要是由于電流的下降引起的，電流下降一方面會使得處于液態金屬接觸狀態的滑塊和軌道的接觸應力下降，造成實際接觸面積減小，而另一方面電流下降會在接觸面上感應出反向渦流，將液態金屬從接觸面上拖拽出來，使接觸狀態惡化，因此P點亦稱之為接觸轉捩點。由圖4可以看出，不同初始溫度條件下，轉捩時刻會有所不同，初始溫度越高，轉捩點會延遲。

圖4 不同初始溫度條件下的接觸電阻

3 結語

接觸電阻大小主要受驅動電流和軌道和滑塊的溫度影響。溫度對接觸電阻的影響是兩方面的。而驅動電流影響接觸壓力的大小，通過改變樞軌接觸面積而改變接觸電阻大小，總的來說，在初始溫度100℃以內，接觸電阻受驅動電流的影響更大。

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