彈上用永磁直流伺服電動機換向火花改善研究

摘要：簡要介紹了永磁直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)、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(shù)，對于抑制電機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;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(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的特點，其機械特性硬、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(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(wù)具有重要意義。

1 電機結(jié)構(gòu)及工作原理

該類電機的典型結(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。

電機的主要功能是將電能轉(zhuǎn)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(dāng)電機的電樞繞組施加電壓時，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，從而使電機以一定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動負(fù)載。

2 換向火花的產(chǎn)生機理

直流電機在運行時，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，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(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，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(zhuǎn)速在9 000 r/min以上，具有連續(xù)工作時間短、轉(zhuǎn)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(jìn)行換向條件改善攻關(guān)驗證，試驗結(jié)果如表1所示。

試驗結(jié)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(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，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(biāo)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(biāo)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(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(jié)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(shù)研究，所述的技術(shù)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(shè)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(shè)計具有很強的技術(shù)指導(dǎo)性，對于保障型號配套任務(wù)具有重要的意義。

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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(shè)計研發(fā)工作。