艇用勵(lì)磁變阻器設(shè)計(jì)

師慧倩，汪 浩

艇用勵(lì)磁變阻器設(shè)計(jì)

師慧倩，汪 浩

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

根據(jù)用戶需求進(jìn)行艇用勵(lì)磁變阻器設(shè)計(jì)。根據(jù)功能需求，對(duì)電阻器、觸頭板及操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。溫升、壽命、沖擊、振動(dòng)等多組試驗(yàn)驗(yàn)證表明，變阻器可靠性高，耐機(jī)械磨損性能好，設(shè)計(jì)滿足客戶需求。

變阻器 電阻 操作機(jī)構(gòu)

0 引言

常用的變阻器有：滑線變阻器、滑動(dòng)觸頭式變阻器、磁場(chǎng)變阻器、勵(lì)磁變阻器等。勵(lì)磁變阻器經(jīng)常運(yùn)用于艦艇各電力系統(tǒng)中。本文所述勵(lì)磁變阻器，用于勵(lì)磁回路調(diào)速[1]，而該勵(lì)磁回路不允許開(kāi)路，因此，要求勵(lì)磁器變阻器具有很高的工作可靠性和使用壽命，對(duì)機(jī)械磨損、帶電轉(zhuǎn)換和調(diào)速平滑性等要求較高，特別是在艇用環(huán)境條件下，為縮小產(chǎn)品體積，往往采用變截面設(shè)計(jì)。

1 功能設(shè)計(jì)

1.1 功能要求

本文研究的勵(lì)磁變阻器用于艇用勵(lì)磁機(jī)組發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁回路中，通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器電阻來(lái)調(diào)節(jié)該勵(lì)磁回路的電流，從而改變勵(lì)磁機(jī)組發(fā)電機(jī)的輸出電壓（勵(lì)磁機(jī)組發(fā)電機(jī)為推進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁回路供電），最終實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

1.2 功能框圖

為增加勵(lì)磁變阻器操作可靠性，勵(lì)磁變阻器設(shè)計(jì)了兩種操作方式：手動(dòng)操作和電動(dòng)操作。手動(dòng)操作只能由人操作完成，無(wú)需帶電。電動(dòng)操作可通過(guò)上級(jí)系統(tǒng)指令進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)控制。功能框圖如圖1所示。

圖1 功能框圖

2 勵(lì)磁變阻器設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求，變阻器分為電阻器、觸頭、電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)及手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)四大部分。

2.1 電阻器設(shè)計(jì)

為滿足技術(shù)指標(biāo)要求的電阻調(diào)節(jié)范圍并為達(dá)到調(diào)速平滑要求，變阻器共設(shè)計(jì)101個(gè)阻值點(diǎn)，其中，每個(gè)阻值對(duì)應(yīng)一個(gè)觸頭。

為盡可能減小變阻器體積，電阻采用鎳銅合金絲繞制，并采取變截面設(shè)計(jì)。鎳銅合金絲具有電阻率大，阻值穩(wěn)定，不易受溫度變化影響的優(yōu)點(diǎn)。不同線徑的鎳銅合金絲性能如表1所示[2～3]。

表1 部分鎳銅合金線電阻值（20°C）

電阻設(shè)計(jì)采用表1中5種規(guī)格線徑，做成帶陶瓷絕緣件的鋼板形式，在它上面纏繞電阻絲，并用耐熱絕緣的銅導(dǎo)線把金屬電阻器接線端之間和觸頭板的觸頭之間連接起來(lái)。電阻組成如圖2所示。

圖2 金屬電阻

1-電阻絲；2-接線端子；3-鋼板；4-陶瓷絕緣件

金屬電阻器通過(guò)絕緣桿裝到框架上，且各組之間用絕緣套隔開(kāi)，從而保證了變阻器主回路具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的電氣絕緣性能。

圖3 電阻布置

1-固定架；2-絕緣桿與絕緣套；3-金屬電阻

2.2 操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)

電動(dòng)操作時(shí)給電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)（可正反轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)減速齒輪減速，然后帶動(dòng)電刷轉(zhuǎn)動(dòng)接通不同的觸頭，實(shí)現(xiàn)變阻器電阻值的調(diào)節(jié)。如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

為了使設(shè)計(jì)能夠滿足艇用環(huán)境耐沖擊振動(dòng)的指標(biāo)要求：電刷組件由螺釘固定，在沖擊振動(dòng)情況下不會(huì)上下擺動(dòng)；變阻器電動(dòng)操作功能由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，若由電刷帶動(dòng)減速齒輪反轉(zhuǎn)需要克服很大摩擦力，在沖擊或振動(dòng)狀態(tài)下電刷不會(huì)輕易沿軸擺動(dòng)；金屬電阻器以及觸頭板的接線均采用雙螺母方式加固。

變阻器的控制回路原理如圖5所示。

圖5 控制回路原理圖

當(dāng)增大變阻器阻值時(shí)，給接觸器KS線圈供電，接觸器KS的常開(kāi)觸頭閉合，常閉觸頭斷開(kāi)。此時(shí)由接觸器KS常開(kāi)觸頭和接觸器KM常閉觸頭組成的電機(jī)正轉(zhuǎn)回路接通，電機(jī)正轉(zhuǎn)并通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速后帶動(dòng)電刷移動(dòng)，增大變阻器電阻。當(dāng)阻值達(dá)到要求值時(shí)，切斷KS線圈供電。

同理，當(dāng)要減小變阻器阻值時(shí)，給接觸器KM線圈供電，電機(jī)反轉(zhuǎn)回路接通。

為了補(bǔ)充保護(hù)變阻器，在觸頭邊緣位置（阻值最大與最小處）設(shè)置終端開(kāi)關(guān)BK2和BK3，電刷上的凸輪可頂動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的杠桿使其觸點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而切斷電動(dòng)機(jī)供電回路，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

通過(guò)系統(tǒng)控制回路的各繼電器、接觸器的觸點(diǎn)以及轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的共同作用，在調(diào)節(jié)變阻器電阻至要求值時(shí)可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

2.2.2手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)

手動(dòng)操作時(shí)，將手柄壓到止檔位置，斷開(kāi)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，帶動(dòng)撥叉使電刷轉(zhuǎn)動(dòng)接通不同的觸頭，實(shí)現(xiàn)本變阻器電阻值的調(diào)節(jié)。

2.3 觸頭與電刷設(shè)計(jì)

勵(lì)磁變阻器阻值輸出是靠與電阻絲連接的觸頭與電刷接觸實(shí)現(xiàn)。101個(gè)觸頭呈圓形均布在觸頭板上。轉(zhuǎn)動(dòng)電刷，電刷接觸不同的觸頭，輸出不同的電阻。因此，觸頭和電刷應(yīng)選擇導(dǎo)電性能好，耐熔焊、磨損材料。借鑒已投入使用的產(chǎn)品，觸頭材料選擇耐磨損性能更好的黃銅，電刷選用導(dǎo)電性能更好的紫銅。已投入使用的產(chǎn)品觸頭與電刷材料數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電刷、觸頭材料對(duì)比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為確保產(chǎn)品性能，變阻器進(jìn)行了多項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目如表3所示。

表3 變阻箱試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目

3.1 溫升試驗(yàn)

勵(lì)磁變阻器按最大發(fā)熱功率工作點(diǎn)：電阻調(diào)至49.6 Ω，電流3.5 A進(jìn)行溫升試驗(yàn)，穩(wěn)定后測(cè)得溫升值如表4，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 溫升試驗(yàn)結(jié)果

3.2 壽命試驗(yàn)

3.2.1帶電轉(zhuǎn)換性能試驗(yàn)

模擬帶電使用工況，電壓設(shè)為320 V，外接電阻41.8 Ω，電感L0.6 H。手操轉(zhuǎn)電刷10次/分鐘，電操2次/分鐘往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)200次（手操50次，電操150次）后，沒(méi)有產(chǎn)生引起觸頭損壞的電火花且電刷磨損程度滿足要求。

3.2.2耐機(jī)械磨損性能

不帶電情況下：手操轉(zhuǎn)電刷10次/分鐘，電操2次/分鐘往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)10000次（電操2000次，手操8000次）后電刷磨損程度滿足要求。

壽命試驗(yàn)后變阻器零件無(wú)機(jī)械損傷，連接導(dǎo)線和零部件無(wú)松動(dòng)，且介電性能滿足要求。

3.3 環(huán)境試驗(yàn)

環(huán)境試驗(yàn)均委托第三方測(cè)試單位進(jìn)行檢測(cè)。

變阻器按GJB5A第4.7.20條進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，其中振動(dòng)上限頻率為26 Hz，沖擊錘沿3個(gè)互相垂直的主軸方向各施加3次。試驗(yàn)后變阻器無(wú)機(jī)械損傷，電動(dòng)操作功能仍可實(shí)現(xiàn)，阻值能夠平滑變化且符合設(shè)計(jì)要求，介電性能也滿足要求。

變阻器按照GJB5A第4.7.16條要求進(jìn)行濕熱試驗(yàn)。試驗(yàn)后，變阻器電鍍層腐蝕情況、涂覆層表面變化情況及介電性能均滿足要求。

鹽霧、霉菌試驗(yàn)采用同種材料和相同工藝的產(chǎn)品（某型母聯(lián)斷路器）試驗(yàn)報(bào)告作為支撐。

4 總結(jié)

本文根據(jù)勵(lì)磁變阻器功能需求，對(duì)勵(lì)磁變阻器各組成部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。電阻器的設(shè)計(jì)充分考慮了體積與阻值的穩(wěn)定性，選取多種規(guī)格線徑鎳銅合金絲作為電阻絲材料。在電動(dòng)操作與手動(dòng)操作的設(shè)計(jì)上，充分考慮了耐沖擊振動(dòng)性能指標(biāo)，采取多種加固方式。經(jīng)多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證表明產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 趙福自. 直流電機(jī)勵(lì)磁回路的保護(hù)[J]. 電世界, 1997, (3).

[2] 高低壓電器設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)小組. 高低壓電器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1971: 585-600.

[3] 林浩山. 康銅絲熱膨脹性能研究[J]. 廣西物理, 2004, (2).

Design of Excitation Rheostat for Submarine

Shi Huiqian, Wang Hao

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM546

A

1003-4862（2021）08-0053-03

2021-01-12

師慧倩（1989-），女，職稱。研究方向：船用勵(lì)磁變阻器設(shè)計(jì)。E-mail: 754493077@qq.com