基于恒流充電的電磁鉚接設備充電系統研究

李家丁， 鄧將華， 曾明海

（1.福建林業職業技術學院， 福建 南平 353000； 2.福州大學， 福建 福州 350108）

0 引言

隨著各國對太空發展戰略的重視， 深空探索已成為人們關注的焦點，對航天器的性能也提出了更高的要求，不僅要求航天器小型化、精密化、整體化，而且要求抗疲勞、抗腐蝕、長壽命[1]。 而復合材料和鈦鉚釘因具有質輕、性能穩定和長壽命等優點，很好地滿足了未來航天器性能要求，比如碳纖維復合材料耐酸堿腐蝕，密度為鋼的1/5，鋁合金的1/2，拉伸強度相當于鋼的10 倍，經特殊處理后耐溫可高達2000℃， 鈦合金密度僅為鋼的60%， 可在450～500℃下穩定工作工作，波音787 機身上使用復合材料和鈦合金的比例高達50%，相比傳統的鋁制設計，其重量下降了20%[2-3]。 但復合材料價格較昂貴，傳統的鉚接工藝容易造成損傷和分層，并且很難修復，只能更換，鈦合金鉚釘熱強度高，變形系數小，所以急需一種新型的鉚接工藝[3]。

電磁鉚接技術由于加載速率快、釘桿變形均勻、鉚接質量好、適用于復合材料和鈦合金的鉚接等優點，在國外已被應用于航空航天器制造領域[4]。 但我國對于電磁鉚接技術研究時間較晚[5]，加之國外對先進技術的保密封鎖，致使我國對電磁鉚接設備充、放電系統研究還不夠系統，所研制的設備尺寸大、結構笨重、不易搬運和操作[6]，不能較好地攻克充電系統充電耗時的問題， 鉚接工作通常只能實現間歇性鉚接，鉚接間隔等待時間較長，影響了鉚接效率，所以大大的限制了該技術的廣泛應用。

1 電磁鉚接設備充電系統工作原理

電磁鉚接設備的工作原理見圖1，分為電磁鉚接設備充電系統與鉚槍兩部分， 充電系統主要是通過充電回路對電容器進行充電[7]，電壓充到指定值后斷開該回路，而后在放電系統中閉合放電開關[8-9]，電容器對線圈進行放電， 由于線圈與驅動銅片之間的電磁感應會產生很大的電磁排斥力[10]，一方面推動線圈向后運動作用于減振裝置， 另一方面推動驅動銅片和放大器向前運動作用于鉚釘，致使鉚釘鐓粗形變，最終完成板材之間的鉚接。

圖1 電磁鉚接工作原理示意圖[6]

電磁鉚接設備充電系統是電磁鉚接設備的電源部分， 可簡化為如圖2，U0為外部供電電源電壓，R 為限流電阻，其作用是限制充電系統回路電流，KM1 為充電控制開關，C 為電容器，Uc為電容器兩端電壓。 當閉合充電控制開關后，外部供電電源通過限流電阻后，對串接在電路中的電容器進行充電， 當電容器兩端電壓到達預設電壓后，斷開控制開關，充電系統完成一次充電任務。

圖2 電磁鉚接設備充電系統示意圖

電磁鉚接設備充電系統回路可看作是RC 回路，由KVL 定律可知：Ri+Uc=U0。

2 電磁鉚接設備充電系統仿真分析

電磁鉚接設備充電系統中因高壓脈沖電容容值小、體積大、電壓高、對絕緣性能要求嚴格，所以通常選用的是電解電容。 電解電容容值大，體積小，較易便可做到幾千微法，所需工作電壓較低，一般只有幾百伏，很好的滿足了電磁鉚接設備需要。 本文所研究的是22000MFD450VDC電容，即標稱容量22000μF，額定工作電壓450V，圓柱形，耐溫-40℃～105℃的鋁電解電容。 為保證使用安全和延長壽命，電壓常控制在400V 以內，室溫下工作。

目前充電模式普遍采用恒壓和恒流，恒壓充電通常是借助變壓設備和整流裝置對充電電壓進行變壓和整流，然后串接限流電阻再對電容器進行充電， 其特點是充電速度較快、可自動調整充電電流，但充電初始階段電流非常大，而后隨電壓升高，電流減小，會對電解電容造成很大的電流沖擊，長期充放電則會大大的降低電解電容的使用壽命和性能。

恒流充電是通過接入恒流電源給電容器充電， 其特點是充電電流是恒定的， 給電容器充電時不會對電容造成較大的電流沖擊， 只需檢測電容器兩端電壓便可以判斷是否充到預設值，然后斷電即可，充電精準、速度快、效果較好，充電過程便于實現自動化控制。

根據前期電磁鉚接設備的研究可知， 鉚接設備既要滿足小型化、輕量化，又要具有工程實用性，能量最好不低于12kJ，鉚接速度最好不低于10 次/min[1，6]，才能滿足實際需要。因此本文在基于恒流充電的前提下，對多組電容進行充電仿真分析， 而后在采用試驗加以驗證仿真結果的可行性。

圖3 充電系統電容組連接方式

由電容充電時間計算公式可知：T=UcC總/I，當以8 個電容全并聯進行充電， 電壓最大值設400V， 則UcC總=70.33A·s，當以8 個電容每兩個串聯后再并聯進行充電，電壓最大值設800V，則UcC總=35.2A·s，當以9 個電容每三個串聯后再并聯進行充電， 電壓最大值設1200V，則UcC總=26.4A·s， 當以8 個電容每四個串聯后再并聯進行充電，電壓最大值設為1600V，則UcC總=17.6A·s。 同時為了滿足工業實用性，鉚接速度不低于10 次/分鐘，那么充放電周期至少不慢于6s/次，通過公式：I=UcC總/T 初步計算可知， 恒流源的電流至少不低于所有電容全并聯充電的11.73A，每兩個串聯后再并聯的5.87A，每三組電容串聯后并聯的4.4A，每四個串聯后再并聯的2.933A。

從上述數值求解及Multisim 仿真結果如圖4 可知，當使用相同規格的恒流電源對上述不同電容組合方式進行充電時發現， 相比于每兩個電容串聯后再并聯充電時間是8 個電容全并聯充電所用時間的約1/2，縮短充電時間非常顯著， 每三個電容串聯后再并聯所縮短的充電時間不是很明顯， 每四個電容串聯后再并聯充電時間也大為縮短。雖然充電時間縮短是設備迫切需要的，但充電電壓提高一方面對設備絕緣性能要求也隨之增加， 另一方面串聯上多個電容之后， 極易造成各電容間分壓不均現象，且串聯的電容數量越多，分壓不均現象越顯著，輕則縮短電容使用壽命， 嚴重的可能會導致個別電容超過耐壓值而損壞。 因此綜合設備結構尺寸、絕緣性能、充電時間、 充放電能量等因素考慮， 確定以8 個電容每兩個串聯后在四個并聯組合進行充電是比較理想的選擇， 充電電流可以設置為恒流源3～8A，0～850V 可調。

圖4 恒流源對不同電容組連接方式充電時間和電壓仿真結果

3 試驗

結合數值求解和仿真結果開展試驗， 選用8 個22000MFD450VDC 電容，按每兩個電容串聯后再進行并聯充電，恒流源選用3～8A 可調，最高充電電壓850V，顯示和控制部分采用觸摸屏、PLC、 接觸器來實現充電回路的控制。 應用數字電橋測量各電容實際容值和示波器測量充電電流和電壓，每組值測量3 次后取平均值，所用測量設備和測得數值如圖5、表1，所用恒流源和電容組及每兩個電容串聯后再并聯仿真和實際充電曲線見圖6 和圖7。

圖5 所用測量設備

表1 8 個22000MFD450VDC 電容實測容值和對應電壓

圖6 所用恒流源和電容組

圖7 每兩個電容串聯后再并聯仿真和實際充電曲線

從測試結果可知，設定恒流源充電電流8A 對電容組充電試驗結果和仿真結果基本一致，充電到設定電壓800V時，每兩個串聯后再并聯電容組實際充電所用時間為4.09s，設備能量12.75kJ， 仿真所用時間為4.41s，設備能量14.08kJ，可以實現單次或多次連續充放電，每次電容組充放電時間約為4.3s 均短于6s，因此不論是充電時間還是設備能量均能滿足工程實際需要。 但測試結果也不難發現，電容標稱容值和實測容值存在一定差異，這可能是因為電容的加工制造工藝、放置時間、環境溫度、工作電壓等引起的偏差，各電容的偏差均在允許偏差KII 級（±10%）范圍內，不同電容間實測容值偏差小于5%， 因此還是合格的；各電容間的最大電壓偏差由（Ucmax-Ucmin）/Ucmax×100% 可知為2.58%＜5%，雖然在允許范圍之內，但是長期充放電必然會導致，串聯電容間電壓差不斷擴大，最終導致設備能量降低，更有甚者，可能會使得個別電容超過耐壓值而損壞。經過試驗研究發現，可以考慮將實測電容容量值相近的兩個電容串聯在一起使用，這樣既可以保證設備能量，又可以盡可能的降低電容間的電壓偏差，充電使用效果更佳。

將上述電磁鉚接設備充電系統搭配電磁鉚槍， 設備參數如表2 所示，對?8mm 1040 鋁鉚釘開展鉚接試驗。

表2 電磁鉚接設備充電系統和電磁鉚槍參數

鉚接效果見圖8，當設備充電電壓為450V 時實施放電鉚接，鋁鉚釘出現明顯變形鐓粗， 通過查閱鉚釘鐓頭標準成形尺寸可知，當充電電壓為700～750V 實施放電鉚接，已能完全滿足?8mm 1040 鋁鉚釘的鉚接成形要求。

圖8 1040 鋁鉚釘鉚接

4 結論

本文基于恒流充電對電磁鉚接設備充電系統進行原理分析，借助仿真手段對多種電容器組合方式進行仿真，并結合行業要求對電磁鉚接設備充電系統進行設計，經過仿真和試驗，在忽略一定測量誤差的前提下，采用3～8A，0～850V 恒流源，充電電流設為8A，對8 個22000MFD450VDC電容器每兩個串聯后再并聯進行充電到設定電壓800V，所需時間僅需4.09s，設備能量12.75kJ，可實現單次或多次連續充放電， 電容間電壓偏差小于5%； 設備充電電壓在700～750V 可完成?8mm1040 鋁鉚釘的鉚接工作， 對我國航空航天器研制具有較好的工程實用價值。