航空直流起動發電機換向火花抑制研究

摘 要：針對航空直流起動發電機大電流、高轉速產生的換向火花導致換向器表面高溫燒蝕換向片，同時換向火花產生的電磁輻射對飛行器的通訊系統造成干擾的問題，根據經典換向理論建立直流起發電機換向數學模型，從電磁優化和機械試驗兩個方面研究了換向火花的抑制措施。首先，從電磁角度研究主磁極計算極弧系數對電流換向的影響，當計算極弧系數為0.65時電機近似直線換向；當電刷覆蓋系數為2.41時，較小電抗電動勢降低了換向電流，同時對電機起動性能和發電性能影響忽略不計。然后，從機械結構角度對不同電刷材料和不同電刷壓力開展試驗，結果表明選取52 kPa的電刷壓力和TDQ52有芯柱電刷，脈動電壓從0.88 V降低到0.53 V，電機在起動和發電兩種狀態下的換向火花都顯著減小。所采取措施對于提高電機航空電源品質和延長電機使用壽命具有重要價值。

關鍵詞：直流起動發電機；換向火花；電磁優化；電刷壓力；電刷材料

DOI：10.15938/j.emc.2024.10.014

中圖分類號：TM35

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）10-0147-08

收稿日期： 2023-02-14

基金項目：國防科工局技術基礎研究項目（JSZL2022204A001）；1912項目

作者簡介：張命楊（1995—），男，碩士，研究方向為航空直流電機設計及其控制、永磁直流電機設計及控制；

陳 強（1974—），男，研究員，碩士生導師，研究方向為特種電機及風機技術；

彭輝燈（1991—），男，碩士，工程師，研究方向為微特電機設計與制造；

孫若蘭（1991—），女，碩士，工程師，研究方向為精密微特電機設計、三級式發電機設計及其控制；

施道龍（1988—），男，碩士，高級工程師，研究方向為航空航天起發電機設計與高溫高速永磁電機設計。

通信作者：陳 強

Study on commutation spark suppression of aviation DC starter-generator

ZHANG Mingyang^1，2， CHEN Qiang^1，2， PENG Huideng²， SUN Ruolan²， SHI Daolong²

（1.College of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China; 2.National Research Center of Precision Micro and Special Electrical Engineering Technology， Guizhou Aerospace Linquan Electric Machine Co.， Ltd.， Guiyang 550081， China）

Abstract：Aiming at the commutation sparks generated by the high current and high speed of the aviation DC starter generator， which cause high-temperature erosion of the commutator blades on the commutator surface， and the electromagnetic radiation generated by the commutation sparks interferes with the communication system of the aircraft， based on the classical commutation theory， the mathematical model of DC starter generator commutation was established， and the suppression measures of commutation spark were studied from two aspects of electromagnetic optimization and mechanical test.Firstly， the influence of the calculated polar arc coefficient of the main pole on the current reversal was studied from the electromagnetic point of view. When the calculated polar arc coefficient is 0.65， the motor is approximately rectilinear reversal. When the brush coverage coefficient is 2.41， the smaller reactance electromotive force reduces the commutation current， and the effect on motor starting performance and generation performance is ignored. Then， different brush materials and different brush pressures were tested from the perspective of mechanical structure. The results show that when 52 kPa brush pressure and TDQ52 core brush are selected， the pulsating voltage is reduced from 0.88 V to 0.53 V， and the reversing spark of the motor is significantly reduced in both starting and generating states. It is of great value to improve the quality of aviation power supply and prolong the service life of motor.

Keywords： DC starter-generator; commutation spark; electromagnetic optimization; brush pressure;brush material

0 引 言

航空直流起動發電機（aviation DC starter-generator，ADCSG）既能用作電動機拖動發動機起動，又可用作發電機為飛行器電氣系統提供電源，有效減輕飛行器總體重量，提高功率密度，在航空航天領域獲得廣泛應用^［1-4］。但是，隨著飛行高度增加，空氣濕度、氧氣含量都大幅下降，換向器表面氧化膜的損傷難以迅速修復，電弧息滅時間延長，換向火花顯著增加導致電機使用壽命降低^［5-6］，甚至直接損壞電機，給航空航天飛行器造成嚴重損失。直流電機換向火花實際上是電磁、熱、機械、化學、環境等因素相互影響的綜合結果^［7-8］，但文獻［9-10］研究表明，直流電機的換向火花主要受電氣和機械因素影響，其中電氣火花與電機電刷下的電流密度成線性相關，機械火花與電機的轉速、換向周期、換向裝置的結構相關。直流有刷電機換向火花導致的故障一直是國內外研究的難點，也是限制直流有刷電機大功率持續發展的關鍵問題。文獻［11-12］主要研究直流電動機換向故障的摩擦學機制，使用掃描電子顯微鏡研究換向器表面氧化膜結構粗糙度，發現故障電機換向器表面形成了球形磨損顆粒，對比正常使用的換向器表面無此結構，總結出均勻的氧化膜有利于換向。文獻［13］主要研究影響換向器和電刷的使用壽命、碳刷磨損的原因，以換向片和電刷間的摩擦系數為主要研究點，發現如果換向器表面氧化膜良好，換向片的摩擦系數可以降低到原來裸銅摩擦系數的10%;同時，摩擦系數隨著換向器溫度的升高而降低到一定程度，然后隨著換向器溫度的繼續升高而增加。文獻［14］介紹了電刷壓力、繞組形式、極弧系數對彈用永磁直流伺服電機換向區域的影響，單波繞組相比單疊繞組更有利于換向，不同的海拔高度需要選取不同極弧系數，但只是定性分析變化趨勢，缺少工程實踐數據證明。文獻［15-17］介紹了分辨電刷的特點，采用分辨電刷，不同刷辦之間接觸電阻增加了橫向電阻，使得換向元件在換向回路中電阻增大，從而減小換向電流達到改善換向的目的，但增大電阻會使得負載電刷壓降增大，因此針對具體應用場景需要選擇合適的電刷材料。文獻［18］主要介紹直流電機在運行過程中換向火花產生的部分原因，提供了解決措施的經驗總結。國內外關于換向的理論都局限于定性研究，沒有完整的數學理論推導換向火花的影響因素。

本文針對航空大功率ADCSG換向火花故障，建立換向電流的數學模型，通過有限元軟件仿真優化ADCSG主磁極極弧系數和電刷寬度，使得電機在起動性能和發電性能不變的前提下接近直線換向。最后，在一臺12 kW樣機上比較不同電刷壓力和不同電刷材料在起動和發電2種工況下的換向火花，為此類電機選取合適的電刷壓力和電刷材料提供指導。

1 直流起發電機換向

1.1 換向故障現象

ADCSG工作在航空缺水、缺氧環境中，電刷滑動接觸的換向器表面難以形成良好的氧化膜，失去氧化膜的潤滑和氧化膜的電阻作用，電刷與換向器之間摩擦系數增大，電刷使用壽命縮短，換向回路電阻減小導致換向電流增大，電刷下電弧熄滅時間延長，惡劣的飛行環境中換向火花逐步發展成環火，換向片出現高溫燒蝕翹片，如圖1所示，嚴重影響電機工作可靠性和壽命。

1.2 換向過程分析

電機轉子旋轉過程中，勵磁磁勢分布、氣隙的均勻程度及磁路的飽和狀況均會影響氣隙磁密，對換向線圈中的剩余電勢產生影響。主磁極下的氣隙磁通密度B（x）變化如圖2所示，在一個極距范圍內磁通^［19］為

Φ=∫B（x）ds=l_ef∫^τ2_－τ2B（x）dx=B_maxα^′_pτl_ef。（1）

式中：Φ為每極磁通；B_max為最大氣隙磁密；l_ef為電樞導體有效長度；τ為極距；α^′_p為極弧系數，表達式為

α^′_p=1τ∫^τ2_－τ2B（x）dxB_max=B_δavB_max=b^′_pτ。 （2）

其中B_δav為換向區域平均磁感應強度。

ADCSG繞組換向過程如圖3所示，線圈中變化的磁通及電流產生合成電勢∑e，忽略線圈自身微小電阻，換向線圈（圖3中粗線圈）、電刷和換向片構成一條閉合回路，列寫KVL方程并求解換向電流為：

（i_a+i）r₁－（i_a－i）r₂=∑e=e_r+e_k；（3）

i=i_ar₂－r₁r₁+r₂+∑er₁+r₂=i_a1－2tT_k+

∑er₁+r₂=i_L+i_k。（4）

式中：i為換向電流；i_a為非換向線圈電樞導體中電流；r₁、r₂分別為換向片1、2與電刷的接觸電阻；T_k為換向周期；i_L為直線換向電流；i_k為附加換向電流；e_r為線圈電抗電動勢；e_k為旋轉電動勢；e_r和e_k分別為^［20］：

e_r∝4ub_b+2βl_efλ_s×10^－6;（5）

e_k=2N_yB_δavl_efV_a。（6）

式中：u為虛槽數；b_b為電刷寬度；β為電刷覆蓋系數；λ_s為等效比漏磁導，一般取值在4～8 μH/m范圍內；N_y為換向元件匝數；V_a為電樞表面旋轉線速度。

1.3 換向火花抑制措施

換向火花產生是電磁、機械、熱力學等因素綜合影響的結果。由式（1）～式（6）可知，直線換向電流i_L取決于前刷邊和后刷邊的接觸電阻，而附加換向電流i_k不僅和這些電阻大小有關，還和換向線圈合成電勢大小及方向有關。因此，主要從電磁和機械兩方面采取措施抑制換向火花。選擇合適的主磁極計算極弧系數α^′_p電刷寬度，減小交軸電樞反應對主磁場的干擾。換向極繞組在換向區域建立一個換向磁場，使得換向元件在換向期間產生的電抗電勢e_r和旋轉電動勢e_k大小相等，方向相反。選取適當電刷材料、電刷壓力以減小振動引起的機械換向火花。

2 電磁優化有限元分析

采用有限元法對電機的運行工況進行仿真分析，電機基本參數如表1所示。仿真分析中，發電機狀態仿真環境溫度設置為65 ℃，電動狀態環境溫度設置為70 ℃。在Maxwell中建立電機二維仿真模型如圖4所示。

2.1 極弧系數對換向的影響

由式（2）可知，極弧系數過大導致換向區域減小，使得換向條件惡劣；極弧系數過小導致電機的磁通減小，使得電磁轉矩指標下降，同樣功率電機增大了體積。所以合適的極弧系數選擇對電機換向及其他性能指標設計非常重要。文獻［19］研究表明電機的計算極弧系數范圍為0.52～0.8較為合理，針對航空特殊環境下的直流起動發電機，分別取計算極弧系數0.55、0.65、0.75進行仿真，其電機的換向電流的變化如圖5所示。可以看出，當極弧系數取0.55時，電流在電刷后刷邊急劇變化，滯后換向在電刷后刷邊產生換向火花；當極弧系數取0.75時，超前換向在電刷前刷邊產生換向火花；當電機極弧系數為0.65時，電機接近直線換向，換向性能好。

2.2 電刷寬度對換向的影響

根據1.2節直流電機換向過程分析，當電刷寬度小于等于一片換向片寬度（對應β≤1）時，一對電刷下只有一個線圈換向，線圈中電流變化引起電抗電動勢及磁通變化引起的旋轉電動勢，但電刷電流密度較大，極易發熱導致換向惡性循環。當電刷同時覆蓋多片換向片（對應β≥3）時，不僅有上述2個電勢，還有相鄰換向線圈之間的互感電勢，由式（5）可知，電抗電動勢與電刷覆蓋系數同向變化，增加電刷寬度會導致并聯支路中有效線圈數減少，使得發電機輸出電壓不能滿足要求。因此，選擇合適的電刷寬度對于電機換向及工作性能至關重要。該直流起發電機的換向片寬度為5.8 mm，采用不同寬度電刷（b_b=10.6、14、17.4 mm，對應電刷覆蓋系數β分別為：1.82、2.41、3.0），針對電機的起動性能、發電性能進行仿真。

起動狀態下，輸入電壓22 V，負載轉矩40 N·m，電機起動性能仿真如圖6和圖7所示。

當電刷覆蓋系數β=1.82時，穩定轉速2 404 r/min，電樞電流703.8 A；當電刷覆蓋系數β=2.41時，穩定轉速2 466 r/min，電樞電流718.37 A；當電刷覆蓋系數β=3.0時，穩定轉速2 524 r/min，電樞電流747.9 A。由此可見，隨著電刷寬度增加，穩態轉速同向增加，電樞電流也增加。

發電狀態下，轉速設置8 000 r/min，勵磁電流4 A，發電功率12 kW。3種不同電刷寬度的輸出電壓仿真結果如圖8所示，可以看出，β=1.82時輸出電壓為31.12 V，β=2.41時輸出電壓為30.04 V，β=3.0時輸出電壓為29.29 V，電刷寬度增加后輸出電壓下降。

隨著電刷寬度增加，穩態轉速、電樞電流均同向增加，穩態轉速增加有利于拖動發動機由靜止到點火轉速，但是電樞電流增加會給換向增加負擔，且隨著電刷寬度增加，電機作為發電機狀態下的輸出端電壓減小，若要滿足飛機供電系統的電源電壓要求，則需要增加電樞繞組長度或電樞繞組匝數，必然導致電機重量和制造成本增加。電刷寬度17.4 mm相比14 mm時，起動狀態下的電樞電流更大，發電狀態下的端電壓更小。因此，綜合選擇電刷寬度為14 mm，即電刷覆蓋系數為2.41。

3 機械因素優化試驗

3.1 電刷壓力對換向的影響

電刷壓力過小會造成電刷與換向器表面接觸點變少，換向器表面無法形成均勻致密的氧化膜，電機運行時會產生較大換向火花。電刷壓力過大會破壞換向器表面氧化膜，同樣會產生較大的換向火花，加劇換向器與電刷磨損，電刷使用壽命縮短。選擇合適的電刷壓力對于電機換向和延長電機使用壽命都至關重要。

采用圖9所示的均勻恒壓力的蝸卷彈簧提供不同的電刷壓力（43、52、62、73.5 kPa），即使電刷磨損量增加，電刷本身長度逐漸減小，彈簧提供的電刷壓力也沒有變化。在圖10所示的專用試驗臺進行起動、發電試驗，對比不同壓力下脈動電壓、電刷磨損率及額定電壓的勵磁電流結果如表2所示。

由表2可以看出，增大電刷壓力后，額定電壓點的勵磁電流基本一致，43 kPa電刷壓力時最大脈動為0.88 V，剩余3種電刷壓力的脈動電壓幾乎相同，為0.53 V左右，較大的脈動電壓降低飛機電源品質，從電源電壓脈動角度考慮不宜選擇43 kPa電刷壓力的蝸卷彈簧；43 kPa電刷磨損率為0.49 mm/100 h，52 kPa較43 kPa電刷磨損率增加38%，62 kPa較52 kPa電刷磨損率增加69%，73.5 kPa較62 kPa電刷磨損率增加13%，將電刷壓力從52 kPa增加至62 kPa時，電刷磨損率出現很大的增幅，降低了電刷使用壽命，因此該型電機選用電刷壓力為52 kPa。

3.2 電刷材料對換向的影響

由式（3）、式（4）可知，增大換向回路電阻有利于減小換向電流。低電刷電阻率對于大電流作用下換向火花抑制不明顯，易產生電氣火花，高電阻率電刷在電機工作中產生較大電刷壓降，增加電刷損耗，故需要綜合考慮電刷材料。因此，選取不同的電刷D308、TDQ52、TD28G、J220分別安裝在起發電機上進行起動和發電試驗，4種電刷的參數如表3所示。觀察不同電阻率電刷對換向火花的抑制效果如圖11、圖12所示。

由圖11、圖12可知，當電機工作在起動狀態時，D308、TDQ52兩款高電阻率電刷的換向火花只是局部較小狀態，TD28G、J220兩款低電阻率電刷的換向火花較為明顯；當電機工作在發電狀態時，D308、TDQ52電刷未出現火花，TD28G、J220電刷依然有局部火花出現。從換向火花抑制效果看，該電機宜選用電阻率較大的電刷，但是D308電刷的電刷壓降大、摩擦系數大，增加了電刷損耗，相比TDQ52電刷降低了電機工作效率，同時有芯柱電刷TD52磨損產物中的碳粉及MoS₂等混合物在換向片間溝槽里面的堆積，相比純碳粉降低了破壞絕緣的概率，故該電機綜合選擇TDQ52有芯柱電刷。

4 結 論

本文針對航空直流起動發電機在高空環境中換向火花引起高溫燒蝕換向片問題，在一款已經安裝換向極和補償繞組的電機上，通過有限元電磁優化和樣機試驗對比研究，得出以下結論：

1）主磁極極弧系數為0.55時，電機出現滯后換向，極弧系數為0.75時，電機出現超前換向，在電刷前刷邊出現換向火花，極弧系數為0.65時，電機接近直線換向；

2）電機起動穩態轉速隨著電刷寬度增加而增加，同時電樞電流也會增加，使得換向負擔加重，電刷寬度增加使得發電狀態下的輸出端電壓減小。故此類電機的電刷覆蓋系數為2.41較為合理；

3）安裝電刷壓力為52 kPa直流起動發電機的發電脈動電壓為0.53 V，電刷壓力為43 kPa時脈動電壓為0.88 V，前者比后者降低66%，有利于減小換向片間電位差火花，同時提升發電狀態電源品質；電刷壓力為52 kPa時電刷磨損率為0.68 mm/100 h，電刷壓力為62、73.5 kPa時平均電刷磨損率為1.23 mm/100 h，前者比后者降低81%，有利于延長電機無檢修工作時間；

4）具有高電阻率的電刷D308、TDQ52相比低電阻率的電刷TD28G、J220，在起動狀態和發電狀態下都有更小的換向火花，對于此類電機選擇高電阻率的有芯柱電刷較為合理，但是D308號電刷壓降較大、摩擦系數較大，增加電刷損耗，降低了電機工作效率，故該型電機選擇TDQ52電刷。

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（編輯：邱赫男）