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真空有刷直流電動機換向可靠性

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文章附圖

在衛星及其他航天器運動機構的驅動中,有刷電動機由于其控制簡單、體積小、整體消耗費用低而受到普遍歡迎,其中應用最多的是天線及太陽電池陣的展開。美國、俄羅斯等航天技術處于領先的國家將有刷電動機用在一次性展開機構及相關非長期運行的運動機構中;通過可靠性增強后,機遇號和勇氣號火星探測器中也使用了有刷電動機進行主動輪的驅動。但有刷電動機要保證可靠工作,電流換向是關鍵。在惡劣環境中,特別是在真空中,電動機換向設計是否合理是大家關注的問題,參與換向的各部件的匹配和工作可靠性直接影響電機的壽命。本文主要討論在航天真空有刷!電動機研制中的換向設計,換向器與電刷匹配,特別是對不:同的電刷進行了對比和試驗,提出了改善電動機真空運行性能的初步方案并進行了驗證

1真空有刷電動機的換向可靠性

1.1換向原理

有刷電動機工作的原理決定了在電樞旋轉時,組成電樞繞組的元件將由一條支路轉入另一條支路,而此時為保證電樞產生的力方向不變,同一元件中的電流要改變方向,這過程稱為換向過程。在換向過程中,由于換向元件存在自感和互感,將產生電抗電勢;而換向元件切割電樞磁場則會產生運動電勢。理想情況下,兩電勢的合成電動勢為零,換向元件中的電流變化規律基本為一直線,電刷接觸面上電流密度分布均勻,換向良好。當合成的電動勢為正值時,將產生附加換向電流,使換向元件中電流改變方向的時刻向后推,造成延遲換向。若延遲強烈,則換向不良,換向結束,被電刷短路的換向元件瞬時斷開時,后刷邊常常會出現火花。另外,換向片間電壓過高也可能造成電位差火花,在換向不利的情況下還有可能在正、負電刷間形成電弧,產生電腐蝕。當火花超過一定程度,就有燒壞電刷和換向器的危險,使電動機不能正常工作。由此可知,在這一過程中除了電氣變化,電刷和換向器將進行快速地滑動接觸,所以換向實際也是一個復雜的機械電氣轉換過程。因此,為保證電刷與換向器間換向可靠,不僅在電參數上要合理設計,同時也要確保電刷與換向器機械接觸的可靠性,要注意電負荷、滑動摩擦的接觸壓力、潤滑情況及環境條件等。

1.2真空對換向可靠性的影響

通常電刷采用石墨,而換向器為銅基材料。在空氣中,氧氣和水氣同換向器中的銅結合,在換向器表面形成一層金屬氧化膜,使電刷和換向器表面的接觸電阻增加,減小了換向電流的變化量,有利于換向。雖然電刷摩擦作用有可能使62氧化膜破壞,但當電流流過后,滑動接觸面的溫度高,氧氣和水分又使新的氧化膜形成。而在真空中沒有氧氣和水氣,換向器表面不能形成氧化膜,使換向變差,火花引起的電腐蝕使電刷磨損嚴重;電刷的磨損加上真空下接觸面潤滑和散熱不良造成電刷和換向器滑動接觸也變壞,電機溫升增大,電流增加,換向變得更差,接觸面的機械磨損進一步加劇,形成惡性循環,直至電刷和換向器燒壞電機不能工作。另一,電刷本身所用材料及制造工藝造成其在真空中摩擦運動時出現粉化現象,造成工作時磨損嚴重,降低電機工作可靠性和壽命。

1.3改進措施和方法

(1)合理設計電機電性能和機械性能參數,包括繞組形式片間電壓、換向器線速度、電流密度、電刷和換向片寬度,以控制換向區域,減小換向合成電勢,降低電刷與換向器間的相對運動速度,改善換向和電刷磨損情況,提高電機可靠性和壽命。

(2)在加工時充分考慮換向器圓度和表面光潔度,保證電刷在換向器表面滑動順暢。

(3)選擇起弧電壓較高的材料作為電刷和換向器,以減小換向過程中產生的火花。

(4)在電刷中添加二硫化鉬等,以增加潤滑及耐磨性。最后,可通過在模擬真空和常態環境下對所采用電刷和換向器進行匹配試驗,找到最佳組合。中

2樣機研制和實驗

航天真空下使用的環境條件及電性能要求,根據上述設計方法研制有刷直流電動機樣機(Φ45mm×90mm)。研制過程中除了在電機設計加工制造上采取措施外,還特別考慮了電刷和換向器的匹配。由于通常采用的航空電刷在真空條件下磨損嚴重,短時間內發生失效,故專門研制了兩種電刷,以適應和滿足地面調試和高真空環境的實際使用需要。由于電機結構的設計,運轉時具體換向情況無法用眼睛觀察,因此采用示波器來觀察電動機電流波形發生的變化試驗環境條件為常態和熱真空狀態(13×103pa、-55℃~85℃),同種結構安裝不同電刷(分別是電刷1和電刷2進行試驗1圖2是常態下的電流波形圖3圖4是真空下的電流波形

實驗結果表明,兩種電機都通過了兩個循環的熱真空實驗,電機在運行尤異常,但從上運波形可以希出存在明顯不同:

(1)采用電1電在網種環定中性能變化不大,H□南波形比較穩定,試驗后復件能基本變化

(2)采電剛2電機在常態下溪向沒有電刷1好,且電流波形無神,觀察電寬伍變化明法;試驗后復性能有定的變化,其巾額定轉式下降較明法,恨據驗對比,選用電刷1電機行超高離空試驗{5.5xPa、?;?、常態和直狀點的常余式驗,樣機在試過中二f正常,試驗后樣亡能復測合

3結語

通過樣機試驗國,仁電別沒如下上采取羋旅后,點下電機換向大為改善,耒校明顯,特別是采廠專用研剖的兩種電刷M,真空下運行作能有明顯改善。電刷1過了超高翼空驗常和真空狀態的專的試驗驗證。




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