新型空间大功率滚环热分析

刘自立 侯欣宾 王立 秦晓刚 宋晨飞

(1 钱学森空间技术实验室，北京 100094) (2 真空技术与物理国家级重点实验室，兰州 730000) (3 河南科技大学材料工程学院，河南洛阳 471003)

新型空间大功率滚环热分析

刘自立1侯欣宾1王立1秦晓刚2宋晨飞3

(1 钱学森空间技术实验室，北京 100094) (2 真空技术与物理国家级重点实验室，兰州 730000) (3 河南科技大学材料工程学院，河南洛阳 471003)

首先，针对航天器的大功率、低损耗、长寿命等要求，详细介绍新型滚环模块化、多滚动摩擦滚子、协同运动等典型结构特征；然后，针对空间滚环大功率、长寿命带来的热设计问题，建立接触电阻模型、滚动摩擦力矩模型，理论分析计算了空间滚环设计方案参数条件下的电阻、滚动摩擦热；最后，利用有限元技术，对真空环境中的单通道滚环，在传输不同电流情况下的稳态温度场进行仿真分析。为改善滚环的热特性以进一步提高传输功率，从结构设计、材料等方面给出了建议并指出后续的研究方向。

大功率滚环；电阻热；滚动摩擦热；热分析

1 引言

随着空间技术的快速发展，人类探索太空和开发空间资源的步伐逐渐加大，对于航天器的供电要求不断提升，我国正在研制的空间站[1-2]的供电需求将达到40 kW以上、未来的扩展供电需求可能达到100 kW，而更为长远的空间太阳能电站的供电需求将达到MW级甚至GW级[1-10]。由于运行轨道的特性，在空间运行的航天器的太阳能电池阵必须连续旋转以实现对太阳跟踪，对应轨道周期，其转速约为90 min/r(低地球轨道)或者24 min/r(地球静止轨道)，因此必须采用可以连续旋转的大功率导电装置(也称为导电旋转关节)实现太阳电池阵与航天器本体间的电力传输。

目前，卫星上的旋转导电装置主要采用滑环式结构，利用电刷和导电环环片之间的滑动电接触来传输功率，由于滑动载流摩擦副存在磨屑积累、接触电阻相对较高、驱动力矩大等固有缺陷，已成为制约大功率、长寿命航天器发展的关键瓶颈之一。

对应于目前广泛应用的滑环式导电旋转装置，滚环式导电旋转装置由球轴承和电传输技术演变而来，受滚动轴承高精度、低磨损的启发，研究人员开发出滚环式导电旋转关节，它主要由内环、外环、滚动联结器构成。滚环核心是用滚动摩擦代替滑动摩擦，从而大幅降低了摩擦力矩，进而减少磨损和磨屑积累。20 世纪80 年代, Terry Allen，Peter Jacobson 等美国学者发明了滚环。随后,基于“国际空间站”上的功率传输的迫切要求,由美国NASA的刘易斯研究中心资助，开始研发大功率滚动汇流环技术,其功率可达到数百千瓦，并通过空间站在轨验证(65.5 kW)。滚环具有长寿命、低损耗、高传输功率、低电噪声和高速度稳定性等方面的优势，使其成为空间高功率电能传输的必然选择[11-14]。同时，滚环在无人机、防空雷达、预警天线、大型航天器空间设施等领域也具有极高的应用价值。

国外以NASA为代表的研究机构对于滚环技术持续关注，研发出满足不同需求的系列产品，典型空间应用的滚环最高电压约为500 V，最大传递功率约为65.5 kW，但针对空间应用的滚环核心技术一直处于封锁状态。国内关于滚环的研究处于起步阶段[15-16]，针对大功率、长寿命滚环亟需解决的热设计问题，诸如结构热设计、滚环热源构成以及分析计算与仿真方面的研究鲜有报道。本文从结构设计入手，通过模块化以及多滚子协同运动等方式提高滚环的传输功率，全面地分析了大功率滚环的热源构成以及比重，从工程角度给出了回路电阻的简化计算模型，以为后续滚环设计、试验提供参考。

2 空间大功率滚环原理及典型结构特征

为适应空间太阳能电站等大功率航天器(设施)的功率传输需求，采用组合模块(多通道)、高电压(500 V)设计，每个通道内增加弹性环数量以提高电流传输值。

为了实现滚动电接触，滚环主要由内、外导电环以及多个弹性环和惰轮构成，弹性环通过一定的径向变形与内、外导电环保持合理的接触压力，通过多个弹性环和惰轮形成一个高精度的滚动系统，弹性环和内、外导电环之间构成滚动载流摩擦副，从而实现内外导电环稳定的电接触，确保在相互转动下电功率的连续传输。以下是一种大功率滚环设计方案及特征。

1)薄壁弹性环及协同运动机构设计

为减小导体电阻，滚动联结器采用薄壁弹性环结构，弹性环通过自身弹性变形产生预紧力，实现与内外环的稳定接触，确保在相互转动下电功率的连续传输，如图1所示。为进一步降低回路电阻减少热损耗以提高电能传输效率，在内外环形成的导电回路之间并联多个弹性环，为防止运动过程中的相邻弹性环发生碰撞、错位，提高协同运动精度，每弹性环之间设计了惰轮及其运动轨道，如图2所示。

图1 空间大功率滚环Fig.1 Space huge-power roll-ring

图2 惰轮轨道Fig.2 Path of idler

2)模块化设计

为提高滚环电能传输能力，进行模块化设计，根据不同功率需求，可组合多个导电回路。如图3所示，为单通道滚环的物理模型，关键结构件包括内环、外环、弹性环和惰轮，为提高电流传输能力，每一通道设计包括10个薄壁弹性环。为保证相邻两弹性环之间不发生碰撞、卡死现象，设计惰轮分离相邻弹性环。为进一步提高传输功率，可以采用模块(通道)组合。如图4所示。

图3 单通道滚环示意图Fig.3 Single channel of roll-ring

图4 多通道滚环示意图Fig.4 Multi- channel of roll-ring

3 滚环热源分析计算

滚环在真空运行中无法对流散热，发热形成的高温及其带来的接触表面乃至其它器件和材料的加速劣化问题尤为突出，滚环热源分析计算是滚环热设计的基础。滚环热源由滚动摩擦热、电阻热、电弧热等3部分组成。对于电弧热，由于真空缺乏对流散热，摩擦副温升可能更加剧烈，同时温度的升高有利于电弧产生。而真空缺乏导电介质，此时电弧的形成主要依靠接触副表面微凸峰之间的电子发射和金属蒸汽，真空又具有灭弧作用。因此真空对摩擦电弧的影响十分复杂，其规律尚不清楚。因此，本文暂不考虑电弧热，将重点分析滚环电阻热和滚动摩擦热。

3.1电阻热分析计算

电流由内环至弹性环，再由弹性环到外环，从而实现电流由旋转端到固定端的传输。其中，弹性环的总电阻由体电阻、接触电阻组成。

R=R12+R2+R23

(1)

式中：R为弹性环总电阻；R12为外环-弹性环接触电阻；R2为弹性环体电阻；R23为弹性环-内环接触电阻;R12=R23。

由导体电阻公式

(2)

式中：弹性环材料为铍青铜，电阻率ρ=7.19×10-6Ω·cm；弹性环直径D=37 mm；弹性环轴向长度b=4.84 mm；弹性环径向宽度c=0.35 mm；弹性环矩形截面积S=b×c=1.694 mm2。得R2=1.23×10-3Ω。

接触电阻的物理本质是接触电流流过导电斑点产生收缩效应引起的收缩电阻与表面膜电阻之和，接触电阻与导电斑点的形状、数目等有关。影响导电斑点的因素比较复杂，如接触元件的材料、接触形式、表面膜状况、接触力、电流大小等[17-19]，根据电接触理论与经验公式

(3)

式中：ρ1、ρ分别为内环、外环材料的电阻率，在此次设计方案中(图5)，内环、外环均选用黄铜材料，ρ1=ρ=6.63×10-6Ω·mm，AC为赫兹接触斑面积，AC=πabj，其中a为接触斑半宽，bj为接触斑长度，bj=b=4.84 mm。

图5 圆柱体弹性赫兹接触示意图Fig.5 Cylinder elastic Hertz contact

(4)

式中：μ1,μ2分别为弹性环、内环的泊松比；E1,E2分别为弹性环、内环的弹性模量；r1,r2分别为弹性环、内环的曲率半径；F为弹性环的变形预紧力。

取F=3.04N，r1=18.5 mm，r2=40 mm，由式(4)得a=0.89×10-2mm， 可得AC=13.5×10-2mm-2。代入式(3)得

(5)

R12=R23，代入式(1)，则R=R12+R2+R23=1.6+1.23+1.6=4.43 mΩ，按照滚环设计方案，其电压500 V，功率20 kW，共1个通道，每个通道10弹性环，则每个弹性环通流4 A，忽略内、外环电阻热耗，其单个弹性环电阻热耗为P1=I2R2=0.071 W。其中，通道总电流I=40A。

3.2滚动摩擦热分析计算

假设内环固定，外环旋转，运动关系如图6所示，弹性环做纯滚动运动，受力情况如图7所示。

图6 内环、外环、弹性环运动关系Fig.6 Kinematic connection of inner ring, outer ring and flexure

图7 弹性环受力图 Fig.7 Mechanics of flexure

假设弹性环匀速转动，忽略弹性环轴向力，外环对弹性环的滚动摩擦驱动力作用在A点，内环对弹性环的约束力作用在B点，AB过圆心O，由理论力学知，对B点求力矩，有

∑mB(Fi)=0

(6)

a≪r1，因此

FA×2r1=NA×2a

(7)

式中：FA为滚动摩擦力；NA为弹性环正压力。因为接触斑a在数值上非常小，可近似认为NA方向垂直向上，过圆心O。

取F=NA=3.04N，将其它各值代入式(7)得FA=0.146×10-2N。

Pf=FA×V=FA×Rw×ω1

(8)

式中：Rw表示外环半径,Rw=77 mm；ω1表示外环角速度，ω1=5 r/min；Pf表示摩擦热功率，得Pf=5.96×10-5W。

3.3滚环热源分析计算结论

单通道滚环转速5 r/min，外环半径77 mm，电压500 V，功率20 kW，包含10弹性环，忽略内、外环电阻热耗，其回路电阻热耗为0.71 W，功率传输效率理论值见表1。

表1 单通道不同功率下的功率传输效率

由表1可知，单通道滚环设计方案中的回路电阻相关的弹性环结构、预紧力等关键参数满足要求，使接触电阻较小，其功率传输效率理论值都在99.99%以上。

单通道传输功率20 kW时，回路电阻热耗为0.71 W，而滚动摩擦热损耗5.96×10-4W。滚动摩擦热损耗约为电阻热功率的千分之一。后续的温度场计算中应重点考虑电阻热带来的温升。

4 滚环稳态温度场仿真

在空间环境中，由于真空条件，滚环缺乏对流散热，能量散失主要通过热传导和热辐射两种方式，假设滚环所有表面均为漫射表面，且同一表面在不同地点向外辐射热流密度是均匀的，各材料为均匀介质。滚环系统上各点的稳态温度是其位置的函数，T=T(x,y,z)，坐标系如图8示。

图8 单通道滚环及其坐标系Fig.8 Single channel of roll-ring and reference frame

1)热传导对滚环系统内部温度分布影响分析

滚环三维稳态热传导满足傅里叶定律和能量守恒定律，热源包括电阻热和滚动摩擦热，滚环的稳态温度场主要受其内热源热流量和材料导热系数的影响。

2)热辐射对滚环系统能量散失的影响

滚环热量向周围环境的辐射，以及表面的相互辐射，辐射热量满足：

(9)

式中：σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；A为辐射面积；ε为辐射率；Tsurface为表面温度；Tambient为辐射环境温度。

3)滚环稳态温度场数值仿真分析

单通道模块温度场分布是滚环热设计的基础与关键，因此以单通道滚环为研究对象，在ANSYS WORKBENCH 15.0仿真平台中对滚环进行稳态热仿真计算)。计算单通道滚环在真空不同环境温度条件下热平衡状态后的温度场分布。

设计方案为滚环单通道，单通道共包含10个弹性环，材料选用铍青铜，相邻弹性环之间设计惰轮，材料选用工程塑料，内、外环材料选用铜合金。材料属性见表2。

表2 稳态热分析输入的材料属性

传热边界条件：功率密度为体积载荷，施加在各弹性环上，模拟电流生热；电阻热通过热传导形式传递到内环、外环与惰环，暂不考虑外环进一步与其他结构之间的导热；辐射热量与环境进行交换，给定辐射环境温度为20 ℃。

考虑真空环境影响，传热方式为传导和热辐射。热源为10个弹性环电阻热及各环滚动摩擦热。弹性环体积为190.17 mm3，电阻热功耗及其功率密度见表3。在有限元模型中，弹性环与内外环、惰轮接触均设置为绑定接触，共40个接触对，辐射率为0.6。

表3 不同载流条件下的电阻热耗

弹性环传输电流4 A，6 A，8 A，10 A，其单通道滚环稳态温度场如图9所示。

(1)弹性环传输电流4 A时，滚环内部最高温度约37 ℃，最低温34 ℃，温差约3 ℃；弹性环传输电流6 A时，滚环内部最高温度约55 ℃，最低温49 ℃，温差约6 ℃；弹性环传输电流8 A时，滚环内部最高温度约77 ℃，最低温67 ℃，温差约10 ℃；弹性环传输电流10 A时，滚环内部最高温度约99 ℃，最低温83 ℃，温差约16 ℃。传输不同强度的电流时，最高温与最低温均出现在弹性环与惰轮区域，在传输电流较小时(小于4 A)，可以从结构设计方向增强散热，随着传输电流的增大(大于10 A)，其温差也递增，对于薄壁弹性环结构，若进一步提高电流传输值，重点应该从新型材料入手以增强散热，避免局部温差较大而引起的热应力与变形。

(2)相同工况条件下，不同弹性环之间温度场分布规律一致，内环不同区域以及外环不同区域的温度场基本一致。验证了滚环设计方案,尤其是传输电流较大的工况,应保证对称性，避免出现结构、装配不对称引起的局部温度畸点。

(3)传输电流强度不同，其他条件不变时，滚环内部温差随电流强度递增。

(4)电流传输关键部件-薄壁弹性环，在传输不同强度电流时，稳态温度场温差均较低，在0.5～3 ℃之间，较低温度区域均出现在与内环的接触区附近，较低的温差可避免大温度梯度带来的热应力变形。验证了滚环方案中的薄壁弹性环结构(宽4.8 mm，厚0.35 mm，半径18.5 mm)、材料(铍青铜)设计，避免了温差较大薄壁结构热应力变形，可以满足大电流传输条件下的稳态温度要求。

(5)如图10所示，滚环材料热辐射发射率对滚环稳态温度场影响较大。单个弹性环传输电流为10 A时，热辐射发射率为0.8时，最高温度约68 ℃，比热辐射发射率0.4的最高温度(99 ℃)下降了46%；最低温度约53 ℃，比热辐射发射率0.4的最高温度(83 ℃)下降了57%。在后续的材料以及表面涂覆工艺方面应该更大的面积上增大热辐射发射率。另外，随着辐射率的升高，图10(b)中的外环局部区域出现了约2 ℃的温差，由于后期应用方案中，外环轴向(Y)环面与通道间绝缘结构接触导热，因此在此分析中均未设置成辐射面，导致在辐射率升高后，外环局部出现温差。

图10 单环电流10 A，不同热辐射条件下的单通道滚环稳态温度场图Fig.10 Temperature distributing of single channel of roll-ring on transferring current 10A and different emissivity

5 结论

与目前广泛应用的滑环相比，滚环利用滚动摩擦代替滑动摩擦，摩擦力矩大幅减小，抑制磨屑产生的同时减小了摩擦发热，以单通道20 kW，500 V, 共10个弹性环,滚环转速5 r/min为例，滚动摩擦热功率约为电阻热功率的1‰，验证了滚环的优越性。

(1)滚环方案设计中的薄壁弹性环设计(结构尺寸、材料、弹性预紧力)使弹性环总电阻仅为4.43 mΩ，保证了较高的功率传输效率。

(2)单通道滚环稳态温度场仿真表明，内环、外环等结构设计以及多弹性环装配应该保证对称性，避免传输电流进一步提高时因结构、装配不对称引起的局部温度畸点。同时，也验证了单通道滚环系统结构的合理性。另外，电流传输关键部件-薄壁弹性环，在传输不同强度电流时，稳态温度场温差均较低，可避免大温度梯度带来的热应力变形。验证了滚环方案中的薄壁弹性环结构(宽4.8 mm，厚0.35 mm，半径18.5 mm)、材料(铍青铜)设计的可行性。

(3)单个弹性环传输电流为4 A、6 A、8 A、10 A递增时，滚环稳态温度场上升较快，弹性环电流为4 A、10 A为例，滚环最高温度分别为37 ℃、99 ℃。若进一步提高滚环的电流传输能力，对新型滚环材料、散热结构设计提出很高的要求。

本文提出薄壁弹性环式滚环的结构特征，从宏观角度提出了关键热源电阻热、滚动摩擦热分析模型，为样机早期方案热分析提供了工程方法，为后续的滚环滚动摩擦、导电接触试验关键参数的选取提供重要参考。后续研究重点应该放在新型滚环试验上，从微观角度，通过试验后的滚环样品三维形貌表征，重点关注大功率传输过程中热载荷特性以及对材料、结构的损伤特性。

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Thermal Analysis of Novel High-power Roll-ring

LIU Zili1HOU Xinbin1WANG Li1QIN Xiaogang2SONG Chenfei3

(1 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology, Beijing 100094, China) (2 National Key Laboratory of Science and Technology and Physics, Lanzhou 730000, China) (3 Institute of Materials Science and Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang，Henan 471003，China)

Aimed at the desire of high-power transferring, longer life and higher reliability, some typical characteristics of novel roll-ring, such as roll-ring blocking, multi-flexure and accordant movement are introduced in the paper. Then, the model of contact resistance and rolling attrition moment is established, and,the resistance heat and friction heat under the roll-ring’s key parameters are investigated theoretically and compared in the paper. Lastly, the steady-state thermal numerical analysis of different current transferring in vacuum environment is finished. And for improving heat characteristic to enhance transferring power, some comments on the structure design and material are given and the future research direction is indicated in this paper.

high-power roll-ring；resistance heat; rolling attrition；thermal analysis

V443

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.009

2017-05-17；

2017-07-24

真空技术与物理国家级重点实验室开放基金(ZWK1603)

刘自立，男，工程师，硕士，从事空间超高压电力传输技术、空间太阳能电站等领域的研究工作。Email：ronger2007@126.com。

(编辑：张小琳)