弹上用永磁直流伺服电动机换向火花改善研究

摘要：简要介绍了永磁直流伺服电动机的结构、工作原理及换向火花的产生机理，从电刷与换向器的匹配、电刷压强、磁极极弧系数和绕组形式方面，研究了改善直流电机换向的技术，对于抑制电机的换向火花具有积极作用。

关键词：弹上永磁直流伺服电动机;换向火花;电刷;换向器

0 引言

目前我国导弹武器系统正向着小型化、高精度、高机动性、高可靠性、飞行高度更高的方向发展，为了提高打击精度和突防能力，在弹头上安装有舵机系统，弹上舵机系统通常选用永磁直流伺服电动机作为动力源。永磁直流伺服电动机（以下简称电机）具有励磁结构簡单、体积小、重量轻的特点，其机械特性硬、起动转矩大、效率高、响应快、控制简单的技术优势往往是其他种类电机无法替代的。

弹上用永磁直流伺服电动机通常属于功率密度高、具有强过载能力的有刷直流电机，其电枢电流和过载电流越大，换向元件感应合成电势越大，越会加剧恶化其换向条件，换向火花也越大，甚至产生环火，严重时会烧毁电机。因此，研究如何改善该类电机的换向火花，对于保障型号配套任务具有重要意义。

1 电机结构及工作原理

该类电机的典型结构主要由定子、前端盖组件、后端盖组件、电枢、电刷、轴承及标准件等组成。

电机的主要功能是将电能转化为机械能，为舵机系统的液压泵提供动力。电机定子采用稀土磁钢产生激磁磁场，电枢铁芯上开有槽嵌入电枢绕组，当电机的电枢绕组施加电压时，在绕组内就会产生电枢电流，该电流与定子激磁磁场相互作用产生电磁转矩，通过电刷与换向器的换向作用使在磁场中的电枢电流方向不变，即电磁转矩的方向不变，从而使电机以一定的转速驱动负载。

2 换向火花的产生机理

直流电机在运行时，旋转的电枢绕组元件从一条支路经过电刷进入另一条支路时，在被电刷短接的过程中，元件内的电流从原来的方向转换为相反的方向，这一过程称之为换向过程。换向元件中存在着电抗电势和电枢反应电势，即感应合成电势，其阻碍换向元件中的电流变化，使换向过程延迟，电流换向瞬间释放的能量会造成周围空气电离形成换向火花。

3 改善换向的技术研究

3.1    电刷与换向器的匹配

对于有刷直流电机而言，电刷与换向器之间存在一层由铜、空气、水分、石墨等发生化学反应形成的半导体性质的“碳膜”，即氧化膜。

氧化膜对电刷与换向器的滑动接触是十分重要和有益的，首先使电刷与换向片之间的摩擦系数减小，起到很好的润滑作用，使电刷能稳定接触，减小了电刷的磨损。其次，由于氧化膜电阻率较大，增加了电刷与换向器之间的接触电阻，使它们之间的接触电压增加，能限制被电刷短路的元件内短路电流，改善了换向。最后，由于氧化膜的硬度高，使换向器磨损减少，延长换向器的使用寿命。

综上所述，良好的氧化膜对电刷和换向器的摩擦具有润滑作用，可限制短路元件内的电流，具有改善换向的作用，是直流电机正常运行所不可缺少的。

从电路的角度分析，电机的换向回路可以等效为一个由电动势（换向元件感应合成电势）、一定的电源（换向元件）、换向元件电阻以及电刷与换向片的接触电阻组成的等效电路。当换向元件电阻一定时，电刷与换向片的接触电阻增大，有利于减小感应合成电势在换向元件中所产生的感应电流，感应电流越小则换向条件越好。换向器表面的氧化膜电阻率较大，可以增大电刷与换向器的接触电阻。基于换向回路等效电路，选用高电阻率电刷，可以增大电刷与换向器的接触电阻，即增大换向回路内的电阻，达到改善换向的目的。

综上所述，选取合适的电刷型号与换向器材料匹配，有利于电刷与换向器形成良好的氧化膜，有利于改善电机的换向火花。

3.2    电刷压强

电刷与换向器是滑动接触，施加于电刷的压强要兼顾接触稳定与摩擦损耗小两个方面的要求。弹上用永磁直流伺服电动机是断续周期工作制，在低气压下连续工作转速在9 000 r/min以上，具有连续工作时间短、转速高的特点。

为提高电刷与换向器接触稳定性，改善换向条件，根据弹上电机特殊的工作特点，按电刷手册推荐电刷压强的1.5倍以上，选取4种电刷压强：450 g/cm2、600 g/cm2、700 g/cm2、800 g/cm2进行换向条件改善攻关验证，试验结果如表1所示。

试验结果表明：选取合适的电刷压强，有利于电刷与换向器形成良好的氧化膜，有利于抑制电机的换向火花。

3.3    磁极极弧系数和绕组形式

根据不同的弹上舵机系统提出的工作海拔高度，需要有针对性地采取不同的磁极极弧系数和绕组形式。为了提高电机的力能指标，避免造成磁极间漏磁增大恶化换向条件，根据工程经验，磁极极弧系数一般取0.7，极弧系数越小，虽然使磁极间换向区域增大，更有利于换向，但是电机的力能指标会下降，电机的体积（重量）会增大;极弧系数越大，虽然有利于提高电机力能指标和减小电机体积（重量），但是会使换向区域减小，换向条件恶化。利用Ansys Maxwell分析软件对不同的绕组形式（每元件匝数）和极弧系数进行多方案的建模仿真，仿真结果对比如表2所示。

从表2的仿真结果可知：换向区域越宽，则换向元件电抗电势波形越窄，电刷灭弧的时间越短，抑制换向火花的能力越强;单波绕组在抑制换向火花方面优于单叠绕组;每元件匝数越少，则换向元件电抗电势越小，电流换向瞬间释放的能量越小，即换向火花越小。合适的极弧系数和绕组形式有利于优化电刷与换向器的换向条件，改善换向火花。

4 结语

本文是基于某型号弹上永磁直流伺服电动机开展的技术研究，所述的技术措施极大地改善了该电机在低气压环境条件下工作时的换向火花，从设计源头保证了电机的高功率密度性能和高可靠性。本文取得的研究成果对于弹上永磁直流伺服电动机的设计具有很强的技术指导性，对于保障型号配套任务具有重要的意义。

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[2] 许实章.电机学[M].北京：机械工业出版社，1988.

[3] 叶金虎.精密直流永磁电动机[M].北京：科学出版社，2017.

[4] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2015.

收稿日期：2020-03-01

作者简介：周元森（1992—），男，贵州金沙人，助理工程师，从事微特电机设计研发工作。