某汇流装置的电刷设计

曹勇

摘  要：汇流装置是实现雷达天线在旋转过程中与固定部分的电气信号连续而可靠传输的重要环节，在汇流装置电刷与导电环环导电摩擦副材料确定后，电刷接触压力的设计和对变化范围的控制就成为电刷与导电滑环静态和动态接触电阻的关键。该文通过对有限元方法对电刷的仿真分析，可了解电刷的接触压力及触点的变化情况，从而对电刷进行进一步的优化设计。

关键词：汇流装置;导电滑环;电刷;接触压力

中图分类号： TN95          文献标志码：A

某自行防空武器系统相控阵搜索雷达要求行进中全程连续工作，其汇流装置是实现雷达天线连续旋转过程中电气信号传输的重要环节。汇流装置的导电滑环随雷达天线以60 r/min的转速长时间连续运转，由于主轴结构的需要，因此導电滑环的直径设计较大，电刷与导电滑环间的线速度达到450 mm/s。电刷在工作时既要有足够的接触压力保证与导电滑环的可靠接触，又要尽可能地降低接触压力以减小电刷与导电滑环间的磨损。该文以该汇流装置的中频环电刷设计为例，介绍了电刷设计中弹簧丝的选择与接触压力变化关系的有限元仿真分析方法，并通过对电刷在产生一定磨损后，电刷触点位移变化的仿真分析，进一步对电刷触点的设计进行优化。

1 方案设计

汇流装置集成在搜索雷达天线座的方位主轴上，导电滑环设计为柱式结构，包括中频环、信号环以及功率环。导电滑环之间均由环氧玻璃纤维绝缘环进行绝缘隔离。不同功能的导电滑环和电刷在轴向独立分区布置，以避免或减小导电滑环之间的信号串扰。由于汇流装置导电滑环数量多，轴向空间尺寸有限，各种导电滑环的厚度均设计为2 mm，绝缘环的厚度设计为0.5 mm，所以电刷的尺寸也就受到了很大限制。导电滑环采用铜合金材料作为基体，其外圆柱面设计为具有较好导向性和抗冲击震动性能的V型槽结构，并通过金刚石刀具对滑环V型槽的超高精度切削加工，其径向跳动小于0.01 mm，表面光洁度可达镜面，粗糙度达到Ra 0.04。

V型槽表面再电镀一层10 μm左右的具有优良耐磨性能和导电性能的金铜镉（Au75Cu22Gd3）三元金合金硬化镀层，该三元金合金镀层较通常的钯镍（PbNi20）二元合金镀层与金合金电刷滑动接触的电气指标和抗磨性有明显的提升[1]，可使导电滑环与电刷获得更加优良的电接触性能和使用寿命。

汇流装置的电刷安装在电刷架上，沿导电滑环四周进行布置，并根据不同功能的导电滑环及其传输信号的不同而设计成不同结构形式。功率环及其电刷主要用于传递大功率电流，电刷接触压力一般都较大，主要是由螺旋弹簧、扭簧以及片式弹簧等弹性元件提供，电刷触头一般采用银石墨或二硫化钼的粉末合金材料作为电刷的接触材料，既具有极低的摩擦因数和良好的减磨性能，又能提供足够的接触面积用以传递大功率电流。

信号环主要用于传递小电流的低频信号。中频环主要用于传递小电流的频率范围在几十或上百兆赫兹的中频及视频信号，其电刷一般采用单根或多根AuNi9等金合金贵金属弹簧丝作为弹性元件，为电刷提供接触压力并直接作为接触材料与导电滑环接触形成导电摩擦副。

由于汇流装置的中频环和信号环的电刷数量较多，为有效减少贵金属弹簧材料的用量，在该方案设计中，采用了单根铍青铜弹簧丝作为弹性元件，并在其与导电滑环接触的位置焊接AuCu10等金合金丝电刷触头作为接触材料，由此与导电滑环表面电镀的三元金合金镀层匹配形成具有优良导电性能和耐磨性能的导电摩擦副。

2 电刷设计

根据汇流装置的结构空间尺寸和导电滑环的直径，可初步确定电刷的结构和尺寸。当电刷与导电滑环的接触导电摩擦副材料确定后，接触压力就是决定其接触电阻的关键因素，接触压力大则接触电阻相对就小，但磨损率却较大。接触压力小则磨损率相对就小，但接触电阻就相对较大。并且由于电刷在长期工作中必然产生磨损，磨损量的增加必然引起接触压力下降，当接触压力下降到一定程度时动态接触电阻就会逐渐变大，并导致所传递的电气信号产生电噪声，甚至无法可靠的连续传输[2]。

因此接触压力必须根据导电摩擦副的材料特性和汇流装置的指标要求进行综合考虑，使接触压力在全生命周期能够保持在一个合理的区间。

中频环所传递频率较高，相互间极易产生互扰，因此在设计中必须采取相应的屏蔽和隔离措施，并且导电滑环和电刷的结构尺寸也须严格计算，以避免阻抗不匹配和相移而形成驻波和插损。在进行该中频环设计时，采用3个导电滑环组成1个滑环组，上下为直径稍大的用于进行电磁屏蔽的导电滑环，中间为传递中频信号的导电滑环，由此形成一个类似封闭的同轴线形式的传输通道[3]。

与中频导电滑环组相对应的3个电刷起到同样的作用，并在电刷组外侧设计增加了一个屏蔽罩，形成双屏蔽结构，可以有效地提高中频环电刷的电气隔离度，避免了中频环通过电刷而引起的信号串扰。

导电滑环及电刷的连接电缆分别采用相同阻抗的双屏蔽同轴电缆，其内层屏蔽线连接屏蔽环及其电刷，外层屏蔽线连接屏蔽罩，内外层屏蔽线分别独立接地，从而避免由于地线引起的窜扰。电刷弹簧丝的结构形式设计成非对称的“八”字形状，可避免导电滑环高速旋转可能引起的谐振，从而造成电气信号传输的纹波或瞬断，保证电刷与导电滑环能够始终可靠接触。中频环的结构形式如图1所示。

通过选择不同直径的电刷弹簧丝和不同的初始角度可获得不同的电刷接触压力。为在设计时了解电刷接触压力随磨损量变化及电刷触点在磨损后的位移变化情况，笔者对不同直径电刷弹簧丝在不同初始接触压力时电刷的变形情况进行了有限元仿真分析。并通过调整电刷与导电滑环的弹性压缩量，以模拟电刷在导电滑环上的磨损量，从而发现不同弹簧丝直径的电刷在相同初始值接触压力时，磨损量与接触压力的变化关系，仿真分析测量结果如图2所示。

由仿真分析结果可以看出2点。1）弹簧丝直径为d1时，在触头产生约0.55 mm磨损量时，接触压力就已下降到10 gf，超出了许用接触压力的下限。2）弹簧丝直径为d2时，在触头产生约0.8 mm磨损量时，接触压力仍能保持在15 gf的最小许用接触压力之上。同时，通过仿真分析还可以发现，电刷弹簧丝的直径较大时，磨损量引起的接触压力变化率较大，但由于其在受力时的弯曲变形较小，接触点在磨损前后的位置的变化较小。当电刷弹簧丝的直径较小时，磨损量引起的接触压力变化率较小，但由于其受力时的变形弯曲较大，与导电滑环的接触位置变化量就较大，使接触点在磨损前后的位置在电刷轴线方向出现了较大的位移变化。电刷触点的变化情况如图3所示。

基于以上的仿真分析和试验结果，设计时应在保证所需接触压力的条件下，选用直径较小的φ0.6 mm的弹簧丝，触头处焊接直径为φ1.2 mm，长度为10 mm的金合金丝，但须对其在不同接触压力和磨损量状态下的接触位置进行仿真，由此即可设计确定电刷弹簧丝的几何形状和尺寸，并保证在金合金触头长度最小的情况下，使触头在全生命周期内均能始终与导电滑环可靠接触，并使金合金触头的长度和用量最小，可有效降低使用成本和费用。

3 接触压力检测和装调

由以上的分析可知，电刷弹簧丝在接触压力作用下会产生一定的弯曲变形，电刷触头与滑环的接触点也会随之产生位移。为在生产制造中检测和控制电刷的接触压力和触点位置，依照滑环与电刷架的结构尺寸和安装位置的结构尺寸，设计了电刷接触压力测试专用工装，并使其能够完全复现电刷接触时的实际变形状态和触点位置，以保证接触压力测量的真实性和准确性[4]。检测工装主要由克力表、表架、电刷支架安装座、导电滑环、底板、电源和指示灯等组成，其结构如图4所示。

接触压力测试工装工作原理：克力表安装在可以调整高低及水平位置的表架上，当克力表探针调整到与电刷相同高度后，在电刷接触点沿导电滑环法向水平移动探针，使电刷产生的形变及位移量和滑环使电刷产生的形变及位移量相同的时刻，电刷触头与导电滑环脱离，指示灯熄灭，这时克力表的数值即为电刷在滑环上的初始接触压力值，必要时通过调整电刷的初始角度来调整接触压力和触点位置，直至满足设计要求。

在测试工装上进行初始接触压力及接触位置调试和检测合格后的电刷，通过电刷架上的定位销将电刷准确装配到汇流装置上，确保电刷与导电滑环的相对位置满足设计要求。

4 结论

在汇流装置中频环的电刷设计过程中，利用有限元仿真方法，对不同电刷弹簧丝直径在工作过程中接触压力变化以及电刷触头随磨损量增加后触点位移情况进行仿真分析，解决了电刷设计时通常均须采用模拟跑合试验才能精确设计电刷初始角度及结构尺寸的问题。电刷和导电滑环通过汇流装置的模拟跑合试验和实际装机验证，结果与仿真分析完全一致。该结构形式的汇流装置在多项型号产品中得到批量装备，现已免维护正常工作了十多年，充分验证了电刷设计的合理性和可靠性。

近年来，采用多根更细金合金弹簧丝组成的簇状电刷陆续开始在各种汇流装置中得到应用，簇状电刷与导电滑环可形成多个接触点，因此导电接触性能更优，且其单根的接触压力更小，使用寿命相应更长。簇状电刷的研究和设计，同样可以采用以上的设计方法对其金合金弹簧丝的结构形式和几何参数、接触压力等进行仿真分析，从而进一步优化电刷在汇流装置中的使用性能。

参考文献

[1]冯本政.几种金基合金的耐磨特性[J].贵金属，1995，16（1）：16-23.

[2]童泽新，冯本政，杜军. 金合金滑动接触电阻的动态特性[J].贵金属，1993（9）：23-29.

[3]马伯渊.雷达中频信号汇流环的设计[J].火控雷达技术，1993（9）：25-31.

[4]叶威.环刷刷丝接触压力检测系统设计[J].新技術新仪器，2011（3）：15.