艇用励磁变阻器设计

师慧倩，汪 浩

艇用励磁变阻器设计

师慧倩，汪 浩

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

根据用户需求进行艇用励磁变阻器设计。根据功能需求，对电阻器、触头板及操作机构进行设计。温升、寿命、冲击、振动等多组试验验证表明，变阻器可靠性高，耐机械磨损性能好，设计满足客户需求。

变阻器 电阻 操作机构

0 引言

常用的变阻器有：滑线变阻器、滑动触头式变阻器、磁场变阻器、励磁变阻器等。励磁变阻器经常运用于舰艇各电力系统中。本文所述励磁变阻器，用于励磁回路调速[1]，而该励磁回路不允许开路，因此，要求励磁器变阻器具有很高的工作可靠性和使用寿命，对机械磨损、带电转换和调速平滑性等要求较高，特别是在艇用环境条件下，为缩小产品体积，往往采用变截面设计。

1 功能设计

1.1 功能要求

本文研究的励磁变阻器用于艇用励磁机组发电机的励磁回路中，通过调节变阻器电阻来调节该励磁回路的电流，从而改变励磁机组发电机的输出电压（励磁机组发电机为推进电机励磁回路供电），最终实现推进电机转速的调节。

1.2 功能框图

为增加励磁变阻器操作可靠性，励磁变阻器设计了两种操作方式：手动操作和电动操作。手动操作只能由人操作完成，无需带电。电动操作可通过上级系统指令进行远动控制。功能框图如图1所示。

图1 功能框图

2 励磁变阻器设计

根据功能需求，变阻器分为电阻器、触头、电动操作机构及手动操作机构四大部分。

2.1 电阻器设计

为满足技术指标要求的电阻调节范围并为达到调速平滑要求，变阻器共设计101个阻值点，其中，每个阻值对应一个触头。

为尽可能减小变阻器体积，电阻采用镍铜合金丝绕制，并采取变截面设计。镍铜合金丝具有电阻率大，阻值稳定，不易受温度变化影响的优点。不同线径的镍铜合金丝性能如表1所示[2～3]。

表1 部分镍铜合金线电阻值（20°C）

电阻设计采用表1中5种规格线径，做成带陶瓷绝缘件的钢板形式，在它上面缠绕电阻丝，并用耐热绝缘的铜导线把金属电阻器接线端之间和触头板的触头之间连接起来。电阻组成如图2所示。

图2 金属电阻

1-电阻丝；2-接线端子；3-钢板；4-陶瓷绝缘件

金属电阻器通过绝缘杆装到框架上，且各组之间用绝缘套隔开，从而保证了变阻器主回路具有足够的机械强度和良好的电气绝缘性能。

图3 电阻布置

1-固定架；2-绝缘杆与绝缘套；3-金属电阻

2.2 操作机构设计

2.2.1电动操作机构

电动操作时给电动机供电，电动机（可正反转）转动，经过减速齿轮减速，然后带动电刷转动接通不同的触头，实现变阻器电阻值的调节。如图4所示。

图4 传动机构

为了使设计能够满足艇用环境耐冲击振动的指标要求：电刷组件由螺钉固定，在冲击振动情况下不会上下摆动；变阻器电动操作功能由电动机带动减速齿轮传动机构实现，若由电刷带动减速齿轮反转需要克服很大摩擦力，在冲击或振动状态下电刷不会轻易沿轴摆动；金属电阻器以及触头板的接线均采用双螺母方式加固。

变阻器的控制回路原理如图5所示。

图5 控制回路原理图

当增大变阻器阻值时，给接触器KS线圈供电，接触器KS的常开触头闭合，常闭触头断开。此时由接触器KS常开触头和接触器KM常闭触头组成的电机正转回路接通，电机正转并通过齿轮传动机构减速后带动电刷移动，增大变阻器电阻。当阻值达到要求值时，切断KS线圈供电。

同理，当要减小变阻器阻值时，给接触器KM线圈供电，电机反转回路接通。

为了补充保护变阻器，在触头边缘位置（阻值最大与最小处）设置终端开关BK2和BK3，电刷上的凸轮可顶动转换开关的杠杆使其触点状态转换，从而切断电动机供电回路，电动机停转。

通过系统控制回路的各继电器、接触器的触点以及转换开关的共同作用，在调节变阻器电阻至要求值时可实现电动机停转。

2.2.2手动操作机构

手动操作时，将手柄压到止档位置，断开齿轮传动机构，然后转动手柄，带动拨叉使电刷转动接通不同的触头，实现本变阻器电阻值的调节。

2.3 触头与电刷设计

励磁变阻器阻值输出是靠与电阻丝连接的触头与电刷接触实现。101个触头呈圆形均布在触头板上。转动电刷，电刷接触不同的触头，输出不同的电阻。因此，触头和电刷应选择导电性能好，耐熔焊、磨损材料。借鉴已投入使用的产品，触头材料选择耐磨损性能更好的黄铜，电刷选用导电性能更好的紫铜。已投入使用的产品触头与电刷材料数据如表2所示。

表2 电刷、触头材料对比

3 试验验证

为确保产品性能，变阻器进行了多项验证试验，试验项目如表3所示。

表3 变阻箱试验验证项目

3.1 温升试验

励磁变阻器按最大发热功率工作点：电阻调至49.6 Ω，电流3.5 A进行温升试验，稳定后测得温升值如表4，试验结果满足设计要求。

表4 温升试验结果

3.2 寿命试验

3.2.1带电转换性能试验

模拟带电使用工况，电压设为320 V，外接电阻41.8 Ω，电感L0.6 H。手操转电刷10次/分钟，电操2次/分钟往复转动200次（手操50次，电操150次）后，没有产生引起触头损坏的电火花且电刷磨损程度满足要求。

3.2.2耐机械磨损性能

不带电情况下：手操转电刷10次/分钟，电操2次/分钟往复转动10000次（电操2000次，手操8000次）后电刷磨损程度满足要求。

寿命试验后变阻器零件无机械损伤，连接导线和零部件无松动，且介电性能满足要求。

3.3 环境试验

环境试验均委托第三方测试单位进行检测。

变阻器按GJB5A第4.7.20条进行振动试验和冲击试验，其中振动上限频率为26 Hz，冲击锤沿3个互相垂直的主轴方向各施加3次。试验后变阻器无机械损伤，电动操作功能仍可实现，阻值能够平滑变化且符合设计要求，介电性能也满足要求。

变阻器按照GJB5A第4.7.16条要求进行湿热试验。试验后，变阻器电镀层腐蚀情况、涂覆层表面变化情况及介电性能均满足要求。

盐雾、霉菌试验采用同种材料和相同工艺的产品（某型母联断路器）试验报告作为支撑。

4 总结

本文根据励磁变阻器功能需求，对励磁变阻器各组成部分进行设计。电阻器的设计充分考虑了体积与阻值的稳定性，选取多种规格线径镍铜合金丝作为电阻丝材料。在电动操作与手动操作的设计上，充分考虑了耐冲击振动性能指标，采取多种加固方式。经多项试验验证表明产品满足设计要求。

[1] 赵福自. 直流电机励磁回路的保护[J]. 电世界, 1997, (3).

[2] 高低压电器设计手册编写小组. 高低压电器设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1971: 585-600.

[3] 林浩山. 康铜丝热膨胀性能研究[J]. 广西物理, 2004, (2).

Design of Excitation Rheostat for Submarine

Shi Huiqian, Wang Hao

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM546

A

1003-4862（2021）08-0053-03

2021-01-12

师慧倩（1989-），女，职称。研究方向：船用励磁变阻器设计。E-mail: 754493077@qq.com