不同初始溫度條件下脈沖大電流直線電機滑動電接觸研究

康凱,周利

（1.中科院電工研究所；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190）

脈沖大電流直線電機是通過脈沖大電流所產(chǎn)生的高電磁力推動金屬滑塊，形成極高的加速度，在較短的時間內(nèi)獲得很大的動能。在整個系統(tǒng)中，采用幾十MJ甚至幾百MJ的電能作為初級能源，通過調(diào)制驅(qū)動電流的幅值和脈寬，驅(qū)動滑塊在幾萬個G的加速度運動，使滑塊在離開軌道時獲得數(shù)km/s的初速。在直線電機的驅(qū)動過程中，滑塊和軌道接觸表面不但存在相互摩擦、材料軟化、張力變形等力學(xué)現(xiàn)象，還存在電阻熱、電弧等一系列電學(xué)行為，導(dǎo)致該接觸面狀態(tài)發(fā)生變化。滑動電接觸狀態(tài)影響推進裝置的穩(wěn)定性、初速度及系統(tǒng)效率，對脈沖大電流直線電機的研究具有重要意義。

本文通過對直線電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，將電加熱裝置引入電機內(nèi)部，可對軌道進行預(yù)加熱處理，從而使電機驅(qū)動初始階段，軌道和滑塊就獲得一定的溫度。在滑塊型號、驅(qū)動電流保持一致的前提下，進行不同軌道初始溫度（15℃、50℃和100℃）條件下的電機啟動試驗。通過測量驅(qū)動電流、軌道端口電壓、滑塊速度、溫度等數(shù)據(jù)，并依此對不同初始溫度條件下的脈沖大電流直線電機的滑動電接觸狀態(tài)進行分析。

1 電機系統(tǒng)

脈沖大電流直線電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由電機主體、脈沖電源系統(tǒng)、滑塊、控制系統(tǒng)、接地系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置脈沖電源系統(tǒng)的放電時序、驅(qū)動電流匯入電機，滑塊受電磁力加速，直至脫離電機軌道，測量系統(tǒng)同時進行電壓、電流及速度信號的采集，完成一次驅(qū)動試驗。電機主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電機主體結(jié)構(gòu)圖

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗條件

實驗室室溫為15℃，通過加熱裝置對軌道進行預(yù)加熱，將軌道初始溫度分別加熱到50℃和100℃，并維持在預(yù)加熱溫度。

整個系統(tǒng)由最大儲能達3MJ的電容器組驅(qū)動，通過改變充電電壓的幅值來調(diào)節(jié)模塊儲能及輸出電流的大小。試驗充電電壓均為1800V，滑塊均采用經(jīng)優(yōu)化后的C型結(jié)構(gòu)，質(zhì)量約為42.3g，并保證滑塊安裝條件（預(yù)緊力、滑塊初始位置）及軌道表面條件（間距、表面粗糙度）基本一致。

2.2 試驗結(jié)果分析

接觸電阻是反映滑塊和軌道滑動電接觸性能的一個重要指標，接觸電阻的大小和驅(qū)動電流、接觸面溫度、預(yù)緊力等因素有關(guān)。試驗所獲得的電機首端電阻曲線如圖3所示，可以看出接觸電阻是變化的。

在t=0時刻，滑塊與軌道的接觸形式屬于固態(tài)－固態(tài)金屬接觸，接觸壓力對接觸電阻的作用起主導(dǎo)地位，接觸壓力僅由初始預(yù)緊力提供，實際接觸面積小于宏觀接觸面積，所以接觸電阻較大。隨著電流的增加，電磁力增加，接觸壓力逐漸增大，同時伴隨著溫度上升滑塊表面材料會逐漸軟化，實際接觸面積持續(xù)增加，因此接觸電阻逐漸下降，直到A點達到最小值。

圖3 驅(qū)動電流和樞軌接觸電阻

在整個過程中，滑塊由于受大電流加熱作用，溫度一直保持上升，而溫度升高對接觸電阻有兩方面影響，一是能使接觸面材料軟化增大接觸面積而減小接觸電阻，二是會造成電阻率增大。在A-B階段，驅(qū)動電流處于平頂期，接觸壓力幾乎不變，滑塊運動速度高，軌道溫升對接觸電阻的影響相互制約，所以接觸電阻變化較小。

在B-C時間段內(nèi)，樞軌接觸阻抗逐漸增加。主要是由于驅(qū)動電流下降，C型滑塊兩翼間的電磁力變小，接觸壓力下降，當接觸壓力與材料軟化作用帶來的接觸面積增加效應(yīng)不再明顯時，電阻率的增大效應(yīng)逐漸占主導(dǎo)作用，使接觸電阻呈現(xiàn)近似線性增加的趨勢。

轉(zhuǎn)捩點P的變化主要是由于電流的下降引起的，電流下降一方面會使得處于液態(tài)金屬接觸狀態(tài)的滑塊和軌道的接觸應(yīng)力下降，造成實際接觸面積減小，而另一方面電流下降會在接觸面上感應(yīng)出反向渦流，將液態(tài)金屬從接觸面上拖拽出來，使接觸狀態(tài)惡化，因此P點亦稱之為接觸轉(zhuǎn)捩點。由圖4可以看出，不同初始溫度條件下，轉(zhuǎn)捩時刻會有所不同，初始溫度越高，轉(zhuǎn)捩點會延遲。

圖4 不同初始溫度條件下的接觸電阻

3 結(jié)語

接觸電阻大小主要受驅(qū)動電流和軌道和滑塊的溫度影響。溫度對接觸電阻的影響是兩方面的。而驅(qū)動電流影響接觸壓力的大小，通過改變樞軌接觸面積而改變接觸電阻大小，總的來說，在初始溫度100℃以內(nèi)，接觸電阻受驅(qū)動電流的影響更大。

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