有刷直流電機(jī)真空應(yīng)用研究

錢華,李志鵬,陳辰,金燚翥

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233；2.哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

1 前言

有刷直流電機(jī)以其體積小、重量輕、控制簡(jiǎn)單、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)中，由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用機(jī)械換向的電刷與換向器在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨損的磨屑，電機(jī)的使用壽命取決于電刷的磨損壽命；同時(shí)隨著電刷磨屑的增加將影響電機(jī)的絕緣電阻，甚至影響電機(jī)的正常使用。在航空、航天的低氣壓、真空環(huán)境條件下，電刷壽命遠(yuǎn)低于大氣環(huán)境條件，這是限制有刷直流電機(jī)在航空、航天應(yīng)用的主要因素。雖然目前國(guó)內(nèi)航天用電刷材料的真空耐磨性能與美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家相比，尚有差距，但就目前國(guó)內(nèi)航天、航空電刷的實(shí)際情況，針對(duì)各種有刷電機(jī)的特點(diǎn)，選用適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)類型和功率密度，通過(guò)理論分析和樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證證明，也可實(shí)現(xiàn)有刷電機(jī)真空長(zhǎng)壽命的使用要求。

2 有刷直流電機(jī)真空長(zhǎng)壽命應(yīng)用可行性分析

2.1 國(guó)內(nèi)、外有刷直流電機(jī)真空環(huán)境應(yīng)用情況

目前國(guó)內(nèi)在衛(wèi)星及其他航天器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)中，航天有刷電機(jī)僅應(yīng)用于一次性展開(kāi)機(jī)構(gòu)及較短時(shí)間運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中。美國(guó)、俄羅斯等在航天技術(shù)處于領(lǐng)先的國(guó)家，有刷直流電機(jī)在航天應(yīng)用已不僅限于短時(shí)間、一次性展開(kāi)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，已突破了有刷直流電機(jī)真空長(zhǎng)壽命應(yīng)用，涉及多種有刷電機(jī)類型[1]。

國(guó)內(nèi)通過(guò)數(shù)十年電刷行業(yè)對(duì)低氣壓、真空用電刷的研制，適合航空條件低氣壓環(huán)境用電刷材料已有成系列產(chǎn)品品種，即有刷直流電機(jī)在航空環(huán)境條件下有較為成熟和廣泛的應(yīng)用；但有刷直流電機(jī)在真空環(huán)境的應(yīng)用，由于電刷材料真空耐磨性不足的限制，還僅限應(yīng)用于短時(shí)工作的運(yùn)行機(jī)構(gòu)中。

2.2 有刷電機(jī)真空環(huán)境應(yīng)用的難點(diǎn)

有刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是：外加電壓通過(guò)電刷和換向器再加到電樞線圈上，電樞線圈在定子磁場(chǎng)中受到垂直于本身的切向電磁力，在電磁力的作用下整個(gè)電樞旋轉(zhuǎn)起來(lái)；當(dāng)電樞線圈分別交替地處在定子的N極或S極下，線圈中電流的方向隨著其所在的定子磁極的改變而改變，這樣使得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向保持不變，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。

圖1 有刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖Fig. 1 Working principle of brush DC motor

從有刷直流電機(jī)工作原理可知，該類型電機(jī)通過(guò)電刷與換向器機(jī)械換向使得電刷兩端建立直流電勢(shì)，完成直流電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。換向過(guò)程實(shí)際是電刷和換向器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械過(guò)程，通常電刷采用碳刷，換向器采用銅材，電刷和換向器間的接觸屬于滑動(dòng)接觸。在結(jié)構(gòu)上，電刷固定在定子上，換向器與電樞成一體。電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中電刷材料存在磨損的情況，因此，電機(jī)的使用壽命主要取決于電刷材料的磨損壽命[2]。

有刷直流電機(jī)在通電運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電刷的磨損包括機(jī)械磨損和電氣磨損，即有電流作用影響下的機(jī)械磨損[3]。由于組成電刷材料的主要成分碳石墨的耐磨性在大氣和真空環(huán)境條件有較大差異，以及大氣條件下空氣的作用（主要是氧氣和水氣），導(dǎo)致真空環(huán)境下普通電刷磨損較大氣環(huán)境條件下嚴(yán)重得多，甚至無(wú)法正常運(yùn)行。

2.2.1 大氣環(huán)境條件下有刷電機(jī)電刷運(yùn)行情況

在大氣環(huán)境條件下有刷直流電機(jī)通電運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電刷在換向器表面滑動(dòng)，換向器表面就會(huì)生成一層薄膜，這層薄膜主要由氧化亞銅薄膜和電刷與換向片間的碳素薄膜組成，電刷與換向器的接觸情況如圖2所示。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電刷與換向器的機(jī)械磨損可能破壞換向器表面的氧化亞銅薄膜，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)，換向片受熱并與空氣中水分接觸，便重新生成了氧化亞銅薄膜，如此循環(huán)往復(fù)，維持了“動(dòng)”平衡，

而碳素薄膜起到了潤(rùn)滑作用。這層薄膜限制了被電刷短路的元件的短路電流，使換向近于線性的電阻換向，可以改善電機(jī)換向性能，降低了電刷和換向器的磨損，使電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 電刷與換向器的接觸情況Fig.2 Contact between brush and commutator

2.2.2 真空環(huán)境條件下有刷電機(jī)電刷運(yùn)行情況

① 電刷在真空環(huán)境下的特性分析

組成有刷電機(jī)電刷的主要原材料是碳石墨，該材料在真空條件下其摩擦系數(shù)較大氣環(huán)境條件下明顯增大，電刷磨損量與水蒸氣壓和氧氣壓的關(guān)系如圖3和圖4所示。從圖中可以看出隨著水蒸氣跟氧氣的減少，電刷磨損率呈指數(shù)增大。說(shuō)明真空條件下電刷機(jī)械磨損嚴(yán)重加劇，接觸面潤(rùn)滑明顯變差；真空條件下散熱性能差也造成電刷和換向器滑動(dòng)接觸進(jìn)一步變壞，導(dǎo)致電機(jī)溫升較大氣條件下明顯增大，電流也隨之明顯增加[4]。

圖3 磨損率隨水蒸氣壓的變化曲線Fig.3 Change curve of wear rate with vapor pressure

圖4 磨損率隨氧氣壓的變化曲線Fig. 4 Change curve of wear rate with oxygen pressure

② 電刷在真空環(huán)境下的影響因素分析

電刷的磨損是影響有刷電機(jī)使用壽命的主要因素，電刷磨損主要有機(jī)械磨損和電氣磨損兩種。在真空條件下，電刷材料的磨損率成倍增大，導(dǎo)致電刷的機(jī)械磨損加??；由于缺少水分和氧氣，換向器表面氧化膜破壞后將無(wú)法再形成，即換向器表面潤(rùn)滑膜無(wú)法形成，換向較大氣條件差，電氣磨損加劇，接觸面的機(jī)械磨損也隨之加劇，電刷在真空環(huán)境下，機(jī)械和電氣磨損都較大氣環(huán)境下成數(shù)倍增加，電機(jī)工作的壽命和可靠性隨之大幅度降低，這就是阻礙有刷直流電動(dòng)機(jī)在航天器中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.3 有刷電機(jī)真空應(yīng)用可行性分析

基于有刷電機(jī)真空應(yīng)用電刷磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，多年來(lái)針對(duì)電刷真空耐磨性進(jìn)行的研究，電刷能滿足真空短時(shí)運(yùn)行，但較正常大氣條件的使用壽命尚有較大距離。通過(guò)對(duì)真空電刷磨損難點(diǎn)分析認(rèn)為，解決途徑可從兩方面進(jìn)行

1）攻關(guān)研制滿足真空環(huán)境使用的電刷材料，改善電刷材料的真空耐磨性，提高電機(jī)的真空使用壽命。

2）改善電機(jī)換向，減少因換向電流產(chǎn)生的電氣磨損。通過(guò)選用換向良好的有刷電機(jī)類型或進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小換向電流、改善換向以達(dá)到減小真空電氣磨損提高電機(jī)真空使用壽命的目的。

2.3.1 適合真空用電刷的攻關(guān)研制

根據(jù)電刷材料在真空環(huán)境下磨損嚴(yán)重的機(jī)理，目前適合真空用電刷的研制主要基于國(guó)內(nèi)航空電刷應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行真空潤(rùn)滑改善，減小真空磨損率，提高真空耐磨性，以達(dá)到延長(zhǎng)電刷真空使用壽命的目的。通過(guò)在電刷材料中添加提高真空耐磨性材料，如二硫化鉬[5]、氟化碳等，采用不同的添加方式、添加比例和加工工藝的試制，并經(jīng)常態(tài)和真空試驗(yàn)驗(yàn)證，摸索出適合真空用電刷的材料配比和加工方式。通過(guò)對(duì)電刷材料真空耐磨性的改善的多方案對(duì)比，電刷的真空使用壽命雖然遠(yuǎn)小于大氣環(huán)境條件的使用壽命，但較改進(jìn)前真空使用壽命均有不同程度的改善和提高。

如經(jīng)攻關(guān)研制的某型號(hào)電刷A，具有抗磨性和換向性能好、壽命長(zhǎng)、制造工藝較為復(fù)雜、圓周速度高等特點(diǎn)。該電刷材料以炭素為主，經(jīng)混合、成型、焙燒、石墨化等工序，通過(guò)在石墨化料粉加入造粒MoS2再成型焙燒，或填MoS2芯柱后再浸漬處理而制得。

該類型電刷的使用溫度高，我國(guó)和前蘇聯(lián)使用的有色電刷由于受材料和工藝的局限性使用溫度一般低于180℃，而該型號(hào)電刷的長(zhǎng)期允許工作溫度為250℃，瞬間允許工作溫度可達(dá)600℃。另外該類型電刷的使用高度高，有色電刷的使用高度一般不超過(guò)1.8萬(wàn)米，而該類型電刷可在2萬(wàn)米以上的高空中長(zhǎng)期工作，真空使用壽命尚需試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3.2 適合真空用有刷電機(jī)類型分析

根據(jù)有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子組成結(jié)構(gòu)不同，可分為普通由鐵芯電樞結(jié)構(gòu)組成的有刷直流電動(dòng)機(jī)和無(wú)鐵芯式電樞結(jié)構(gòu)的有刷直流電機(jī)。結(jié)合不同類型電機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能等特點(diǎn)，針對(duì)影響有刷電機(jī)航天環(huán)境的應(yīng)用的因素，并結(jié)合前期有刷電機(jī)航天應(yīng)用研究的經(jīng)驗(yàn)，分析梳理適合有刷直流電機(jī)航天應(yīng)用，特別是航天長(zhǎng)壽命應(yīng)用的可能性。

普通鐵芯式電樞結(jié)構(gòu)的有刷直流電動(dòng)機(jī)以永磁式直流電動(dòng)機(jī)為例，該類型電機(jī)具有尺寸小、重量輕、效率高和控制特性好等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于伺服特性要求較高以及較高調(diào)速特性的應(yīng)用場(chǎng)合，采用無(wú)鐵芯式電樞結(jié)構(gòu)有刷直流電動(dòng)機(jī)，以空心杯電樞永磁式直流電機(jī)為例，相比較鐵芯式有刷直流電動(dòng)機(jī)，空心杯電機(jī)優(yōu)勢(shì)更加明顯，具體優(yōu)點(diǎn)有：

1)效率高 由于該類型電機(jī)轉(zhuǎn)子沒(méi)有導(dǎo)磁體，僅采用繞組繞制而成。不存在普通電樞結(jié)構(gòu)因磁鋼與電樞導(dǎo)磁體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的鐵損。因此相比較普通電樞結(jié)構(gòu)的電機(jī)，總損耗小，效率更高，目前國(guó)內(nèi)最高效率可達(dá)80%以上，這在小功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)明顯。

2)換向好 由于電機(jī)轉(zhuǎn)子沒(méi)有鐵芯，僅有線圈采用特殊加工方式組成，電機(jī)的自感和互感都較小，因此該類型電機(jī)換向良好。

3)壽命長(zhǎng) 由于換向火花好，電動(dòng)機(jī)效率高，因此電刷壽命較有鐵芯的直流電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)2~3倍。

4)慣量小 由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無(wú)鐵芯，直接由繞組、繞組支架、轉(zhuǎn)軸和換向器組成，因此轉(zhuǎn)子慣量明顯減小。

通過(guò)對(duì)上述兩種類型電機(jī)的特點(diǎn)對(duì)比分析可以看出，空心杯電樞電機(jī)具有換向良好，功率密度高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，相比較而言，在相同運(yùn)行條件下，電刷的磨損量小于鐵芯式電機(jī)。特別是在真空條件下，影響電刷磨損的電腐蝕磨損情況應(yīng)小于有鐵芯式電機(jī)?；谏鲜鰧?duì)比，分析認(rèn)為采用空心杯電樞電機(jī)，電機(jī)輸出功率合理選配，即電機(jī)帶載的發(fā)熱在合理區(qū)間內(nèi)，采用較小的功率密度，使用目前滿足短時(shí)間運(yùn)行的真空用電刷，應(yīng)可以達(dá)到延長(zhǎng)真空使用壽命的目的。

為了驗(yàn)證上述設(shè)想，采用攻關(guān)研制的適合真空用電刷A進(jìn)行了上述兩種樣機(jī)的真空壽命對(duì)比試驗(yàn)。

3 樣機(jī)測(cè)試對(duì)比

將電刷A分別應(yīng)用于鐵芯式LYX型有刷直流電動(dòng)機(jī)和無(wú)鐵芯式SYK型空心杯電機(jī)進(jìn)行了壽命試驗(yàn)對(duì)比。兩種類型電機(jī)設(shè)定相同的試驗(yàn)參數(shù)：電刷電流密度3 A/cm2，線速度3.3 m/s。具體對(duì)應(yīng)電機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 電機(jī)性能參數(shù)表Table 1 Motor performance parameter table

電機(jī)進(jìn)行常態(tài)、真空帶載試驗(yàn)，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10h停2h，改變旋轉(zhuǎn)方向，如此循環(huán)，累積運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。試驗(yàn)過(guò)程中用示波器監(jiān)測(cè)電機(jī)的電流波形，每間隔10h記錄電機(jī)的電流波形。 壽命試驗(yàn)前后測(cè)試電刷長(zhǎng)度，以此計(jì)算出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)100h后的電刷磨損量。

兩種電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如下：

1)LYX電機(jī)常態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，100h磨損量不大于0.1mm；正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中電機(jī)溫升不大于20K，真空運(yùn)轉(zhuǎn)約45小時(shí)后出現(xiàn)電流明顯增大陡升至正常值得2倍，且繼續(xù)增大，無(wú)法正常運(yùn)行；拆開(kāi)檢查電機(jī)內(nèi)部，在電刷附近有大量碳粉堆積；通過(guò)示波器檢測(cè)的電流波形推斷，電機(jī)電流明顯增大時(shí)刻換向器片間短路。

2)SYK電機(jī)常態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，100h磨損量不大于0.03mm，電機(jī)溫升不大于20K；100h真空運(yùn)轉(zhuǎn)正常，磨損量不大于0.1mm，電機(jī)溫升不大于20K。示波器檢測(cè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的電流情況，常態(tài)與真空無(wú)明顯差異。

4 結(jié)論

通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)表明，通過(guò)選用換向良好的空心杯電樞電機(jī)，合理選用電機(jī)參數(shù)，使電機(jī)應(yīng)用在真空下電機(jī)換向較好，真空使用壽命延長(zhǎng)的效果較明顯，特別是采用專門研制的改善真空潤(rùn)滑電刷后，真空下電機(jī)壽命有明顯改善。