电磁轨道发射器连续发射的滑动电接触

第２４卷第３期　２０１２年３月　强　激　光　与　粒　子　束　ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　ＬＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　Ｖｏ１．２４，ＮＯ．３　Ｍａｒ．。２Ｏ１２　文章编号：　１００１—４３２２（２０１２）０３—０６６８—０６　电磁轨道发射器连续发射的滑动电接触　

徐伟东　，　袁伟群　，　陈　允１，２，　戴艺波　，　周　媛　，　杨　丹　，　严　萍　，　李　军　（１．中国科学院电工研究所，北京１００１９０；　２．中国科学院研究生院，北京１００１９０；　３．中国科学院电力电子与电力驱动重点实验室，北京１００１９０；　４．北京特种机电研究所，北京１０００１２）　摘要：从滑动电接触电阻大小的角度，详细分析了在时序放电条件下，两颗重约为５　ｇ的电枢，以速度　为ｌ　０００　ｍ／ｓ，１６６　Ｈｚ连续发射试验。通过近似计算电流所流经轨道电阻及电枢体电阻所产生的温升，对滑动　电接触电阻的影响。结果表明：连续发射运行模式下，受轨道表面温度上升的影响，第二发电枢的滑动接触电　阻略高于第一发电枢的滑动接触电阻，表面滑动电接触性能受到温升的影响，在两连发的发射情况下，其影响　虽不是很大，但多发高频连续发射就必须考虑热管理问题。　关键词：　电磁发射装置；滑动电接触性能；高频连续发射；接触电阻　中图分类号：ＴＭ８３３　文献标志码：　Ａ　ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１２２４０３．０６６８　电磁轨道发射中，固体电枢与铜导轨间是一种大电流高速滑动电接触＿】　］。其工作电流一般为百ｋＡ～　ＭＡ级，其电接触面上电流密度接近于铜导轨的电流承受极限，并且电枢在导轨上的相对滑动速度高达２．０　ｋｍ／ｓ。在这种工作条件下，接触表面在滑动过程中不但存在相互运动、材料软化、张力变形等力学现象，还存　在电阻热、电弧等一系列电学行为，且其相互之间存在复杂的交互作用ｌ３　］，引起接触面的接触形式、接触压力、　温度等参数变化，导致该接触面状态发生变化。滑动电接触状态影响推进装置的稳定性、初速度及系统效率，　对电磁发射技术的研究具有重要意义［５］。一般希望得到低而稳定的接触电阻，以保证电接触工作的可靠性，　提高系统效率。但目前该接触面的滑动电接触性能的分析还没有成熟的理论，现有的研究成果都是基于单发　发射实验或者单发发射条件下的重复发射试验，而对于高重复频率发射频率下的滑动电接触问题的研究仅限　于温度场的仿真分析　］。针对电磁轨道发射装置未来在速射条件下的应用，本文利用自行设计的高频轨道发　射器进行了一系列两连发高频发射试验，通过测量接触电压信号和总电流信号，进行信号处理，获得其接触电　阻　］，分析该发射模式下滑动电接触性能的变化，尤其是高频发射条件下温度升高对接触电阻大小的影响。　１　高频发射系统介绍　该试验系统如图１所示，主要包含高功率充电机、脉冲形成网络（ＰＦＮ）、高频电磁轨道发射器、控制系统和　

Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｌａｕｎｃｈｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　图１　高频发射系统组成示意图　

＊收稿日期：２０１１－１１　０１；　修订日期：２０１１　１２　２２　基金项目：中国科学院知识创新工程项目　作者简介：徐伟东（１９７９），男，博士后，工程师，主要从事脉冲功率技术、特种高压脉冲电源研究；ｘｕｗｅｉｄｏｎｇ４．０＠１６３．ｃｏｒｎ。

　第３期　徐伟东等：电磁轨道发射器连续发射的滑动电接触　６６９　

测量系统。脉冲形成网络的放电电压比较高，约１Ｏ　ｋＶ，且放电电流　极大，其过程中产生很高的磁场，为防止各种信号受到强磁场的干扰，　脉冲形成网络各种信号的传输均采用光纤传输，并且通过对其充电电　压幅值和放电时序的控制，调制所需要的电流波形。高频轨道发射器　由发射身管、电枢、汇流排和总体支撑组成。发射器身管口径为１８　ｍｍ×１８ｍｍ，轨道采用黄铜或紫铜材料制成，厚度为８　ｍｍ，身管的总　体长度为１　３１０　ｍｍ，其电感梯度Ｌ　为０．４　ｂｔＨ／ｍ，能够将两发重为５　ｇ的电枢以１６６　Ｈｚ的高频进行高速度发射。本试验采用的电枢为Ｃ　型电枢，如图２所示，质量约为５　ｇ，经计算可知，在起始处提供约　１８３．６　Ｎ的预紧力。测量系统主要测量电压信号和电流信号。通过所　Ｆｉｇ．２　Ｃ－ｓｈａｐｅ　ａｒｍａｔｕｒｅ　图２　Ｃ型单体电枢　测量的电压和电流信号进行滑动电接触电阻的计算，从而来分析电枢运动过程中电枢与轨道之间接触性能的　变化。电压信号采用高压脉冲分压器测量，由以下几个部分组成：第一发电枢的出口电压、第一发电枢尾部电　压、第二发电枢的出ＶＩ电压、第二发电枢尾部电压。电流信号则是采用测量每个放电电流波形，并将其求和的　方法获得。　２接触电阻、温升计算与仿真　２．１接触电阻　接触电阻Ｒ，由收缩电阻和表面膜电阻两部分组成，即Ｒｊ—Ｒ　＋Ｒ　。由于计算导电斑点数和平均半径非　常困难，工程上常用经验公式（１）计算接触电阻［８］　ｐ一　生　—　ｒ１、　“　（０．１０２Ｆ）ｍ　式中：Ｒｉ为接触电阻，ｍ１２；Ｆ为接触压力，Ｎ；为减小接触电阻，电枢与导轨接触面的初始应力为１８３．６　Ｎ；ｍ为　与接触形式（电接触、线接触和面接触）、压力范围和实际接触点的数目等因素有关的参数，本实验中为面接触，　取　一１；ｋｊ为与接触材料、表面状况等有关的系数，本文中接触介质为Ａ１一Ｃｕ，其值为０．９８。由上述参数及式　（１），可以求出发射初始时，电枢与轨道的接触电阻Ｒ　约为５３．３８　Ｑ，有两个接触面，总接触电阻约为１０６．６７　Ｑ。经计算，电枢的体电阻约为０．０２６　ｍＱ，即在初始状态下，待测电阻阻值约为０．１３２　ｍＱ。　２．２温升计算　发射试验中，电流的波形如图３所示。根据参考文献　［９］可知，由于电枢相对轨道以高速度运动以及趋肤效应，　造成电流在轨道与电枢接触面处的深度为０．５～ｌ＿５　ｍｍ。　假设其电阻和电感为定值，则可以得到轨道电阻所消耗的　能量。根据导轨材料电阻率、导轨长度、宽度及趋肤深度　（本文取为１．５　ｍｍ），可得到单根轨道的电阻Ｒ约为Ｏ．８２　ｍ１２。而电流流经单侧轨道电阻所消耗的能量　ｒｔ　Ｑ—　（ｔ）Ｒｄｔ　（２）　０　２　４　６　８　１Ｏ　１２　１４　ｔｉｍｅ／ｎｓ　２５。　２。。　蚤　１００　５。　０　图３中电流波形中的Ｏ—Ａ—Ｂ曲线对应第一发电枢发　Ｆｉｇ．３　Ｅ　ｉ　ｔ　１　ｆ。　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｔ　射过程中的驱动电流；Ｂ－Ｃ曲线对应第二发电枢输送的电　图３试验电压及电流波形　流；Ｃ＿Ｄ—Ｅ—Ｆ曲线对应第二发电枢发射过程中的驱动电流。　通过对第一段和第三段驱动电流的波形进行积分（用铜导轨的阻值），可以近似求得第一发和第二发电枢发射　过程中导轨电阻分别消耗的焦耳热Ｑ　和Ｑ　；对第二段电流曲线进行积分（电枢的本体电阻），可以得到电枢在　此条件下消耗的焦耳热Ｑ。。经计算可知：Ｑ　一１０　２１４．５　Ｊ，Ｑ　一５　９４６．３　Ｊ，Ｑ　一１３７．７　Ｊ。　根据比热容公式，在不考虑热传导及摩擦生热的情况下，第一发电枢发射过程，可使得轨道表层１．５　ｍｍ　厚部分温度平均上升约为１０８．０℃，电枢平均温升约为７５℃；第二发电枢进入主驱动段时，电枢的平均温升约　为３１．９℃；第二发电枢发射中，轨道表面温度平均上升６３．０℃，电枢平均温升约为４３．６℃。根据文献［１０］可　知，Ｕ形电枢内最高温度４２７。Ｃ，最低温度５７℃，与导轨接触面附近仍具有１２７℃左右较低的温度分布。因为　加　∞　舳　∞　矗§

ｕ　６７Ｏ　强　激　光　与　粒　子　束　第２４卷　没有考虑摩擦使轨道升温，且计算为平均温升，计算结果与文献结果较为吻合。电阻率与温度之间满足经验算　式　“　：Ｐ一０．０１７　２４Ｅ１￣（　一２０）ａ］。当温度变化为１００℃时，ａ约为０．００４，则其电阻率变化约为０．４。按照该　计算结果，在此工作频率条件下，连续发射５枚电枢，则轨道平均温度上升约为４２３℃，由于接触面还要承受摩　擦等原因，其轨道与电枢所接触表面的温度会更高，此时导轨的状态发生变化，其滑动电接触性能受到严重影　响。　２．３温度仿真　与单发发射试验相比，高频连续发射试验中，轨道的热管理问　题是必须进行考虑的。由于热扩散的临近效应，焦耳热主要分布　在电枢与轨道接触面之间的部分，即轨道内表面和电枢表面。文　献Ｅ６］仿真计算结果表明，在发射频率５０　Ｈｚ、驱动电流６００～７００　ｋＡ条件下，经过１０次发射试验后，轨道表面温升高达８００℃，而　导轨内部温升较低。如果发射频率进一步提高，轨道表面温度会　更高，按照目前１６６　Ｈｚ的发射频率，驱动电流大小约为ｌ１Ｏ　ｋＡ，　连续５发试验后，导轨温升就高达４２３℃。表面温度的急剧升高　会限制轨道的特性，并影响到接触面之间的接触状态，因而高频发　射条件下需要进行合理的热管理。在电枢静态条件下，施加与图　Ｆｉｇ．４　Ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　图４温度仿真结果　３中０一Ａ—Ｂ曲线等效的电流，仿真结果见图４，能够看出电枢的局部温度最高约为１６０℃，平均温度约为９Ｏ　℃，与计算结果基本相符合；导轨最高温度在电枢与轨道的接触面处，约为７２℃，平均温度约为５０℃，由于计　算时，电流严格按照１．５　ｍｍ的趋肤深度进行计算，实际工作中，电流是扩散比较深的。综上所述，仿真结果与　计算结果基本符合。　３试验结果及分析　本实验采用７个模块进行时序放电，电压为５．０　ｋＶ，放电时　５　序为４个模块在０时刻触发，３个模块在４　ｍｓ时刻触发，电枢质　量分别为４．７５５　ｇ和４．８１０　ｇ。通过高压探头（泰克Ｐ６０１５）测量　出口电压，Ｂ—ｄｏｔ探针测量电枢的位置和速度。实验结果两个电　毒　枢的速度分别为８５７　ｍ／ｓ和７６９　ｍ／ｓ，电流及电压的信号如图３　重２　所示。根据测得电压电流信号所计算的电阻如图５所示。　图５中，从０时刻到Ｂ时刻，对应第一发电枢发射过程，从Ｃ　点时刻到Ｆ点时刻，对应第二发电枢发射过程，时间间隔约为６　０　ｍｓ。Ｄ点时刻对应时序放电时刻。在图５中，０时刻到Ｂ时刻　为第一发电枢运动的滑动电接触电阻，Ｃ点到Ｆ点对应第二发电　Ｆｉｇ．５　枢发射过程中的接触电阻。从图中能够看出第二发电枢接触电　０　１　２　３　４　５　６　７　ｔｉｍｅ／ｍｓ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　图５计算滑动电接触电阻　阻比第一发电枢接触电阻高。由于测量所存在的接触电阻和杂散电感等原因，计算所得阻抗明显偏高。图６　为多次相同条件下的实验结果，其中图中右上角数字代表试验的序号，从电流曲线图６（ａ）中可以看出，电流波　形基本全部重合，第一发电枢的接触阻抗比较小，且基本一致，说明该系统可重复性很高，且轨道上沉积物不会　影响其滑动电接触性能。同时，从图６（ａ）中还可以看出，在发射过程中，计算所得接触电阻慢慢增大，这是因　为电枢的磨损造成接触压力变小，以及电枢、轨道的接触面温度升高造成。从阻抗曲线图６（ｂ）上看，第二发电　枢的接触性能总是比第一发电枢性能差。从电流大小基本一致上来分析，其电磁力基本维持不变，且同一过程　中，第一发电枢与第二发电枢的参数基本一致，不同的是，第二发电枢进入主驱动段时，电枢和轨道表面都具有　一定的温升，即只有轨道温度可能发生变化引起其接触电阻变大，说明温度对滑动电接触电阻影响比较大。通　过上述分析可知，在电磁发射过程中，轨道和电枢接触面之间的温升，引起接触电阻的增加，对发射过程产生一　定影响。　４　结　论