某汇流装置的电刷设计.docxVIP

?

?

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60r/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450mm/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2mm，绝缘环的厚度设计为0.5mm，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0.01mm，表面光洁度可达镜面，粗糙度达到Ra0.04。

V型槽表面再电镀一层10μm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