一种新型功率汇流环的设计

邓书山，赵克俊，康成彬

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

航空雷达是一种重要的空中电子侦察设备，其功能是实现对远距离、低空小目标的探测。为了提高平台的稳定性，雷达在设计时都要考虑到体积小、重量轻的设计原则。汇流环作为雷达设备的关键部件，其功能是实现雷达旋转部分与固定部分之间功率和数据信号的连续旋转传输。传统功率汇流环大部分都是采用银石墨电刷作为接触摩擦副，银石墨电刷是采用粉末冶金方法制造成的滑动接触副。其主要特点是自润滑性好，接触面积大，传输能力强；但是体积较大,落粉较多，需要定期维护。

由于航空雷达设计的特殊原则，对功率汇流环设计提出了体积小、重量轻、传输功率大等要求，使得传统碳刷汇流环在航空雷达上的使用受到一定限制。

针对航空雷达的特殊要求，考虑到国内金属刷丝性能提高以及导电环表面处理工艺稳定，提出了一种采用刷丝作为摩擦接触副的新型功率汇流环设计方法，分析了导电环和绝缘环特点对汇流环性能的影响，并对新型导电环和绝缘环结构进行了改进设计，同时对该功率汇流环设计中的关键技术进行了初步探讨，对今后类似雷达功率汇流环设计具有一定的参考意义。

1 技术要求

本设计的技术要求如下：雷达回转速度6～12 r/min，单通道工作功率≤30 kW，体积小，重量轻，传输功率大，寿命长，可靠性高，使用寿命周期内免维护。

2 汇流环设计

雷达汇流环按结构形式主要分为：柱式汇流环、盘式汇流环、差动汇流环等。汇流环的设计主要根据雷达技术指标和空间要求，选用不同结构形式的汇流环和不同电接触摩擦副形式来设计。

以往地面功率汇流环都是采用柱式汇流环，导电环材料主要选用黄铜或银铜钒合金，电接触摩擦副电刷主要选用银石墨复合材料。但是某航空雷达要求设计的功率汇流环体积小、重量轻、传输功率大，同时要求该汇流环寿命长，可靠性高，使用寿命期内免维护。因此该汇流环的设计原则是：(1)在结构形式上选用柱式结构；(2)电接触摩擦副选用金属刷丝。根据该雷达空间尺寸要求，将功率汇流环外形尺寸设计为直径160 mm、高200 mm，其外形如图1所示。

图1 功率汇流环外形图

2.1 金属刷丝选择

汇流环设计中电接触摩擦副一般可选用银石墨电刷和金属刷丝。由于采用银石墨电刷的传统汇流环落粉较多，需定期维护，在航空雷达上使用受到一定的限制。金属刷丝是一种直径为0.2～1.0 mm的金基合金丝，常用金属刷丝为金镍合金刷丝和金银铜合金刷丝，主要特点是耐磨性好、体积小、落粉极少。

本文在设计功率汇流环时既要考虑到空间和重量的限制，又要考虑满足要求的功率，决定采用多组金属刷丝并联的结构形式，如图2所示。金属刷丝选用金镍合金刷丝。如果功率汇流环电接触摩擦副选用银石墨电刷，要提高载流能力，必须把电刷的截面积设计得足够大，这样导电环和电刷就会占用很大的空间和重量。而采用多组金属刷丝并联的结构形式可以明显减小汇流环的空间和重量，同时又能够满足传输大电流的要求。

图2 金属刷丝并联结构图

2.2 导电环设计

设计导电环首先要选择合适的材料，导电环材料主要根据导电系数、耐磨性、防氧化和防硫化能力来选择。常用的材料有紫铜、黄铜、银铜合金和金。紫铜导电率高，但易受腐蚀；黄铜导电率比紫铜低，但成本低，在大电流和性能要求不高的情况下可以采用；银铜合金具有良好的导热性能，由于铜的加入能改善银基体的强度、硬度和耐磨性，并降低熔焊倾向，使其具有较好的电接触性能，同时添加少量的镍、锂、铝、钒、锆、铍，可以显著提高力学性能，而且改善了化学稳定性，应用最普遍；金虽然电阻比银高，但表面不易氧化，主要用作要求噪声电平低的小型滑环，对于大型滑环，用金成本太高[1]。由于雷达汇流环转速较低，可以在铜环表面涂覆贵金属层使用。考虑到以往汇流环设计中的成熟技术，在该汇流环设计时选用银铜合金作为导电环材料。

导电环与金属刷丝组合的设计形式主要有V型槽与金属刷丝组合、U型槽与金属刷丝组合设计，如图3所示。V型槽与金属刷丝接触是2点接触形式，而U型槽与金属刷丝接触是单点接触形式，金属刷丝在传输电流时，2点接触显然比单点接触更可靠，其载流能力更强。考虑到该航空雷达功率汇流环用来传输功率，为了提高汇流环载流能力以及可靠性，该汇流环设计采用了V型槽与金属刷丝组合形式。

2.3 绝缘环设计

在汇流环中，绝缘环起到各导电环之间绝缘的作用，它设计的可靠性对汇流环安全运行至关重要。一般绝缘环要求在高温、高湿等环境条件下具有优异的绝缘性能，在一些汇流环故障中，有许多问题是由于绝缘环材料选择和使用不当而引起的。

常用的绝缘材料有聚四氟乙烯和尼龙1010材料。聚四氟乙烯具有极好的耐高温、低温性能，长期使用温度-180 ℃～250 ℃，良好的绝缘性能，吸水性低(几乎不吸水)，突出的化学稳定性，极好的耐大气老化性能[1-2]。尼龙1010具有较高的机械强度和抗冲击韧性，耐磨性能好，耐油、耐电弧优良，耐化学性能好，吸水性大。聚四氟乙烯和尼龙1010主要技术性能参数见表1。通过表1可以看出，聚四氟乙烯在体积电阻率、熔点和吸水率等性能上都比尼龙1010高，虽然聚四氟乙烯的密度比尼龙1010稍高，但是考虑到该功率汇流环设计的单通道传输电流达到150 A，绝缘材料需要更高的熔点以及更低的吸水率。因此，在该汇流环设计中绝缘环材料选用聚四氟乙烯。

表1 聚四氟乙烯与尼龙1010性能参数

2.4 密封设计

考虑到该汇流环可能在湿气、雨水和盐雾等潮湿环境中工作，为了保护汇流环，在汇流环整体设计时对其进行了密封设计。密封是汇流环转动部分与固定部分的密封，主要由转动轴轴承外侧的油封、O型橡胶密封圈和两端盖板螺钉处的密封垫组成。图4所示为汇流环密封设计图。该密封设计采用了O型橡胶密封圈。O型密封圈结构简单、拆装方便、性价比高，作为静密封，其“零泄露”密封效果显著[3]，因而选用O型橡胶密封圈作为密封介质。

图4 汇流环密封设计图

2.5 功率汇流环设计中的关键技术

在该功率汇流环设计中考虑了金属刷丝、导电环和绝缘环的设计与材料选用，同时也对提高该汇流环整体可靠性的一些关键技术进行了初步探讨。

(1) 为了满足汇流环单通道载流能力，采用了合适直径的金属刷丝，并设计了多组金属刷丝并联的结构形式来提高单通道传输大电流能力。如果导电环与金属刷丝接触面积过小，传输大电流时，会导致导电环与金属刷丝发热，从而引起金属刷丝熔断,造成断路。将导电环表面设计成V型槽结构形式以及选择合适的金属刷丝可以确保汇流环传输大功率的可靠性。

(2) 导电环V型槽表面光洁度要高。导电环表面光洁度高可以减少与金属刷丝的磨损，从而提高汇流环的寿命。同时，导电环表面要镀上一层贵金属，这样可以显著增强导电环的导电性和耐磨性，有利于提高汇流环传输电流能力和寿命。

(3) 在设计绝缘环时，为了在有限空间尺寸范围内提高汇流环绝缘性能，需要考虑增加导电环间爬电距离，因而要对传统绝缘环结构形式进行改进设计，如图5所示。这样可以看出由于采用了改进后的绝缘环结构形式，使得导电环间爬电距离明显增加。

图5 绝缘环结构设计比较

3 结束语

考虑到航空雷达特殊的设计要求，汇流环设计在空间和重量上有着严格的限制。新型功率汇流环设计选择了金镍合金刷丝，采用了多组金属刷丝并联的方式，将导电环设计成V型槽的结构形式，选用了聚四氟乙烯作为绝缘环材料，并对传统绝缘环结构形式进行了改进设计。新型功率汇流环具有一些显著的优点：体积小，重量轻，结构简单可靠，能够实现单通道30 kW的功率旋转传输。后期经过一系列环境试验和实际加载试验，结果表明该新型功率汇流环各项技术性能指标均能满足航空雷达使用要求。