航空直流起动发电机换向火花抑制研究

摘 要：针对航空直流起动发电机大电流、高转速产生的换向火花导致换向器表面高温烧蚀换向片，同时换向火花产生的电磁辐射对飞行器的通讯系统造成干扰的问题，根据经典换向理论建立直流起发电机换向数学模型，从电磁优化和机械试验两个方面研究了换向火花的抑制措施。首先，从电磁角度研究主磁极计算极弧系数对电流换向的影响，当计算极弧系数为0.65时电机近似直线换向；当电刷覆盖系数为2.41时，较小电抗电动势降低了换向电流，同时对电机起动性能和发电性能影响忽略不计。然后，从机械结构角度对不同电刷材料和不同电刷压力开展试验，结果表明选取52 kPa的电刷压力和TDQ52有芯柱电刷，脉动电压从0.88 V降低到0.53 V，电机在起动和发电两种状态下的换向火花都显著减小。所采取措施对于提高电机航空电源品质和延长电机使用寿命具有重要价值。

关键词：直流起动发电机；换向火花；电磁优化；电刷压力；电刷材料

DOI：10.15938/j.emc.2024.10.014

中图分类号：TM35

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2024）10-0147-08

收稿日期： 2023-02-14

基金项目：国防科工局技术基础研究项目（JSZL2022204A001）；1912项目

作者简介：张命杨（1995—），男，硕士，研究方向为航空直流电机设计及其控制、永磁直流电机设计及控制；

陈 强（1974—），男，研究员，硕士生导师，研究方向为特种电机及风机技术；

彭辉灯（1991—），男，硕士，工程师，研究方向为微特电机设计与制造；

孙若兰（1991—），女，硕士，工程师，研究方向为精密微特电机设计、三级式发电机设计及其控制；

施道龙（1988—），男，硕士，高级工程师，研究方向为航空航天起发电机设计与高温高速永磁电机设计。

通信作者：陈 强

Study on commutation spark suppression of aviation DC starter-generator

ZHANG Mingyang^1，2， CHEN Qiang^1，2， PENG Huideng²， SUN Ruolan²， SHI Daolong²

（1.College of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China; 2.National Research Center of Precision Micro and Special Electrical Engineering Technology， Guizhou Aerospace Linquan Electric Machine Co.， Ltd.， Guiyang 550081， China）

Abstract：Aiming at the commutation sparks generated by the high current and high speed of the aviation DC starter generator， which cause high-temperature erosion of the commutator blades on the commutator surface， and the electromagnetic radiation generated by the commutation sparks interferes with the communication system of the aircraft， based on the classical commutation theory， the mathematical model of DC starter generator commutation was established， and the suppression measures of commutation spark were studied from two aspects of electromagnetic optimization and mechanical test.Firstly， the influence of the calculated polar arc coefficient of the main pole on the current reversal was studied from the electromagnetic point of view. When the calculated polar arc coefficient is 0.65， the motor is approximately rectilinear reversal. When the brush coverage coefficient is 2.41， the smaller reactance electromotive force reduces the commutation current， and the effect on motor starting performance and generation performance is ignored. Then， different brush materials and different brush pressures were tested from the perspective of mechanical structure. The results show that when 52 kPa brush pressure and TDQ52 core brush are selected， the pulsating voltage is reduced from 0.88 V to 0.53 V， and the reversing spark of the motor is significantly reduced in both starting and generating states. It is of great value to improve the quality of aviation power supply and prolong the service life of motor.

Keywords： DC starter-generator; commutation spark; electromagnetic optimization; brush pressure;brush material

0 引 言

航空直流起动发电机（aviation DC starter-generator，ADCSG）既能用作电动机拖动发动机起动，又可用作发电机为飞行器电气系统提供电源，有效减轻飞行器总体重量，提高功率密度，在航空航天领域获得广泛应用^［1-4］。但是，随着飞行高度增加，空气湿度、氧气含量都大幅下降，换向器表面氧化膜的损伤难以迅速修复，电弧息灭时间延长，换向火花显著增加导致电机使用寿命降低^［5-6］，甚至直接损坏电机，给航空航天飞行器造成严重损失。直流电机换向火花实际上是电磁、热、机械、化学、环境等因素相互影响的综合结果^［7-8］，但文献［9-10］研究表明，直流电机的换向火花主要受电气和机械因素影响，其中电气火花与电机电刷下的电流密度成线性相关，机械火花与电机的转速、换向周期、换向装置的结构相关。直流有刷电机换向火花导致的故障一直是国内外研究的难点，也是限制直流有刷电机大功率持续发展的关键问题。文献［11-12］主要研究直流电动机换向故障的摩擦学机制，使用扫描电子显微镜研究换向器表面氧化膜结构粗糙度，发现故障电机换向器表面形成了球形磨损颗粒，对比正常使用的换向器表面无此结构，总结出均匀的氧化膜有利于换向。文献［13］主要研究影响换向器和电刷的使用寿命、碳刷磨损的原因，以换向片和电刷间的摩擦系数为主要研究点，发现如果换向器表面氧化膜良好，换向片的摩擦系数可以降低到原来裸铜摩擦系数的10%;同时，摩擦系数随着换向器温度的升高而降低到一定程度，然后随着换向器温度的继续升高而增加。文献［14］介绍了电刷压力、绕组形式、极弧系数对弹用永磁直流伺服电机换向区域的影响，单波绕组相比单叠绕组更有利于换向，不同的海拔高度需要选取不同极弧系数，但只是定性分析变化趋势，缺少工程实践数据证明。文献［15-17］介绍了分辨电刷的特点，采用分辨电刷，不同刷辦之间接触电阻增加了横向电阻，使得换向元件在换向回路中电阻增大，从而减小换向电流达到改善换向的目的，但增大电阻会使得负载电刷压降增大，因此针对具体应用场景需要选择合适的电刷材料。文献［18］主要介绍直流电机在运行过程中换向火花产生的部分原因，提供了解决措施的经验总结。国内外关于换向的理论都局限于定性研究，没有完整的数学理论推导换向火花的影响因素。

本文针对航空大功率ADCSG换向火花故障，建立换向电流的数学模型，通过有限元软件仿真优化ADCSG主磁极极弧系数和电刷宽度，使得电机在起动性能和发电性能不变的前提下接近直线换向。最后，在一台12 kW样机上比较不同电刷压力和不同电刷材料在起动和发电2种工况下的换向火花，为此类电机选取合适的电刷压力和电刷材料提供指导。

1 直流起发电机换向

1.1 换向故障现象

ADCSG工作在航空缺水、缺氧环境中，电刷滑动接触的换向器表面难以形成良好的氧化膜，失去氧化膜的润滑和氧化膜的电阻作用，电刷与换向器之间摩擦系数增大，电刷使用寿命缩短，换向回路电阻减小导致换向电流增大，电刷下电弧熄灭时间延长，恶劣的飞行环境中换向火花逐步发展成环火，换向片出现高温烧蚀翘片，如图1所示，严重影响电机工作可靠性和寿命。

1.2 换向过程分析

电机转子旋转过程中，励磁磁势分布、气隙的均匀程度及磁路的饱和状况均会影响气隙磁密，对换向线圈中的剩余电势产生影响。主磁极下的气隙磁通密度B（x）变化如图2所示，在一个极距范围内磁通^［19］为

Φ=∫B（x）ds=l_ef∫^τ2_－τ2B（x）dx=B_maxα^′_pτl_ef。（1）

式中：Φ为每极磁通；B_max为最大气隙磁密；l_ef为电枢导体有效长度；τ为极距；α^′_p为极弧系数，表达式为

α^′_p=1τ∫^τ2_－τ2B（x）dxB_max=B_δavB_max=b^′_pτ。 （2）

其中B_δav为换向区域平均磁感应强度。

ADCSG绕组换向过程如图3所示，线圈中变化的磁通及电流产生合成电势∑e，忽略线圈自身微小电阻，换向线圈（图3中粗线圈）、电刷和换向片构成一条闭合回路，列写KVL方程并求解换向电流为：

（i_a+i）r₁－（i_a－i）r₂=∑e=e_r+e_k；（3）

i=i_ar₂－r₁r₁+r₂+∑er₁+r₂=i_a1－2tT_k+

∑er₁+r₂=i_L+i_k。（4）

式中：i为换向电流；i_a为非换向线圈电枢导体中电流；r₁、r₂分别为换向片1、2与电刷的接触电阻；T_k为换向周期；i_L为直线换向电流；i_k为附加换向电流；e_r为线圈电抗电动势；e_k为旋转电动势；e_r和e_k分别为^［20］：

e_r∝4ub_b+2βl_efλ_s×10^－6;（5）

e_k=2N_yB_δavl_efV_a。（6）

式中：u为虚槽数；b_b为电刷宽度；β为电刷覆盖系数；λ_s为等效比漏磁导，一般取值在4～8 μH/m范围内；N_y为换向元件匝数；V_a为电枢表面旋转线速度。

1.3 换向火花抑制措施

换向火花产生是电磁、机械、热力学等因素综合影响的结果。由式（1）～式（6）可知，直线换向电流i_L取决于前刷边和后刷边的接触电阻，而附加换向电流i_k不仅和这些电阻大小有关，还和换向线圈合成电势大小及方向有关。因此，主要从电磁和机械两方面采取措施抑制换向火花。选择合适的主磁极计算极弧系数α^′_p电刷宽度，减小交轴电枢反应对主磁场的干扰。换向极绕组在换向区域建立一个换向磁场，使得换向元件在换向期间产生的电抗电势e_r和旋转电动势e_k大小相等，方向相反。选取适当电刷材料、电刷压力以减小振动引起的机械换向火花。

2 电磁优化有限元分析

采用有限元法对电机的运行工况进行仿真分析，电机基本参数如表1所示。仿真分析中，发电机状态仿真环境温度设置为65 ℃，电动状态环境温度设置为70 ℃。在Maxwell中建立电机二维仿真模型如图4所示。

2.1 极弧系数对换向的影响

由式（2）可知，极弧系数过大导致换向区域减小，使得换向条件恶劣；极弧系数过小导致电机的磁通减小，使得电磁转矩指标下降，同样功率电机增大了体积。所以合适的极弧系数选择对电机换向及其他性能指标设计非常重要。文献［19］研究表明电机的计算极弧系数范围为0.52～0.8较为合理，针对航空特殊环境下的直流起动发电机，分别取计算极弧系数0.55、0.65、0.75进行仿真，其电机的换向电流的变化如图5所示。可以看出，当极弧系数取0.55时，电流在电刷后刷边急剧变化，滞后换向在电刷后刷边产生换向火花；当极弧系数取0.75时，超前换向在电刷前刷边产生换向火花；当电机极弧系数为0.65时，电机接近直线换向，换向性能好。

2.2 电刷宽度对换向的影响

根据1.2节直流电机换向过程分析，当电刷宽度小于等于一片换向片宽度（对应β≤1）时，一对电刷下只有一个线圈换向，线圈中电流变化引起电抗电动势及磁通变化引起的旋转电动势，但电刷电流密度较大，极易发热导致换向恶性循环。当电刷同时覆盖多片换向片（对应β≥3）时，不仅有上述2个电势，还有相邻换向线圈之间的互感电势，由式（5）可知，电抗电动势与电刷覆盖系数同向变化，增加电刷宽度会导致并联支路中有效线圈数减少，使得发电机输出电压不能满足要求。因此，选择合适的电刷宽度对于电机换向及工作性能至关重要。该直流起发电机的换向片宽度为5.8 mm，采用不同宽度电刷（b_b=10.6、14、17.4 mm，对应电刷覆盖系数β分别为：1.82、2.41、3.0），针对电机的起动性能、发电性能进行仿真。

起动状态下，输入电压22 V，负载转矩40 N·m，电机起动性能仿真如图6和图7所示。

当电刷覆盖系数β=1.82时，稳定转速2 404 r/min，电枢电流703.8 A；当电刷覆盖系数β=2.41时，稳定转速2 466 r/min，电枢电流718.37 A；当电刷覆盖系数β=3.0时，稳定转速2 524 r/min，电枢电流747.9 A。由此可见，随着电刷宽度增加，稳态转速同向增加，电枢电流也增加。

发电状态下，转速设置8 000 r/min，励磁电流4 A，发电功率12 kW。3种不同电刷宽度的输出电压仿真结果如图8所示，可以看出，β=1.82时输出电压为31.12 V，β=2.41时输出电压为30.04 V，β=3.0时输出电压为29.29 V，电刷宽度增加后输出电压下降。

随着电刷宽度增加，稳态转速、电枢电流均同向增加，稳态转速增加有利于拖动发动机由静止到点火转速，但是电枢电流增加会给换向增加负担，且随着电刷宽度增加，电机作为发电机状态下的输出端电压减小，若要满足飞机供电系统的电源电压要求，则需要增加电枢绕组长度或电枢绕组匝数，必然导致电机重量和制造成本增加。电刷宽度17.4 mm相比14 mm时，起动状态下的电枢电流更大，发电状态下的端电压更小。因此，综合选择电刷宽度为14 mm，即电刷覆盖系数为2.41。

3 机械因素优化试验

3.1 电刷压力对换向的影响

电刷压力过小会造成电刷与换向器表面接触点变少，换向器表面无法形成均匀致密的氧化膜，电机运行时会产生较大换向火花。电刷压力过大会破坏换向器表面氧化膜，同样会产生较大的换向火花，加剧换向器与电刷磨损，电刷使用寿命缩短。选择合适的电刷压力对于电机换向和延长电机使用寿命都至关重要。

采用图9所示的均匀恒压力的蜗卷弹簧提供不同的电刷压力（43、52、62、73.5 kPa），即使电刷磨损量增加，电刷本身长度逐渐减小，弹簧提供的电刷压力也没有变化。在图10所示的专用试验台进行起动、发电试验，对比不同压力下脉动电压、电刷磨损率及额定电压的励磁电流结果如表2所示。

由表2可以看出，增大电刷压力后，额定电压点的励磁电流基本一致，43 kPa电刷压力时最大脉动为0.88 V，剩余3种电刷压力的脉动电压几乎相同，为0.53 V左右，较大的脉动电压降低飞机电源品质，从电源电压脉动角度考虑不宜选择43 kPa电刷压力的蜗卷弹簧；43 kPa电刷磨损率为0.49 mm/100 h，52 kPa较43 kPa电刷磨损率增加38%，62 kPa较52 kPa电刷磨损率增加69%，73.5 kPa较62 kPa电刷磨损率增加13%，将电刷压力从52 kPa增加至62 kPa时，电刷磨损率出现很大的增幅，降低了电刷使用寿命，因此该型电机选用电刷压力为52 kPa。

3.2 电刷材料对换向的影响

由式（3）、式（4）可知，增大换向回路电阻有利于减小换向电流。低电刷电阻率对于大电流作用下换向火花抑制不明显，易产生电气火花，高电阻率电刷在电机工作中产生较大电刷压降，增加电刷损耗，故需要综合考虑电刷材料。因此，选取不同的电刷D308、TDQ52、TD28G、J220分别安装在起发电机上进行起动和发电试验，4种电刷的参数如表3所示。观察不同电阻率电刷对换向火花的抑制效果如图11、图12所示。

由图11、图12可知，当电机工作在起动状态时，D308、TDQ52两款高电阻率电刷的换向火花只是局部较小状态，TD28G、J220两款低电阻率电刷的换向火花较为明显；当电机工作在发电状态时，D308、TDQ52电刷未出现火花，TD28G、J220电刷依然有局部火花出现。从换向火花抑制效果看，该电机宜选用电阻率较大的电刷，但是D308电刷的电刷压降大、摩擦系数大，增加了电刷损耗，相比TDQ52电刷降低了电机工作效率，同时有芯柱电刷TD52磨损产物中的碳粉及MoS₂等混合物在换向片间沟槽里面的堆积，相比纯碳粉降低了破坏绝缘的概率，故该电机综合选择TDQ52有芯柱电刷。

4 结 论

本文针对航空直流起动发电机在高空环境中换向火花引起高温烧蚀换向片问题，在一款已经安装换向极和补偿绕组的电机上，通过有限元电磁优化和样机试验对比研究，得出以下结论：

1）主磁极极弧系数为0.55时，电机出现滞后换向，极弧系数为0.75时，电机出现超前换向，在电刷前刷边出现换向火花，极弧系数为0.65时，电机接近直线换向；

2）电机起动稳态转速随着电刷宽度增加而增加，同时电枢电流也会增加，使得换向负担加重，电刷宽度增加使得发电状态下的输出端电压减小。故此类电机的电刷覆盖系数为2.41较为合理；

3）安装电刷压力为52 kPa直流起动发电机的发电脉动电压为0.53 V，电刷压力为43 kPa时脉动电压为0.88 V，前者比后者降低66%，有利于减小换向片间电位差火花，同时提升发电状态电源品质；电刷压力为52 kPa时电刷磨损率为0.68 mm/100 h，电刷压力为62、73.5 kPa时平均电刷磨损率为1.23 mm/100 h，前者比后者降低81%，有利于延长电机无检修工作时间；

4）具有高电阻率的电刷D308、TDQ52相比低电阻率的电刷TD28G、J220，在起动状态和发电状态下都有更小的换向火花，对于此类电机选择高电阻率的有芯柱电刷较为合理，但是D308号电刷压降较大、摩擦系数较大，增加电刷损耗，降低了电机工作效率，故该型电机选择TDQ52电刷。

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（编辑：邱赫男）