艇用勵磁變阻器設計

師慧倩，汪 浩

艇用勵磁變阻器設計

師慧倩，汪 浩

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

根據用戶需求進行艇用勵磁變阻器設計。根據功能需求，對電阻器、觸頭板及操作機構進行設計。溫升、壽命、沖擊、振動等多組試驗驗證表明，變阻器可靠性高，耐機械磨損性能好，設計滿足客戶需求。

變阻器 電阻 操作機構

0 引言

常用的變阻器有：滑線變阻器、滑動觸頭式變阻器、磁場變阻器、勵磁變阻器等。勵磁變阻器經常運用于艦艇各電力系統中。本文所述勵磁變阻器，用于勵磁回路調速[1]，而該勵磁回路不允許開路，因此，要求勵磁器變阻器具有很高的工作可靠性和使用壽命，對機械磨損、帶電轉換和調速平滑性等要求較高，特別是在艇用環境條件下，為縮小產品體積，往往采用變截面設計。

1 功能設計

1.1 功能要求

本文研究的勵磁變阻器用于艇用勵磁機組發電機的勵磁回路中，通過調節變阻器電阻來調節該勵磁回路的電流，從而改變勵磁機組發電機的輸出電壓（勵磁機組發電機為推進電機勵磁回路供電），最終實現推進電機轉速的調節。

1.2 功能框圖

為增加勵磁變阻器操作可靠性，勵磁變阻器設計了兩種操作方式：手動操作和電動操作。手動操作只能由人操作完成，無需帶電。電動操作可通過上級系統指令進行遠動控制。功能框圖如圖1所示。

圖1 功能框圖

2 勵磁變阻器設計

根據功能需求，變阻器分為電阻器、觸頭、電動操作機構及手動操作機構四大部分。

2.1 電阻器設計

為滿足技術指標要求的電阻調節范圍并為達到調速平滑要求，變阻器共設計101個阻值點，其中，每個阻值對應一個觸頭。

為盡可能減小變阻器體積，電阻采用鎳銅合金絲繞制，并采取變截面設計。鎳銅合金絲具有電阻率大，阻值穩定，不易受溫度變化影響的優點。不同線徑的鎳銅合金絲性能如表1所示[2～3]。

表1 部分鎳銅合金線電阻值（20°C）

電阻設計采用表1中5種規格線徑，做成帶陶瓷絕緣件的鋼板形式，在它上面纏繞電阻絲，并用耐熱絕緣的銅導線把金屬電阻器接線端之間和觸頭板的觸頭之間連接起來。電阻組成如圖2所示。

圖2 金屬電阻

1-電阻絲；2-接線端子；3-鋼板；4-陶瓷絕緣件

金屬電阻器通過絕緣桿裝到框架上，且各組之間用絕緣套隔開，從而保證了變阻器主回路具有足夠的機械強度和良好的電氣絕緣性能。

圖3 電阻布置

1-固定架；2-絕緣桿與絕緣套；3-金屬電阻

2.2 操作機構設計

2.2.1電動操作機構

電動操作時給電動機供電，電動機（可正反轉）轉動，經過減速齒輪減速，然后帶動電刷轉動接通不同的觸頭，實現變阻器電阻值的調節。如圖4所示。

圖4 傳動機構

為了使設計能夠滿足艇用環境耐沖擊振動的指標要求：電刷組件由螺釘固定，在沖擊振動情況下不會上下擺動；變阻器電動操作功能由電動機帶動減速齒輪傳動機構實現，若由電刷帶動減速齒輪反轉需要克服很大摩擦力，在沖擊或振動狀態下電刷不會輕易沿軸擺動；金屬電阻器以及觸頭板的接線均采用雙螺母方式加固。

變阻器的控制回路原理如圖5所示。

圖5 控制回路原理圖

當增大變阻器阻值時，給接觸器KS線圈供電，接觸器KS的常開觸頭閉合，常閉觸頭斷開。此時由接觸器KS常開觸頭和接觸器KM常閉觸頭組成的電機正轉回路接通，電機正轉并通過齒輪傳動機構減速后帶動電刷移動，增大變阻器電阻。當阻值達到要求值時，切斷KS線圈供電。

同理，當要減小變阻器阻值時，給接觸器KM線圈供電，電機反轉回路接通。

為了補充保護變阻器，在觸頭邊緣位置（阻值最大與最小處）設置終端開關BK2和BK3，電刷上的凸輪可頂動轉換開關的杠桿使其觸點狀態轉換，從而切斷電動機供電回路，電動機停轉。

通過系統控制回路的各繼電器、接觸器的觸點以及轉換開關的共同作用，在調節變阻器電阻至要求值時可實現電動機停轉。

2.2.2手動操作機構

手動操作時，將手柄壓到止檔位置，斷開齒輪傳動機構，然后轉動手柄，帶動撥叉使電刷轉動接通不同的觸頭，實現本變阻器電阻值的調節。

2.3 觸頭與電刷設計

勵磁變阻器阻值輸出是靠與電阻絲連接的觸頭與電刷接觸實現。101個觸頭呈圓形均布在觸頭板上。轉動電刷，電刷接觸不同的觸頭，輸出不同的電阻。因此，觸頭和電刷應選擇導電性能好，耐熔焊、磨損材料。借鑒已投入使用的產品，觸頭材料選擇耐磨損性能更好的黃銅，電刷選用導電性能更好的紫銅。已投入使用的產品觸頭與電刷材料數據如表2所示。

表2 電刷、觸頭材料對比

3 試驗驗證

為確保產品性能，變阻器進行了多項驗證試驗，試驗項目如表3所示。

表3 變阻箱試驗驗證項目

3.1 溫升試驗

勵磁變阻器按最大發熱功率工作點：電阻調至49.6 Ω，電流3.5 A進行溫升試驗，穩定后測得溫升值如表4，試驗結果滿足設計要求。

表4 溫升試驗結果

3.2 壽命試驗

3.2.1帶電轉換性能試驗

模擬帶電使用工況，電壓設為320 V，外接電阻41.8 Ω，電感L0.6 H。手操轉電刷10次/分鐘，電操2次/分鐘往復轉動200次（手操50次，電操150次）后，沒有產生引起觸頭損壞的電火花且電刷磨損程度滿足要求。

3.2.2耐機械磨損性能

不帶電情況下：手操轉電刷10次/分鐘，電操2次/分鐘往復轉動10000次（電操2000次，手操8000次）后電刷磨損程度滿足要求。

壽命試驗后變阻器零件無機械損傷，連接導線和零部件無松動，且介電性能滿足要求。

3.3 環境試驗

環境試驗均委托第三方測試單位進行檢測。

變阻器按GJB5A第4.7.20條進行振動試驗和沖擊試驗，其中振動上限頻率為26 Hz，沖擊錘沿3個互相垂直的主軸方向各施加3次。試驗后變阻器無機械損傷，電動操作功能仍可實現，阻值能夠平滑變化且符合設計要求，介電性能也滿足要求。

變阻器按照GJB5A第4.7.16條要求進行濕熱試驗。試驗后，變阻器電鍍層腐蝕情況、涂覆層表面變化情況及介電性能均滿足要求。

鹽霧、霉菌試驗采用同種材料和相同工藝的產品（某型母聯斷路器）試驗報告作為支撐。

4 總結

本文根據勵磁變阻器功能需求，對勵磁變阻器各組成部分進行設計。電阻器的設計充分考慮了體積與阻值的穩定性，選取多種規格線徑鎳銅合金絲作為電阻絲材料。在電動操作與手動操作的設計上，充分考慮了耐沖擊振動性能指標，采取多種加固方式。經多項試驗驗證表明產品滿足設計要求。

[1] 趙福自. 直流電機勵磁回路的保護[J]. 電世界, 1997, (3).

[2] 高低壓電器設計手冊編寫小組. 高低壓電器設計手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 1971: 585-600.

[3] 林浩山. 康銅絲熱膨脹性能研究[J]. 廣西物理, 2004, (2).

Design of Excitation Rheostat for Submarine

Shi Huiqian, Wang Hao

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM546

A

1003-4862（2021）08-0053-03

2021-01-12

師慧倩（1989-），女，職稱。研究方向：船用勵磁變阻器設計。E-mail: 754493077@qq.com