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1、第22卷第4期强激光与粒子束Vol.22,No.42010年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr.,2010文章编号:100124322(2010)04209232043重复推进滑动电接触的试验研究1,21111,2刘传谱,袁伟群,严萍,孙鹞鸿,孙连华(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)摘要:重点研究了低速条件下重复推进对电枢与导轨的接触状态、初速等的影响。试验采用6路时序脉冲功率电源、10mm方口径装置和U型单体铝电枢,利用建立的试验系统进行重复推进试验。试验结果表明:随着重
2、复次数增加,电枢和导轨的接触状态趋于良好,电枢启动时间提前,初速增大。说明在电枢低速运动条件下,重复试验中导轨表面遗留富含铝的堆积物对下一次试验的滑动电接触有积极作用。关键词:电磁推进系统;滑动电接触;重复试验;堆积物薄层;电枢中图分类号:TM910文献标志码:Adoi:10.3788/HPLPB20102204.0923电磁轨道推进试验中固体电枢和导轨之间是一种极端摩擦状态,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[122]用。目前电枢和导轨的滑动电接触问题还没有形成比
3、较成熟的理论,但已知接触状态是否良好将直接影响推进装置的初速及系统效率,因而研究滑动电接触问题对电磁推进技术的提高具有重要意义。在电磁轨道推[3]进试验过后,导轨表面会留下富含铝的金属混合物薄层,而在重复试验中,该混合物薄层将会对下一次试验的接触情况产生影响。针对该薄层的研究主要集中于3个方面:是否起到润滑作用;是否影响电枢和导轨之间[1]的电流传输效率;是否发生化学反应,影响本体寿命。其中关于润滑作用的研究居多。目前国外对该问题的研究以美国德克萨斯大学的高技术研究所(IAT)为主,该中心研究人员通过大量重复试验及物理分析,提出液[4]态金属效应等重要观点,而在
4、国内还未见到相关的学术论文发表。本文利用自行设计的轨道型电磁推进系统进行了一系列试验,针对低速条件下重复试验中的滑动电接触进行研究。1试验系统1.1电源系统试验的电源系统由6个脉冲形成网络(PFN)模块组成,每个模块包括脉冲电容器组、空气开关、续流硅堆及调波电感。单模块的工作原理如图1所示。其中,C为电容器组,K为三电极电火花开关,D为续流二极管,L1为调波电感,L0和R0分别为推进装置的负载等效电感与等效电阻。单模块电容器组由15台180μF的脉冲电容器并联组成,额定充电电压为5kV。6个PFN模块电容器组的总能量约为0.2MJ。PFN模块既可以独立放电,也可
5、以通过程序控制实现多模块同步或时序放电。在Fig.1CircuitdiagramofaPFN图1PFN模块工作原理图开关触发控制系统中,输入时序参数可以控制相应模块的导通时间,从而实现对输出波形的幅值和脉宽的调整,得到符合试验条件的电流波形。本电源系统的时序调节范围为0～10ms。1.2电磁推进装置与电枢试验采用玻璃纤维环氧材料护套的轨道型电磁推进装置,身管口径为10mm×10mm,长度为460mm,采-8用上下压紧式结构。导轨为矩形紫铜材料导轨(20℃时标准电阻率为1.8×10Ω·m),如图2所示。其中,导轨宽w=18mm,厚h=6mm,导轨间距s=10mm。
6、计算得到该结构的电感梯度L′=0.36μH/m。电枢为单体U型结构,质量为1.8g,如图3所示。电枢材料为6061铝材,具有一定的拉伸强度和延展3收稿日期:2009211211;修订日期:2009212209基金项目:中国科学院电工研究所所长基金项目作者简介:刘传谱(1984—),男,硕士研究生,主要从事脉冲功率技术研究;liuchuanpu@mail.iee.ac.cn。924强激光与粒子束第22卷性。电枢尾翼宽10.58mm,比本体口径略大,压紧导轨时尾翼发生形变,在起始处提供约1.8kN的预紧力。电枢肩部加载圆顶尼龙帽,以减小气动阻力。1.3测量系统试验放
7、电电流采用外积分Rogowski线圈进行测量,其中采样电阻为50Ω(与传输电缆波阻抗相匹配),外积分电阻为10kΩ,积分电容为0.2μF。试验线圈灵敏度为682kA/V。电枢速度采用B2dot磁探针测量。根据电磁场原理,电枢滑动至B探针正下方位置时,感应信号有一个正负变换过程,通过确定感应信号的过零点时间,可以得到电枢的位移2时间曲线,从而计算得到速度曲线。B探针线圈由<0.25mm漆包线绕制,横截面2积38.5mm,测得探头内阻约为1.3Ω。本文中试验电流为几十kA,输出电压信号幅值范围为1～10V。2试验结果试验中6路PFN电源模块电源时序参数设置为(0,0
8、,0,0,750,900
