电接触是指两个导体之间相互接触实现电流传递或信号传输，其功能是使电子从一个导体通过界面传递到另一导体，确保电能及信号的畅通传递．电接触存在于诸多领域，主要分为静态电接触和动态电接触，其中最常见的动态电接触为滑动电接触，如高铁弓网系统滑触供电[1-4]、地铁靴轨滑触供电[5]、发电机换向受流[6-7]和电磁轨道炮滑触供电[8-10]等．滑动电接触的供电思想也为电磁发射新型装备[11-12]提供了新颖的设计思路，比如可替代直线电机的动态馈电电缆，进一步提高了直线电机的运行速度，但采用滑触供电带来的电接触问题会直接影响直线电机的控制性能和运行可靠性，因此须要针对性开展接触特性的相关研究．广大学者对滑动电接触的机械和电气性能开展了较多的研究，并取得了一定的研究成果．文献[1-3]通过自制试验机测试了不同接触压力、牵引电流和滑动速度条件下弓网系统的静、动态接触电阻，采用不同数学方法建立了弓网接触电阻的数学模型；文献[4]通过试验研究了接触压力和滑动速度的组合对浸铜碳与Cu-Cr-Zr环载流摩擦磨损性能的影响；文献[8-10]研究了滑动电接触在电磁轨道炮中的应用，及其结构参数、材料选型与发射性能的密切相关性．目前对于滑动电接触的研究主要集中在直流应用场合，研究成果普适性不强，且对交流应用场合的研究较少，文献[13-14]研究了在交流信号下信号频率对接触温度及收缩电阻的影响，但均应用在电连接器中，属于固定电接触，并且研究还不充分，限制了滑动电接触在交流应用场合的推广和应用．本研究以直线电机碳刷/供电轨交流滑触供电装置为研究对象，建立了其电传导电路模型，研制了高速旋转式交流刷轨电接触试验系统，测试了不同电流大小、频率和滑动速度下的刷轨接触阻抗，通过试验和理论分析研究了电流大小、频率和滑动速度对接触阻抗的影响规律以及电弧对接触特性的影响，分析了上述因素对接触阻抗的影响机制，为直线电机碳刷/供电轨滑触供电系统的应用和关键参数的设计提供了一定指导依据．1 直线式刷轨电接触传导电路模型1.1　直线式刷轨滑触供电结构图1所示为直线式刷轨滑触供电结构示意图，大功率逆变器输出的变频交流电通过供电轨和碳刷输送至直线电机动子，实现动子和碳刷的高速直线运动；碳刷与供电轨直接接触，实现了变频大电流的传导，碳刷和供电轨之间的接触预压力由恒压弹簧规格决定，图中：Ra，Rb和Rc为电机绕组电阻；La，Lb和Lc为电阻绕组等效电感；Rcu和Lcu分别为供电轨的体电阻和体电感，随碳刷的运动而实时变化．10.13245/j.hust.220512.F001图1直线式刷轨滑触供电结构示意图1.2　直线式刷轨电接触传导电路模型当两个金属界面发生接触时，根据接触界面的不同状态会产生三种不同的接触类型：第一种类型为金属-金属接触，会产生收缩电阻；第二种类型为金属-绝缘层-金属接触，又称准金属接触，会产生膜层电阻；以上两种类型可定义为电阻性接触，第三种类型为金属-空隙-金属接触，会形成非接触电容，此类接触可定义为电容性接触．对于刷轨滑动电接触的研究，可将接触间隙等效为电阻和电容的并联，其中电阻包含收缩电阻和膜层电阻，从而得到刷轨接触等效电传导电路模型，如图2所示，图中：R1，R2和R3为等效接触电阻；C1和C2为等效接触电容；RCc和RCu分别为碳刷和供电轨的体电阻；LCc和LCu分别为碳刷和供电轨的体电感；Ud为刷轨接触副通流时的接触电压降；阴影部分代表不同刷轨接触副的接触面，根据不同的接触类型等效为相应的电阻或电容性元件．设总的体电阻Rbo=RCc+RCu，总的体电感Lbo=LCc+LCu．10.13245/j.hust.220512.F002图2刷轨电接触传导电路模型当接触副产生电阻性接触时，电流流过接触副的接触面，电流通过的a斑点比实际接触斑点要小，电流线收缩，会产生收缩电阻Rei(t)，且其会随着接触过程的变化实时变化，其大小可表示为Rei(t)=(ρ1+ρ2)/(4ri(t))，(1)式中：ρ1和ρ2分别为接触副两种材料的电阻率；ri(t)为第i个斑点的半径．当电流流过的a斑点为准金属接触时，接触表面上的污染膜增加了a斑点的电阻，由此产生的附加电阻为膜层电阻，膜层电阻在滑动接触过程中会随着污染膜的破坏与重塑实时变化，设其电阻为Rfi(t)，有Rfi(t)=σ/(πri(t)2)，式中σ为接触面膜层电阻率．导电a斑点的总接触电阻Ri(t)可表示为Ri(t)=Rei(t)+Rfi(t)．因此接触副的总接触电阻R(t)为R(t)=∑i=1n1Ri(t)-1．(2)当接触副产生电容性接触时，其载流摩擦微区的微电容Cj(t)可表示为Cj(t)=εSj(t)/dj(t)，(3)式中：ε为介电常数；Sj(t)为两接触微区的表面积；dj(t)为两接触微区微元件的距离．可得到接触副的总接触电容C(t)的表达式为C(t)=∑j=1nCj(t)．(4)结合式(2)和式(4)，可得到碳刷和供电轨的接触阻抗ZC(t)为ZC(t)=R(t)1+(ωC(t)R(t))2+Rbo+jωLbo-ωC(t)R(t)21+ωC(t)R(t)2, (5)式中ω为角频率．采用极限的思想，根据式(5)，若刷轨接触副全部为电阻性接触，则刷轨接触系统电阻RC(t)为RC(t)=R(t)+Rbo．若滑轨接触副全部为电容性接触，则刷轨接触系统电抗XC(t)可表示为XC(t)=j[ωLbo-(ωC(t))-1]．(6)2 刷轨电接触等效试验系统设计及材料2.1　等效旋转式刷轨试验系统设计为研究刷轨接触特性多因素影响规律及作用机制，研制了等效的高速旋转式交变大电流刷轨电接触试验系统，进行了碳刷和供电轨的载流摩擦试验．如图3所示，试验系统主要由大功率变频交流供电系统、等效旋转试验机和数据采集系统组成．大功率变频交流供电系统由充电装置、储能装置、大功率逆变器和模拟负载组成，可实现电流幅值在0～10 kA，电流频率在1～100 Hz范围的灵活调节；等效旋转试验机由调速变频器、旋转电机、铜环(供电轨)和碳刷组件等组成，旋转电机带动铜环高速旋转运动，与固定碳刷产生相对滑动，可实现滑动速度在0～75 m/s范围可调；另外，碳刷与供电轨之间的接触压力由恒压弹簧来决定，可灵活调整；数据采集系统可对滑动速度、接触电压降、电流幅值和频率等参量进行实时采集和储存．10.13245/j.hust.220512.F003图3刷轨电接触试验系统组成示意图由图3可知：等效试验系统所测的刷轨接触阻抗包含两个碳刷和一个圆形供电轨的体阻抗和两个接触阻抗的和，与图1所示实际刷轨单相供电回路基本一致，且其运行参数可覆盖实际刷轨所有运行参数，因此可有效模拟实际刷轨运行状态，其中碳刷和供电轨的接触电阻和电抗可由所采集的接触电压降和电流间接计算得到．2.2　试验材料试验中采用的供电轨材料为铬锆铜C18150，碳刷材料为金属石墨CT73，其参数如表1所示．10.13245/j.hust.220512.T001表1碳刷和供电轨参数参数铬锆铜(C18150)碳刷(CT73)电阻系数/(μΩ∙m)0.0210.350洛式硬度7890密度/(g∙cm-3)8.94.3尺寸/(mm×mm×mm)35×360×48068×26×703 刷轨接触阻抗多因素影响特性试验结果及作用机制分析3.1　刷轨接触特性试验结果分析碳刷和供电轨接触电压降和电流波形如图4所示(滑动速度Vs为40 m/s，接触电流Ic幅值为2.5 kA，频率f为60 Hz)，其中接触电压降Ud波形经过了低通滤波，对高频干扰分量进行了滤除．可以看出：接触电流Ic波形相位明显滞后于接触电压降波形，其接触系统整体呈现阻感负载特性，结合图2电传导电路模型可知，在刷轨接触电抗中，体电感的占比较接触电容大；接触电压降波形存在一定波动，这是由于刷轨接触副在高速滑动电接触过程中，接触面间的导电斑点不断产生和消失，其接触载荷会产生一定的波动，且导电斑点数目也在剧烈变化着，致使接触阻抗波动变化．对如图3所示的旋转试验机，至少须要选取旋转一周的数据才能较准确计算出实际接触阻抗，对于本研究中最低速15 m/s(600 r/min)工况，须至少选取0.1 s试验数据．10.13245/j.hust.220512.F004图4接触电压降和电流波形图3.2　电流对接触阻抗的影响3.2.1　试验结果在接触压力为30 N，电流频率为100 Hz，滑动速度分别为15，30，40，50，60 m/s情况下，测量当Ic分别为1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 kA时的接触阻抗，每个工况测量三次取平均值，得到接触电阻和接触电抗随接触电流幅值变化的曲线如图5所示，可以看出：在任一速度下，接触电阻随接触电流的增大而减小，且整体减小趋势逐渐变缓，接触电抗随接触电流的增大总体呈增大趋势．10.13245/j.hust.220512.F005图5不同速度下接触电阻和接触电抗随电流幅值变化曲线3.2.2　理论分析接触电阻和电抗随电流变化的主要原因如下．a．随着电流的增加，导电斑点的收缩电阻产生的焦耳热增加，斑点温度也随之升高，使导电斑点材料的硬度降低，接触副接触间隙减小，则电阻性接触增加，且单个导电斑点接触面积增大，总接触电阻减小；由式(3)可知，此时单个接触电容随着接触间隙的减小而变大，由式(6)可知，总电抗呈变大趋势．b．随着斑点温度的升高，接触副材料电阻率变大，其接触电阻变大；随着接触副接触间隙的减小，电容性接触减少，会使接触电容变小，使总电抗呈变小趋势．c．材料的硬度和温度呈负指数关系，可表示为H=Aexp(-BT)，(7)式中：H为材料硬度；T为温度；A为材料在T=0 K下的硬度；B为材料的硬度热系数．由此可知：随着电流及温度的进一步增大，材料硬度的下降趋势会变缓，同时随着接触面积的进一步增大，导电斑点接触会由弹性接触逐渐变为刚性接触，因此其接触面积的增大趋势也会变缓．综上分析可知：滑轨接触副在滑动电接触过程中，其电阻和电抗随电流幅值的变化，原因a的作用较原因b更加明显，和原因c共同作用，使接触电阻和电抗随电流的增加而分别减小和增大．3.3　速度对接触阻抗的影响3.3.1　试验结果当接触压力为80 N时，测量在滑动速度分别为15，30，40，50，60 m/s情况下的接触电阻和电抗，得到接触电阻和接触电抗随滑动速度变化的曲线如图6所示，可以看出：滑动接触电阻随着滑动速度的增加而增加，并且随着电流的增加接触电阻随滑动速度变化增加的趋势逐渐变缓；而接触电抗随滑动速度的增加存在一定波动，但无明显固定变化趋势．10.13245/j.hust.220512.F006图6不同电流下接触电阻和接触电抗随滑动速度变化曲线3.3.2　理论分析接触电阻和电抗随滑动速度变化的主要原因如下．a．当滑动速度加快时，接触界面气体压力会增高，托浮力增大，使碳刷压力减小，同时气体分子膜的厚度也会随之增加，导致碳刷和供电轨摩擦表面的接触间隙增大，实际载流面积减小，使电阻性接触减小，单个接触电阻增大，电容性接触增多，但单个接触电容减小．b．接触副机械摩擦会产生摩擦热使温度升高，导电斑点材料的硬度降低，从而使得接触间隙减小，接触面积增大，电阻性接触增多，单个接触电阻减小，电容性接触减少，但单个接触电容增大．随着速度的增加，这种摩擦热效应更加明显．c．在滑动电接触过程中，接触副之间的摩擦磨损会使接触斑点间形成的金属氧化膜不断脱落，从而减小滑动接触电阻．对于本研究中刷轨接触电阻随滑动速度的变化，原因a的作用大于原因b和原因c的综合作用，导致接触电阻随滑动速度的增大而增大；随着电流的增大，电流产生的焦耳热加剧了导电斑点材料的软化，促进了原因b的作用，使接触电阻增大趋势随着电流的增加逐渐变缓；在载流情况下，速度对接触电容的影响具有两面性，其作用相当，导致总接触电抗存在一定波动，但无明显固定的变化趋势．3.4　电弧侵蚀对接触阻抗的影响3.4.1　试验结果当接触压力为30 N，滑动速度为50 m/s，电流频率为60 Hz，电流幅值分别为1.0，1.5，2.0，2.5，2.8 kA时，测得接触电阻和接触电抗曲线如图7所示．随着载流摩擦行为的不断积累，当电流幅值为2.0，2.5，2.8 kA时，刷轨接触试验机发生了不同程度的起弧现象，如图8所示，电弧长度随着电流的增大而大幅增长．在起弧前，接触电阻随电流增大而减小，接触电抗随电流增大而出现增大趋势，与3.2节所述现象一致；在发生起弧现象后，接触电阻随起弧电流的增大而迅速增大，接触电抗随起弧电流的增大而出现下降趋势．10.13245/j.hust.220512.F007图7起弧情况下接触电阻和接触电抗随电流幅值变化曲线10.13245/j.hust.220512.F008图8不同电流下的电弧图像3.4.2　理论分析电弧影响接触阻抗的主要因素如下．a．在载流摩擦过程中，电弧造成的烧蚀坑导致接触副表面粗糙不平，且随着电流的增大，这种现象会加剧，使接触状态恶化，导致电阻性接触大幅减少，使接触电阻大幅增大，电容性接触增多，但单个接触电容减小．b．起弧后接触副表面温度急剧上升，会形成氧化物并产生一定堆积现象，其电阻率高，导电性差，造成接触副电势差升高；另外，较高的温升使接触副体电阻率增加，导致接触电阻急剧增大．c．电弧引起的高温可以使材料发生软化或熔融，电弧能量越高，材料软化和熔融现象越严重，在一定压力下，接触副接触状态越好，接触间隙越小，导致电阻性接触增加，使接触电阻减小，电容性接触减少，但单个接触电容增大．结合试验现象和原因分析可知：虽然当2 kA时发生了起弧现象，但是由于电弧能量较小，电弧烧蚀和氧化物堆积较少，因此原因c中电流增加和起弧引起的温升使材料软化作用大于原因a和b的综合作用，导致接触电阻仍有一定减小，接触电容保持基本不变；随着电流的增加和电弧能量的大幅增高，电弧烧蚀和氧化物堆积情况大幅增加，原因a和b的作用明显大于原因c的作用，导致接触电阻大幅增加，接触电容存在减小趋势，使接触电抗有下降趋势．3.5　电流频率对接触阻抗的影响3.5.1　试验结果在静态条件下，当接触压力为80 N，电流幅值分别为2.0，2.5，3.0 kA时，测得接触电阻随电流频率变化的曲线如图9所示，可知在任一电流条件下，接触副电阻随着电流频率的增加逐渐增加．10.13245/j.hust.220512.F009图9不同电流下接触电阻随电流频率变化曲线3.5.2　理论分析收缩电阻的基本表达式(式(1))是在假设通流电流为直流条件下，基于拉普拉斯方程解析的推导，而交流收缩电阻不同于直流收缩电阻，主要区别在于交流条件下产生的集肤效应，集肤效应限制了电磁场的穿透深度δ，其定义为δ=ρ/(πfμ0)，(8)式中μ0为真空磁导率，其值为4π×10-7 H/m．随着电流频率的增加，集肤效应会更加明显，其对接触阻抗有以下影响．a．对收缩电阻的影响．研究表明[14]：当收缩半径大于临界半径rc≈8δ时，电流频率是影响收缩电阻的一个主要因素，此时收缩电阻会随着频率的增加而减小．由于本研究试验频率最高仅为100 Hz，由式(8)计算可得碳刷和供电轨的磁场穿透深度分别约为29.8和7.3 mm，其值远远大于可能的收缩半径r，即r/δ均远小于0.1，因此电流频率对收缩电阻的影响可以忽略不计．b．对体电阻的影响．集肤效应使电流密度在碳刷和供电轨中分布不均，有效通流面积减小，随着频率的增加，这种效果更加明显，体电阻会进一步增加，由于供电轨的特征尺寸较其磁场穿透深度大很多，因此其体电阻受频率影响更为明显．由于本研究中试验频率较低，刷轨接触副接触的收缩电阻受频率影响较小，而其体电阻受频率影响较大，因此导致总接触电阻随电流频率的增大呈增大趋势，其中供电轨体电阻受频率影响更为明显．4 结语本研究以直线电机碳刷/供电轨交流滑触供电装置为研究对象，通过等效旋转试验机试验和理论分析，对刷轨滑触供电接触特性进行了研究和总结．可以得知：刷轨交流电接触整体呈阻感负载特性，接触电容的作用明显小于体电感的作用；刷轨接触电阻关于电流幅值负相关、关于滑动速度正相关，接触电抗关于电流幅值正相关，但基本不受滑动速度的影响；在刷轨电接触发生起弧现象后，其接触电阻随电弧大小的增大而大幅增大，而接触电抗呈缓慢下降趋势；接触电阻随电流频率的增加而增加，由于电流频率较低，因此对刷轨体电阻的影响明显高于对收缩电阻的影响．另外，随着刷轨载流摩擦和电弧烧蚀的累加，其接触特性会随之变化，因此须进一步研究接触面粗糙度、环境等其他因素对刷轨电接触性能的影响．以上研究初步验证了直线电机采用滑触供电技术的可行性，为刷轨滑触供电装置的应用和关键参数的设计提供了一定指导依据．