摘 要：

由于飛機(jī)線路系統(tǒng)對開關(guān)類器件電磁線圈反向電動勢缺少有效的防護(hù)，導(dǎo)致引發(fā)的安全問題日益嚴(yán)重。借助機(jī)上某型繼電器燒蝕故障案例，研究了反向電動勢產(chǎn)生機(jī)理與潛在傳播通路，分析了在電磁線圈、觸點(diǎn)和電路板等器件上造成的損傷模式。通過仿真模擬和實(shí)物測試，制訂了針對不同部位的防護(hù)措施，給出了防護(hù)器件的選型依據(jù)，驗(yàn)證了防護(hù)效果。研究結(jié)論對指導(dǎo)部隊外場維護(hù)與排故、督促設(shè)備廠商產(chǎn)品優(yōu)化具有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：

電磁線圈; 反向電動勢; 潛在通路; 損傷模式; 防護(hù)研究

中圖分類號： TM574.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）05-0061-06

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.05.008

Research on Hazards of Electromagnetic Coil Reverse Electromotive Force in Aircraft Switch Devices and Protection of Wiring Systems

MENG Xin1， GUO Jing2， ZHENG Zhichao3， WANG Sai1

（1.Qingdao Campus of Naval Aeronautical University， Qingdao 266041， China;

2.Unit 92727， Changzhi 046000， China; 3.Unit 91900， Sanya 572000， China）

Abstract：

Due to the lack of effective protection against the reverse electromotive force of switch devices in the aircraft wiring system，the safety issues have become increasiugly serious.Based on the burnout failure case of a certain type of relay on board.The generation mechanism and potential propagation path of the reverse electromotive force are studied.The damage modes to different devices such as coils，contacts，and circuit boards are analyzed.Through simulation and physical testing，the protective measures for different parts are developed.The selection criteria for protective devices are given.The protective effects are verified.The obtained conclusions have certain reference value for guiding the field maintenance and troubleshooting in the military，and urging the equipment manufacturers to optimize their products.

Key words：

electromagnetic coil; reverse electromotive force; potential path; damage mode; protection research

0 引 言

飛機(jī)線路系統(tǒng)中存在眾多接觸器、繼電器、電磁閥等開關(guān)類器件，這些器件通過內(nèi)部電磁線圈產(chǎn)生的磁場，操縱觸點(diǎn)等結(jié)構(gòu)吸合或釋放，完成對電路的控制。電磁線圈本質(zhì)是一個電感，具備儲能特性，由于控制電流的瞬時變化引起磁場變化，產(chǎn)生反向電動勢（反電勢），抑制電流和磁場的變化。反電勢具有一定的沖擊性，會對電網(wǎng)上的電子元件及用電設(shè)備帶來潛在危險［1-2］。同時，電磁線圈斷電引起的磁場變化還會增大電感，加劇反電勢沖擊［3］。但現(xiàn)階段，在役在產(chǎn)飛機(jī)仍將電磁線圈斷電后的狀態(tài)視為理想斷路狀態(tài)，反電勢的防護(hù)設(shè)計多被忽略。

在飛機(jī)實(shí)際電路中，開關(guān)類器件、電纜與用電設(shè)備之間相互交聯(lián)，錯綜復(fù)雜，一旦反電勢具備足夠強(qiáng)度，則可能出現(xiàn)意料之外的釋放路徑，這種路徑稱為飛機(jī)線路系統(tǒng)的潛在通路［4］。該通路上的器件燒毀風(fēng)險更高且更具隱蔽性，外場幾乎無法開展有針對性的檢查維護(hù)。同時，電磁線圈作為感性負(fù)載，會對電源品質(zhì)造成一定污染，加劇觸點(diǎn)拉弧現(xiàn)象［5-6］，進(jìn)而縮短開關(guān)類器件使用壽命。

近年來，由反電勢直接或間接引發(fā)的飛機(jī)設(shè)備故障呈上升態(tài)勢，針對電磁類開關(guān)器件的加裝改裝日益增多，不僅消耗人力物力，還會導(dǎo)致安裝同批次問題器件的飛機(jī)集中停飛，延誤演訓(xùn)任務(wù)。因此，摸清電磁線圈反電勢對線路系統(tǒng)的危害模式，開展有針對性的防護(hù)措施勢在必行。

1 反電勢產(chǎn)生機(jī)理與危害

1.1 理論分析

電磁線圈通常串聯(lián)在控制回路中，由開關(guān)控制電流通斷。線圈充放電等效電路如圖1所示。

圖1中，R和L分別為理想狀態(tài)下的線圈電阻及電感，US為電源電壓，開關(guān)S接入位置1時線圈為導(dǎo)通狀態(tài)，u和i分別為線圈兩端的電壓和穿過線圈的電流。開關(guān)S從位置1打向位置2后線圈為斷開狀態(tài)，這里將斷路等效為接入無窮大的電阻R′。以下分析一下RL電路的零輸入響應(yīng)。根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得電路電壓方程為

UR+UL+UR′=0（1）

電流隨時間變化的函數(shù)為

i（t）=USRe-tτ（2）

其中，τ≈L/R′。

式中： τ——時間常數(shù)，表示電流由US/R衰減至原來的0.368倍所需的時間。

由于電阻R′無窮大，因此τ為無窮小。電感L所產(chǎn)生的能量為

WL=12Li2（3）

這部分能量需要在極短的時間里以電能的形式在電阻R和R′上消耗掉。此時線圈兩端電壓等于R′兩端電壓，且方向相反，計算公式為

u=-uR′=-USRe-tτ·R′（4）

曲線e-tτ在t=0處取得最大值，即在理想情況下開關(guān)轉(zhuǎn)換時間忽略不計時，反電勢到達(dá)峰值。在t和τ從正向無限趨近于0時，limt，τ→0e-tτ=1，帶入式（4）可得反電勢的峰值電壓為

u=-（US·R′）/R（5）

由于R′無窮大，在開關(guān)動作瞬間，u是電源電壓US的無窮倍。但在實(shí)際情況下，受開關(guān)彈簧與觸點(diǎn)運(yùn)動行程等因素的影響，電路轉(zhuǎn)換需要短暫的時間，反電勢電壓值有限，數(shù)量級需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

1.2 仿真驗(yàn)證

為了初步研究反電勢的產(chǎn)生與變化過程，根據(jù)等效電路在Multisim軟件中繪制線圈充放電仿真電路。線圈充放電仿真電路圖如圖2所示。設(shè)置線圈電感量為1 mH，內(nèi)阻為1 Ω，增加放電回路，內(nèi)阻為10 Ω，初始狀態(tài)開關(guān)處于接通位置，線圈充電。通過控制開關(guān)將電路斷開，示波器中觀察并記錄線圈兩端電壓波形變化。反電勢仿真波形如圖3所示。

由圖3可見，在線圈充電完成后，理想線圈兩端的電壓值為28 V，在開關(guān)斷開的瞬間，出現(xiàn)了一個峰值約為272 V、持續(xù)約0.5 ms的反電勢。

將仿真電路參數(shù)帶入式（5）中計算u=-（28 V·10 Ω）/1 Ω=-280 V。

計算結(jié)果與仿真結(jié)果誤差約為2.8%，仿真模型貼近數(shù)學(xué)模型。

1.3 反電勢的潛在危害

通過對模型的理論計算和仿真驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，電磁線圈斷電瞬間釋放的反電勢u是其端電壓的近10倍，會對其自身以及潛在通路上的設(shè)備器件產(chǎn)生不可忽視的危害。

1.3.1 電磁線圈擊穿風(fēng)險

目前絕大多數(shù)電磁線圈是由漆包線密集纏繞而成的，其直流電阻、阻抗譜等特征參數(shù)可以作為壽命預(yù)測指標(biāo)［7］。有研究表明，電磁閥線圈長時間累積歐姆熱產(chǎn)生溫升，漆包線絕緣物質(zhì)易發(fā)生老化降級，甚至開裂，這些薄弱點(diǎn)一旦受到浪涌沖擊，會進(jìn)一步降級，甚至被擊穿燒毀［6］。

電磁線圈會在充電和保持過程中累積歐姆熱，同樣放電過程的歐姆熱也不容忽視。如果開關(guān)動作頻繁，熱量不能有效散除，線圈老化現(xiàn)象會更加明顯，加之反電勢的高壓沖擊，線圈實(shí)際壽命會低于理論壽命，導(dǎo)致器件未到更換周期便提前失效。

1.3.2 用電設(shè)備燒毀風(fēng)險

在設(shè)計用電設(shè)備電源模塊時，考慮到負(fù)極電壓高于正極電壓而產(chǎn)生反流的情況，通常在負(fù)極端反向安裝二極管或MOS管等器件對電路進(jìn)行保護(hù)，利用其正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶匦裕柚雇獠侩娏鲝脑O(shè)備負(fù)極流入，對設(shè)備造成沖擊甚至燒毀。

以二極管為例，其預(yù)留了較大的反向擊穿電壓值裕度，可以降低外部高壓擊穿風(fēng)險，但是考慮到體積和成本等因素，通常反向擊穿電壓高于外部電源電壓2～3倍即可。然而10倍于電源電壓的反電勢沖擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過擊穿電壓閾值，一旦持續(xù)時間超過保護(hù)器件閾值，即會被燒毀，設(shè)備的內(nèi)部電路在該外部沖擊下，極易伴隨二極管一并燒毀。

1.3.3 開關(guān)類器件觸點(diǎn)燒蝕風(fēng)險

若開關(guān)類器件觸點(diǎn)間的電壓超過12 V，則在分?jǐn)噙^程中可能出現(xiàn)電弧。電弧從產(chǎn)生到被拉斷所釋放的能量稱為燃弧能量，這股能量帶來的高溫，足以氣化觸點(diǎn)表面的金屬材料并使其飛濺，導(dǎo)致觸點(diǎn)燒蝕。當(dāng)觸點(diǎn)表面燒蝕惡化到一定程度，就可能出現(xiàn)觸點(diǎn)黏連、開關(guān)拒動失效的故障［8］。設(shè)觸點(diǎn)間電壓為Uarc，電流為iarc，燃弧時間為t，燃弧能量為Qarc，可以表示為

Qarc=∫t0Uarciarcdt（6）

由于反電勢與電源電壓反向，觸點(diǎn)分?jǐn)嚯妷河蒛arc增大至Uarc+u。同時，線圈作為感性負(fù)載會使觸點(diǎn)燃弧時間t延長，電弧難以熄滅。通過分析可得，電磁線圈使觸點(diǎn)產(chǎn)生更多燃弧能量Qarc，加速觸點(diǎn)燒蝕，降低器件預(yù)期使用壽命。

2 故障案例分析

某型飛機(jī)在地面試車過程中，多架次出現(xiàn)前后襟翼無法正常手動控制收放的故障，對此展開故障機(jī)理分析。

2.1 故障定位

對襟翼控制電路進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部印制電路板在同一位置出現(xiàn)燒蝕，均處于13～20腳。襟翼控制電路燒蝕圖如圖4所示。

通過分析電路設(shè)計圖，確定13腳和20腳分別為延時繼電器的正極和接地。延時繼電器原理電路如圖5所示。經(jīng)過測試，延時功能已失效，原因是圖5中整流二極管VD2和三極管VT1被燒毀。

2.2 故障機(jī)理

首先對高壓來源進(jìn)行排查。將襟翼控制電路簡化，延時繼電器原理電路如圖6所示。其中J5對應(yīng)被燒毀的延時繼電器。

當(dāng)手動將控制開關(guān)打到“收起”位置時，J2繼電器動作，電源通過J2繼電器2號腳到J4繼電器的常閉觸點(diǎn)，再到J5繼電器的常閉觸點(diǎn)，從1號腳對液壓電磁閥的“收起”端供電，液壓電磁閥工作帶動襟翼開始收起，到達(dá)指定位置后收起終點(diǎn)電門閉合，J5繼電器的負(fù)極接地形成通路，內(nèi)部集成電路IC2開始計時15 s，到時間后IC2輸出高電平到三極管VT1基極使其導(dǎo)通，線圈M1通電，完成觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換，液壓電磁閥斷電，襟翼收起完成。在液壓電磁閥斷電瞬間產(chǎn)生了反電勢，電勢從接地端出來，穿過終點(diǎn)電門到達(dá)J5電源負(fù)極，形成了一條潛在通路。

通過查閱技術(shù)資料，整流二極管VD1反向擊穿電壓為150 V，三極管VT1擊穿電壓為45 V。使用RLC電橋恒溫條件下測得該液壓電磁閥線圈電感值為2.57 mH，內(nèi)阻為5.19 Ω，額定電流為0.8 A，將參數(shù)帶入Multisim模型中仿真，得到?jīng)_擊電壓峰值約為246 V，持續(xù)0.3 ms。因此，電磁閥產(chǎn)生的反電勢足以擊穿VD1，進(jìn)入延時繼電器J5內(nèi)部，進(jìn)而擊穿VT1，最終造成二者被燒毀，使得IC2控制線圈M1負(fù)極導(dǎo)通與截止，進(jìn)而導(dǎo)致J5延時功能失效，無法正常控制襟翼收放。

3 反電勢防護(hù)方法研究

延續(xù)上文分析的故障案例，有針對性地開展反電勢防護(hù)措施研究。

3.1 基本要求

一旦電磁線圈反電勢傳播的潛在通路出現(xiàn)，就必須統(tǒng)籌考慮對通路各環(huán)節(jié)的保護(hù)。總體原則是首先從源頭上消除電磁線圈這種感性負(fù)載對供電品質(zhì)的影響，減小開關(guān)類器件與用電設(shè)備被動防護(hù)的壓力，其次考慮提高設(shè)備的耐壓等級。

感性負(fù)載的反電勢會引起飛機(jī)供電系統(tǒng)電源信號產(chǎn)生瞬變［9］，在GJB 181B—2012《飛機(jī)供電特性》中，對電源的瞬態(tài)變化范圍做出了明確規(guī)定，以28 V直流為例，供電瞬時電壓最高不能超過50 V，并且在時間達(dá)到82.5 ms時，電壓不能超過29 V;瞬變最低電壓不能低于18 V，并且在時間達(dá)到100 ms時，電壓不能低于22 V，據(jù)此畫出包絡(luò)線。28 V直流正常瞬變電壓包絡(luò)線如圖7所示。根據(jù)相關(guān)要求將反電勢的變化范圍控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不能對電源造成額外的污染。從用電設(shè)備的角度來看，承受該包絡(luò)線內(nèi)的所有沖擊也是最基本要求。同時，在設(shè)計保護(hù)電路時應(yīng)考慮惡劣條件下的裕度問題。

3.2 反電勢源頭泄放保護(hù)

3.2.1 保護(hù)方案設(shè)計

首先測試電磁閥空載特性。在充分散熱的條件下，記錄100次空載反電勢波形，峰值平均值為-522.1 V，持續(xù)時間為9.72 ms。某次電磁閥空載特性波形如圖8所示。

反電勢最便捷的泄放方法是線圈自身消耗，這需要在線圈正負(fù)極兩端搭建一個通路。保護(hù)電路原理與連線示意圖如圖9所示。利用二極管VD的導(dǎo)通特性，既保證線圈正向供電不受影響，又能形成反向回路供能量泄放?？紤]到多次反電勢可能導(dǎo)致電磁線圈過熱疲勞，故在線圈兩端并聯(lián)分流電阻R′，與線圈共同消耗反電勢能量［10］。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)器材選型

二極管型號參數(shù)如表1所示。選擇表1中5種型號二極管各2只，每種1只劃分為A、B兩組，A組R′=510 Ω，B組R′=1 kΩ。開展對比實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行100次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，為避免電阻熱效應(yīng)帶來的誤差，每次實(shí)驗(yàn)間隔1 min。

3.2.3 保護(hù)效果分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，分別對2組二極管的反電勢峰值和持續(xù)時間進(jìn)行統(tǒng)計并計算平均值，利用伏安法計算泄放電流，最終得到二極管的實(shí)際功率。雙向抑制二極管型號參數(shù)如表2所示。其中B組的UF4007型二極管由于泄放電流和實(shí)際功率均超出其最大值，在第10次實(shí)驗(yàn)過程中燒毀，表中統(tǒng)計的為前9次數(shù)據(jù)平均值。

通過A、B兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ龋l(fā)現(xiàn)分流電阻對泄放電流影響明顯，電阻越小，反電勢峰值抑制效果越明顯，泄放電流小，對不同型號的二極管包容性高，但泄放持續(xù)時間較長;反之，電阻越大，泄放持續(xù)時間縮短，能量需要在短時間內(nèi)釋放，導(dǎo)致泄放電流過大，部分二極管過熱甚至被燒毀。對同組內(nèi)二極管縱向比較發(fā)現(xiàn)，二極管自身更大的正向電流和功率參數(shù)，可以降低發(fā)熱和被燒毀的風(fēng)險，但是體積會相應(yīng)變大，影響電磁閥內(nèi)部空間布局。綜上分析，F(xiàn)R207型號配510 Ω分流電阻為本實(shí)驗(yàn)的最佳配置。FR207型二極管波形如圖10所示。

3.3 延時繼電器保護(hù)

在延時繼電器電源兩端，使用雙向瞬態(tài)抑制二極管，增加對反向沖擊的抑制，延長繼電器使用壽命。

雙向瞬態(tài)抑制二極管在工作過程中的實(shí)際功率可以表示為

P實(shí)=12（UPP-UBR）·UC·iPPUC-UBR（7）

式中： UPP——反電勢峰值;

UBR——擊穿電壓;

UC——箝位電壓;

iPP——峰值脈沖電流。

延續(xù)上文實(shí)驗(yàn)設(shè)計與過程，A組R′=510 Ω，移除二極管，實(shí)驗(yàn)100次得到反電勢峰值UPP平均值為-73.2 V;B組R＇=1 kΩ，UPP平均值為-165.8 V。據(jù)此分別為2組實(shí)驗(yàn)的雙向瞬態(tài)抑制二極管選型，將電路中的普通二極管更換為雙向瞬態(tài)抑制二極管后，各進(jìn)行100次實(shí)驗(yàn)，并計算P實(shí)。選型及計算結(jié)果如表3所示。

實(shí)驗(yàn)過程中，1.5KE36CA和1.5KE82CA分別在第5次、第3次實(shí)驗(yàn)中燒毀，其中1.5KE39CA和1.5KE91CA發(fā)熱嚴(yán)重，但未被燒毀。在滿足P實(shí)小于Pmax且UC小于繼電器整流二極管VD1反向擊穿電壓150 V的前提下，要求UC盡可能小，因此1.5KE43CA和1.5KE100CA分別為A、B兩組實(shí)驗(yàn)的最佳選型。1.5KE43CA型雙向瞬態(tài)抑制二極管波形如圖11所示。由圖11可見，有效消除反電勢的2段峰值，使電壓穩(wěn)定在-44.2 V內(nèi)。

3.4 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在反電勢產(chǎn)生源頭對其泄放可以有效減少飛機(jī)電源污染，使其符合供電標(biāo)準(zhǔn)要求;在用電設(shè)備端設(shè)置保護(hù)器件可以減小感性負(fù)載和大電流沖擊的影響。因此，恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)方案可有效抑制反電勢危害。

從器件選型來看，反電勢受回路電阻、電磁線圈自身特性、器件內(nèi)部空間與散熱等多種因素影響，在選型過程中要充分進(jìn)行可行性論證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并留有足夠裕度。

從保護(hù)方案來說，源頭泄放與器件保護(hù)搭配使用，形成“雙保險”，既可以延長各器件使用壽命，又可以降低對單個保護(hù)器件的性能指標(biāo)要求，可靠性更高。

4 結(jié) 語

飛機(jī)線路系統(tǒng)的反電勢防護(hù)仍然是一項(xiàng)關(guān)乎飛機(jī)安全的重要工作，需要從產(chǎn)生源頭、傳播途徑以及用電設(shè)備進(jìn)行全方位優(yōu)化提升。

（1） 源頭泄放是效果最明顯且代價最小的方法，屬于主動防護(hù)。為各類帶有電磁線圈的器件設(shè)置合適的反電勢泄放路徑，同時還需注意提高電磁線圈自身絕緣性。

（2） 用電設(shè)備端的防護(hù)是最后一道關(guān)卡，屬于被動防護(hù)?？紤]到外部干擾的不確定性和設(shè)備本身性能的需求，保護(hù)器件的選型相對苛刻。如果涉及對現(xiàn)有成品的優(yōu)化改進(jìn)，手續(xù)繁瑣且成本高昂，可行性一般。以上2種方案應(yīng)由生產(chǎn)廠商在遵循國軍標(biāo)要求的前提下對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行升級，由飛機(jī)設(shè)計部門對兼容性做出統(tǒng)一規(guī)范。

（3） 消除潛在通路是抵御各類沖擊與電源污染的一項(xiàng)根本措施，對設(shè)備保護(hù)、檢修維護(hù)以及故障排除等工作都有重要意義。該工作應(yīng)由飛機(jī)設(shè)計部門在設(shè)計階段給予足夠重視，提高潛在通路智能檢測分析水平，對于已經(jīng)定型、量產(chǎn)或現(xiàn)役的飛機(jī)仍以前2種方案為主。

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收稿日期： 20231221