彈載脈沖變壓器的故障模式及影響分析

閆艷坤 張彥

摘 要：本文首先對空空導(dǎo)彈加速度信號隔離電路中脈沖變壓器的常見故障模式進(jìn)行分析，其次對故障給導(dǎo)彈飛行任務(wù)帶來的影響進(jìn)行建模仿真。仿真結(jié)果得出，故障發(fā)生時(shí)導(dǎo)彈不會(huì)出現(xiàn)姿態(tài)失控，威脅載機(jī)安全。但是，難以完成飛行任務(wù)。最后，提出了脈沖變壓器的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：脈沖變壓器;故障模式;仿真

中圖分類號：TJ765;TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0030-02

Abstract： Firstly， the common fault modes of pulse transformer in acceleration signal isolation circuit of air-to-air missile were analyzed. Secondly， the impact of fault on missile flight mission was modeled and simulated. By analyzing the simulation results， it can be concluded that the attitude of the missile will not be out of control and threaten the safety of the aircraft when the fault occurs. However， it is difficult to complete the mission. Finally， the improvement measures of pulse transformer were put forward.

Keywords： pulse transformer;failure mode;simulation;influence

脈沖變壓器是一種特殊類型的變壓器，其工作原理是利用磁芯的磁飽和性能進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，它變換的不是正弦電壓，也不是交流方波，而是接近矩形的單極性脈沖[1]。變壓器隔離的電壓較高，延遲較小，可以實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率[2]。為提高空空導(dǎo)彈加速度信號處理電路的抗干擾能力，在電路的輸入輸出端采用了脈沖變壓器耦合的隔離方式，其性能直接關(guān)系著加速度信號輸出的精度。

1 脈沖變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

彈載脈沖變壓器包含兩個(gè)變壓器線圈，采用漏感最小的雙線并繞結(jié)構(gòu)[3]，預(yù)留端繞焊在外殼的底座引出線上，再用環(huán)氧樹脂配比固化劑和黏合劑完全包封于外殼中，所有的制造工序均由人工完成。

2 脈沖變壓器常見故障模式

人工繞制線圈的制造模式?jīng)Q定了該脈沖變壓器常見的故障模式有線圈斷路、線圈間短路兩種。線圈斷路會(huì)導(dǎo)致電路無輸出;線圈間短路會(huì)導(dǎo)致變壓器直流電阻變小，通電時(shí)變壓比變化，會(huì)導(dǎo)致電路輸出跳變。

2.1 線圈間短路故障

2.1.1 變壓器線圈的原始缺陷。線圈的原始缺陷可能會(huì)造成脈沖變壓器線圈短路，線圈短路后，漆包線中電流增大，產(chǎn)生高溫使漆包線絕緣漆受損。隨著產(chǎn)品篩選和高、低溫循環(huán)試驗(yàn)的進(jìn)行，漆包線在包封材料的溫度應(yīng)力作用下，絕緣層逐漸脫落，導(dǎo)致線圈短路，產(chǎn)品過流。

2.1.2 電感量變小。線圈中電感量突然變小，可能使電流增大，導(dǎo)致線圈發(fā)熱而絕緣性降低[4]。具體公式為：

其中，μ0為空間磁導(dǎo)率;μ為相對磁導(dǎo)率;l為繞線長度，專用的脈沖變壓器繞線長度N和繞線截面積S均為定值。所測量的電感L變小，一定是磁材料磁導(dǎo)率偏小所致。因此，脈沖變壓器的磁芯材料也是影響脈沖變壓器電感的一個(gè)重要因素。

2.1.3 較大的工作電流。變壓器線圈長期流過較大的電流，可能導(dǎo)致線圈發(fā)熱，絕緣層熔化，初、次級導(dǎo)通的故障。

其中，Ei為工作電源，Lp為電感量，t1-t0為脈沖寬度，由式（3）可計(jì)算出線圈在電路中每個(gè)脈沖周期達(dá)到的最大電流值。根據(jù)脈沖變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)，線圈漆包線線徑和漆包線允許通過的額定電流成正比，因此線徑的選擇是一個(gè)關(guān)鍵因素。

2.1.4 有效脈沖寬度過寬。有效脈沖寬度過寬會(huì)導(dǎo)致脈沖變壓器磁芯飽和，造成電流增大。為使變壓器保持正常工作狀態(tài)，必須使線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度小于Bs，即ΔB+Br

2.2 線圈斷路故障

由于該脈沖變壓器選用的漆包線線徑較細(xì)，并采用了人工繞制線圈和焊接的制造工藝，因此，引發(fā)線圈斷路故障的因素基本集中在以下幾點(diǎn)：漆包線原始缺陷、繞制過程中漆包線損傷、焊接過程中漆包線損傷以及焊點(diǎn)缺陷。這幾種故障模式大多是在人工操作環(huán)節(jié)中產(chǎn)生，過程中不易發(fā)現(xiàn)進(jìn)而留下隱患。隨著產(chǎn)品篩選和高、低溫循環(huán)試驗(yàn)的進(jìn)行，漆包線受損處在包封材料的溫度應(yīng)力作用下不斷累積，最終出現(xiàn)斷路故障。

控制系統(tǒng)曾出現(xiàn)了速度通道異常故障，是由于在半成品測試時(shí)的意外操作造成漆包線上錫處細(xì)微損傷，且該損傷發(fā)生在上錫處靠近器件底部的一側(cè)，顯微鏡都很難檢測出來。隨著后續(xù)使用過程中篩選的深入，受包封材料溫度應(yīng)力作用，漆包線上錫處的微損傷逐漸由微損傷變?yōu)閿嚅_，進(jìn)而造成系統(tǒng)故障。

3 空空導(dǎo)彈飛行任務(wù)仿真分析

導(dǎo)彈在空中發(fā)射后，加速度通道能否穩(wěn)定地完成導(dǎo)航任務(wù)并給出高精度定位結(jié)果，與脈沖變壓器是否存在故障有很大關(guān)系[6]。無論脈沖變壓器發(fā)生短路或斷路故障都會(huì)導(dǎo)致加速度信號異常，影響導(dǎo)彈的導(dǎo)航性能，進(jìn)而影響作戰(zhàn)任務(wù)的完成。為此，進(jìn)行了導(dǎo)彈在空中發(fā)射后的飛行任務(wù)仿真，仿真模擬的故障如下。

以上6種故障模式下的導(dǎo)彈在飛行任務(wù)過程中均不會(huì)出現(xiàn)姿態(tài)失控、威脅載機(jī)安全的情況，導(dǎo)彈在飛行過程中能夠保持穩(wěn)定。故障模式對導(dǎo)彈系統(tǒng)的影響如下。

①加計(jì)X軸正向輸出偏差，即加計(jì)X軸輸出小于等于0;

②加計(jì)X軸負(fù)向輸出偏差，即加計(jì)X軸輸出大于等于0;

③加計(jì)Y軸正向輸出偏差，即加計(jì)Y軸輸出小于等于0;

④加計(jì)Y軸負(fù)向輸出偏差，即加計(jì)X軸輸出大于等于0;

⑤加計(jì)Z軸正向輸出偏差，即加計(jì)X軸輸出小于等于0。

⑥加計(jì)Z軸負(fù)向輸出偏差，即加計(jì)X軸輸出大于等于0。

4 解決措施

隨著對脈沖變壓器故障模式研究的不斷深入，脈沖變壓器的制造工藝也在不斷改進(jìn)。通過改進(jìn)漆包線線徑、改進(jìn)漆包線引出端焊接方式和更換應(yīng)力較小的軟性包封膠等措施，可以大大降低脈沖變壓器的故障率，提高產(chǎn)品的可靠性。

5 結(jié)論

導(dǎo)彈在空中發(fā)射后，脈沖變壓器發(fā)生故障會(huì)使加速度信號測量異常。雖然不會(huì)影響導(dǎo)彈出現(xiàn)姿態(tài)失控、威脅載機(jī)安全的情況，但始終都會(huì)影響導(dǎo)彈的導(dǎo)航性能，進(jìn)而影響作戰(zhàn)任務(wù)的完成。因此，制造工藝的改進(jìn)措施可以提高脈沖變壓器的可靠性，使得空空導(dǎo)彈的使用風(fēng)險(xiǎn)得到了有效控制。

參考文獻(xiàn)：

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