CN113346569A - 一种运载火箭电动伺服高压配电器 - Google Patents

一种运载火箭电动伺服高压配电器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种运载火箭电动伺服高压配电器。高压配电器由高压配电器结构、高压配电器电路、大功率开关器件和高压电连接器组成。高压配电器结构采用盒体式气密结构，保证270V高压供电体制下供配电的安全性。高压配电器电路由高压配电电路、分压采集接口电路、压力测量电路和软启动电路组成，保证在270V高压供电体制下可靠的将箭上高压电池组输出电能至伺服控制器。上述高压配电器可高可靠的为运载火箭高压电动伺服配电。

Description

一种运载火箭电动伺服高压配电器
技术领域
本发明涉及运载火箭供配电领域，特别涉及一种用于火箭电动伺服的高压配电器。
背景技术
配电器主要对供电回路进行通断和切换控制，是运载火箭配电***的重要组成部分，是关系运载火箭飞行任务成败的重要单机。
传统的配电器是用于为控制***、测量***单机供电，配电电压为28V。近年来随着电动伺服技术和电池技术的发展，运载火箭伺服机构逐步从液压伺服发展为大功率电动伺服，配电器也需要从常压配电发展成高压配电。高压配电器其显著特点是电压高、电流大，与常规配电器相比较，高压配电器需在大功率开关器件选型、高压电连接器选型、结构气密设计、高压绝缘防护处理等多方面进行技术改进和提升。
运载火箭用高压配电器由于其使用场合的特殊性，使用环境恶劣、高可靠性要求、小型化轻量化要求，目前没有检索到相关产品设计方案。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一款满足某型火箭电动伺服机构供电要求的高压配电器。
本发明采用的技术方案为：
一种运载火箭电动伺服高压配电器，包括：高压配电器结构、高压配电器电路、大功率开关器件和高压电连接器；
所述高压配电器结构包括顶板、盒形件、绑线架、导电橡胶密封条、铝镀银导电橡胶和减震垫；
顶板固定安装在盒形件上将盒形件上方开口封闭，顶板和盒形件之间设置有导电橡胶密封条，保证气密；
所述高压连接器紧固于盒形件内，高压连接器与盒形件之间结合面采用铝镀银导电橡胶填充，保证气密；所述减震垫安装于盒形件的安装脚上；绑线架固定在盒形件内部，用于高压配电器内部软导线的绑扎固定；
盒形件内部还设置有高压配电器电路和大功率开关器件；所述高压配电器电路用于对高压供电回路进行通断和切换控制，大功率开关器件用于地面电源至箭上电源的切换，高压电连接器用于高压配电器内部各组成部分电气连接。
进一步的，高压配电器电路又包括高压配电电路、分压采集接口电路、压力测量电路和软启动电路；
所述软启动电路将启动过程分为两步来完成，其预充电过程识别后端设备状态并对其内部容性器件进行充电避免产生浪涌启动电流，当预充电过程完成后，再通过第二步继电器开关实现供电使后端电路完成中间态的过渡；
所述高压配电电路用于控制继电器接通，使箭上高压电池组输出电能至伺服控制器，完成供电功能；
所述分压采集接口电路用于检测高压电池组输出电压和伺服机构供电电压；
所述压力测量电路包括芯片级压力传感器及其回路，用于地面测试阶段高压配电器气密性检查。
进一步的，高压配电电路、分压采集接口电路、压力测量电路集成于一块印制板上，该印制板通过螺钉固定在盒形件上，采用聚氨酯清漆进行涂覆，螺钉头用硅橡胶点封。
进一步的，采用如下高压绝缘保护措施以避免高压配电器内部电弧放电：消除在高压附近尖锐边缘或尖锐点、金属结构件轮廓连续而光滑、无可见的尖锐边缘；采用聚氨酯清漆进行多次涂覆；印制板上凸起焊点点封硅橡胶，避免凸起的电极存在；绑线架装配时导线接触的部位缠绕聚酰亚胺绝缘胶带；电源线20mm以内金属部分粘贴聚酰亚胺绝缘胶带，螺钉头点封硅橡胶；盒形件内表面进行黑色阳极化表面处理。
进一步的，所述聚氨酯清漆进行多次涂覆用7385聚氨酯清漆进行涂覆，进行四次涂覆，每次涂覆角度相差为90°，涂覆后涂层厚度达到约120μm；所述印制板上凸起焊点点封和螺钉头点封选用GD414硅橡胶。
进一步的，所述大功率开关器件又包括K1继电器、K2继电器和K3继电器；
所述K1继电器、K2继电器和K3继电器均采用高压大功率直流磁保持继电器，采用竖直安装的方式先固定在支架上，然后通过螺钉固定在所述盒形件内；
所述K1继电器、K2继电器额定工作电压270V，额定工作电流150A；所述K3继电器额定工作电压270V，额定工作电流50A。
进一步的，导电橡胶密封条采用Φ2.62铝镀银氟硅导电橡胶密封条。
进一步的，配电控制器发出“软启动”指令接通K3继电器闭合后，高压电池组通过软启动电阻R13、R14对伺服控制器预充电；在完成软启动后，由配电控制器控制K1～K2继电器接通，箭上高压电池组输出电能至伺服控制器，完成供电功能；若出现异常，控制断开K1～K2继电器完成高压电池组断电；
在一次充电过程中通过电阻R13、R14对充电电流进行了调理，实现以小电流方式进行预充电，预充电结束后二次充电电路接通完成电路启动。
进一步的，一次充电过程中通过检测充电电流实现对后端电路故障预判，当充电电流大于预设充电电流时识别后端电路处于故障模式，关断一次充电停止二次启动动作。
进一步的，高压配电器上设置了高压锂离子电池组输出电压、伺服机构供电电压监测电路，线路完全接通后通过输出两路能够直观表征电压遥测值实时监测电池组输出电压、伺服机构供电电压稳定性，通过其电压遥测变化判别电池组、伺服机构工作状态。
本发明与现有技术相比带来的有益效果为：
(1)本发明高压配电器其结构具有气密性，通过盲孔设计、填充Φ2.62铝镀银氟硅导电橡胶密封条、铝镀银导电橡胶板实现结构的气密设计；
(2)本发明能够通过分压遥测实时输出配电器最关键参数电源电压，遥测采集单元通过对其监测识别判断其状态并做出安全控制；
(3)本发明通过工业级压力传感器实时监测产品内部气密情况；
(4)本发明将启动过程分为安全可靠的两步来完成，其预充电过程可识别后端设备状态并对其内部容性器件进行了充电避免其产生较大浪涌启动电流，当预充电过程完成后，再通过第二步继电器开关开始快速实现供电使后端电路快速完成中间态的过渡。
附图说明
图1是本发明实施例高压配电器结构俯视图；
图2是本发明实施例高压配电器结构主视图；
图3是本发明实施例高压配电器电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2对本发明提供高压配电器结构具体实施方式做详细说明。
如图1和图2所示，本发明提出的一种270V高压体制下对高压供电回路进行通断和切换控制的高压配电器，硬件组成包括：高压配电器结构1、高压配电器电路2、大功率开关器件3、高压电连接器4。
高压配电器结构用于维持外部构型，提供内部电路板组件、高压继电器的安装空间，支承和保护设备内部的各组成部分、确保在各种受载条件下元器件、组件的安全。
高压配电器结构1包括顶板11、盒形件12、绑线架13、导电橡胶密封条14、铝镀银导电橡胶15和减震垫16；
所述盒形件用于维持外部构型，提供内部电路板组件、高压继电器的安装空间，支承和保护设备内部的各组成部分。顶板11固定安装在盒形件12上将盒形件12上方开口封闭，形成一个封闭体。顶板11和盒形件12之间设置有导电橡胶密封条14，保证气密；
所述高压连接器4紧固于盒形件12内，高压连接器4与盒形件12之间结合面采用铝镀银导电橡胶15填充，保证气密；所述减震垫16安装于盒形件12的安装脚上；绑线架13固定在盒形件12内部，用于高压配电器内部软导线的绑扎固定；
盒形件12内部还设置有高压配电器电路2和大功率开关器件3；所述高压配电器电路2用于对高压供电回路进行通断和切换控制，大功率开关器件3用于地面电源至箭上电源的切换，高压电连接器4用于高压配电器内部各组成部分电气连接。
导电橡胶密封条14采用Φ2.62铝镀银氟硅导电橡胶密封条，用于顶板与盒形件之间结合面的密封。所述铝镀银导电橡胶板用于接插件与盒形件之间结合面的密封。减震垫用于提高高压配电器整体抗力学性能。
高压配电器电路2又包括高压配电电路21、分压采集接口电路22、压力测量电路23和软启动电路24；
所述软启动电路将启动过程分为安全可靠的两步来完成，其预充电过程可识别后端设备状态并对其内部容性器件进行了充电避免其产生较大浪涌启动电流，当预充电过程完成后，再通过第二步继电器开关开始快速实现供电使后端电路快速完成中间态的过渡；
所述高压配电电路21用于控制继电器接通，使箭上高压电池组输出电能至伺服控制器，完成供电功能；
所述分压采集接口电路22用于检测高压电池组输出电压和伺服机构供电电压；
所述压力测量电路23包括芯片级压力传感器及其回路，用于地面测试阶段高压配电器气密性检查。
高压配电电路21、分压采集接口电路22、压力测量电路23集成于一块印制板上，该印制板通过螺钉固定在盒形件12上，采用聚氨酯清漆进行涂覆，螺钉头用硅橡胶点封。
大功率开关器件3又包括K1继电器31、K2继电器32和K3继电器33；所述K1继电器31、K2继电器32和K3继电器33均采用高压大功率直流磁保持继电器，采用竖直安装的方式先固定在支架上，然后通过螺钉固定在所述盒形件12内；所述K1继电器31、K2继电器32额定工作电压270V，额定工作电流150A；所述K3继电器33额定工作电压270V，额定工作电流50A。
本发明高压配电器采用如下高压绝缘保护措施用于避免高压配电器内部电弧放电。包括消除在高压附近尖锐边缘或尖锐点，金属结构件轮廓连续而光滑，无可见的尖锐边缘；采用聚氨酯清漆进行多次涂覆；印制板上凸起焊点点封硅橡胶，避免凸起的电极存在；绑线架装配时导线接触的部位缠绕聚酰亚胺绝缘胶带；电源线20mm以内金属部分粘贴聚酰亚胺绝缘胶带，螺钉头点封硅橡胶；盒形件内表面进行黑色阳极化表面处理。
下面结合附图3对本发明提供高压配电器工作过程进行说明。
高压配电器设计了一种具有安全保护措施的二次启动模式，如附图3所示，配电控制器1发出“软启动”指令接通K3闭合后，高压电池组通过软启动电阻R13、R14对伺服控制器预充电；在完成软启动后，由配电控制器控制K1～K2接通，箭上高压电池组输出电能至伺服控制器，完成供电功能。若出现异常，控制断开K1～K2完成高压电池组断电。在一次充电过程中设计的电阻R13、R14对充电电流进行了调理实现以小电流安全方式进行预充电，预充电结束后二次充电电路接通快速完成电路启动。该方式安全可靠，且一次充电过程中通过检测充电电流可实现对后端电路故障预判，当充电电流大于预设充电电流时可识别后端电路处于故障模式，可关断一次充电停止二次启动动作，保证了整个***线路的可靠性。同时高压配电器设计了高压锂离子电池组输出电压、伺服机构供电电压监测电路，线路完全接通后通过输出两路能够直观表征电压遥测值实时监测电池组输出电压、伺服机构供电电压稳定性，通过其电压遥测变化判别电池组、伺服机构工作状态。
实施例：
高压配电器结构1又包括顶板11、盒形件12、绑线架13、Φ2.62铝镀银氟硅导电橡胶密封条14、铝镀银导电橡胶15、减震垫16。
顶板11采用38个M3螺钉紧固于盒形件12，螺钉施加拧紧力矩0.8～0.9Nm，顶板11与盒形件12之间结合面采用Φ2.62铝镀银氟硅导电橡胶密封条14进行填充，保证气密。
所述高压连接器4采用4个M3螺钉紧固于盒形件12，高压连接器4与盒形件12之间结合面采用铝镀银导电橡胶15填充，保证气密。
所述减震垫16安装于盒形件12的6个安装脚上，提高产品抗力学性能。
所述高压配电器电路2又包括高压配电电路21、分压采集接口电路22、压力测量电路23和软启动电路24。
所述高压配电电路21、分压采集接口电路22、压力测量电路23集成于一块印制板上，采用4个M3螺钉固定在盒形件12上，为保证印制板绝缘性能，采用7385聚氨酯清漆进行涂覆。4个M3螺钉头用GD414硅橡胶点封。
使用聚氨酯清漆进行多次涂覆用7385聚氨酯清漆进行涂覆，进行四次涂覆，每次涂覆角度相差为90°，涂覆后涂层厚度达到约120μm；
印制板上凸起焊点点封和螺钉头点封均选用GD414硅橡胶。
所述软启动电路24通过4个M3螺钉固定在盒形件12上。
所述大功率开关器件3又包括K1继电器31、K2继电器32、K3继电器33。
所述K1继电器31、K2继电器32、K3继电器33均为航天时代电子技术股份有限公司第七七三研究所生产的高压大功率直流磁保持继电器，采用竖直安装的方式先固定在定制支架上，然后通过4个M5螺钉固定在所述盒形件12。
所述K1继电器31、K2继电器32额定工作电压270V，额定工作电流150A，且具有较好的抗振动性能。
所述K3继电器33额定工作电压270V，额定工作电流50A，且具有较好的抗振动性能。
所述高压电连接器4，采用中航光电科技股份有限公司生产的J599/20FTG48 S(P)N-H-46，额定电流46A，电连接器在低气压下的耐压达到1500VDC，泄漏率≤1×10-7Pa cm3/s。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种运载火箭电动伺服高压配电器，其特征在于包括：高压配电器结构(1)、高压配电器电路(2)、大功率开关器件(3)和高压电连接器(4)；
所述高压配电器结构(1)包括顶板(11)、盒形件(12)、绑线架(13)、导电橡胶密封条(14)、铝镀银导电橡胶(15)和减震垫(16)；
顶板(11)固定安装在盒形件(12)上将盒形件(12)上方开口封闭，顶板(11)和盒形件(12)之间设置有导电橡胶密封条(14)，保证气密；
所述高压连接器(4)紧固于盒形件(12)内，高压连接器(4)与盒形件(12)之间结合面采用铝镀银导电橡胶(15)填充，保证气密；所述减震垫(16)安装于盒形件(12)的安装脚上；绑线架(13)固定在盒形件(12)内部，用于高压配电器内部软导线的绑扎固定；
盒形件(12)内部还设置有高压配电器电路(2)和大功率开关器件(3)；所述高压配电器电路(2)用于对高压供电回路进行通断和切换控制，大功率开关器件(3)用于地面电源至箭上电源的切换，高压电连接器(4)用于高压配电器内部各组成部分电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种运载火箭电动伺服高压配电器，其特征在于：高压配电器电路(2)又包括高压配电电路(21)、分压采集接口电路(22)、压力测量电路(23)和软启动电路(24)；
所述软启动电路(24)将启动过程分为两步来完成，其预充电过程识别后端设备状态并对其内部容性器件进行充电避免产生浪涌启动电流，当预充电过程完成后，再通过第二步继电器开关实现供电使后端电路完成中间态的过渡；
所述高压配电电路(21)用于控制继电器接通，使箭上高压电池组输出电能至伺服控制器，完成供电功能；
所述分压采集接口电路(22)用于检测高压电池组输出电压和伺服机构供电电压；
所述压力测量电路(23)包括芯片级压力传感器及其回路，用于地面测试阶段高压配电器气密性检查。
3.根据权利要求2所述的一种运载火箭电动伺服高压配电器，其特征在于：高压配电电路(21)、分压采集接口电路(22)、压力测量电路(23)集成于一块印制板上，该印制板通过螺钉固定在盒形件(12)上，采用聚氨酯清漆进行涂覆，螺钉头用硅橡胶点封。
4.根据权利要求2所述的一种运载火箭电动伺服高压配电器，其特征在于：采用如下高压绝缘保护措施以避免高压配电器内部电弧放电：消除在高压附近尖锐边缘或尖锐点、金属结构件轮廓连续而光滑、无可见的尖锐边缘；采用聚氨酯清漆进行多次涂覆；印制板上凸起焊点点封硅橡胶，避免凸起的电极存在；绑线架装配时导线接触的部位缠绕聚酰亚胺绝缘胶带；电源线20mm以内金属部分粘贴聚酰亚胺绝缘胶带，螺钉头点封硅橡胶；盒形件内表面进行黑色阳极化表面处理。
5.根据权利要求4所述的一种运载火箭电动伺服高压配电器，其特征在于：所述聚氨酯清漆进行多次涂覆用7385聚氨酯清漆进行涂覆，进行四次涂覆，每次涂覆角度相差为90°，涂覆后涂层厚度达到约120μm；所述印制板上凸起焊点点封和螺钉头点封选用GD414硅橡胶。
6.根据权利要求2所述的一种运载火箭电动伺服高压配电器，其特征在于：所述大功率开关器件(3)又包括K1继电器(31)、K2继电器(32)和K3继电器(33)；
所述K1继电器(31)、K2继电器(32)和K3继电器(33)均采用高压大功率直流磁保持继电器，采用竖直安装的方式先固定在支架上，然后通过螺钉固定在所述盒形件(12)内；
所述K1继电器(31)、K2继电器(32)额定工作电压270V，额定工作电流150A；所述K3继电器(33)额定工作电压270V，额定工作电流50A。
7.根据权利要求2所述的一种运载火箭电动伺服高压配电器，其特征在于：导电橡胶密封条(14)采用Φ2.62铝镀银氟硅导电橡胶密封条。
8.根据权利要求6所述的一种运载火箭电动伺服高压配电器，其特征在于：配电控制器发出“软启动”指令接通K3继电器闭合后，高压电池组通过软启动电阻R13、R14对伺服控制器预充电；在完成软启动后，由配电控制器控制K1～K2继电器接通，箭上高压电池组输出电能至伺服控制器，完成供电功能；若出现异常，控制断开K1～K2继电器完成高压电池组断电；
在一次充电过程中通过电阻R13、R14对充电电流进行了调理，实现以小电流方式进行预充电，预充电结束后二次充电电路接通完成电路启动。
9.根据权利要求8所述的一种运载火箭电动伺服高压配电器，其特征在于：一次充电过程中通过检测充电电流实现对后端电路故障预判，当充电电流大于预设充电电流时识别后端电路处于故障模式，关断一次充电停止二次启动动作。
10.根据权利要求9所述的一种运载火箭电动伺服高压配电器，其特征在于：高压配电器上设置了高压锂离子电池组输出电压、伺服机构供电电压监测电路，线路完全接通后通过输出两路能够直观表征电压遥测值实时监测电池组输出电压、伺服机构供电电压稳定性，通过其电压遥测变化判别电池组、伺服机构工作状态。
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