摘 要:針對引信電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)功耗較高，在引信應(yīng)用中受到限制的問題，通過對電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)降低功耗影響因素分析，得出電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)功耗對工作性能的影響規(guī)律:降低工作電壓、減小線圈線徑、彈簧的預(yù)抗力、彈簧剛度或增加線圈匝數(shù)有利于降低功耗，但會使電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)工作性能下降。仿真研究表明:功耗減小45%，電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間增加49%。

關(guān)鍵詞:引信; 電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu); 功耗; 響應(yīng)時(shí)間

中圖分類號:TJ430.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0029-04

Analysis of Low Consumed Power Law of Electromagnetic Arming Device

ZHANG Xian-biao， SHANG Ya-ling

(Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China)

Abstract:High powr consumption of the electromagnetic arming device limits its application in fuze. In order to solve this problem， the influence factors of power consumption is analyzed to obtain the low power consumption law: reduction of voltage， coil diameter， assembly spring force and spring rate or addition of the winding quantity can help to decrease power consumption， and at the same time the working performance of electromagnetic arming device is affected. The simulation results show that the response time of electromagnetic safety and arming device increases 49% when the power consumption decreases 45%.

Keywords:fuze; electromagnetic arming device; power consumption; response time

電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在機(jī)電引信設(shè)計(jì)中廣為采用，但因其功耗較高，在引信應(yīng)用中受到限制。近年來，電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)作為低過載、高價(jià)值彈藥引信的重要部分，面臨降低功耗的迫切需求。電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)降低功耗是指在不影響性能的條件下盡量減小機(jī)構(gòu)的功耗。目前，尚未見到有關(guān)引信用電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)降低功耗的研究報(bào)導(dǎo)。為此，分析電磁鐵的功耗與性能之間的關(guān)系，為電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)拓寬應(yīng)用領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

1 引信電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

引信電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)主要由直流螺線管電磁鐵構(gòu)成，由電指令解除保險(xiǎn)。平時(shí)由彈簧將電磁銷頂在隔爆件中的鎖孔內(nèi)。工作時(shí)，控制電路給線圈通電，使電磁銷吸合，當(dāng)電磁銷完全拔出鎖孔時(shí)，電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)，同時(shí)隔爆件開始運(yùn)動;當(dāng)隔爆件中鎖孔與電磁銷錯(cuò)開一定位移后，電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斷電。此時(shí)，電磁銷被擋在鎖孔外，電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)保持在解除保險(xiǎn)狀態(tài)。電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)為圓柱形結(jié)構(gòu)，其二維截面圖如圖1所示。圖1中，擋鐵、電磁銷和外殼采用純鐵材料，線圈骨架和墊片采用非導(dǎo)磁材料。電磁鐵工作氣隙行程[1]為L0。

圖1 電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 功耗模型

電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)采用恒壓控制。當(dāng)工作電壓U一定時(shí)，其功耗W隨電流i和通電時(shí)間τ變化。電磁銷工作過程可分為吸合和吸合保持兩個(gè)階段，通電時(shí)間分為τr和τk。

吸合階段，由于彈簧在裝配位置上的預(yù)抗力作用及電圈中電感產(chǎn)生的感應(yīng)反電勢，通電后電磁銷不能立即運(yùn)動，此時(shí)電流呈指數(shù)上升。當(dāng)電流增加到itr時(shí)，電磁力足以克服彈簧抗力吸合電磁銷。隨著電磁銷的運(yùn)動磁路結(jié)構(gòu)和線圈電流不斷變化，當(dāng)電磁銷運(yùn)動到與擋鐵接觸時(shí)停止運(yùn)動。吸合階段的功耗Wr為:

Wr=∫τr0Uidt(1)

式中:t為時(shí)間;i由電磁銷的電路方程、磁路方程和運(yùn)動方程聯(lián)立求得，其電路方程[2，3]為:

U=iRz+ldidt+idldt(2)

式中:Rz為激磁線圈的電阻;l為磁路電感。

采用磁路分割法[1]將整個(gè)磁路分為工作氣隙和非工作氣隙(電磁銷、墊片、外殼和擋鐵)兩部分，其磁阻分別為R0，Rm。由于各部分磁介質(zhì)串聯(lián)，所以磁路總磁阻為R=R0+Rm。根據(jù)磁阻方程和靜態(tài)電磁的吸力計(jì)算公式[4，5]可推得磁路方程為:

Fφ=12i2N2μ0S0(L0-x+Rmμ0S0)2

l=N2μ0S0L0-x+Rmμ0S0(3)

式中:Fφ為電磁力;N為激磁線圈的匝數(shù);L0為工作氣隙行程;x為電磁銷位移;μ0和S0分別為真空磁導(dǎo)率和氣隙截面積。

電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)作為引信的主保險(xiǎn)，在發(fā)射安全距離外開始工作時(shí)，電磁銷受到電磁力Fφ、彈簧抗力Fk、摩擦力f及爬行力Fp[6]。其中Fp的方向與Fφ一致。電磁銷的運(yùn)動方程為:

Fx=Fφ+Fp-f-Fk=md2xdt2

Fk=k(x+d)(4)

式中:Fx為電磁銷所受合力;k為彈簧剛度;d為彈簧裝配位置上的形變;m為電磁銷質(zhì)量。

吸合保持階段，磁路結(jié)構(gòu)不變，電流再次呈指數(shù)上升，并趨于穩(wěn)定值ic。當(dāng)隔爆件中的鎖孔與電磁銷錯(cuò)開一定位移時(shí)，電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斷電。由于磁路產(chǎn)生的電感不耗能，吸合保持階段的功耗Wk可計(jì)算為:

Wk=U2Rzτk(5)

則電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)總的功耗W為:

W=Wr+Wk(6)

由式(1)～式(6)可知，電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的功耗模型為非線性微分方程組:

dxdt=v

didt=(U-iRz)(a-x)b-iva-x

dvdt=bi22(a-x)2m+c-k(x+d)m

L0=∫τr0vdt

W=∫τr0Uidt+U2Rzτk(7)

式中:v為電磁銷速度;a=L0+Rmμ0S0，b=N2μ0S0，c=Fp-f，均為常數(shù)。

3 功耗影響因素分析

3.1 電壓對功耗影響分析

由式(5)可知Wk與U的二次方成正比，因此減小工作電壓能明顯降低吸合保持階段的功耗。由式(1)可知，Wr與τr成正比，當(dāng)吸合時(shí)間變長時(shí)，功耗變大。由式(3)可知Fφ與i的二次方成正比，當(dāng)減小電壓時(shí)，電流變小，F(xiàn)φ明顯變小，但吸合時(shí)間τr變大。因此，減小電壓有利于降低Wr，但同時(shí)τr變大，這樣又增加了一部分功耗;當(dāng)電壓對Wr的影響大于τr時(shí)，降低電壓能降低吸合階段的功耗，反之則增加。

電壓不能過低，否則電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的可靠性將受到影響。由穩(wěn)態(tài)電流ic=U/Rz可知，電壓變小，則ic變小，而吸合動作電流itr值一定，若ic

3.2 線圈對功耗影響分析

線圈對功耗的影響主要表現(xiàn)為線圈線徑和匝數(shù)對功耗的影響。繞線空間是有限的，線徑越小，則可纏繞的匝數(shù)越大，當(dāng)線圈電阻率一定時(shí)，線圈電阻越大。由式(5)可知，Wk與Rz成反比，因此減小線徑有利于降低吸合保持階段的功耗。對于吸合階段的功耗，減小線徑，電阻增大，電流變小，功耗變小。

由式(5)可知，電磁力與安匝數(shù)IN的二次方成正比。當(dāng)線徑變小，匝數(shù)變大時(shí)有利于提高安匝數(shù);如果電流的降幅對安匝數(shù)影響更大，則安匝數(shù)變小，電磁力變小，吸合時(shí)間變長，因此線徑變小雖能降低功耗，但同時(shí)也會使電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的工作性能受到影響。

由式(3)和式(4)可推得吸合動作電流itr為:

itr=L0+Rmμ0S0N2kdμ0S0(8)

由上式可知，itr與N成反比。當(dāng)線徑變小時(shí)，匝數(shù)增加，吸合動作電流變小時(shí)，電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可以承受穩(wěn)態(tài)電流更大的降幅，同時(shí)電阻變大，穩(wěn)態(tài)電流變小。當(dāng)穩(wěn)態(tài)電流的降幅大于吸合動作電流時(shí)，為保證可靠工作，需要提高工作電壓，而提高工作電壓會使功耗增加。因此，線徑不宜過小。

當(dāng)線徑和線圈電阻率一定時(shí)，減小線圈匝數(shù)則功耗增加。減小線圈匝數(shù)，線圈電阻變小，則吸合動作電流和穩(wěn)態(tài)電流均變大，不利于降低功耗，且高電流可能使線圈溫度和電阻增加，一部分功耗用在電阻發(fā)熱上。但由于電流變大，電磁力變大，在振動、沖擊環(huán)境中能夠承受更大的附加載荷，且吸合時(shí)間變短，可靠性得到提高。因此在有限的繞線空間中，使繞線匝數(shù)盡可能大，有利于降低功耗，但同時(shí)電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)工作可靠性將受到影響。

3.3 彈簧對功耗影響分析

為保證平時(shí)勤務(wù)處理的安全，彈簧的預(yù)抗力Rzp=kd應(yīng)足夠大。由式(8)可知，itr與kd成正比。因此，預(yù)抗力越大，吸合動作電流越大，而穩(wěn)態(tài)電流是有限的，因此吸合過程的可靠性會降低，當(dāng)預(yù)抗力過大時(shí)，需要減小itr或提高ic，以提高可靠性。而減小itr需要增加線圈匝數(shù)，同時(shí)增加了線圈電阻，減小了ic。因此減小itr時(shí)可靠性提高不明顯。提高工作電壓，能提高ic，且itr不變，此時(shí)提高了可靠性，同時(shí)功耗增加。

電磁銷在吸合運(yùn)動中壓縮彈簧，彈簧的變形能[7]增加。增加的這部分能量E為:

E=∫L00Fkdx(9)

式中:E反映了彈簧受壓縮后所吸收電能的大小，因此減小E有利于降低功耗。將式(4)中Fk代入式(9)計(jì)算得:

E=12kL20+Rzp(10)

由式(10)可知，E與k及Rzp成正比。當(dāng)Rzp一定時(shí)，減小彈簧剛度k能減小E，從而降低功耗，同時(shí)需要增大d以保證Rzp不變。釋放過程中，電磁銷的驅(qū)動力是彈簧力，彈簧剛度越小，彈力越小，釋放過程的可靠性和快速性會降低。因此彈簧剛度不宜過小。

3.4 功耗影響規(guī)律

由上述分析可知:減小工作電壓能降低功耗，但電壓不能過低，否則電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可能不能正常工作。

適當(dāng)減小線徑能降低功耗，但吸合時(shí)間變長。線徑不宜過小，否則工作電壓變大，功耗增加。

當(dāng)線徑一定時(shí)，增加繞線匝數(shù)有利于降低功耗，但同時(shí)電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的工作可靠性降低。

減小彈簧的預(yù)抗力，有利于降低功耗。為保證平時(shí)勤務(wù)處理的安全，彈簧的預(yù)力不宜過小。減小彈簧的剛度有利于降低功耗，同時(shí)也降低了釋放過程的可靠性和快速性。降低功耗的影響因素見表1。

表1 電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)降低功耗影響因素

指標(biāo)功耗影響因素降低功耗措施對指標(biāo)的影響

吸合可靠性和快速性電壓減小降低

線徑適當(dāng)減小降低

匝數(shù)適當(dāng)增加降低

勤務(wù)處理安全性彈簧預(yù)抗力減小降低

釋放可靠性和快速性彈簧剛度減小降低

4 功耗影響仿真

采用數(shù)值方法求解功耗微分方程組，運(yùn)用Matlab軟件編寫程序計(jì)算。微分方程組采用精度較高的四階Runge-Kutta法[8]求解。得到功耗影響因素與工作性能及功耗的關(guān)系如表2所示。

表2 電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)功耗影響因素與工作性能及功耗的關(guān)系

線徑Ф /mm匝數(shù)N /nul電阻Rz /Ω電壓U /V總功耗W/J吸合時(shí)間τr /ms

0.1898020.8100.31715.8

0.1893019.4100.33415.1

0.255806.15.50.30912.7

0.255605.950.28315.6

0.255505.750.28515.0

0.283502.650.5658.5

0.283502.640.38211.9

表2中，當(dāng)線徑為0.28 mm，工作電壓由5 V減小為4 V時(shí)，功耗降低32%，吸合時(shí)間增加40%;當(dāng)線徑由0.28 mm減小至0.25 mm時(shí)，功耗降低25%，吸合時(shí)間增加26%;繼續(xù)減小至0.18 mm時(shí)，功耗降幅為13%，吸合時(shí)間增幅為27%。圖2(a)為不同線徑下電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的功耗和吸合時(shí)間的變化情況。

當(dāng)線徑為0.18 mm，線圈由930匝增加為980匝時(shí)，功耗降低5.1%，吸合時(shí)間增加4.7%;當(dāng)線徑為0.25 mm，線圈由550匝增加為560匝時(shí)，功耗降低0.7%，吸合時(shí)間增加4%;繼續(xù)增加至580匝時(shí)，功耗增加8%，吸合時(shí)間降低14%。圖2(b)給出當(dāng)線徑為0.25 mm時(shí)，不同匝數(shù)下電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的功耗和吸合時(shí)間的變化情況。

圖2 功耗、吸合時(shí)間曲線

圖3為不同線徑和匝數(shù)下電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)功率變化曲線，它反映了功耗的大小。圖3中功率曲線下方與坐標(biāo)圍成的面積即為功耗的大小。因?yàn)殡妷汉愣ǎ怨β首兓€也反映了線圈電流變化情況。由于電磁銷的運(yùn)動使線圈中產(chǎn)生阻礙電流增大的運(yùn)動反電勢，隨著運(yùn)動速度的不斷增大，感應(yīng)反電勢也不斷增大，一旦它增至一定的數(shù)值，電流開始減小，以維持電壓的平衡。當(dāng)電磁銷完全吸合后，電流減小至最低，然后進(jìn)入吸合保持階段，電流再次呈指數(shù)上升，并趨于穩(wěn)定值ic。因此功率曲線反映了電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的工作性能，其功率最低值所對應(yīng)的時(shí)間即為電磁銷吸合時(shí)間。吸合時(shí)間越短表明電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)響應(yīng)越快，工作性能越高。

圖3 功率曲線

由仿真結(jié)果可知，降低工作電壓能降低功耗，但同時(shí)工作性能受到的影響更大;通過減小線徑能降低功耗，但線徑過小時(shí)，由于線圈電阻和電壓增加，降低功耗效率反而下降，通過增加線圈降低功耗效率不高;線圈匝過大時(shí)，由于工作電壓增加，反而增加了功耗，但提高了工作性能。因此，適當(dāng)減小線徑，在增加線圈匝數(shù)的同時(shí)，適當(dāng)增加工作電壓，可以保證電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的工作性能。表2中第三組參數(shù)較為理想，此時(shí)耗降低了45%，電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間增加49%。

5 結(jié) 語

對引信電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)功耗的仿真計(jì)算證明了功耗對工作性能的影響規(guī)律:降低工作電壓、減小線圈線徑或增加線圈匝數(shù)有利于降低功耗，同時(shí)電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)工作性能降低。當(dāng)功耗減小45%時(shí)，電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間增加49%。減小彈簧的預(yù)抗力和剛度有利于降低功耗，同時(shí)勤務(wù)處理的安全性、電磁銷釋放可靠性和快速性降低。這為電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)開展進(jìn)一步的降低功耗研究以及拓寬在引信中的應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。

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