柳 珊，張曉東，陳 健

（上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112）

0 引言

宇航推進(jìn)系統(tǒng)高壓部分配置有高壓自鎖閥，在系統(tǒng)中高壓自鎖閥的功能是連通或切斷高壓氣源。自鎖閥是一種具有位置自保持功能的電磁式閥門，其動(dòng)作過程通常是給驅(qū)動(dòng)線圈施加具有一定幅值和寬度的脈沖電流來改變閥門的狀態(tài)，在去掉激勵(lì)電流后，閥門狀態(tài)靠鎖位機(jī)構(gòu)保持不變。自鎖閥要實(shí)現(xiàn)無源自保持特性，關(guān)鍵在于鎖位機(jī)構(gòu)，目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的鎖位機(jī)構(gòu)為永磁鎖位，即通過永磁鐵產(chǎn)生的永磁力將閥門保持在開啟（或關(guān)閉）狀態(tài)，而不需要任何電源。

永磁環(huán)性能的高低及體積的大小在很大程度上決定了自鎖閥的體積和重量?，F(xiàn)采用的燒結(jié)式Nd-Fe-B磁環(huán)厚度一般在5 mm左右，在目前的工藝下，減少壁厚將使永磁的充磁難以飽和，反而降低永磁的磁能積。相對(duì)于燒結(jié)式磁環(huán)，熱變形納米晶Nd-Fe-B磁環(huán)具有高磁能積，可制備成高壁、薄壁或小尺寸的磁環(huán)，且其環(huán)境穩(wěn)定性更好。因此，為提高自鎖閥的環(huán)境穩(wěn)定性及減小自鎖閥的體積、重量，可采用熱變形納米晶Nd-Fe-B磁環(huán)。

1 國內(nèi)外熱變形磁體技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

美國通用電氣、德國O Gutfleisch及日本Daido制鋼等公司對(duì)熱變形磁體各向異性形成機(jī)制、影響形變速率的因素以及元素添加對(duì)變形能力和磁性能影響等問題進(jìn)行了研究；國內(nèi)北京鋼鐵研究總院較早對(duì)熱變形磁體基礎(chǔ)理論和工藝進(jìn)行了研究，同時(shí)在熱壓磁環(huán)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。

德國Dresden固體所及日本大同制鋼公司已成功地將熱壓環(huán)應(yīng)用于無刷伺服電機(jī)，使電機(jī)的效率顯著提高。北京鋼鐵研究總院長期從事輻向和多級(jí)磁環(huán)的研制，獲得了多項(xiàng)輻向、多織構(gòu)磁環(huán)制備及充磁技術(shù)的國家發(fā)明專利，承擔(dān)過多項(xiàng)永磁環(huán)的軍工任務(wù)，廣泛應(yīng)用于航天、航空軍工型號(hào)。

國內(nèi)目前是北京鋼鐵研究總院擁有試驗(yàn)及批量生產(chǎn)的快淬設(shè)備，對(duì)于快淬帶制備積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，承擔(dān)過多項(xiàng)快淬技術(shù)相關(guān)國家課題，并申請(qǐng)了多項(xiàng)國家發(fā)明專利。通過對(duì)熱壓環(huán)成分、工藝和模具設(shè)計(jì)等長期研究，成功解決了小尺寸磁環(huán)熱擠出過程中的開裂問題。針對(duì)熱壓工藝特點(diǎn)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)制造了適用于納米晶磁體熱變形的熱壓設(shè)備。其快速升溫、降溫，以及位移控制和壓力控制兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn)滿足了熱壓環(huán)制備對(duì)工藝條件的要求，并在國內(nèi)首先成功制備出高性能熱壓環(huán)。

2 納米晶永磁環(huán)在自鎖閥中的研究應(yīng)用

2.1 自鎖閥工作原理

典型的自鎖閥結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

工作原理如下：閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，開線圈通電，銜鐵帶動(dòng)閥芯組件運(yùn)動(dòng)到開的位置，開線圈斷電，在永磁鐵永磁力的作用下，銜鐵保持在開啟位置；反之，關(guān)線圈通電，銜鐵帶動(dòng)閥芯組件運(yùn)動(dòng)到關(guān)閉位置，關(guān)線圈斷電，銜鐵在鎖閉磁環(huán)磁力的作用下保持在關(guān)閉位置。

新材料在自鎖閥中的主要用途是提高永磁鐵的磁性能，增加鎖閉力。對(duì)自鎖閥的好處是提高產(chǎn)品的鎖閉性，比如提高閥門抗沖擊能力和承壓能力。高性能永磁材料應(yīng)用，可以縮小永磁鐵的尺寸，減小線圈結(jié)構(gòu)，相同條件下，自鎖閥的重量較輕。

2.2 磁性能要求

燒結(jié)Nd-Fe-B磁體和熱變形納米晶Nd-Fe-B磁體的磁性能對(duì)比如表1所示。

表1 燒結(jié)磁體和熱變形納米晶磁體磁性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of sintered and nano magnets

從以上對(duì)比可得出，納米晶熱變形磁環(huán)各項(xiàng)磁性能要求均比現(xiàn)階段使用的燒結(jié)磁環(huán)的磁性能更高。

2.3 數(shù)值仿真計(jì)算

對(duì)所研究的自鎖閥進(jìn)行數(shù)值仿真，裝有熱變形納米晶磁環(huán)、燒結(jié)磁環(huán)，閥門處于開、關(guān)位置時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度見圖2～圖5所示。

根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果可知，圖2所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍約為0.4～1.0 T；圖3所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍約為0.6～1.4 T；圖4所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍約為0.4～1.0 T；圖5所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍約為0.6～1.4 T。

仿真結(jié)果表明，裝有熱變形磁環(huán)的自鎖閥模型的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于裝有繞結(jié)磁環(huán)的自鎖閥模型的磁感應(yīng)強(qiáng)度，比例約為40%。

2.4 兩種自鎖閥實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

在完成對(duì)熱變形納米晶永磁環(huán)的設(shè)計(jì)制造和性能測(cè)試之后，生產(chǎn)了4件新型永磁環(huán)自鎖閥試件。在某原有自鎖閥的殼體組件基礎(chǔ)上進(jìn)行自鎖閥的生產(chǎn)，除永磁環(huán)采用新型的熱變形納米晶磁環(huán)（與原自鎖閥燒結(jié)永磁環(huán)的尺寸完全一樣，為Φ36×Φ27×4）外，其余零組件均使用原自鎖閥所用的零組件。

通過測(cè)試自鎖閥產(chǎn)品的開、關(guān)位鎖閉力來測(cè)試永磁環(huán)的性能。對(duì)裝有熱變形納米晶、燒結(jié)磁環(huán)的兩種自鎖閥產(chǎn)品的鎖閉力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證熱變形納米晶Nd-Fe-B永磁環(huán)能的性能。表2為裝有燒結(jié)永磁環(huán)的自鎖閥鎖閉力測(cè)試數(shù)據(jù)，表3為裝有熱變形納米晶永磁環(huán)的自鎖閥鎖閉力測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 裝有燒結(jié)永磁環(huán)的自鎖閥測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Measured data of latching valve with sintered magnet-ring

表3 裝有熱變形納米晶永磁環(huán)的自鎖閥測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Measured data of latching valve with nano magnet-ring

從表2和表3可以看出，采用熱變形納米晶永磁環(huán)后，開、關(guān)位鎖閉力有顯著增加。可見，在保持永磁環(huán)尺寸不變的情況下，熱變形納米晶永磁環(huán)的性能相比燒結(jié)永磁環(huán)有很大提高。

應(yīng)用高性能納米晶熱變形永磁環(huán)初步成果，可進(jìn)行自鎖閥的改進(jìn)研制，在保持永磁力不變的情況下，自鎖閥產(chǎn)品的重量和體積均可減小。

3 結(jié)束語

對(duì)自鎖閥永磁環(huán)的研究表明，熱變形納米晶永磁材料能夠有效提高自鎖閥鎖閉性能，使自鎖閥體積更小、重量更輕，具有良好的應(yīng)用前景。

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