張 強(qiáng),周 煒,喬桂玉,于長(zhǎng)吉,鄧 哲

(1.北京航天動(dòng)力研究所,北京 100076;2.首都航天機(jī)械有限公司,北京 100076)

0 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,20世紀(jì)80年代起,自鎖電磁閥已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外宇航型號(hào)中。這類閥門(mén)能在斷電后自動(dòng)保持?jǐn)嚯娗肮ぷ鳡顟B(tài),從而滿足系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)器組件的設(shè)計(jì)要求,特別是在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí),無(wú)源自保持功能避免了線圈的通電發(fā)熱現(xiàn)象,提高了產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。通常,電磁閥自鎖形式分為三種:介質(zhì)力自鎖、機(jī)械自鎖、磁性自鎖[1-2]。前兩種自鎖形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形尺寸偏大、可靠性低,而永磁自鎖恰好彌補(bǔ)了這些不足,因此,國(guó)內(nèi)外宇航型號(hào)中廣泛采用了磁性自鎖電磁閥。

磁性自鎖電磁閥中的核心組件是自鎖電磁鐵,它的設(shè)計(jì)水平關(guān)乎著電磁閥的最終使用性能和可靠性,是整個(gè)電磁閥設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。本文以某型號(hào)實(shí)際產(chǎn)品為例,介紹了一種雙工位自鎖電磁鐵的設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)的仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證,闡述了雙工位自鎖電磁鐵的性能特性。

1 自鎖電磁鐵工作原理

自鎖電磁鐵通常采用兩個(gè)線圈分別控制開(kāi)-關(guān),在兩線圈中間設(shè)置永磁體作為恒磁場(chǎng)源,形成極化磁場(chǎng)和控制磁場(chǎng)的雙磁路結(jié)構(gòu),線圈通電,雙磁場(chǎng)共同作用,吸合銜鐵往復(fù)作動(dòng),以實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的啟閉。線圈斷電后,利用永磁體對(duì)銜鐵產(chǎn)生的極化吸力,使銜鐵保持在斷電前的位置不動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能[3]。自鎖電磁鐵結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1-殼體;2-線圈骨架;3-永磁體;4-銜鐵;5-關(guān)線圈;6-開(kāi)線圈;7-上導(dǎo)磁體;8-上擋鐵;9-密封插座;δ1-銜鐵在下位時(shí)的下氣隙;δ2-銜鐵在下位時(shí)的上氣隙。圖1 自鎖電磁鐵結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Self locking electromagnet structure diagram

該結(jié)構(gòu)中,銜鐵處于下位為閥門(mén)打開(kāi)狀態(tài),銜鐵處于上位為閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)。其中銜鐵、上擋鐵、上導(dǎo)磁體、殼體、永磁體形成上永磁閉合磁路,銜鐵、線圈骨架、殼體、永磁體形成下永磁閉合磁路。磁通分布情況如圖2所示。

圖2 磁性自鎖電磁鐵磁通分布示意圖Fig.2 A schematic diagram of magnetic flux distribution of a magnetic self locking electromagnet

當(dāng)銜鐵處于下位時(shí)(δ1<δ2),根據(jù)磁路歐姆定律

W=ΦmRm

(1)

推導(dǎo)出

(2)

式中：W為磁勢(shì),A;Φm為磁通,Wb;Rm為磁阻, H。

當(dāng)銜鐵處于下位時(shí)永磁吸力向下,銜鐵保持下位不動(dòng)。同理,當(dāng)銜鐵處在上位時(shí),永磁吸力向上,銜鐵保持上位不動(dòng)。因此電磁鐵具備雙工位自鎖功能。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

我國(guó)新一代運(yùn)載火箭XX-77發(fā)動(dòng)機(jī)自鎖閥即采用該種電磁鐵結(jié)構(gòu),并通過(guò)多次發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車(chē)考核。以其為例,電磁鐵參數(shù)設(shè)計(jì)從吸力入手,吸力設(shè)計(jì)值如下：銜鐵在下位時(shí)永磁吸力Fdp=230 N,銜鐵在上位時(shí)永磁吸力Fup=145 N,關(guān)線圈通電時(shí)(此時(shí)銜鐵在下位)電磁永磁合力Fue=180 N,開(kāi)線圈通電時(shí)(此時(shí)銜鐵在上位)電磁永磁合力Fde=287 N?；谏鲜鲆?電磁鐵各參數(shù)取值計(jì)算如下：

銜鐵在下位時(shí)的下氣隙δ1取值0.2 mm,銜鐵在下位時(shí)的上氣隙δ2取值1 mm,銜鐵行程h取值0.7 mm。永磁體單獨(dú)作用時(shí)δ1處的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm1取值1.2 T,永磁體單獨(dú)作用時(shí)δ2處的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm2可由式(2)計(jì)算。銜鐵半徑

(3)

永磁體工作點(diǎn)磁勢(shì)

(4)

(5)

式中磁阻系數(shù)f取值1.4(無(wú)量綱)。

(6)

銜鐵上吸所需關(guān)線圈磁勢(shì)

(7)

式中：總氣隙δh=δ1+δ2=1.2 mm;磁勢(shì)降系數(shù)KΣ取值1.1(無(wú)量綱)。

由此關(guān)線圈電流與匝數(shù)可得,同理設(shè)計(jì)開(kāi)線圈即可。

3 仿真模型

根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果利用Ansoft Maxwell軟件建立電磁鐵模型(二維軸對(duì)稱),采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分工具對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Grid mode

材料屬性：按表1所列電磁鐵材料,分別對(duì)模型進(jìn)行材料屬性定義,其中銜鐵、導(dǎo)磁體等材料選為電磁純鐵DT4E。

表1 材料模型屬性Tab.1 Material model attributes

邊界條件：自然邊界條件規(guī)定兩物體交界面磁場(chǎng)強(qiáng)度H的切向分量和磁通密度B的法向分量保持連續(xù);諾依曼邊界條件規(guī)定外表面只有切向磁場(chǎng)強(qiáng)度,法向磁場(chǎng)強(qiáng)度為零;氣球邊界條件將求解區(qū)域外邊界設(shè)置為氣球邊界[6-7]。

4 計(jì)算結(jié)果分析

使用Ansoft軟件進(jìn)行二維靜態(tài)電磁場(chǎng)仿真：勵(lì)磁源設(shè)置為開(kāi)線圈1 283 A、關(guān)線圈945 A(開(kāi)關(guān)線圈安匝數(shù)設(shè)為滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求所需的最小值)、永磁體導(dǎo)磁系數(shù)1.06,磁矯頑力-750 000 A/m,設(shè)置銜鐵所受電磁吸力為求解量。

計(jì)算結(jié)果如下：永磁吸力Fup為159 N,永磁吸力Fdp=252 N,關(guān)線圈通電瞬間電磁永磁合力Fue=193 N,開(kāi)線圈通電瞬間電磁永磁合力Fde=301 N。有限元仿真得到的計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值誤差均不超過(guò)10%,圖4為仿真得到的以上4個(gè)狀態(tài)磁場(chǎng)分布情況。磁力線越密,磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,4個(gè)狀態(tài)下磁感應(yīng)強(qiáng)度及分布情況展示了磁路工作原理。在線圈斷電狀態(tài),永磁體作為唯一的勵(lì)磁源為銜鐵提供自鎖力,磁力線能夠很好地被約束在閉合磁路內(nèi),磁場(chǎng)較為穩(wěn)定;在打開(kāi)/關(guān)閉瞬間,開(kāi)/關(guān)線圈通電,線圈形成的電磁場(chǎng)與永磁體形成的永磁場(chǎng)在銜鐵所在位置一側(cè)相互抵制,電磁場(chǎng)克服永磁場(chǎng)做功,驅(qū)動(dòng)銜鐵,因此整個(gè)磁場(chǎng)受到擾動(dòng)而變得不穩(wěn)定,部分磁力線逸出閉合磁路,產(chǎn)生一定漏磁[8-9]。

選取20臺(tái)樣本進(jìn)行吸力試驗(yàn),線圈通電27 V。測(cè)試結(jié)果：Fde=291～315.5 N;Fue=187.6～202.6 N。吸力仿真值、試驗(yàn)值對(duì)比情況如圖5所示。圖5中銜鐵吸力試驗(yàn)值圍繞仿真值窄幅波動(dòng),主要是由于永磁體/導(dǎo)磁材料個(gè)體磁性能差異、裝配誤差等原因造成,波動(dòng)范圍在7%以內(nèi),說(shuō)明電磁鐵參數(shù)設(shè)計(jì)較為合理,仿真計(jì)算較為準(zhǔn)確?？梢?jiàn),在精度要求范圍內(nèi),采用公式法設(shè)計(jì)電磁鐵的途徑簡(jiǎn)單可行,具有一定工程意義[10]。完成電磁鐵設(shè)計(jì)后,有必要對(duì)電磁鐵性能特性進(jìn)行仿真研究,從而獲得更多的設(shè)計(jì)指導(dǎo)信息。結(jié)合實(shí)際使用情況,主要考慮以下兩方面仿真研究。

圖5 電磁吸力對(duì)比Fig.5 Comparison of electromagnetic suction

4.1 銜鐵工作氣隙對(duì)永磁吸力的影響

調(diào)整下氣隙δ1,范圍0.1～1.1 mm,其他參數(shù)不變,對(duì)永磁吸力仿真計(jì)算。圖6為永磁吸力FP隨氣隙δ1變化曲線。

圖6 不同氣隙下的永磁吸力Fig.6 Permanent magnetic suction under different air gaps

圖6中,δ1從0增至0.6 mm過(guò)程中,永磁吸力FP方向向下,數(shù)值從346 N減至0;當(dāng)δ1為0.6 mm時(shí),上下氣隙一致,兩方向永磁吸力相互抵消,值為0;δ1從0.6 mm增至1.2 mm過(guò)程中, 永磁吸力方向向上,數(shù)值從0增至324 N。下氣隙調(diào)整過(guò)程中,永磁吸力曲線變化近似線性,基于此工程上可近似采用線性計(jì)算得到吸力[11-13]。圖7為不同氣隙下磁路磁力線分布圖。磁力線越密,磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,δ1從0增至0.6 mm過(guò)程中,下磁路磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小,上磁路逐漸增加,漏磁效應(yīng)逐漸增強(qiáng);δ1達(dá)到0.6 mm左右時(shí),漏磁效應(yīng)最強(qiáng),部分磁力線不被約束在閉合磁路內(nèi),出現(xiàn)外逸;δ1從0.6 mm增至1.2 mm過(guò)程中,下磁路磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增加,上磁路逐漸減小,漏磁效應(yīng)逐漸減弱。

圖7 不同氣隙下的磁力線分布圖Fig.7 Distribution diagram of magnetic line of force under different air gaps

4.2 勵(lì)磁電壓對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響

電磁鐵完成設(shè)計(jì)后,結(jié)構(gòu)參數(shù)均已確定,而驅(qū)動(dòng)電壓作為唯一的外部勵(lì)磁源直接影響著響應(yīng)特性[14],考察勵(lì)磁電壓對(duì)響應(yīng)特性的影響規(guī)律需進(jìn)行瞬態(tài)電磁場(chǎng)仿真。本文僅考察電磁鐵打開(kāi)過(guò)程中線圈驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)響應(yīng)特性的影響,關(guān)閉過(guò)程規(guī)律相同,在靜磁場(chǎng)分析模型基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)電磁場(chǎng)仿真。材料屬性和邊界條件設(shè)置同靜態(tài)磁場(chǎng)分析。激勵(lì)源由外部提供,脈沖電壓各參數(shù)設(shè)置：V1=0,V2=27 V,Td=0,Tr=0.001 s,Tf=0.001 s,PW=0.1 s,脈沖周期0.15 s[15-18]。運(yùn)動(dòng)類型選擇平動(dòng),初始位置為0,銜鐵運(yùn)動(dòng)行程朝Z軸負(fù)方向0.7 mm,初始速度為0,銜鐵質(zhì)量0.1 kg,阻尼0.01 N·s/m。

經(jīng)求解計(jì)算,得到電磁鐵開(kāi)線圈電流-時(shí)間曲線,如圖8所示。

圖8 勵(lì)磁線圈電流曲線Fig.8 Excitation coil current curve

線圈通電時(shí),電流曲線同典型螺管式電磁鐵相似,電流值升高到觸發(fā)電流(m1點(diǎn))時(shí),銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng),此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為觸發(fā)時(shí)間,銜鐵作動(dòng)切割磁感線,線圈中產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì),電流有所減小,運(yùn)動(dòng)結(jié)束后電流逐步攀升直至穩(wěn)態(tài)電流,銜鐵運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間(m2點(diǎn))即響應(yīng)時(shí)間,穩(wěn)態(tài)電流與觸發(fā)電流的比值即為電流儲(chǔ)備系數(shù)[19-22]。斷電后,雙工位自鎖電磁鐵電流曲線中不存在釋放段,銜鐵在電磁吸力撤去后依然能依靠永磁吸力保持在原位不動(dòng)。將外部驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)成不同值,分別求解可得到不同驅(qū)動(dòng)電壓下響應(yīng)時(shí)間-電壓曲線、觸發(fā)電流/電流儲(chǔ)備系數(shù)-電壓曲線,如圖9～圖10所示。

圖9 不同驅(qū)動(dòng)電壓的響應(yīng)時(shí)間曲線Fig.9 Response time curves of different driving voltages

圖10 不同驅(qū)動(dòng)電壓的觸發(fā)電流/電流儲(chǔ)備系數(shù)曲線Fig.10 Trigger current/current reserve coefficient curves with different driving voltages

圖9中,隨著驅(qū)動(dòng)電壓逐漸增大,電磁鐵動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間逐漸減少,但電壓增大到一定程度后,響應(yīng)時(shí)間變化很小,因此不能一味依靠增大驅(qū)動(dòng)電壓而減少響應(yīng)時(shí)間。圖10中,隨著驅(qū)動(dòng)電壓逐漸增大,受線圈電感作用,其觸發(fā)電流有一定增加,同時(shí)電流儲(chǔ)備系數(shù)也逐漸增大,提高了電磁鐵的作動(dòng)裕度[23-24]。

5 結(jié)論

本文介紹了一種雙工位自鎖電磁鐵的公式設(shè)計(jì)方法,通過(guò)仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試考核了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,表明該方法具有一定工程意義。后對(duì)電磁鐵性能特性進(jìn)行仿真研究得出：隨著銜鐵工作氣隙增大,永磁吸力逐漸減小,當(dāng)銜鐵位于永磁體中間位置時(shí),永磁吸力為0,越過(guò)中間位置后,永磁吸力反方向逐漸增大;隨著驅(qū)動(dòng)電壓逐漸增大,電磁鐵動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間逐漸減少,但電壓增大到一定程度后,響應(yīng)時(shí)間變化很小;驅(qū)動(dòng)電壓增大,觸發(fā)電流和電流儲(chǔ)備系數(shù)增加,電磁鐵的作動(dòng)裕度有所提高。