磁鎖式雙穩(wěn)態(tài)自鎖閥響應(yīng)特性理論研究

尤 罡，王 莉

(1.上海空間推進(jìn)研究所，上海201112; 2.上海空間發(fā)動機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112)

0 引言

磁鎖式雙穩(wěn)態(tài)自鎖閥(簡稱自鎖閥)大量應(yīng)用于空間推進(jìn)分系統(tǒng)中，將推進(jìn)劑貯箱(或氣瓶)與下游系統(tǒng)進(jìn)行溝通和故障隔離，實現(xiàn)氣、液路的工作管理。自鎖閥的顯著特點是具有位置自保持功能，其動作過程通常是給驅(qū)動線圈施加具有一定幅值和寬度的脈沖電流來改變閥門狀態(tài)，激勵電流消除后，閥門狀態(tài)靠鎖位機(jī)構(gòu)保持不變。自鎖閥要實現(xiàn)無源自保持特性，關(guān)鍵在于鎖位機(jī)構(gòu)，即通過永磁鐵產(chǎn)生無源磁場將閥門保持在開啟(或關(guān)閉)狀態(tài)。自鎖閥的響應(yīng)特性是系統(tǒng)的重要指標(biāo)參數(shù)，直接影響推進(jìn)系統(tǒng)的精確控制。由于自鎖閥一般采用雙線圈控制，兩驅(qū)動線圈間存在互感現(xiàn)象，響應(yīng)特性計算與單線圈控制電磁類閥門有明顯區(qū)別。本文研究了自鎖閥響應(yīng)特性的理論計算方法及特點。

1 自鎖閥控制原理

1.1 自鎖閥工作原理

典型的自鎖閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，由開、關(guān)驅(qū)動線圈、銜鐵、永磁鐵、吸合臺座、閥座和閥芯組件等組件組成。

圖1 典型自鎖閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of a typical latch valve

工作原理如下：閥門為常閉狀態(tài)，開線圈通電后，銜鐵帶動閥芯組件運(yùn)動到開啟位置，開線圈斷電，在永磁鐵永磁力的作用下，閥芯保持在開啟位置；反之，關(guān)線圈通電，銜鐵帶動閥芯組件運(yùn)動到關(guān)閉位置，關(guān)線圈斷電，閥芯在永磁鐵永磁力的作用下保持在關(guān)閉位置。

由自鎖閥工作原理建立等效磁路模型如圖2所示。圖2中S為銜鐵左右兩吸合端面積；φm1,φm2分別為永磁鐵在銜鐵兩端產(chǎn)生的磁通;φe為驅(qū)動線圈通電產(chǎn)生的磁通;φig為未通電線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通;IW為驅(qū)動線圈磁勢;φig方向與φe相反，與未通電線圈所在吸合端面的φm1方向相同。由等效磁路圖可以看出，驅(qū)動線圈通電后，當(dāng)銜鐵驅(qū)動端面產(chǎn)生的總磁通大于另一端面總磁通時，銜鐵開始運(yùn)動。

圖2 等效磁路模型圖Fig.2 Equivalent magnetic circuit models

1.2 自鎖閥控制電路

根據(jù)自鎖閥工作原理和特點(通電時間短，工作電流大)在控制電路中一般采用釋放回路(由釋放電阻和二極管組成)用于保護(hù)控制電路，使自鎖閥開、關(guān)線圈各自形成一個單向封閉回路。建立由控制電路和自鎖閥驅(qū)動線圈組成的等效電路模型如圖3所示。其中:U為驅(qū)動電壓；i為驅(qū)動電壓在通電線圈回路中形成的驅(qū)動電流；R1，L1和W1為通電驅(qū)動線圈電阻、電感和匝數(shù)；ig為未通電線圈回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流；R2，L2和W2為未通電線圈電阻、電感和匝數(shù)；Rf為回路釋放電阻；M為兩線圈間的互感。自鎖閥兩個線圈同極條件下一般繞向相反，在互感電路中互為異名端。當(dāng)一個線圈通電后，另一個線圈產(chǎn)生的電壓與原來的電流方向是相反的。

圖3 控制電路及等效電路模型圖Fig.3 Electrical systems control circuit and equivalent circuit model

2 理論計算模型

自鎖閥開啟或關(guān)閉均為通電吸合作動，動作過程完全相同。響應(yīng)時間快慢與電流通過線圈繞組變化快慢及繞組電感有關(guān)。自鎖閥的響應(yīng)時間電流曲線如圖4所示。其中：IW為線圈通電穩(wěn)態(tài)電流；i為銜鐵開始運(yùn)動時的線圈電流。響應(yīng)時間由觸動時間tcd和吸合時間tyd組成，關(guān)系式為：

t=tcd+tyd

(1)

圖4 自鎖閥開啟(或關(guān)閉)時間與電流曲線Fig.4 Current curve of magnet latch valve when open or close

2.1 觸動時間

當(dāng)線圈通電時，線圈磁場的磁通與永磁鐵磁場的磁通互相疊加或抵消，銜鐵受力開始發(fā)生變化。直到兩端面磁通產(chǎn)生的力相等時銜鐵處于臨界狀態(tài)，若電流繼續(xù)增加則銜鐵開始運(yùn)動。從線圈開始通電到銜鐵開始運(yùn)動這段時間為觸動時間。合力相等銜鐵開始運(yùn)動時的線圈電流i′即為理論觸動電流(假設(shè)無感應(yīng)電流影響，穩(wěn)態(tài)電流IW=U/R1，i′/I則為觸動電流比)。

以開線圈驅(qū)動為例，由等效電路模型可得出，當(dāng)驅(qū)動線圈通電后磁通隨時間變化過程的電壓平衡方程為：

(2)

由于驅(qū)動線圈總磁鏈ψ除自身線圈產(chǎn)生的磁鏈ψ1外，還受到另一個線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁鏈ψ2影響，因此ψ=ψ1+ψ2；式(2)可變?yōu)椋?/p>

(3)

(4)

由楞次定律可得，異名端感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流與初始線圈電流方向相反，不考慮線圈自感，則釋放回路中感應(yīng)電流為：

(5)

其中

RF=Rf+R2(Ω)

式中：RF為未通電線圈回路中的總電阻；M為開、關(guān)線圈的互感;kM為開、關(guān)線圈互感耦合系數(shù)，與線圈匝數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸及相互距離位置有關(guān)，一般取0.8～1。

將式(5)代入式(4)可推得最終平衡方程為：

(6)

轉(zhuǎn)化為二階微分方程：

解方程可求得吸合觸動時間為：

(7)

根據(jù)自鎖閥結(jié)構(gòu)(假設(shè)銜鐵兩端吸合面積相同，不考慮工作介質(zhì)壓力等其他阻力)，銜鐵在臨界狀態(tài)時受力狀態(tài)可以建立力平衡方程：

(8)

而實際情況在有釋放回路時需要加入另一線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生磁通的影響(與永磁鐵磁通疊加，與驅(qū)動線圈磁通抵消)，則力平衡方程調(diào)整為：

(9)

聯(lián)立方程(8)～(9)可解得感應(yīng)電流ig、理論觸動電流i′和實際開啟電流i的關(guān)系為：φe=φe′+φig=iW1=i′·W1+igW2，即：

(10)

同時由電壓平衡方程可得雙線圈對應(yīng)的電壓方程組為：

(11)

解方程組可得感應(yīng)電流為：

(12)

假設(shè)驅(qū)動線圈通電后最終穩(wěn)態(tài)電流IW=U/R1，聯(lián)立方程(7)、(10)和(12)可建立如下方程組：

(13)

由設(shè)計的理論觸動電流即可解得實際觸動時間、實際觸動電流和對應(yīng)開、關(guān)電流比。

2.2 吸合時間

從銜鐵開始動作到運(yùn)動到設(shè)計位置的這段時間為銜鐵吸合時間，吸合時間計算相對復(fù)雜，因為銜鐵運(yùn)動過程中，隨著氣隙減小而使電感發(fā)生變化，且作用在銜鐵上反作用力和電磁吸力都在變化。考慮到銜鐵行程較小，為使問題簡化，假設(shè)電磁驅(qū)動力在銜鐵運(yùn)動中不變，則可近似按式(14)計算[1]：

(14)

式中:m為銜鐵(或運(yùn)動件)質(zhì)量，kg；Pw為線圈瞬時功率，Pw=I2R，W；h為自鎖閥開度，mm；Kcb為理論觸動電流比i′/IW[2-3]。

2.3 響應(yīng)特性分析

由理論公式可以得出，當(dāng)自鎖閥控制驅(qū)動中接入釋放回路后，未通電線圈閉合回路產(chǎn)生的感應(yīng)電流會延長吸合觸動時間(如圖5中曲線所示)；由式(10)可得自鎖閥實際開啟(或關(guān)閉)電流比i/IW恒大于理論觸動電流比i′/IW；當(dāng)自鎖閥驅(qū)動回路中沒有釋放回路時，兩線圈間不產(chǎn)生互感電流，理論觸動電流比與實際電流比相等；由式(7)與式(12)可得線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，電路中的感應(yīng)電流大小由回路中的釋放電阻值決定。釋放電阻越小，感應(yīng)電流越大，吸合觸動時間越長，實際開啟(或關(guān)閉)電流比值相對理論電流比值越大。

圖5 電流曲線對比圖Fig.5 Comparison of current curves

也就是說，由于未通電異名端線圈感應(yīng)電流的影響，自鎖閥的開、關(guān)動作裕度不再與開啟或關(guān)閉電流比有直接關(guān)聯(lián)。即使線圈感應(yīng)電流顯著提高了銜鐵運(yùn)動所需要的觸動電流值，延長了銜鐵的觸動時間，但感應(yīng)電流是隨著驅(qū)動電流變化而產(chǎn)生，當(dāng)驅(qū)動電流穩(wěn)定后，感應(yīng)電流逐漸變小最終趨向于零。理論觸動電流比不會隨感應(yīng)電流變化而發(fā)生變化，導(dǎo)致自鎖閥的動作裕度不會因電流比的變化而受到影響。同理，如果非驅(qū)動線圈無閉合回路時(即感應(yīng)電流為零時)，開啟(關(guān)閉)電流比就是理論觸動電流比。

3 產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)試驗驗證

以3種成熟型號用典型雙穩(wěn)態(tài)磁鎖式自鎖閥(見圖1)為子樣，進(jìn)行理論公式計算和產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)比對。理論計算上，最大程度考慮消除外界影響因素，降低試驗誤差對計算結(jié)果的影響。即確定閥門為空載狀態(tài)，釋放回路電阻值為10 Ω，輸入產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)使用MathCAD軟件按理論公式進(jìn)行求解計算；試驗數(shù)據(jù)上，統(tǒng)計了3種與飛行狀態(tài)相同的所有批次產(chǎn)品(共95臺)的測試數(shù)據(jù)，并選用其中1種自鎖閥補(bǔ)充了釋放回路電阻50 Ω條件下的響應(yīng)特性測試。自鎖閥響應(yīng)特性理論計算值與實測試驗數(shù)據(jù)對比情況，如表1所示[4-7]。

表1 響應(yīng)特性理論計算與實測數(shù)據(jù)

對比表明，自鎖閥響應(yīng)時間的理論計算值與實測值非常接近；電流比的理論計算值均處于實測中值范圍內(nèi)。同時，考慮到產(chǎn)品的大小不同、試驗條件差異等外部因素的影響，可判定理論計算結(jié)果與產(chǎn)品實際性能測試情況基本吻合，驗證了理論公式的可行性，可在類似結(jié)構(gòu)閥門工程設(shè)計分析中應(yīng)用[8-13]。

4 結(jié)論

通過對磁鎖式雙穩(wěn)態(tài)自鎖閥控制方式進(jìn)行分析，建立電路及磁路等效模型，推導(dǎo)出了自鎖閥響應(yīng)特性計算的簡化理論公式。經(jīng)對子樣響應(yīng)特性的理論計算值和實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，理論公式計算結(jié)果與產(chǎn)品實際測試性能基本吻合，驗證了簡化理論公式的合理性及可行性，可應(yīng)用于自鎖閥設(shè)計瞬態(tài)特性初步分析工作。另外，通過對自鎖閥瞬態(tài)特性理論研究及公式推導(dǎo)可以得出：

1)自鎖閥控制線圈中，非驅(qū)動線圈若形成回路將產(chǎn)生感應(yīng)電流，對閥門響應(yīng)特性影響明顯，感應(yīng)電流越大則自鎖閥響應(yīng)時間越長。

2)感應(yīng)電流會使自鎖閥開啟或關(guān)閉電流比明顯增大，但不會影響自鎖閥的動作裕度，即當(dāng)前電流比不再作為自鎖閥動作能力的表征屬性。