雙工位自鎖電磁鐵的設計與仿真

張 強,周 煒,喬桂玉,于長吉,鄧 哲

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

0 引言

隨著航天技術的不斷發展,20世紀80年代起,自鎖電磁閥已廣泛應用于國內外宇航型號中。這類閥門能在斷電后自動保持斷電前工作狀態,從而滿足系統對自動器組件的設計要求,特別是在長時間工作時,無源自保持功能避免了線圈的通電發熱現象,提高了產品的可靠性和使用壽命。通常,電磁閥自鎖形式分為三種:介質力自鎖、機械自鎖、磁性自鎖[1-2]。前兩種自鎖形式結構復雜、外形尺寸偏大、可靠性低,而永磁自鎖恰好彌補了這些不足,因此,國內外宇航型號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,它的設計水平關乎著電磁閥的最終使用性能和可靠性,是整個電磁閥設計中的關鍵。本文以某型號實際產品為例,介紹了一種雙工位自鎖電磁鐵的設計方法,并通過對電磁場的仿真分析與試驗驗證,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線圈分別控制開-關,在兩線圈中間設置永磁體作為恒磁場源,形成極化磁場和控制磁場的雙磁路結構,線圈通電,雙磁場共同作用,吸合銜鐵往復作動,以實現閥門的啟閉。線圈斷電后,利用永磁體對銜鐵產生的極化吸力,使銜鐵保持在斷電前的位置不動,從而實現自鎖功能[3]。自鎖電磁鐵結構圖如圖1所示。

1-殼體;2-線圈骨架;3-永磁體;4-銜鐵;5-關線圈;6-開線圈;7-上導磁體;8-上擋鐵;9-密封插座;δ1-銜鐵在下位時的下氣隙;δ2-銜鐵在下位時的上氣隙。圖1 自鎖電磁鐵結構圖Fig.1 Self locking electromagnet structure diagram

該結構中,銜鐵處于下位為閥門打開狀態,銜鐵處于上位為閥門關閉狀態。其中銜鐵、上擋鐵、上導磁體、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

當銜鐵處于下位時(δ1<δ2),根據磁路歐姆定律

W=ΦmRm

(1)

推導出

(2)

式中：W為磁勢,A;Φm為磁通,Wb;Rm為磁阻, H。

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

2 參數設計

我國新一代運載火箭XX-77發動機自鎖閥即采用該種電磁鐵結構,并通過多次發動機地面試車考核。以其為例,電磁鐵參數設計從吸力入手,吸力設計值如下：銜鐵在下位時永磁吸力Fdp=230 N,銜鐵在上位時永磁吸力Fup=145 N,關線圈通電時(此時銜鐵在下位)電磁永磁合力Fue=180 N,開線圈通電時(此時銜鐵在上位)電磁永磁合力Fde=287 N。基于上述要求,電磁鐵各參數取值計算如下：

銜鐵在下位時的下氣隙δ1取值0.2 mm,銜鐵在下位時的上氣隙δ2取值1 mm,銜鐵行程h取值0.7 mm。永磁體單獨作用時δ1處的磁感應強度Bm1取值1.2 T,永磁體單獨作用時δ2處的磁感應強度Bm2可由式(2)計算。銜鐵半徑

(3)

永磁體工作點磁勢

(4)

(5)

式中磁阻系數f取值1.4(無量綱)。

(6)

銜鐵上吸所需關線圈磁勢

(7)

式中：總氣隙δh=δ1+δ2=1.2 mm;磁勢降系數KΣ取值1.1(無量綱)。

由此關線圈電流與匝數可得,同理設計開線圈即可。

3 仿真模型

根據參數設計結果利用Ansoft Maxwell軟件建立電磁鐵模型(二維軸對稱),采用自適應網格剖分工具對模型進行網格劃分,如圖3所示。

圖3 網格模型Fig.3 Grid mode

材料屬性：按表1所列電磁鐵材料,分別對模型進行材料屬性定義,其中銜鐵、導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：自然邊界條件規定兩物體交界面磁場強度H的切向分量和磁通密度B的法向分量保持連續;諾依曼邊界條件規定外表面只有切向磁場強度,法向磁場強度為零;氣球邊界條件將求解區域外邊界設置為氣球邊界[6-7]。

4 計算結果分析

使用Ansoft軟件進行二維靜態電磁場仿真：勵磁源設置為開線圈1 283 A、關線圈945 A(開關線圈安匝數設為滿足產品設計要求所需的最小值)、永磁體導磁系數1.06,磁矯頑力-750 000 A/m,設置銜鐵所受電磁吸力為求解量。

計算結果如下：永磁吸力Fup為159 N,永磁吸力Fdp=252 N,關線圈通電瞬間電磁永磁合力Fue=193 N,開線圈通電瞬間電磁永磁合力Fde=301 N。有限元仿真得到的計算結果與設計值誤差均不超過10%,圖4為仿真得到的以上4個狀態磁場分布情況。磁力線越密,磁感應強度越大,4個狀態下磁感應強度及分布情況展示了磁路工作原理。在線圈斷電狀態,永磁體作為唯一的勵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,磁場較為穩定;在打開/關閉瞬間,開/關線圈通電,線圈形成的電磁場與永磁體形成的永磁場在銜鐵所在位置一側相互抵制,電磁場克服永磁場做功,驅動銜鐵,因此整個磁場受到擾動而變得不穩定,部分磁力線逸出閉合磁路,產生一定漏磁[8-9]。

選取20臺樣本進行吸力試驗,線圈通電27 V。測試結果：Fde=291～315.5 N;Fue=187.6～202.6 N。吸力仿真值、試驗值對比情況如圖5所示。圖5中銜鐵吸力試驗值圍繞仿真值窄幅波動,主要是由于永磁體/導磁材料個體磁性能差異、裝配誤差等原因造成,波動范圍在7%以內,說明電磁鐵參數設計較為合理,仿真計算較為準確。可見,在精度要求范圍內,采用公式法設計電磁鐵的途徑簡單可行,具有一定工程意義[10]。完成電磁鐵設計后,有必要對電磁鐵性能特性進行仿真研究,從而獲得更多的設計指導信息。結合實際使用情況,主要考慮以下兩方面仿真研究。

圖5 電磁吸力對比Fig.5 Comparison of electromagnetic suction

4.1 銜鐵工作氣隙對永磁吸力的影響

調整下氣隙δ1,范圍0.1～1.1 mm,其他參數不變,對永磁吸力仿真計算。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過程中,永磁吸力FP方向向下,數值從346 N減至0;當δ1為0.6 mm時,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過程中, 永磁吸力方向向上,數值從0增至324 N。下氣隙調整過程中,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,磁感應強度越大,δ1從0增至0.6 mm過程中,下磁路磁感應強度逐漸減小,上磁路逐漸增加,漏磁效應逐漸增強;δ1達到0.6 mm左右時,漏磁效應最強,部分磁力線不被約束在閉合磁路內,出現外逸;δ1從0.6 mm增至1.2 mm過程中,下磁路磁感應強度逐漸增加,上磁路逐漸減小,漏磁效應逐漸減弱。

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 勵磁電壓對動態響應特性的影響

電磁鐵完成設計后,結構參數均已確定,而驅動電壓作為唯一的外部勵磁源直接影響著響應特性[14],考察勵磁電壓對響應特性的影響規律需進行瞬態電磁場仿真。本文僅考察電磁鐵打開過程中線圈驅動電壓對響應特性的影響,關閉過程規律相同,在靜磁場分析模型基礎上進行瞬態電磁場仿真。材料屬性和邊界條件設置同靜態磁場分析。激勵源由外部提供,脈沖電壓各參數設置：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]。運動類型選擇平動,初始位置為0,銜鐵運動行程朝Z軸負方向0.7 mm,初始速度為0,銜鐵質量0.1 kg,阻尼0.01 N·s/m。

經求解計算,得到電磁鐵開線圈電流-時間曲線,如圖8所示。

圖8 勵磁線圈電流曲線Fig.8 Excitation coil current curve

線圈通電時,電流曲線同典型螺管式電磁鐵相似,電流值升高到觸發電流(m1點)時,銜鐵開始運動,此時對應的時間為觸發時間,銜鐵作動切割磁感線,線圈中產生反向電動勢,電流有所減小,運動結束后電流逐步攀升直至穩態電流,銜鐵運動結束時所對應的時間(m2點)即響應時間,穩態電流與觸發電流的比值即為電流儲備系數[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。將外部驅動電壓設成不同值,分別求解可得到不同驅動電壓下響應時間-電壓曲線、觸發電流/電流儲備系數-電壓曲線,如圖9～圖10所示。

圖9 不同驅動電壓的響應時間曲線Fig.9 Response time curves of different driving voltages

圖10 不同驅動電壓的觸發電流/電流儲備系數曲線Fig.10 Trigger current/current reserve coefficient curves with different driving voltages

圖9中,隨著驅動電壓逐漸增大,電磁鐵動作響應時間逐漸減少,但電壓增大到一定程度后,響應時間變化很小,因此不能一味依靠增大驅動電壓而減少響應時間。圖10中,隨著驅動電壓逐漸增大,受線圈電感作用,其觸發電流有一定增加,同時電流儲備系數也逐漸增大,提高了電磁鐵的作動裕度[23-24]。

5 結論

本文介紹了一種雙工位自鎖電磁鐵的公式設計方法,通過仿真計算和試驗測試考核了設計的準確性,表明該方法具有一定工程意義。后對電磁鐵性能特性進行仿真研究得出：隨著銜鐵工作氣隙增大,永磁吸力逐漸減小,當銜鐵位于永磁體中間位置時,永磁吸力為0,越過中間位置后,永磁吸力反方向逐漸增大;隨著驅動電壓逐漸增大,電磁鐵動作響應時間逐漸減少,但電壓增大到一定程度后,響應時間變化很小;驅動電壓增大,觸發電流和電流儲備系數增加,電磁鐵的作動裕度有所提高。