随着航天技术的不断发展,20世纪80年代起,自锁电磁阀已广泛应用于国内外宇航型号中。这类阀门能在断电后自动保持断电前工作状态,从而满足系统对自动器组件的设计要求,特别是在长时间工作时,无源自保持功能避免了线圈的通电发热现象,提高了产品的可靠性和使用寿命。通常,电磁阀自锁形式分为三种:介质力自锁、机械自锁、磁性自锁^[1-2]。前两种自锁形式结构复杂、外形尺寸偏大、可靠性低,而永磁自锁恰好弥补了这些不足,因此,国内外宇航型号中广泛采用了磁性自锁电磁阀。

磁性自锁电磁阀中的核心组件是自锁电磁铁,它的设计水平关乎着电磁阀的最终使用性能和可靠性,是整个电磁阀设计中的关键。本文以某型号实际产品为例,介绍了一种双工位自锁电磁铁的设计方法,并通过对电磁场的仿真分析与试验验证,阐述了双工位自锁电磁铁的性能特性。

自锁电磁铁通常采用两个线圈分别控制开-关,在两线圈中间设置永磁体作为恒磁场源,形成极化磁场和控制磁场的双磁路结构,线圈通电,双磁场共同作用,吸合衔铁往复作动,以实现阀门的启闭。线圈断电后,利用永磁体对衔铁产生的极化吸力,使衔铁保持在断电前的位置不动,从而实现自锁功能^[3]。自锁电磁铁结构图如图1所示。

1-壳体; 2-线圈骨架; 3-永磁体; 4-衔铁; 5-关线圈;

6-开线圈; 7-上导磁体; 8-上挡铁; 9-密封插座;

δ₁-衔铁在下位时的下气隙; δ₂-衔铁在下位时的上气隙。

图1 自锁电磁铁结构图
Fig.1 Self locking electromagnet structure diagram

该结构中,衔铁处于下位为阀门打开状态,衔铁处于上位为阀门关闭状态。其中衔铁、上挡铁、上导磁体、壳体、永磁体形成上永磁闭合磁路,衔铁、线圈骨架、壳体、永磁体形成下永磁闭合磁路。磁通分布情况如图2所示。

图2 磁性自锁电磁铁磁通分布示意图
Fig.2 A schematic diagram of magnetic flux distribution of a magnetic self locking electromagnet

当衔铁处于下位时(δ₁<δ₂),根据磁路欧姆定律

W=Φ_mR_m(1)

推导出

(Φ_m1)/(Φ_m2)=(Φ_m2)/(Φ_m1)=(δ₂)/(δ₁)(2)

式中:W为磁势,A; Φ_m为磁通,Wb; R_m为磁阻, H。

当衔铁处于下位时永磁吸力向下,衔铁保持下位不动。同理,当衔铁处在上位时,永磁吸力向上,衔铁保持上位不动。因此电磁铁具备双工位自锁功能。

当衔铁处于下位(开位),关线圈通电,线圈电流产生的磁势方向与永磁体在气隙δ₁处所产生的磁势方向相反,与永磁体在气隙δ₂处所产生的磁势方向相同,故下气隙δ₁处磁密抵消减小,上气隙δ₂处磁密叠加增大,电磁/永磁合力方向向上,衔铁向上位运动。当衔铁处于上位(关位),给开线圈通电,开线圈电流产生的磁势方向与永磁体在气隙δ₂'处所产生的磁势方向相反,与永磁体在气隙δ₁'处所产生的磁势方向相同,上气隙δ₂'处磁密抵消减小,下气隙δ₁'处磁密叠加增大,电磁/永磁合力方向向下,衔铁向下位运动^[4-5]。

我国新一代运载火箭XX-77发动机自锁阀即采用该种电磁铁结构,并通过多次发动机地面试车考核。以其为例,电磁铁参数设计从吸力入手,吸力设计值如下:衔铁在下位时永磁吸力F_dp=230 N,衔铁在上位时永磁吸力F_up=145 N,关线圈通电时(此时衔铁在下位)电磁永磁合力F_ue=180 N,开线圈通电时(此时衔铁在上位)电磁永磁合力F_de=287 N。基于上述要求,电磁铁各参数取值计算如下:

衔铁在下位时的下气隙δ₁取值0.2 mm,衔铁在下位时的上气隙δ₂取值1 mm,衔铁行程h取值0.7 mm。永磁体单独作用时δ₁处的磁感应强度B_m1取值1.2 T,永磁体单独作用时δ₂处的磁感应强度B_m2可由式(2)计算。衔铁半径

永磁体工作点磁势

F_M=f(B_m1δ₁)/(μ₀)(4)

永磁体单独作用δ₂'处磁感应强度

B_m2'=(μ₀F_M)/(δ₂'f)(5)

式中磁阻系数f取值1.4(无量纲)。

永磁体单独作用δ₁'处磁感应强度B'_m1可由公式(2)计算,衔铁在上位时永磁吸力F_up可由公式(3)计算,关线圈电磁磁感应强度

衔铁上吸所需关线圈磁势

W_g=(B_d1δ_h)/(μ₀)K_∑ (7)

式中:总气隙δ_h=δ₁+δ₂=1.2 mm; 磁势降系数K_Σ取值1.1(无量纲)。

由此关线圈电流与匝数可得,同理设计开线圈即可。

根据参数设计结果利用Ansoft Maxwell软件建立电磁铁模型(二维轴对称),采用自适应网格剖分工具对模型进行网格划分,如图3所示。

图3 网格模型
Fig.3 Grid mode

表1 材料模型属性
Tab.1 Material model attributes

边界条件:自然边界条件规定两物体交界面磁场强度H的切向分量和磁通密度B的法向分量保持连续; 诺依曼边界条件规定外表面只有切向磁场强度,法向磁场强度为零; 气球边界条件将求解区域外边界设置为气球边界^[6-7]。

本文介绍了一种双工位自锁电磁铁的公式设计方法,通过仿真计算和试验测试考核了设计的准确性,表明该方法具有一定工程意义。后对电磁铁性能特性进行仿真研究得出:随着衔铁工作气隙增大,永磁吸力逐渐减小,当衔铁位于永磁体中间位置时,永磁吸力为0,越过中间位置后,永磁吸力反方向逐渐增大; 随着驱动电压逐渐增大,电磁铁动作响应时间逐渐减少,但电压增大到一定程度后,响应时间变化很小; 驱动电压增大,触发电流和电流储备系数增加,电磁铁的作动裕度有所提高。