基于永磁體偏置磁場的高速響應(yīng)電磁閥設(shè)計*

雙組元姿控推力器是用于穩(wěn)定和改變航天器姿態(tài)的小型液體火箭發(fā)動機，通常按照脈沖方式工作，用電磁閥來控制開關(guān)動作，最小脈沖寬度僅為數(shù)毫秒，啟動次數(shù)高達數(shù)十萬次.推力器的脈沖沖量越小，則航天器的控制精度越高；而電磁閥的高速響應(yīng)特性是決定推力器脈沖沖量的關(guān)鍵.要使得推力器的最小脈沖沖量小于25mN·s，電磁閥的開、關(guān)響應(yīng)時間需要限定在4ms以內(nèi)[1].

國外的雙組元推力器控制閥一般采用高速的力矩馬達閥方案.力矩馬達閥響應(yīng)時間短，僅為2～3ms，但制造工藝難度大，成本較高.螺管式電磁閥是目前最成熟的技術(shù)方案，安全性高，工藝簡單，驗證充分，成本低廉.但是，螺管式電磁閥的響應(yīng)速度偏慢，開、關(guān)響應(yīng)時間無法同時達到低于4ms的要求，制約了推力器脈沖性能的提高.開啟和關(guān)閉響應(yīng)特性相互制約，若提高電磁閥的開啟速度，必然會導(dǎo)致關(guān)閉響應(yīng)的延遲增加.

本文提出一種基于永磁體偏置磁場的螺管式電磁閥磁路結(jié)構(gòu)，可以同時提高電磁閥的開啟、關(guān)閉響應(yīng)速度，達到了國外高速力矩馬達閥的響應(yīng)水平，為小沖量雙組元姿控推力器的研制奠定了基礎(chǔ).

1 磁路響應(yīng)特性分析

在忽略磁飽和、渦流、磁滯等因素的條件下，建立電磁閥的數(shù)學(xué)模型.

(1)電壓平衡方程

(1)

式中，U、R、i、N、Ф分別表示驅(qū)動電壓、線圈電阻、驅(qū)動電流、線圈匝數(shù)和磁通量.

(2)

式中，F(xiàn)M、m、δ、c、F0分別表示電磁力、銜鐵質(zhì)量、氣隙、彈簧剛度和初始負載力.

(3)磁路方程

iN=2kФ(δ0-δ)

(3)

式中，δ0表示初始氣隙.

對式(1)、(2)、(3)聯(lián)立求解，得出電磁閥開啟、關(guān)閉響應(yīng)時間的表達式[2]：

(4)

(5)

式中，ton、tc、L、L′、δm、ion、ic、I分別表示開啟時間、關(guān)閉時間、開啟電感、關(guān)閉電感、最終氣隙、開啟電流、關(guān)閉電流和穩(wěn)態(tài)電流.

從式(4)、(5)可知，要提高電磁閥的響應(yīng)速度，必須降低電磁閥的電感，才能使激勵電流迅速變化，對開、關(guān)信號做出迅速響應(yīng).典型的電磁閥磁路結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 通用電磁閥磁路結(jié)構(gòu)示意圖

將電磁閥視為一個帶線圈電感的磁芯，其電感L的計算公式[3]為

(6)

式中，N為線圈匝數(shù)，μe為有效磁導(dǎo)率，r為線圈平均半徑，b為線圈高度，lc為線圈長度，A為磁路截面積.

當磁路的構(gòu)成比較復(fù)雜時，可以設(shè)想該磁路具有一個有效磁導(dǎo)率μe，其值等于另一個結(jié)構(gòu)均勻，形狀、尺寸和總磁阻都與原磁路相同的假想磁路的磁導(dǎo)率.有效磁導(dǎo)率是電磁閥磁路設(shè)計中非常重要的參數(shù)，決定了電磁閥的響應(yīng)特性.

圖2給出光譜儀在傳感信號接收端探測到的光譜圖。當拉曼放大器的泵浦功率為75 mW時,檢測到傳輸光纖末端的剩余泵浦功率為5.25 mW。此時剩余泵浦功率是低于摻鉺光纖激光器的閾值功率(腔內(nèi)總損耗)的。進一步增加拉曼放大器的泵浦功率,光纖末端剩余泵浦功率也隨之增加。當剩余泵浦功率等于摻鉺光纖激光器的閾值的時候,就有激光開始激射。圖中,曲線a是泵浦功率低于激光器閾值的情況,此時沒有激光激射;曲線b是剩余泵浦功率等于諧振腔閾值的情況,曲線c是泵浦功率大于激光器閾值,開始有波長為1 550.2 nm激光激射,此時拉曼泵浦功率為85 mW,剩余泵浦功率為5.7 mW。

星上電磁閥的工作頻率較低，μe較高，式(6)前一項可以忽略，簡化為

L=1.256×10-6(μe-1)N2A/lc

(7)

由于μe>>1，所以從式(7)可以看出，電感值與有效磁導(dǎo)率μe近似為正比關(guān)系.

在功率電感等磁性器件的研制過程中，都采用了預(yù)加偏置磁場的方法來改變器件的有效磁導(dǎo)率[4-5].通過頻譜儀的實際測量和磁芯材料特性參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)隨著偏置磁場的增強，磁路的有效磁導(dǎo)率呈下降趨勢.因此，將永磁材料置于電磁閥磁路中，可以減小有效磁導(dǎo)率，進而降低磁路電感，最終提高電磁閥的響應(yīng)速度.

2 永磁偏置電磁閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計

將永磁體布置于電磁閥磁路中，如圖2所示，則在電磁閥內(nèi)部形成一個閉合的永磁偏置磁場，將降低磁路的電感.電磁閥線圈產(chǎn)生的激勵磁場與偏置磁場方向相同.

圖2 永磁偏置磁場的電磁閥磁路結(jié)構(gòu)示意圖

線圈斷電時永磁體處于退磁狀態(tài)，通電時永磁體處于充磁狀態(tài)，這樣對于永磁體工作點的設(shè)計非常有利.在磁路設(shè)計時，只需在斷電狀態(tài)下，使永磁體工作點位于退磁曲線的拐點之上，并留有一定的裕度，就可以有效地保證永磁材料的長壽命可靠工作，不會因為激勵磁場的作用而產(chǎn)生退磁的問題.

由于偏置磁場的作用，使銜鐵在初始狀態(tài)下就受到約12N的磁力吸引，所以需要適當提高彈簧剛度，使彈簧力達到20N，抵消永磁力的影響，令軸向合力能夠滿足可靠密封的要求.

計算偏置磁場對于電磁閥磁路電感的影響，如圖3～4所示.從圖中可以看出，由于偏置磁場的作用，使磁路電感降低了約2/3，令電磁閥的響應(yīng)能力得以大幅提高.

圖3 永磁偏置后電磁閥的磁路電感與磁勢的關(guān)系

圖4 永磁偏置后電磁閥的磁路電感與氣隙的關(guān)系

3 高速響應(yīng)特性仿真

監(jiān)測勵磁線圈上加載電流在時域上變化的情況，可獲得電流曲線，如圖5所示.電流曲線可以直觀地反映出電磁閥的開啟、關(guān)閉響應(yīng)時間T1和T2[6].

對于永磁磁路而言，計算比較復(fù)雜且不準確.采用Ansoft Maxwell的瞬態(tài)仿真模塊可計算出閥門的電流曲線，極大提高了計算的效率和準確度.Maxwell 2D軟件提供自適應(yīng)剖分技術(shù)，可以對曲率大、間隙小的區(qū)域網(wǎng)格進行完善.網(wǎng)格在自適應(yīng)剖分過程中，自動確定模型中網(wǎng)格需要加密的區(qū)域，并對其加密剖分，提高了計算的準確度.圖6為永磁偏置電磁閥的磁路模型和網(wǎng)格自適應(yīng)剖分圖[7-8].

圖5 螺管式電磁閥電流曲線

圖6 基于永磁偏置電磁閥的仿真模型及網(wǎng)格剖分圖

設(shè)置瞬態(tài)求解器，選擇溫度系數(shù)低、穩(wěn)定性高的釤鈷永磁材料作為偏置磁場源，對線圈加載30ms開/20ms關(guān)的24V脈沖電壓，設(shè)定激勵線圈匝數(shù)為1200匝，阻值為48Ω，漏感為0.03H.輸入彈簧初始壓縮力為20N，剛度60N/mm，克服永磁體作用于銜鐵上的吸力，保證銜鐵復(fù)位運動.導(dǎo)入細分網(wǎng)格，進行瞬態(tài)仿真，仿真電流曲線如圖7所示.

圖7 普通電磁閥與永磁偏置高速電磁閥仿真電流曲線對比

從圖7和表1中可以看出，在永磁體偏置磁場的作用下，當線圈通電時，電磁閥線圈電流快速爬升，電磁吸力快速增加并超過初始反力，使得銜鐵吸合，閥門開啟速度提高了4倍；當線圈斷電后，電流迅速降低，在彈簧回復(fù)力的作用下，銜鐵迅速復(fù)位，閥門關(guān)閉速度也提高了4倍.

表1 普通電磁閥與永磁偏置高速電磁閥的響應(yīng)特性對比

4 結(jié) 論

采用永磁體提供的偏置磁場可以令螺管式電磁閥的電感明顯降低，提高響應(yīng)速度.在傳統(tǒng)螺管式電磁閥磁路結(jié)構(gòu)上加入永磁體的磁路設(shè)計，是一種全新的高速電磁閥設(shè)計思路，能夠顯著降低電磁閥的開關(guān)響應(yīng)延遲，而且結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，不僅可以應(yīng)用于航天器推進系統(tǒng)，在民用工業(yè)領(lǐng)域同樣有非常大的推廣價值和前景.

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