大推程航天電連接器電磁分離機構(gòu)的研究

李 勇 張 策 申允德

(1.溫州大學機電工程學院 溫州 325035 2.浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室 杭州 310027 3.寧波華液機器制造有限公司 寧波 315131)

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大推程航天電連接器電磁分離機構(gòu)的研究

李 勇1，2張 策3申允德1

(1.溫州大學機電工程學院 溫州 325035 2.浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室 杭州 310027 3.寧波華液機器制造有限公司 寧波 315131)

提出一種基于整體式導磁套、梯形銜鐵等結(jié)構(gòu)的大推程電磁分離機構(gòu)，其原理通過上述特征形成徑向、環(huán)形側(cè)向與軸向并存的磁通分布實現(xiàn)大行程范圍內(nèi)的水平推力特性。通過建立數(shù)學模型，仿真對比分析該電磁分離機構(gòu)在不同行程下的磁通分布，探討行程-力特性及其產(chǎn)生機理，并獲得導磁套盆形凹槽角度、薄壁厚度和銜鐵端面形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)對其特性的作用規(guī)律。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，表明該電磁分離機構(gòu)原型樣機0.8A電流激勵時15mm推程內(nèi)的額定推力均在63N以上，滿足大推程航天電連接器直接驅(qū)動的要求。

電連接器 電磁分離機構(gòu) 整體式導磁套 梯形銜鐵 推程

0 引言

在航天工程的各類電子系統(tǒng)中，電連接器在器件與器件、組件與組件、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間進行電氣連接和信號傳遞，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全可靠運行[1]。電連接器由插頭和插座組成，在航天工程中的某些重要應(yīng)用場合采用鎖套-鋼球-推桿式連接機構(gòu)，并可作瞬間電磁分離(正常)和機械分離(非正常)。以衛(wèi)星分離應(yīng)用場合為例，采用機械分離時用一根鋼絲繩將電分離連接器的推桿與衛(wèi)星連接在一起，借用衛(wèi)星的分離慣性力強制執(zhí)行脫拔機構(gòu)，實現(xiàn)電連接器插頭和插座的瞬間強制機械分離。該分離方式無需額外力，結(jié)構(gòu)緊湊，輸出力大，但機械分離所產(chǎn)生的機械力將會干擾衛(wèi)星的分離姿態(tài)，影響衛(wèi)星的分離安全。而采用電磁分離時，分離解鎖裝置解鎖前就預先通過電磁分離機構(gòu)的推程力使插頭和插座實現(xiàn)分離，這種情況將不會對衛(wèi)星分離產(chǎn)生干擾。因此，集成電磁分離機構(gòu)的電連接器技術(shù)研究對于航天工程的安全運行具有重要意義。

目前國內(nèi)研究機構(gòu)在小規(guī)格的電連接器上已實現(xiàn)了緊湊式直流電磁分離機構(gòu)的集成[2]，與純機械分離方式相比較，提高了分離動作的安全性，在部分戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)、航天運載系統(tǒng)的級間電氣線路分離方式上得到應(yīng)用，如貴州航天電器股份有限公司的小型圓形電連接器[3]、杭州航天電子技術(shù)有限公司八二五廠的水下分離電連接器[4]、中國運載火箭技術(shù)研究院的雙端分離電連接器[5]等產(chǎn)品。然而隨著電子系統(tǒng)的控制復雜程度和可靠性等要求日益提高，電連接器插針的芯數(shù)和直徑都有所增大，對于電磁分離所需的推程力性能要求明顯提高，因而電磁分離方式在某些需要分離脫落的特殊應(yīng)用領(lǐng)域仍受到限制，如一些大規(guī)格的專用電連接器僅采用傳統(tǒng)的機械分離方式，其主要原因在于高性能電磁分離機構(gòu)的研究缺乏基礎(chǔ)理論技術(shù)和自主知識產(chǎn)權(quán)的支撐，并長期受到國外歐美等國家的嚴密封鎖。

如何提高電磁機構(gòu)的推程力性能是航天電連接器研究亟待解決的一個技術(shù)難點，也是國內(nèi)外電磁機構(gòu)技術(shù)發(fā)展的一個熱點[6-9]。R.C.Okonkwo等[10]和C.M.M.van Lierop等[11]均提出一種磁懸浮直線電機來替代傳統(tǒng)的伺服或步進旋轉(zhuǎn)電機，行程可達200 mm，有效滿足了長行程直線驅(qū)動的要求，但結(jié)構(gòu)復雜且推程力僅為10 N。寇寶泉等[12]提出一種新型Halbach次級結(jié)構(gòu)永磁同步直線電機，滿足超精密二維定位裝置直接驅(qū)動的要求。劉成穎等[13]對永磁直流同步電機電磁推力特性進行了研究，獲得樣機負載變化與推力波動之間的關(guān)系，滿足精密和超精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用。莊勁武等[14]提出一種基于電磁斥力原理的高速機械觸頭機構(gòu)，滿足斷路器機構(gòu)快速動作、高速運動特性的要求。丁 凡等[15]提出一種4 mm行程的耐高壓高速開關(guān)電磁鐵，滿足耐高壓電磁開關(guān)閥的驅(qū)動要求。A.di Gaeta等[16]提出一種發(fā)動機用電磁可變氣門閥驅(qū)動器，利用雙電磁鐵和平衡彈簧的控制實現(xiàn)7 mm的位置調(diào)節(jié)，可靈活改變氣門正時，提高燃油經(jīng)濟性和動力性。S.Gibson等[17]提出一種8 mm行程的線性驅(qū)動器，其行程-力特性研究表明該驅(qū)動器具有60 N的推程力特性，滿足燃料噴射和電磁閥驅(qū)動控制等場合的應(yīng)用。

鑒于航天工程中電連接器的直接驅(qū)動和結(jié)構(gòu)緊湊性要求，基于磁路基本原理，采用整體式導磁套、梯形銜鐵等結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成徑向、環(huán)形側(cè)向與軸向并存的磁通分布，提出一種用于航天電連接器的大推程電磁分離機構(gòu)，并基于有限元方法建立數(shù)學模型，通過仿真分析關(guān)鍵磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)的作用規(guī)律，實現(xiàn)大推程電磁分離機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合實驗研究對其行程-力特性進行分析。

1 結(jié)構(gòu)和原理

1.直線軸承 2.導磁套 3.殼體 4.彈簧 5.線圈繞組 6.螺釘7.銜鐵 8.襯套支撐座 9.襯套 10.端蓋 11.推桿圖1 大推程電磁分離機構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic of large extending stroke electromagnetic separable mechanism

一種大推程電磁分離機構(gòu)如圖1所示。線圈繞組為螺線管式，裝在殼體和導磁套之間形成的環(huán)形空間內(nèi)。位于殼體內(nèi)的導磁套為整體式結(jié)構(gòu)，與常用分段結(jié)構(gòu)中采用焊銅實現(xiàn)連接和隔磁的方式[15]不同：導磁套表層設(shè)有環(huán)狀的盆形凹槽，利用凹槽底部薄壁的局部材料磁飽和實現(xiàn)左右兩側(cè)磁路的隔斷，結(jié)構(gòu)工藝性好。導磁套內(nèi)腔設(shè)有與導磁套滑動相連的梯形銜鐵，銜鐵內(nèi)腔通過彈簧與推桿緊密相連，推桿兩端分別通過裝在導磁套內(nèi)的直線軸承和襯套及其支撐座支撐并實現(xiàn)滑動相連。端蓋通過螺釘固定在殼體一側(cè)，限定襯套及其支撐座的位置。其中導磁套、殼體、銜鐵由軟磁材料制成，推桿由非磁性材料制成。當線圈繞組通電流時，銜鐵與導磁套之間形成特定的磁通分布，銜鐵上所產(chǎn)生的電磁力由推桿輸出，克服彈簧力并對外負載做功，電連接器自由端插頭和固定端插座在推程力作用下實現(xiàn)分離；當線圈繞組無電流時，推桿和銜鐵在彈簧回程力作用下實現(xiàn)復位。

2 仿真研究

2.1 數(shù)學模型

描述靜態(tài)磁場特性，引入矢量磁位以方便求解，方程為

式中，μ為磁導率；A為矢量磁位；J為矢量電流密度。

(1)

涉及鐵磁材料磁飽和效應(yīng)，磁導率μ為磁感應(yīng)強度B的函數(shù)，即

(2)

邊界條件是求解電磁場問題的關(guān)鍵。邊界條件可分為狄利克雷條件和齊次諾伊曼條件，可分別表述為

Aφ=0， ?Aφ/?n=0

(3)

式(1)～式(3)描述了電磁分離機構(gòu)的靜態(tài)非線性磁場特性，是有限元仿真模型建立的基礎(chǔ)。

2.2 氣隙磁通分布

基于上述數(shù)學模型，電磁分離機構(gòu)簡化為軸對稱結(jié)構(gòu)，取其一半的結(jié)構(gòu)，在有限元軟件中建立了仿真模型。電工純鐵飽和磁性材料的直流磁化曲線如圖2所示。為提高分析的準確度，對整體式導磁套及梯形銜鐵局部進行了網(wǎng)格加密，如圖3a所示。

圖2 電工純鐵飽和磁性材料的直流磁化曲線Fig.2 DC magnetization curve of pure iron material

圖3 有限元模型和磁通分布Fig.3 Finite element model and magnetic flux pattern

通過有限元仿真分析，可獲得銜鐵處于不同行程處的磁通分布情況，以行程15、10、5mm為例，圖3b～圖3d給出了這3個特定值時的磁通分布?？梢姡€圈繞組通電流時，產(chǎn)生的磁通在導磁套、銜鐵和殼體等導磁材料中形成閉合回路，其中導磁套盆形凹槽的設(shè)計使得該磁通在其底部薄壁處于飽和隔斷，引導磁通經(jīng)過附近工作氣隙后再由銜鐵返回導磁套另一側(cè)，從而在銜鐵表面產(chǎn)生較大的電磁力，并由推桿輸出。銜鐵與導磁套之間大致可分為徑向、環(huán)形側(cè)向和軸向3部分磁通，根據(jù)電磁力產(chǎn)生的機理可知軸向電磁力的產(chǎn)生主要取決于環(huán)形側(cè)向和軸向磁通。對比圖3b、圖3c、圖3d的磁通分布，可知行程對銜鐵軸向電磁力的產(chǎn)生途徑影響明顯：行程較大處(圖3b)主要由銜鐵端面與導磁套盆形凹槽左段內(nèi)側(cè)面之間的環(huán)形側(cè)向磁通所產(chǎn)生；行程較小處(圖3d)主要由銜鐵端面與正對的導磁套內(nèi)端面之間的軸向磁通所產(chǎn)生；而行程中段處(圖3c)由側(cè)向磁通和軸向磁通兩部分共同作用產(chǎn)生。

2.3 行程-力特性

通過對電磁場量的積分運算，仿真計算可得電磁分離機構(gòu)的行程-力特性，圖4為不同激勵電流(0.2、0.4、0.6及0.8A)時的行程-力曲線。在2～14mm行程范圍內(nèi)，行程-力曲線可近似為水平段，這是由于軸向磁通與環(huán)形側(cè)向磁通相互作用的結(jié)果，大行程時環(huán)形側(cè)向磁通占主導，小行程時軸向磁通占主導，從而在大行程范圍內(nèi)獲得較為平坦的電磁推力。結(jié)果表明，提出的整體式導磁套、梯形銜鐵等結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)大行程范圍內(nèi)的水平推力特性，解決傳統(tǒng)機構(gòu)大推程起動力不足的缺點，更好地滿足大推程航天電連接器的驅(qū)動要求。

圖4 不同激勵電流時的行程-力曲線Fig.4 Simulated results of force-stroke curves under various currents

2.4 參數(shù)優(yōu)化分析

由磁通分布圖可知，銜鐵和導磁套附近的結(jié)構(gòu)參數(shù)(圖5)對行程-力特性的形成具有重要作用，為此有必要分析導磁套盆形凹槽角度α、薄壁厚度t和銜鐵端面形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)對行程-力特性的作用規(guī)律。利用建立的數(shù)學模型，對上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真分析。結(jié)果表明：

1)導磁套盆形凹槽角度α是影響工作氣隙徑向、環(huán)形側(cè)向和軸向磁通分布規(guī)律中的重要參數(shù)。圖6給出了不同α時的行程-力曲線。當α增大時，大行程(8～15 mm)處電磁力增大而小行程(1～6 mm)處電磁力減小。原因在于α較大時，大行程處形成的環(huán)形側(cè)向磁通較多，所產(chǎn)生的電磁力較大，而小行程處形成的軸向和環(huán)形側(cè)向磁通較少，所產(chǎn)生的電磁力較小。以本規(guī)格樣機0.8 A額定電流為例，當α取16.5°時，曲線較為平坦，在15 mm行程范圍均具有較大的電磁力(均大于65 N)。

圖5 銜鐵和導磁套附近結(jié)構(gòu)參數(shù)圖Fig.5 Structural parameters near armature and flux sleeve

圖6 不同凹槽角度時的行程-力曲線Fig.6 Stroke-force curves under various groove angle

2)導磁套薄壁厚度t是電磁分離機構(gòu)的關(guān)鍵。一方面利用薄壁材料的飽和特性實現(xiàn)磁路隔斷，另一方面利用薄壁實現(xiàn)導磁套左、右兩部分的剛性連接，保證導磁套與其內(nèi)銜鐵的同軸度。圖7給出了不同t時的行程-力曲線。當厚度較小時，行程范圍內(nèi)所產(chǎn)生的電磁力較大。原因在于t較小時的隔磁效果較好，引導大部分磁通從銜鐵內(nèi)部穿過，產(chǎn)生作用于銜鐵上的電磁力。但當厚度較小時需要通過其他方式(如焊銅的方法)實現(xiàn)導磁套的剛性連接，工藝復雜度和成本均較高。為此，可采用一定厚度薄壁的整體式導磁套來平衡結(jié)構(gòu)工藝和隔磁性能的要求(如本規(guī)格樣機中t為0.5 mm)。

圖7 不同薄壁厚度時的行程-力曲線Fig.7 Stroke-force curves under various thin-wall thickness

3)銜鐵端面形狀是電磁分離機構(gòu)的設(shè)計要點。圖8給出了錐面、梯形臺面和平面3種不同銜鐵端面形狀時的行程-力曲線。與錐面銜鐵相比，梯形臺面和平面銜鐵的設(shè)計更有利于提高電磁力，原因在于梯形臺面和平面銜鐵所形成的環(huán)形側(cè)向磁通均較多，所產(chǎn)生的電磁力較大。而梯形臺面銜鐵與平面銜鐵相比力特性基本相近，但在小行程處電磁力略大。因此采用梯形臺面銜鐵的結(jié)構(gòu)設(shè)計更有利于形成大行程范圍(本規(guī)格中為15 mm)內(nèi)的水平推力特性。

圖8 不同端面形狀時的行程-力曲線Fig.8 Stroke-force curves under various terminal shape

此外，基于數(shù)學模型，在一定的結(jié)構(gòu)尺寸范圍內(nèi)，針對大行程范圍內(nèi)的水平推力特性要求，對銜鐵直徑、線圈等參數(shù)進行了仿真分析，獲得優(yōu)化參數(shù)，研制大推程電磁分離機構(gòu)的原型樣機(圖9)，關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)見表1。

1.殼體 2.線圈繞組 3.端蓋 4.導磁套5.襯套支撐座 6.銜鐵 7.推桿圖9 大推程電磁分離機構(gòu)原型樣機Fig.9 Prototype of large extending stroke electromagnetic separable mechanism

3 實驗研究

基于搭建的測試系統(tǒng)[18]，對該原型樣機進行測試(圖10)，獲得靜態(tài)行程-力特性。電磁分離機構(gòu)的行程-力特性如圖11所示，①和③分別為0.8 A和0.4 A電流時沿與電磁吸力相反方向(以下稱回程)進行測試的行程-力曲線，②和④分別為0.8 A和0.4 A電流時沿與電磁吸力相同方向(以下稱推程)進行測試的行程-力曲線。

表1 大推程電磁分離機構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)Tab.1 Key design parameters of large extending stroke electromagnetic separable mechanism

1.LabVIEW系統(tǒng) 2.測試平臺 3.原型樣機 4.直流電源圖10 大推程電磁分離機構(gòu)測試系統(tǒng)Fig.10 Test system of large extending stroke electromagnetic separable mechanism

圖11 實驗曲線與仿真曲線對比Fig.11 Experimental vs.simulation curves

實驗結(jié)果表明：該電磁分離機構(gòu)行程-力特性存在滯環(huán)，滯環(huán)量隨行程的減小而顯著增大(如12 mm處行程的滯環(huán)量為5%，而8 mm處行程的滯環(huán)量增大至10%)，原因在于銜鐵移動過程存在不可避免的摩擦力及鐵磁材料磁滯效應(yīng)，尤其是行程減小時徑向磁通作用下的不平衡徑向電磁力增大，引起的銜鐵摩擦力導致滯環(huán)量顯著增大；曲線②與實際工作情況相符，表明該電磁分離機構(gòu)0.8 A電流激勵時15 mm推程內(nèi)的額定推力均在63 N以上，且除推程末端(2 mm內(nèi))外，推力趨于水平，大行程處的初始力略大于小行程處的末端力，有利于提高大推程電磁分離機構(gòu)的起動力和降低末端沖擊力。

實驗曲線與仿真曲線相比較，回程時電磁吸力與摩擦力相疊加輸出推力，其值大于仿真值；推程時電磁吸力克服摩擦力之后輸出推力，其值小于仿真值，可見仿真曲線介于推程和回程實驗曲線之間，且仿真曲線與實驗結(jié)果的名義曲線基本相近，因此仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，證明仿真模型是可靠的。

為了獲得推程位移響應(yīng)特性，在28 V直流階躍電壓驅(qū)動下，通過激光位移傳感器(Micro-Epsilon公司optoNCDT1700-50LL，采樣率2.5 kHz，比例增益5 mm/V)測量該電磁分離機構(gòu)的推桿位移，實驗結(jié)果如圖12所示。結(jié)果表明：該電磁分離機構(gòu)空載時，15 mm內(nèi)推程位移響應(yīng)時間總共為70 ms，其中推程觸動時間為46 ms，推程運動時間為24 ms。

圖12 推程位移響應(yīng)特性曲線Fig.12 Displacement response curve in extending stroke

4 結(jié)論

1)提出了基于整體式導磁套和梯形銜鐵結(jié)構(gòu)的大推程電磁分離機構(gòu)，研究結(jié)果表明該原型樣機0.8 A電流激勵時15 mm推程內(nèi)的額定推力均在63 N以上，可用于大推程航天電連接器的直接驅(qū)動，具有工程實用價值。

2)建立了該電磁分離機構(gòu)的數(shù)學模型，通過有限元仿真對比分析了不同行程處的磁通分布，探討了行程-力特性及其產(chǎn)生機理，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果基本吻合，證明仿真模型是正確的，通過仿真能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的有限元優(yōu)化分析，為高性能航天電連接器電磁分離機構(gòu)的性能優(yōu)化提供技術(shù)手段和理論支撐。

3)該電磁分離機構(gòu)行程-力特性存在較大滯環(huán)，滯環(huán)量隨行程的減小而顯著增大，理論設(shè)計時滯環(huán)誤差對推程力特性的影響應(yīng)加以考慮。

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The Research on the Electromagnetic Separable Mechanism for Aerospace Electric Connector with Large Extending Stroke

LiYong1，2ZhangCe3ShenYunde1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering Wenzhou University Wenzhou 325035 China 2.The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control Zhejiang University Hangzhou 310027 China 3.Ningbo Hoyea Machinery Manufacture Co.Ltd. Ningbo 315131 China)

Due to requirements of direct drive and compact structure for the electric connector in aerospace engineering，an electromagnetic separable mechanism with large extending stroke based on the integral flux sleeve and the trapezoidal armature was presented.The radial，annular lateral and axial fluxes are formed and coexisted in the above feature，resulting in the horizontal thrust force characteristic within large stroke.Magnetic flux patterns of the mechanism at various strokes were compared and analyzed based on the established mathematic model，and the stroke-force characteristics and its causes were discussed.The effect of the structural parameters，e.g. the groove angle and the thin-wall thickness of the sleeve，the terminal shape of the armature，on the characteristics was obtained.The experimental results are in accordance with the simulation ones.The prototype of the proposed electromagnetic separable mechanism can obtain the rated thrust force of over 63 N within the extending stroke of 15 mm with the exciting current of 0.8 A，which meets the requirement of the direct drive for large extending stroke aerospace electric connector.

Electric connector，electromagnetic separable mechanism，integral flux sleeve，trapezoidal armature，extending stroke

國家自然科學基金(51305305)，浙江省自然科學基金(LQ13E050010)和流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金(GZKF-201307)資助項目。

2014-11-24 改稿日期2014-12-29

TM574

李 勇 男，1982年生，博士，講師，研究方向為電磁控制元件技術(shù)。(通信作者)

張 策 男，1981年生，碩士，工程師，研究方向為液壓系統(tǒng)及元件設(shè)計。